1 Podstawy fotoniki Wykład 7 optoelectronics -koherencja (spójność) światła - wzmacniacz optyczny - laser.

Prezentacja na temat: "1 Podstawy fotoniki Wykład 7 optoelectronics -koherencja (spójność) światła - wzmacniacz optyczny - laser."— Zapis prezentacji:

1 1 Podstawy fotoniki Wykład 7 optoelectronics -koherencja (spójność) światła - wzmacniacz optyczny - laser

2 2 optoelectronics Koherencja - spójność światła światło naturalne (np. termiczne ma charakter przypadkowy ponieważ jest sumą (superpozycją) emisji bardzo dużej liczby niezależnych atomów emitujących różne częstotliwości i różne fazy. Przypadkowość może też wynikać z rozpraszania na nierównych powierzchniach, dyfuzji w ośrodkach niejednorodnych. Badaniami przypadkowych fluktuacji światła zajmuje się teoria koherencji optycznej Światło koherentne to np fala monochromatyczna: zależność czasowa fronty falowe powierzchnie stałej fazy y

3 3 optoelectronics Koherencja - spójność światła Dla światła przypadkowego zależność funkcji falowych od czasu i przestrzeni nie jest jawnie określona i dla ich opisu trzeba odwoływać się do metod statystycznych. zależność czasowa fronty falowe powierzchnie stałej fazy y

4 4

5 5

6 6 interferencja dla dwóch częściowo koherentnych fal: g 12 to znormalizowana funkcja korelacji Pole świetlne określimy jako spójne gdy występuje korelacja fazowa między wartościami natężenia pola

7 7 -zdolność do interferencji, charakteryzowana widzialnością (kontrastem) prążków interferencyjnych Spójność światła Koherencja jest ograniczona, | 12 | <1, gdy fale: 1)nie są idealnie monochromatyczne 2)nie mają idealnie stałych faz

8 8 Interferencja dwóch fal spójnych prowadzi do prążków interferencyjnych

9 9 Fale z dwóch źródeł są początkowo w fazie. Interferencja konstruktywna zachodzi jeżeli: d 2 - d 1 = n n = 0, 1, 2, 3,..... ---------------------------------- Różnica musi być całkowitą wielokrotnością długości fali

10 10 Interferencja a Koherencja Koherencja: fale (fotony) posiadają zdefiniowane relacje fazowe. Ta właściwość opisywana jest w pojęciach koherencji czasowej i przestrzennej koherencja brak koherencji

11 11

12 Interferencja konstruktywna zachodzi gdy fale są w fazie, a wierzchołki i doliny nakładają się.

13 Interferencja destruktywna zachodzi gdy fale są w przeciw-fazie.

14 14 Dyfrakcja na dwóch szczelinach i interferencja

15 15

16

17

18

19 19

20 20 I(r,t) = IU(r,t)I 2 I(r,t) = Natężenie światła spójnego: Natężenie światła przypadkowego : Chwilowe wartości natężenia lU(r,t)l 2 zmieniają się, ale ich średnia jest stała

21 21 Koherencja czasowa: funkcja czasowej koherencji znormalizowana funkcja korelacji jest miarą czasowej korelacji między U(t) a U(t+ ) opisuje zdolność do interferencji

22 22 g( ) maleje wraz ze wzrostem i dla długich czasów tracimy koherencje. Czas c po którym wartość g( ) spadnie do 1/e nazywamy czasem koherencji. Dla światła monochromatycznego harmonicznego c = Droga koherencji l c = c c Czas koherencji jest związany z szerokością spektralną światła

23 23 Światło słoneczne jest niespójne ponieważ pasmo emisji (termicznej) jest bardzo szerokie. Lasery pozwalając uzyskać czasy spójności rzędu sekundy.

24 24 Koherencja przestrzenna funkcja koherencji przestrzennej dla światła w dwóch różnych punktach przestrzeni r 1 i r 2: przy założeniu stałego

25 25 v c (Hz) c l c Światło słoneczne 4*10 14 2,7 fs0,8 m LED1,5*10 13 67 fs20 m Lampa sodowa5*10 11 2 ps600 m Laser He-Ne 1.5*10 9 670 ps20 cm Laser He-Ne 1 mod1*10 5 1 s300 m

26 26 a) dwie wiązki interferują w czasie t

27 27 Pytanie: Jak zbadać spójność światła? Odpowiedź: Badając jego zdolność do interferencji czasowejczasowej przestrzennejprzestrzennej

28 28 Konieczne 2 fale - monochromatyczne - o dobrze określonej fazie (problem spójności) Otrzymywanie przez: a)dzielenie frontu falowego – np. szczeliny b)dzielenie natężeń (amplitud) – np. płytki światłodzielące Ad b) Interferometr Michelsona Ad a) doświadczenie Younga

29 29 Interferometr Michelsona do pomiaru spójności czasowej Albert A. Michelson Nagroda Nobla z fizyki w 1907 1852 – 1931 Urodzony w Strzelnie Interferometr Michelsona z 1890 r. z Clark University w Worcester

30 30 Interferometr Michelsona do pomiaru spójności czasowej L = 2(L 2 – L 1 ) t = L/c rozdzielacz WE opóźnienie zwierciadło L1L1 L2L2 WY interferencja?

31 31 amplitude-splitting interferometer

32 32 Interferometr Michelsona do pomiaru spójności czasowej

33 33

34 34

35 35 Prążki kołowe: zwierciadła równoległe Paski: odchylenie zwierciadła

36 36 Interferometr Michelsona do pomiaru spójności czasowej

37 37 S P Podstawowe doświadczenia nad interferencją światła doświadczenie Younga gdy I 1 = I 2 = I I(P) = I max = 4I interferencja konstruktywna I min = 0 interferencja destruktywna gdy tylko jedna droga – brak prążków (światło + światło = ciemność !!!) I(P) = I 1 +I 2 +2 I 1 I 2 cos SP

38 38 Interferometr Younga - spójność przestrzenna Thomas Young 1773-1829

39 39 Interferometr Younga - spójność przestrzenna

40 40

41 41 Zastosowania pomiary interferometryczne bezdotykowe (odległości, przemieszczenia, zmiany w czasie,...) Np. interferometr gwiezdny Michelsona pomiar rozmiarów gwiazd

42 42 Detektor fal grawitacyjnych – exp. VIRGO

43 43 warstwy antyodblaskowe (interferencja destruktywna obu odbitych wiązek) + cienkie warstwy, + lustra i filtry dielektryczne n2n2 n0n0 n1n1 Współcz. odbicia od granicy powietrze-szkło z warstwą antyrefleksyjną optymalizowaną dla światła widzialnego R [%] W. Gawlik Optyka 2006/2007

44 44 KONIEC

45 45 superpozycja fal jest możliwa tylko, gdy ciągi falowe się przekrywają gdy ciąg ma ograniczoną długość – interferencja jest ograniczona – kontrast prążków jest ograniczony Charakterystyki spójności: długość koherencji - czas trwania ciągu falowego (ew. długość impulsu świetlnego ), czas między zderzeniami, czas życia wzbudzonego stanu atomowego, stała czasowa zaniku energii promieniującego atomu czas koherencji rejon, w którym możliwa interferencja typowe czasy źródeł termicznych t 1 ns co daje l 30 cm dla laserów l wiele km

46 46 DYFRAKCJA to każde zakrzywienie biegu światła w sposób inny niż ugięcie bądź załamanie