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. (1858 Kilonia - 1947)

Albert Einstein (1879 Ulm- 1955)

William Henry Bragg (1862 - 1942), William (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 – , Gėrard Morou and 2017 – , Barry C. Barish and Kip S. Thorne 2016 - David J. Thouless, F. Duncan M. Haldane, J. Michael Kosterlitz 2015 – , Arthur McDonald 2014 – Eric Betzig, Stefan W. Hell, Wiliam E. Moerner (chemia) 2014 – , , 2013 - François Englert and Peter W. Higgs 2012 - and David J. Wineland 2011 - , Brian P. Schmidt and Adam G. Riess 2010 - Andre Geim and 2009 - Charles K. Kao, Willard S. Boyle, George E. Smith 2008 - , Makoto Kobayashi, 2007 - , 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, 2003 - Alexei A. Abrikosov, Vitaly L. Ginzburg, Anthony J. Leggett 2002 - Raymond Davis Jr., , 2001 - Eric A. Cornell, , Carl E. Wieman 2000 - Zhores I. Alferov, , Jack S. Kilby 1999 - Gerardus 't Hooft, Martinus J.G. Veltman ostatnie 20 lat nagrody Nobla z fizyki

The in Physics 2001 "for the achievement of Bose-Einstein condensation in dilute gases of alkali , 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 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 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 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