PLAN WYKŁADU

1. Przedmiot FIZYKA II MEiL ZNK319 Poziom studiów: niestacjonarne II stopnia w języku polskim Prowadzący: dr inż. Cezariusz Jastrzębski, Gmach Fizyki p.136 lub p.3b Kryteria oceny: kolokwium zaliczeniowe Bibliografia: D. Halliday, R. Resnick, J. Walker, „Podstawy fizyki”, tom 4, PWN, Warszawa 2003.Materiały na stronie http://efizyka.if.pw.edu.pl/twiki/bin/view/Efizyka/PodstawyFotonikiM.Karpierz, „Podstawy fotoniki”, Lecture Notes, Centrum Studiów Zaawansowanych Politechniki Warszawskiej 2009.   PLAN WYKŁADU Fale elektromagnetyczne. Fale monochromatyczne. Równania Maxwella. Widmo fal elektromagnetycznych. Widzenie światła. Energia i pęd fali. Interferencja. Nakładanie się fal. Przykłady interferometrów. Spójność czasowa i przestrzenna. Koherentna tomografia optyczna. Interferencja w cienkich warstwach. Kryształy fotonowe. Dyfrakcja. Ugięcie fal w ujęciu Huygensa-Fresnela i Younga-Rubinowicza. Dyfrakcja Fresnela i Fraunhofera. Siatki i przesłony dyfrakcyjne. Zdolność rozdzielcza. Strefy Fresnela. Optyka fourierowska. Optyczne metody poprawiania obrazu. Holografia.

2. Rozchodzenia się światła w ośrodkach materialnych. Współczynnik załamania. Załamanie i odbicie fal na granicy ośrodków. Całkowite wewnętrzne odbicie. Zjawisko tunelowe. Dyspersja. Model Lorentza. Prędkość rozchodzenia się impulsów. Prędkości "nadświetlne". Rozpraszanie. • Ujemne załamanie.Supersoczewka. Ukrywanie obiektów. Metamateriały. Oddziaływanie światła z metalami. Model Drudego. Właściwości dyspersyjne kryształów fotonowych. • Dwójłomność optyczna. Polaryzacja światła. Polaryzacja światła przez odbicie. Ośrodki anizotropowe. Promienie zwyczajny i nadzwyczajne. Zjawiska elektro-, magneto-, i elastooptyczne. Budowa i właściwości ciekłych kryształów. Displeje ciekłokrystaliczne. Kryptografia kwantowa. • Źródła i detektory światła. Oddziaływanie światła z materią. Absorpcja i emisja. Zasada działania i budowa laserów. Półprzewodnikowe elementy optoelektroniczne. • Nieliniowość optyczna. Mechanizmy nieliniowości. Zjawiska optyki nieliniowej: generacje częstotliwości, wzmacnianie parametryczne, samoogniskowanie, solitony optyczne. Generacja superkontinuum. • Światłowody. Budowa i właściwości światłowodów. Rodzaje światłowodów i metody ich wytwarzania. Elementy światłowodowe.Telekomunikacja światłowodowa. Czujniki światłowodowe. Światłowody fotoniczne.

3. FALE

4. Równanie falowe Zaburzenie przemieszcza się z punktu O do O' bez zmiany kształtu. dla t=0 f(x,t) = f(x) dla dowolnej chwili t, f(x,t)=f(x-vt) gdyby zaburzenie poruszało się w przeciwnym kierunku mielibyśmy f(x,t)=f(x+vt)

12. Fale elektromagnetyczne - początki • W 1865 James Clerk Maxwell stworzył teorię matematyczną, która łączyła elektryczność i magnetyzm, • Wyjaśniała istniejące eksperymenty przy pomocy elektromagnetyzmu, • … i stworzyła nowe perspektywy.

16. Fale elektromagnetyczne • Fale EM to fale, które nie wymagają materii do transportu energii. • Fale EM w przeciwieństwie do dźwięku i fal wodnych, nie wymagają ośrodka. • Fale EM mogą przemieszczać się w próżni. • Wszystkie fale EM podróżują z prędkością x

17. Fale elektromagnetyczne - odkrycie • Fale EM przepowiedziane przez Maxwella zostały odkryte w 1887r. przez Heinricha Hertza. • Zastosował on obwód LC z alternatywnym źródłem. • Jego odkrycie zostało wykorzystane przez Marconiego (Radio)

18. Fale elektromagnetyczne - odkrycie L + - C Qmax S • Podstawowy obwód LC Hertz’a • Kiedy przełącznik jest zamknięty, oscylacje zachodzą w natężeniu prądu i w ładunku na kondensatorze. • Kiedy kondensator jest naładowany, całkowita energia obwodu jest magazynowana w polu elektrycznym kondensatora. – W tym momencie natężenie wynosi zero i nie ma energii w cewce indukcyjnej.

19. Fale elektromagnetyczne - odkrycie • Gdy kondensator rozładowuje się, zmniejsza się energia zmagazynowana w polu elektrycznym. • W tym samym czasie, rośnie natężenie i zwiększa się energia zmagazynowana w polu magnetycznym. • Kiedy kondensator rozładuje się całkowicie, w jego polu elektrycznym nie ma energii. • Natężenie osiąga wartość maksymalną i cała energia jest zmagazynowana w polu magnetycznym cewki indukcyjnej. • Proces zachodzi ponownie w przeciwnym kierunku. • Zachodzi ciągły transfer energii pomiędzy cewce indukcyjnej a kondensatorem.

20. Układ eksperymentalny Hertza Nadajnik Wejście Odbiornik Cewka indukcyjna • Kiedy częstotliwość rezonansu nadajnika i odbiornika są zgodne, zachodzi między nimi transfer energii • Cewka indukcyjna jest połączona z dwiema dużymi kulami tworząc kondensator • Oscylacje są inicjowane przez krótkie impulsy napięcia • Induktor i kondensator tworzą nadajnik

21. Wnioski Hertza • Hertz wysnuł hipotezę, że transfer energii był w formie fal • Teraz te fale są znane jako fale elektromagnetyczne • Hertz potwierdził teorię Maxwella poprzez udowodnienie istnienia fal posiadających wszystkie właściwości fal świetlnych • Miały inne częstotliwości i długości fal • Hertz zmierzył prędkość fal wychodzących z nadajnika • Użył fal by utworzyć prążki interferencyjne i obliczył długość fali, zv = f λ, obliczonov (bardzo bliskie prędkości światła) • To dostarczyło dowody na poparcie teorii Maxwella

22. Fale EM emitowane przez antenę • Kiedy naładowana cząstka ulega przyspieszeniu musi wydzielać energię • Jeśli prądy w obwodach ac zmieniają się gwałtownie część energii jest tracona w formie fal EM • Fale EM są generowane przez każdy obwód prowadzący prąd zmienny • Prąd zmienny przyłożony do kabli anteny wymusza ładunek elektryczny w antenie w celu oscylacji

23. EM wavesemitted by antenna • Because the oscillatingcharges in the rod produce a current, thereisalso a magnetic field generated • As the currentchanges, the magnetic field spreads out from the antenna

24. Fale elektromagnetyczne • Linie pola elektrycznego ładunku punktowego oscylują w prostym ruchu harmonicznym (podczas jednego okresu T). • Strzałka pokazuje jedno zagięcie linii pola elektrycznego w trakcie jego propagacji z ładunku punktowego. • Ich pole magnetyczne (nie pokazane na rysunkach) składa się z kół, które leżą w płaszczyznach prostopadłych do tych figur, i ponadto tworzą okręgi koncentryczne z osią oscylacji.

27. Fale elektromagnetyczne • Światło widzialne400 -700 nm – jedyna forma fali elektromagnetycznej widzialna dla ludzkiego oka. • Ultrafiolet – powoduje ciemnienie naszej skóry(opalenizna), a w skrajnym przypadku powoduje jej uszkodzenie.Warstwa ozonowa chroni nas przed większością promieniowania UV pochodzącego ze Słońca. • Promieniowanie X– te fale EM przechodzą przez większość materii. Nie przechodzą jednak przez kości, co pozwala stwierdzić czy kość jest złamana. • Promieniowanie Gamma – te fale EM są bardzo przenikliwe i mogą doprowadzić do poważnego uszkodzenia komórek. • Podczerwone – te fale są odpowiedzialne za odczuwane przez nas ciepło. Pociski wyposażone w sprzęt do wykrywania ciepła są w stanie wykryć źródła podczerwieni tj. czołgi czy samoloty. • Mikrofale– te fale są używane domyślnie do podgrzewania jedzenia. Kiedy przechodzą one przez jedzenie, powodują wibrację cząstek co skutkuje ogrzaniem pożywienia. Mikrofale są również używane w komunikacji. • Fale radiowe– te fale zawierają w sobie zarówno fale telewizyjne jak i radiowe. Transmitowane sygnały są przechwytywane przez urządzenia wyposażone w anteny.

28. Światło – fala elektromagnetyczna czy cząstka? • cząstka (foton) - Isaac Newton (1642-1727) • fala EM - Huygens (1629-1695) • Fresnel(1788-1827) • dualizm- dualizm korpuskularno-falowy, De Broglie (1924) Model falowy- teoria elektromagnetyzmu Model fotonowy- elektrodynamika kwantowa

31. Eyes– natural EM detectors • The retina contains two major types of light-sensitive photoreceptor cells used for vision: the rods and the cones.

32. Eyes– natural EM detectors • Cones • function best in relatively bright light, • less sensitive to light than the rod cells, • allow the perception of color. • Arealso able to perceive finer detail and more rapid changes in images (response times to stimuli are faster than those of rods), • We have three kinds of cones withdifferent response curves and thus respond to variation in color in different ways (trichromaticvision). • Rods • cannot distinguish colours, • responsible for low-light, monochrome (black&white) vision, • they work well in dim light as they contain a pigment (but saturates at higher intensities).

33. Eyes– natural EM detectors Normalised intensity [a.u.] Wavelength [nm]

35. Ćwiczenie: dobór soczewek do wady oka. Oko widzi wyraźnie (przy rozluźnionych mięśniach gałki ocznej) z odległości 30cm. Jakie okulary (o jakiej zdolności skupiającej) należy dobrać aby oko widziało wyraźnie z odległości 25cm.