Wstp do optyki wspczesnej Krystyna Kolwas Instytut Fizyki

Wstęp do optyki współczesnej Krystyna Kolwas Instytut Fizyki PAN, ON 2. 2 Budynek VIII, pokój 4. www. ifpan. edu. pl/ON-2/on 22/staff/kolwak. html

Wprowadzenie Po co zajmować się optyką? Światło jest nośnikiem prawie całkowitej energii dostępnej na Ziemi • • węgiel, ropa spadająca woda wiatry baterie słoneczne

Wprowadzenie Po co zajmować się optyką? Światło jest nośnikiem prawie całkowitej energii dostępnej na Ziemi Blisko 90% informacji o otoczeniu uzyskiwane jest przez człowieka za pomocą wzroku Wzrok jest najważniejszym zmysłem, jakim dysponujemy Współczesne fascynacje: informatyka kwantowa, fotonika, … + 1, 6 – 2 mln włókien nerwowych

Wprowadzenie Po co zajmować się optyką? Światło jest nośnikiem prawie całkowitej energii dostępnej na Ziemi Wzrok jest najważniejszym zmysłem, jakim dysponujemy Współczesne fascynacje: informatyka kwantowa, fotonika, … 1, 6 – 2 mln włókien informacje pobrane za pomocą 250 – 290 mln receptorów

Wprowadzenie Po co zajmować się optyką? Światło jest nośnikiem prawie całkowitej energii dostępnej na Ziemi Wzrok jest najważniejszym zmysłem, jakim dysponujemy Czułość spektralna naszego oka jest ograniczona do wąskiego pasma: Współczesne fascynacje: informatyka kwantowa, fotonika, … Czułość spektralna oka

Wprowadzenie Po co zajmować się optyką? Światło jest nośnikiem prawie całkowitej energii dostępnej na Ziemi Wzrok jest najważniejszym zmysłem, jakim dysponujemy Współczesne fascynacje: Komputer kwantowy myślący o kocie Schrödingera Informatyka kwantowa: • • qubity, quitrity (spin fotonu, splątanie) kwantowe szyfrowanie informacji (polaryzacja) kwantowa „teleportacja” komputery kwantowe? …… http: //www. iwiedza. net/materialy/m 012. html

Wprowadzenie Po co zajmować się optyką? Światło jest nośnikiem prawie całkowitej energii dostępnej na Ziemi http: //ee. usc. edu/research/photonics_quantum. htm Wzrok jest najważniejszym zmysłem, jakim dysponujemy Współczesne fascynacje: Informatyka kwantowa: • • qubity, quitrity (spin fotonu) komputery kwantowe? kwantowe szyfrowanie informacji …… Fotonika: fotony zastępują elektrony; jedna z najszybciej rozwijających się dziedzin nauki i techniki Plazmonika

Trzy sposoby myślenia o świetle: n n n promienie; optyka geometryczna fale; elektromagnetyzm cząstki: fotony; fizyka kwantów

Program wykładu Wprowadzenie; historia optyki w pigułce Fale elektromagnetyczne Fala płaska Spójność czasowa i przestrzenna Polaryzacja Prędkość grupowa i fazowa; Czy można pokonać prędkość światła? Czy można zatrzymać światło? Interferencja Widmo elektromagnetyczne Skąd się bierze światło Promieniowanie ciała doskonale czarnego Promieniowanie reliktowe Proces widzenia u człowieka Co jest nie tak z żarówką? Fale a cząstki Lasery i podstawy ich działania Optyczne chłodzenie atomów Równania Maxwella Oddziaływanie światła z materią Wielkości mikro- i makroskopowe Funkcje materiałowe z dyspersją czasową i przestrzenną Dyspersja czasowa; model funkcji dielektrycznej Drudego-Lorentza Ujemny współczynnik załamania; metamateriały Rozpraszanie światła Odbicie i rozproszenie światła na granicy ośrodków Fala ewanescentna Rozpraszanie światła przez małe obiekty Teoria rozpraszania Mie, zależność od rozmiaru Dlaczego niebo jest niebieskie… Zjawiska optyczne w nanoskali, plazmony powierzchniowe Rezonanse plazmonowe w nanocząstkach Niezwykłe właściwości optyczne nanodziurek, nanostruktury periodyczne Optyka nieliniowa; przegląd najważniejszych zjawisk Optyka ultrakrótkich impulsów Impulsy światła: częstość a czas: „chip”

Źródła (główne) wykorzystywane w prezentacjach: Rick Trebino (Georgia Institute of Technology): www. physics. gatech. edu/gcuo/lectures/index. html n Wojciech Gawlik (Instutut Fizyki Uniwersytetu Jagielońskiego): www. physics. gatech. edu/gcuo/lectures/index. html n n Wikipedia (polska i angielska) n World Wide Web n ….

Historia optyki: czym jest światło? Hipotezy odnośnie natury światła: 1. Strumień cząstek ? - przenoszenie energii - odbicie - załamanie ale co ze zmianą koloru (kryształy, warstwy, pryzmat)? ? ? polaryzacja, dyfrakcja, interferencja 2. Fale ? znane fale mechaniczne ale te muszą mieć jakiś ośrodek (sprężysty), nie rozchodzą się w próżni, a światło owszem! Co faluje? Koncepcja eteru

Historia optyki: czym jest światło? Co faluje? Koncepcja eteru Eter – hipotetyczny ośrodek, w którym miałyby się rozchodzić światło oraz fale elektromagnetyczne. • wszystkie odkryte dotąd fale rozchodziły się w jakimś ośrodku jako drgania mechaniczne • fale elektromagnetyczne, a także światło (o którym nie wiedziano, że jest falą elektromagnetyczną) nie potrzebowały powietrza do rozchodzenia. Implikacje: istnienie absolutnego układu odniesienia Doświadczenia Michelsona-Morleya: konsekwentnie wykluczały kolejne teoretyczne możliwości istnienia eteru Szczególna Teoria Względności Alberta Einsteina usunęła konieczność istnienia eteru. Konsekwencją teorii jest postać transformacji układu współrzędnych obowiązującej dla ciał w ruchu; zamiast transformacji Galileusza – transformacja Lorentza.

Światło według Starego Testamentu Powiedział tedy Bóg: Niech się stanie światło! I stało się światło. I widział Bóg, że światło było dobre. Wtedy oddzielił Bóg światło od ciemności. fragment Księgi Rodzaju (~XIII-XII wieku p. n. e. ) we współczesnym przekładzie bpa K. Romaniuka

Optyka w Starożytności Najstarsze znalezione miedziane zwierciadła: w grobach faraonów egipskich (1900 BCE). Starożytna Grecja (500 -300 BCE) Piramida w niedaleko Kanun (Egipt), grób faraona Sesostris II Euklides, Heron, Ptolemeusz – widzenie oparte na prawach odbicia (katoptyka), Platon - załamanie w wodzie, teorie widzenia • emanacje – działające bezpośrednio lub pośrednio, przez przekształcenie powietrza, na narząd wzroku (atomiści) • widzenie sprowadzone do swoiście pojętego dotyku: z oczu obserwatora wysyłane jest „coś”, co czuje obiekt widziany • światło istnieje w ośrodku, a jego modyfikacja następuje w wyniku obecności przedmiotu świecącego (Arystoteles)

Światło jako broń (? ) Wcześni historycy greccy i rzymscy donoszą, że Archimedes wyposażył setki ludzi w metalowe zwierciadła by zogniskować światło słoneczne na rzymskich statkach wojennych w bitwie pod Syrakuzami (213 211 BCE). Jest to historia apokryficzna

Optyka w wiekach średnich: Alhazen – ojciec optyki Abu Ali Hasan Ibn al-Hajsam, łac. Alhazen, (965 - 1038). Najwybitniejszy fizyk i astronom ówczesnego świata. Pochodził z miasta Al-Basra w Mezopotamii. Zajmował się: teorią światła, załamywaniem i rozszczepianiem się promieni słonecznych. Tłumaczenia jego książek miały duży wpływ m. in. . na Bacona, Keplera. • Alhazen stwierdził, że przedmioty są widziane bądź dlatego, że same świecą, bądź dlatego, że odbijają promienie światła z innego źródła, które docierają do oka. • Wprowadził pojęcie jasności obiektu lub świecenia (w tłumaczeniach na łacinę te pojęcia określano jako lux i lumen) • Sformułował również prawa odbicia i załamania jako wynik wolniejszego ruchu światła w bardziej gęstych substancjach. • Jego działalność zapoczątkowała astronomię teleskopową

Optyka w wiekach średnich: Witelon, także: Witelo, Vitellio, Vitello Thuringopolonis, Erazm Ciołek (ur. ok. 1230, zm. 1280 -1314) – mnich, fizyk, matematyk, filozof, twórca podstaw psychologii spostrzegania. Urodził się na Dolnym Śląsku, prawdopodobnie w Legnicy. Był on pierwszym szeroko znanym uczonym, piszącym o sobie „in nostra terra, scilicet Polonia” – „z naszej ziemi, to znaczy Polski”, autorem dzieła o optyce i fizjologii widzenia. Rozprawa ta była wznawiana jeszcze kilkaset lat po jego śmierci, znał ją m. in. Leonardo da Vinci i Mikołaj Kopernik. Witelon miał bardzo nowatorskie poglądy na temat anatomii oka i fizjologii widzenia. Bywa on uznawany za twórcę podwalin wiedzy psychologiczno-psychiatrycznej i psychopatologicznej. Jeden z kraterów na Księżycu nazwany jest imieniem Vitello.

Optyka we wczesnych latach 17 ego wieku: Europa Galileusz (Galileo Galilei) (1564 -1642) włoski astronom, astrolog, fizyk i filozof, twórca podstaw nowożytnej fizyki. Obserwował plamy na Słońcu (znane już od dawna Chińczykom, fazy Wenus, Księżyca (prawidłowo rozpoznał formy ukształtowania terenu) oraz zauważył, że Saturn jest wydłużony (jego teleskop był zbyt mały by oddzielić pierścień od tarczy planety). Galileo Galilei (1564 -1642) Rysunki księżyca wykonane przez Galileusza

Optyka we wczesnych latach 17 ego wieku: Europa Galileusz (Galileo Galilei) (1564 -1642) włoski astronom, astrolog, fizyk i filozof, twórca podstaw nowożytnej fizyki. Obserwował plamy na Słońcu (znane już od dawna Chińczykom, fazy Wenus, Księżyca (prawidłowo rozpoznał formy ukształtowania terenu) oraz zauważył, że Saturn jest wydłużony (jego teleskop był zbyt mały by oddzielić pierścień od tarczy planety). Teleskopy Galileusza Odkrycie teleskopu należałoby przypisać raczej trzem innym osobom: Janowi Lippershey, Zachariaszowi Janssen (obydwaj byli wytwórcami okularów) oraz Jakubowi Adrianszoon. Trzeba znów podkreślić ogromny wpływ Alhazana, którego działalność uznać można za początek astronomii teleskopowej.

Willebrord Snell (1580 - 1626) znany także jako Snellius lub Snel van Royen holenderski astronom i matematyk. Najbardziej znany ze swojego prawa załamania, sformułowanego na podstawie przeprowadzonych eksperymentów q 1 n 1 q 2 ni jest współczynnikiem załamania Willebrord Snell (1591 -1626) Prawo Snella: promienie padający i załamany oraz normalna do granicy ośrodków leżą w jednej płaszczyźnie, a kąty spełniają zależność:

Optyka w XVII wieku: Kartezjusz (fr. René Descartes, francuski matematyk, filozof i fizyk, jeden z najwybitniejszych uczonych XVII w. , uważany za prekursora nowożytnej kultury umysłowej. Descartes uważał, że światło musi przypominać dźwięk. Opisywał więc światło jako zmiany ciśnienia w ośrodku (eter). Rene Descartes (1596 -1659)

Christiaan Huygens (1629 -1695) holenderski matematyk, fizyk oraz astronom Jego doświadczenia potwierdzały teorię o falowej naturze światła. Badał również zjawisko załamania światła w różnych materiałach, zauważył, że światło zwalnia po przejściu do ośrodka gęstszego. Objaśnił zjawisko polaryzacji i podwójnego odbicia. Zasada Huygensa: każdy punkt ośrodka, do którego dotarło czoło fali można uważać za źródło nowej fali kulistej. Fale te interferują ze sobą. Wypadkową powierzchnię falową tworzy powierzchnia styczna do wszystkich powierzchni fal cząstkowych i ją właśnie obserwujemy w ośrodku. Christiaan Huygens (1629 -1695) Podwójne odbicie

Isaac Newton Sir Isaac Newton (1643 -1727, 1642 - 1727 (jul. )), angielski fizyk, matematyk, astronom, filozof, historyk, badacz Biblii i alchemik. Pokazał, że pryzmat może rozszczepić białe światło w widmo barw, że soczewka i drugi pryzmat umożliwiają ponownie uzyskanie białego światła z kolorowego widma. Na tej podstawie wywnioskował, że każdy refraktor (teleskop soczewkowy) będzie posiadał wadę polegającą na rozszczepieniu światła (aberracja chromatyczna). Aby uniknąć tego problemu zaprojektował własny typ teleskopu wykorzystujący zwierciadło zamiast soczewki znany później jako teleskop Newtona (teleskop zwierciadlany). popierał koncepcję korpuskularną! Niektórzy uważają, że autorytet Newtona opóźnił rozwój teorii falowej światła o 100 lat Isaac Newton (1642 -1727)

Wiek XVIII i XIX: Thomas Young (1773 -1829) – angielski fizyk i lekarz fizjolog. Genialne dziecko (nauczył się czytać już w wieku 2 lat). Znał 14 języków. Miał swój wkład w rozumienie widzenia, światła, mechaniki, energii, fizjologii i egiptologii. Wychodząc z doświadczeń Malusa nad polaryzacją światła stwierdził, że fale świetlne są falami poprzecznymi. Na tej podstawie wytłumaczył powstawanie pierścieni Neptuna i znalazł jako pierwszy przybliżone wartości długości fal świetlnych. Young tłumaczył ugięcie światła jako efekt interferencji między falami światła przechodzącymi przez otwór (przedmiot) uginający, a falami odbitymi od brzegów. Schemat doświadczenia Younga

18 th and 19 th century Optics: Augustin Jean Fresnel (1788 -1827) francuski inżynier i fizyk. Odkrył i wyjaśnił polaryzację kołową i eliptyczną światła; wytłumaczył zjawisko skręcenia płaszczyzny polaryzacji; zbadał zjawisko przechodzenia światła przez granicę dwóch dielektryków; opracował teorię dwójłomności kryształów i aberracji rocznej światła gwiazd; przeprowadził doświadczenia nad wpływem ruchu Ziemi na zjawiska optyczne, co stało się podstawą elektrodynamiki poruszających się ciał i szczególnej teorii względności. Augustin Fresnel (1788 -1827)

18 th and 19 th century Optics: Augustin Jean Fresnel (1788 -1827) francuski inżynier i fizyk. Porównanie grubości soczewek: Fresnela (1) i tradycyjnej (2) o takich samych ogniskowych Soczewka starego reflektora latarni morskiej Stilo w muzeum w latarni Rozewie Augustin Fresnel (1788 -1827) Głośne stało się jego otwarte przyznanie pierwszeństwa Georgesowi Buffonowi w kwestii stworzenia pomysłu soczewki Fresnela.

James Clerk Maxwell (1831 -1879) szkocki fizyk teoretyk i matematyk. Był autorem wielu wybitnych prac z zakresu elektrodynamiki, kinetycznej teorii gazów, optyki i teorii barw. James Clerk Maxwell (1831 -1879) H E H E H Z równań tych Maxwell wywnioskował, że zmienne pole elektryczne w próżni wywołuje zmienne pole magnetyczne a zmienne pole magnetyczne wywołuje zmienne pole elektryczne. Zmiany te, to fala elektromagnetyczna, rozchodzą się z prędkością: Jest to prędkość światła. Fala elektromagnetyczna przewidziana przez Maxwella została odkryta przez H. Hertza w 1888.

James Clerk Maxwell (1831 -1879) szkocki fizyk teoretyk i matematyk. Był autorem wielu wybitnych prac z zakresu elektrodynamiki, kinetycznej teorii gazów, optyki i teorii barw. James Clerk Maxwell (1831 -1879) „Chyba nie można uniknąć wniosku, że światło polega na poprzecznym falowaniu tego samego ośrodka, który wywołuje zjawiska elektryczne i magnetyczne”.

Michelson & Morley Albert Abraham Michelson (1852 Strzelno, Kujawy, - 1931) – amerykański fizyk. Własnoręcznie skonstruowanym interferometrem pokazał, że wzorzec metra (Paryż) jest równoważny 1 553 163, 5 długości fal czerwonego światła kadmu (nagroda Nobla 1907 r. ) Wraz z Morlayem przeprowadził eksperyment dowodzący, że prędkość światła nie zależy od ruchu Ziemi (o wschodzie i o zachodzie światło Albert Michelson Edward Morley napływa od Słońca z tą samą prędkością). (1852 -1931) (1838 -1923) Doświadczenie pokazało, że prędkość Ziemi względem eteru jest 0, co praktycznie dowodziło braku eteru. Negatywny wynik doświadczenia stał się doświadczalną podstawą teorii względności. Wiatr eteru wywołany ruchem Słońca i Ziemi wokół Słońca. Ziemia (jesień) Ziemia (wiosna)

Doświadczenie Michelsona-Morleya -eksperyment zaliczany obecnie do najważniejszych doświadczeń w historii fizyki. Cel: poprzez porównanie prędkości światła w różnych kierunkach względem Ziemi, wykazanie ruchu Ziemi względem hipotetycznego eteru. Eter przenikający całą przestrzeń, powinien pozostawać w spoczynku względem Wszechświata i powinien wyznaczać absolutny układ odniesienia. Prędkość światła powinna być stała względem tego ośrodka, a dla obserwatorów poruszających względem eteru prędkość światła powinna być równa różnicy wektorowej prędkości światła w ośrodku i prędkości obserwatora względem ośrodka. Wiatr eteru wywołany ruchem Słońca i Ziemi wokół Słońca. Ziemia (jesień) Ziemia (wiosna) zwierciadła płytka półprzezroczysta

Doświadczenie Michelsona-Morleya Michelson, po zapoznaniu się z pomysłami Maxwella, uznał, że do określenia prędkości wiatru eteru nie potrzeba wyznaczać prędkości światła, wystarczy porównać prędkość światła w różnych kierunkach. W interferometrze Michelsona: obraz interferencji zależy od różnicy czasu przebiegu obu wiązek miedzy płytką a zwierciadłami. Gdyby istniał wiatr eteru, wystarczyłoby obrócić interferometr, a układ prążków powinien przesuwać się. Ku swojemu zaskoczeniu nie wykrył ruchu prążków. Wynik doświadczenia był zdumiewający dla ówczesnych fizyków, powszechnie wątpiono w prawdziwość i dokładność pomiaru Wiatr eteru wywołany ruchem Słońca i Ziemi wokół Słońca. Ziemia (jesień) Ziemia (wiosna) zwierciadła płytka półprzezroczysta

Albert Einstein (1879 -1955) – jeden z największych fizyków-teoretyków naszych czasów, twórca szczególnej i ogólnej teorii względności, współtwórca korpuskularnofalowej teorii światła. Laureat Nagrody Nobla za wyjaśnienie efektu fotoelektrycznego. Einstein wniósł też swój wkład do rozwoju filozofii nauki. Albert Einstein (1879 -1955) Einstein stworzył teorię (Szczególna Teoria Względności), w której: • światło rozchodzi się w pustej przestrzeni (eter nie jest potrzebny) • prędkość światła jest stała, niezależna od prędkości obserwatora, Światło jest jednocześnie falą i cząstką (teoria korpuskularno-falowa)

Albert Einstein (1879 -1955) – jeden z największych fizyków-teoretyków naszych czasów, twórca szczególnej i ogólnej teorii względności, współtwórca korpuskularnofalowej teorii światła. Laureat Nagrody Nobla za wyjaśnienie efektu fotoelektrycznego. Einstein wniósł też swój wkład do rozwoju filozofii nauki. Albert Einstein (1879 -1955) W oddziaływaniu fotonów z atomami zapostulował istnienie emisji wymuszonej, zjawiska symetrycznego względem absorpcji fotonów przez atomy. Emisja wymuszona leży u podstaw działania laserów.

“Light is, in short, the most refined form of matter. ” Louis de Broglie

Dziękuję za uwagę