Podstawy Fizyki III: Optyka z elementami fizyki współczesnej
wykład: Piotr Wasylczyk pokazy: Łukasz Zinkiewicz + asysta ćwiczenia: Michał Karpiński
Informacje praktyczne: nieobowiązkowy wykład (z wycieczkami i aktywnością słuchaczy) i ćwiczenia do wykładu 2 kolokwia: 18.11.2019, godz. 9.30-12.30 13.01.2020, godz. 9.30-12.30 egzamin pisemny – zadania egzamin ustny – przekonanie wykładowcy, że wiem co nieco o optyce
Terminarz: egzamin pisemny: 03.02.2020, godz. 9:30 egzamin ustny: 05-06.02.2020, godz. 10-17 egzamin poprawkowy: pisemny 19 lutego, ustny 21 lutego. Cele wykładu:
1. Zrozumieć optykę na poziomie potrzebnym do pracy w laboratorium optycznym i wystarczającym do dalszych studiów – czytać ze zrozumieniem katalog Thorlabsa. 2. Zobaczyć, co ciekawego można robić w optyce na Wydziale Fizyki UW (i trochę poza Wydziałem). 3. Zrozumieć, co jest ważne i potrzebne w sensownym planowaniu kariery naukowej (nie tylko w optyce).
Księga Rodzaju, rozdział 1:
1. Na początku stworzył Bóg niebo i ziemię. 2. A ziemia była niekształtowna i próżna, i ciemność była nad przepaścią, a Duch Boży unaszał się nad wodami. 3. I rzekł Bóg: Niech będzie światłość; i stała się światłość.
dzięki światłu oglądamy rzeczy duże
Photo credit: NASA (2)
... i rzeczy małe
Photo credit: British
Scoiety
of
Immunology
Empedokles (492 p.n.e. Agrigento (Sycylia) – ok. 430 p.n.e)
- 4 pierwiastki/żywioły (ziemia, powietrze, ogień, woda); światło budowane jest z ognia, wychodzi z oka i umożliwia widzenie, Słońce pełni jedynie rolę pomocniczą w procesie widzenia - kwintesencja, budulec niebios - BEC - skończoność prędkości światła
Platon (427 p.n.e. -347 p.n.e.)
- teoria oddziaływania światła pochodzącego z oka i światła słonecznego: oba tworzą kanał, dzięki któremu informacje docierają do duszy
Euklides (ok. 365 p.n.e. - ok. 300 p.n.e.)
- dalszy ciąg teorii „dwóch świateł” - światło porusza się po liniach prostych
Ptolemeusz (ok. 100 - ok. 175)
- załamanie na granicy ośrodków - kąt padania/kąt załamania = const Abu Ali al-Hassan ibn al-Haytham, Alhazen (965 Basra (Irak) - 1038)
- optyka geometryczna - światło jest niezależne od oka - obserwacje zachodu słońca – refrakcja w atmosferze (szacunki grubości 15-40 km) - załamanie – konsekwencja różnic prędkości, skończona prędkość światła
Roger Bacon (1214(?) Ilchester, Somerset - 1292)
- soczewki do zastosowań okularowych - wzmianki o przyrządach optycznych (teleskop, mikroskop) - tęcza jako wynik refrakcji - skończona prędkość światła
Vitelon (Erazm Ciołek) (ok. 1230 Legnica(?) - między 1280 a 1314)
- prostoliniowe rozchodzenie się światła, odbicie, rozpraszanie, załamanie - świetlne zjawiska meteorologiczne - psychologiczne i fizjologiczne aspekty widzenia
Leonardo da Vinci (1452 Vinci- 1519)
- wzmianki o teleskopie zwierciadlanym - budowa oka jako przyrządu obrazującego
Hans i Zachariasz Janssen (ok. 1580 – ok. 1638) 1590 - mikroskop optyczny
Galileusz (1564 Piza -1642) - teleskop
Kartezjusz (1596 La Haye-en-Touraine – 1650) - prawo odbicia - światło jako tendencja ruchu w plenum
Willebrord van Roijen Snell (1580 Leida – 1626) - prawo załamania
Pierre de Fermat (1601 Beaumont-de-Lomagne – 1665) - prawo najkrótszego czasu przelotu
Erasmus Bartholin (1625 Roskilde –1698) - obserwacje dwójłomności Experimentia Crystalli Islandici Disdiaclastici (1669)
Issac Newton (1643 Woolsthorpe-by-Colsterworth – 1727) - widmo światła białego (kolory, ich widzenie i rozumienie) - Opticks (1704)
Christiaan Huygens (1629 Haga - 1695) - Traite de la Lumiere (1679)
Leonhard Euler (1707 Bazylea - 1783) - światło jako fale w eterze - Lettres a une princesse d’Allemagne
Fresnel, Poisson, Arago
Michael Faraday (1791 Newington Butts - 1867)
Thomas Young (1733 Milverton- 1829)
James Clerk Maxwell (1831 Edinburgh - 1879 )
John William Strutt, 3rd Baron Rayleigh (1842 Langford Grove- 1919) Christiaan Huyghens (1629-1695)
PREFACE s happens in all the sciences in which Geometry is applied to matter, the demonstrations concerning Optics are founded on truths drawn from experience. Such are that the rays of light are propagated in straight lines; that the angles of reflexion and of incidence are equal; and that in refraction the ray is bent according to the law of sines, now so well known, and which is no less certain than the preceding laws.
C. Huyghens, Treatise on Light Pomiary prędkości światła
1638, Galileusz – idea pomiaru, c>30 000 m/s 1673, Huygens – skończona prędkość 1676, Romer – promień orbity Ziemi /22 minuty 1686, Newton, Principia – Słońce-Ziemia /10 minut 1704, Newton, Opticks – Słońce-Ziemia /7-8 minut
Od 1967: 1 sekunda = czas trwania 9 192 631 770 okresów drgań promieniowania odpowiadającego przejściu pomiędzy dwoma poziomami nadsubtelnymi w stanie podstawowym atomu cezu 133.
Od 1983: metr = odległość jaką przebywa światło w próżni w czasie 1/299,792,458 sekundy. Max Planck (1858 Kilonia - 1947)
Albert Einstein (1879 Ulm- 1955)
William Henry Bragg (1862 - 1942), William Lawrence Bragg (1890 - 1971)
Edwin H. Land (1909 Bridgeport, CT - 1991)
Richard Feynman (1918 Far Rockaway, NY- 1988) – pogodzić fale i cząstki
Dennis Gabor (1900 Budapeszt - 1979) - holografia
Laser – T. Maiman (1960)
Kondensat Bosego-Ensteina (BEC) – Cornell, Wieman (1995)
Optyka "dyfrakcyjna", spójność światła, kontrast fazowy – Zernike
Optyka kwantowa – Glauber, Fock, Zeilinger, Walmsley, Wódkiewicz, Banaszek ostatnie 20 lat nagrody Nobla z fizyki (chemii)
2018 – Arthur Ashkin, Gėrard Morou and Donna Strickland 2017 – Rainer Weiss, Barry C. Barish and Kip S. Thorne 2016 - David J. Thouless, F. Duncan M. Haldane, J. Michael Kosterlitz 2015 – Takaaki Kajita, Arthur McDonald 2014 – Eric Betzig, Stefan W. Hell, Wiliam E. Moerner (chemia) 2014 – Isamu Akasaki, Hiroshi Amano, Shuji Nakamura 2013 - François Englert and Peter W. Higgs 2012 - Serge Haroche and David J. Wineland 2011 - Saul Perlmutter, Brian P. Schmidt and Adam G. Riess 2010 - Andre Geim and Konstantin Novoselov 2009 - Charles K. Kao, Willard S. Boyle, George E. Smith 2008 - Yoichiro Nambu, Makoto Kobayashi, Toshihide Maskawa 2007 - Albert Fert, Peter Grünberg 2006 - John C. Mather, George F. Smoot 2005 - Roy J. Glauber, John L. Hall, Theodor W. Hänsch 2004 - David J. Gross, H. David Politzer, Frank Wilczek 2003 - Alexei A. Abrikosov, Vitaly L. Ginzburg, Anthony J. Leggett 2002 - Raymond Davis Jr., Masatoshi Koshiba, Riccardo Giacconi 2001 - Eric A. Cornell, Wolfgang Ketterle, Carl E. Wieman 2000 - Zhores I. Alferov, Herbert Kroemer, Jack S. Kilby 1999 - Gerardus 't Hooft, Martinus J.G. Veltman ostatnie 20 lat nagrody Nobla z fizyki
The Nobel Prize in Physics 2001 "for the achievement of Bose-Einstein condensation in dilute gases of alkali atoms, and for early fundamental studies of the properties of the condensates"
Eric A. Cornel Wolfgang Ketterle Carl E. Wieman 1/3 of the prize 1/3 of the prize 1/3 of the prize USA Germany USA University of Colorado Massachusets Institute of University of Colorado Technology (MIT) ostatnie 20 lat nagrody Nobla z fizyki
The Nobel Prize in Physics 2005 "for his contribution to the "for their contributions to the development of quantum theory of optical coherence" laser-based precision spectroscopy, including the optical frequency comb technique"
Roy J. Glauber John L. Hall Theodor W. Hänsch 1/2 of the prize 1/4 of the prize 1/4 of the prize USA USA Germany Harvard University University of Colorado Max-Planck-Institut für Quantenoptik ostatnie 20 lat nagrody Nobla z fizyki
The Nobel Prize in Physics 2009 "for groundbreaking achievements concerning the transmission of light "for the invention of an imaging in fibers for optical communication" semiconductor circuit – the CCD sensor"
Charles K. Kao Willard S. Boyle Feorge E. Smith 1/2 of the prize 1/4 of the prize 1/4 of the prize United Kingdom USA USA Standard Telecommunication Bell Laboratories Bell Laboratories Laboratories ostatnie 20 lat nagrody Nobla z fizyki
The Nobel Prize in Physics 2012 "for ground-breaking experimental methods that enable measuring and manipulation of individual quantum systems"
Serge Haroche David J. Wineland ostatnie 20 lat nagrody Nobla z fizyki (chemii)
The Nobel Prize in Chemistry 2014 "for the development of super-resolved fluorescence microscopy"
Eric Betzig Stefan W. Hell William E. Moerner ostatnie 20 lat nagrody Nobla z fizyki
The Nobel Prize in Physics 2017
"for decisive contributions to the LIGO detector and the observation of gravitational waves"
Rainer Weiss Barry Barish Kip S. Thorne ostatnie 20 lat nagrody Nobla z fizyki
The Nobel Prize in Physics 2018 "for groundbreaking inventions in the field of laser physics"
“for the optical tweezers and their “for their method of generating high-intensity, application to ultra-short optical pulses” biological systems”
Arthur Ashkin Gerard Morou Donna Strickland ½ nagrody ½ nagrody równanie falowe 1-D
y - amplituda u – prędkość (?) [m/s] dowód fala biegnąca w kierunku +x to fala biegnąca w kierunku -x to stała faza?
1. podejście „dziecinne”:
2. podejście „dorosłe” zasada superpozycji Równanie falowe
jest liniowe – suma rozwiązań jest także rozwiązaniem
Wtedy:
Uwaga: efekty nieliniowe, np. tzw. nieliniowe r-nie Schrodingera w światłowodach zespolona amplituda fali
diagram Arganda dodawanie fal (drgań) harmonicznych dudnienia, 1 dudnienia, 2
prędkość pojedynczego „serdelka” = prędkość grupowa dudnienia, 3
A()
0
A
x
y
x równanie falowe w 3 wymiarach płaska fala (monochromatyczna)
Stała faza, powierzchnie stałej fazy – fronty falowe.
y A y A y 0
r y (,)rt0 r k A
A
rk fala sferyczna z
r
y
x
3. Rozwiązania sferyczna fala monochromatyczna, c.d.
z
x fala cylindryczna z
z
r y x