Doświadczenie Younga - eksperyment polegający na przepuszczeniu światła poprzez dwa pobliskie otwory w przesłonie i rzutowaniu na ekran. Na ekranie wskutek interferencji tworzą się charakterystyczne prążki potwierdzające falową naturę światła. Po raz pierwszy ekperyment ten wykonał około roku 1805 Thomas Young, fizyk angielski.

Bardziej widowiskowy i łatwiejszy sposób wykonania tego doświadczenia, polega na użyciu siatki dyfrakcyjnej, czyli płytki ze szkła, na której gęsto zarysowane są rysy. Obraz interferencyjny widoczny w tym przypadku na ekranie jest znacznie wyraźniejszy i jaśniejszy niż przy użyciu jedynie dwóch szczelin.

Obraz interferencyjny widoczny na ekranie

Thomas Young użył w swoim eksperymencie nieprzezroczystego materiału, w którym wyciął dwie bardzo małe dziurki. Jednakowe światło (tzn pochodzące z tego samego źródła) interferowało na szczelinach i tworzyło na ekranie umieszczonym po drugiej stronie nieprzezroczystego materiału obraz interferencyjny w postaci kolorowych prążków. Doświadczenie w swojej pierwotnej formie nie budziło wielkich kontrowersji w świecie fizyki, jednak późniejsze jego modyfikacje postawiły przed fizykami znaki zapytania. Okazało się bowiem, że nawet pojedyncze fotony wysyłane przez szczeliny w znacznych odstępach czasu, które nie miały prawa wzajemnie ze sobą interferować, tworzyły za szczelinami na światłoczułym materiale wzór interferencyjny (pionowych prążków). Efekt ten będąc jedną z manifestacji kwantowej natury światła jest często używany do objaśniania podstaw mechaniki kwantowej. W kwantowo-mechanicznym podejściu efekt interferecji spowodowany jest nakładaniem się funkcji falowej opisującej stan fotonu.

Dyfrakcja światła polega na odchyleniu

Dyfrakcja światła polega na odchyleniu kierunku rozchodzenia się światła od pierwotnego kierunku, kiedy przechodzi ono przez niewielkie szczeliny, otwory lub natrafia na przeszkody. Kiedy promienie świetlne przechodzą przez wąską szczelinę, uginają się na boki i wiązka światła się rozszerza. Zjawisko to nazywane jest dyfrakcją i zachodzi dla wszystkich rodzajów fal. Szerokość szczeliny powinna być mniej więcej taka, jak długość fali. Siatka dyfrakcyjna składa się z szeregu cienkich rowków lub nacięć. Białe światło odbite od siatki lub przechodzące przez nią ugina się tworząc kilka rzędów widma. Interferencja pomiędzy ugiętymi promieniami powoduje powstanie kolorowych pasm. Ich kolejność jest odwrotna niż w widmie otrzymanym za pomocą pryzmatu. Kolory widoczne na płycie kompaktowej to właśnie widmo dyfrakcyjne, które powstaje w wyniku odbicia światła od drobnych nacięć na powierzchni płyty.

• Dyfrakcja to zjawisko polegające na zaburzeniu prostoliniowego rozchodzenia się promieni świetlnych.
Dyfrakcji ulega światło tylko na takich przeszkodach (szczelinach), których rozmiary są porównywalne z długością fali świetlnej.
d >> λ – dyfrakcja nie występuje,
d ≈ λ – dyfrakcja zachodzi.



• Dyfrakcja na dwóch szczelinach
Jeżeli na układ dwóch szczelin pada równoległa wiązka światła, to na szczelinach występuje dyfrakcja, co prowadzi do nakładania się wiązek (interferencji) i w konsekwencji na ekranie obserwuje się układ ciemnych i jasnych prążków, czyli minimów i maksimów interferencyjnych.

Maksima interferencyjne występują w miejscach, dla których spełniony jest warunek:

lub d·sinα = nλ (n = 0, 1, 2...)

Minima występują w miejscach, dla których spełniony jest warunek:

(n = 0, 1, 2...)
• Dyfrakcja na pojedynczej szczelinie
W wyniku dyfrakcji światła na brzegach szczeliny o szerokości d (d ≈ λ) na ekranie otrzymuje się również obraz dyfrakcyjny
z maksimum 0-go rzędu na wprost szczeliny. Położenie minimów (ciemnych prążków) określone jest wzorem:
d·sinα = nλ (n = 0, 1, 2...)
• Siatka dyfrakcyjna to układ równoległych i równo oddalonych od siebie szczelin, przepuszczających światło. Jeżeli na siatkę pada monochromatyczna fala świetlna, to na ekranie, po drugiej stronie siatki, otrzymujemy obraz dyfrakcyjny w postaci jasnych i ciemnych prążków. Prążki uzyskane przy użyciu siatki dyfrakcyjnej są znacznie wyraźniejsze niż prążki uzyskane przy dyfrakcji na dwóch szczelinach. Dzięki temu siatka umożliwia dokładny pomiar długości fali świetlnej.
 

Jasne prążki (maksima) powstają w miejscach, dla których spełniony jest warunek: Δr = nλ lub w innej postaci:
d·sinα = nλ (n = 0, 1, 2... – rząd widma)
gdzie: d – stała siatki (odległość między dwoma sąsiednimi szczelinami).
Ciemne prążki (minima) powstają w miejscach, dla których spełniony jest warunek:

lub w innej postaci:

(n = 0, 1, 2...)

Jeżeli na siatkę pada światło białe, to jasnymi prążkami stają się pełne widma światła białego (wąskie tęcze).

Dyfrakcja światła
Jednym ze zjawisk charakterystycznych dla fal jest efekt ugięcia fali (dyfrakcji), który w uproszczony sposób pokazuje rysunek poniżej.

Dyfrakcja światła polega na odchyleniu kierunku rozchodzenia się światła od pierwotnego kierunku, kiedy przechodzi ono przez niewielkie szczeliny, otwory lub natrafia na przeszkody. Kiedy promienie świetlne przechodzą przez wąską szczelinę, uginają się na boki i wiązka światła się rozszerza. Zjawisko to nazywane jest dyfrakcją i zachodzi dla wszystkich rodzajów fal. Szerokość szczeliny powinna być mniej więcej taka, jak długość fali. Siatka dyfrakcyjna składa się z szeregu cienkich rowków lub nacięć. Białe światło odbite od siatki lub przechodzące przez nią ugina się tworząc kilka rzędów widma. Interferencja pomiędzy ugiętymi promieniami powoduje powstanie kolorowych pasm. Ich kolejność jest odwrotna niż w widmie otrzymanym za pomocą pryzmatu. Kolory widoczne na płycie kompaktowej to właśnie widmo dyfrakcyjne, które powstaje w wyniku odbicia światła od drobnych nacięć na powierzchni płyty.

Interferencja światła
Ze zjawiskiem interferencji światła spotykamy się, wbrew pozorom, dość często. To właśnie wskutek tego zjawiska mienią się różnymi barwami bańki mydlane i plamy oleju na zmoczonej deszczem ulicy. To dzięki temu zjawisku obserwujemy fioletowe zabarwienie obiektywów aparatów fotograficznych.
Interferencję fal świetlnych najlepiej ilustruje doświadczenie Younga, przedstawione na rysunku poniżej. Silnym źródłem światła oświetlamy, poprzez czerwony filtr, szczelinę o szerokości około 0,2 - 0,3 mm. W tak otrzymanej wiązce światła umieszczamy układ dwu szczelin. Odległość szczelin nie powinna być większa niż 0,2 - 0,3 mm. Szczeliny te służą do wytworzenia dwu identycznych fal (fal spójnych). Efekt interferencji (nakładania się) fal obserwujemy za pomocą lupy lub okularu mikroskopu (15x).

Interferencja zachodzi dla wszystkich rodzajów fal. W przypadku światła interferencja powoduje powstawanie na przemian jasnych i ciemnych pasm. Skutkiem tego zjawiska są kolory baniek mydlanych. Białe światło odbija się zewnętrznej i wewnętrznej powierzchni bańki. Powstają dwa rozszczepione promienie, które interferują ze sobą tak, że niektóre kolory stają się jaśniejsze, inne przygaszone, zależnie od miejsca.

Siatka dyfrakcyjna

Siatka dyfrakcyjna - jeden z najprostszych przyrządów do przeprowadzania analizy widmowej. Tworzy ją układ równych, równoległych i jednakowo rozmieszczonych szczelin.

Jest to przezroczysta lub półprzezroczysta płytka – kryształowa, szklana lub z tworzywa sztucznego. Na jedną ze stron płytki zostaje naniesiona seria równoległych nieprzezroczystych linii, o stałym i odpowiednio małym rozstawie - od kilkunastu linii na milimetr aż do tysiąca w przypadku dobrych siatek. Działanie siatki dyfrakcyjnej polega na wykorzystaniu zjawiska dyfrakcji i interferencji światła do uzyskania jego widma. W tym celu pomiędzy źródłem światła a białym ekranem umieszcza się siatkę dyfrakcyjną. Na ekranie uzyskuje się w ten sposób widmo światła. Jako pierwszy w swoich doświadczeniach prymitywną siatkę dyfrakcyjną zastosował angielski fizyk Thomas Young. Typowa siatka dyfrakcyjna posiada 12000 szczelin na cal (tj. na 2,54 cm) szerokości. Stała takiej siatki wynosi 2116 nm (d = 2,54cm/12000).

Została wynaleziona w 1821 roku przez Fraunhofera. Była pierwszym instrumentem pozwalającym wyznaczyć długość fal świetlnych. Prążki jasne powstają dla kątów αn spełniających warunek:

dsin(αn) = nλ

gdzie:

λ - długość fali

d - stała siatki

n - rząd ugięcia

Podział siatek dyfrakcyjnych ze względu na przepuszczalność

siatki odbiciowe - odbijające światło (efekt zbliżony wizualnie do rozszczepienia światła przez płyty CD) siatki transmisyjne - przepuszczające światło (tworzone przez nacinanie rys lub ich wypalanie w metalu oraz metody holograficzne i fotograficzne): siatki transmisyjne amplitudowe - z liniami kolejno nieprzezroczystymi (ciemnymi) i szczelinami (przezroczystymi, przepuszczalnymi). siatki amplitudowe prostokątne - ich profil zmiany stopnia zaczernienia prostopadle do wiąski jest skokowy (prążki są wyraźne i powstaje wiele maksimów interferencyjnych); siatki amplitudowe sinusoidalne - ich profil zmiany stopnia zaczernienia prostopadle do wiązki jest łagodny (prążki są mniej wyraźne i powstają jedynie trzy maksima interferencyjne: n=0 i n=±1) siatki transmisyjne fazowe - w całym swoim obszarze przezroczyste dla światła, a odpowiednikami naprzemian przezroczystych i nieprzezroczystych linii siatki amplitudowej są tu linie o okresowo zmieniającym się współcznniku załamania realizowany przez np. zmienną grubość ośrodka, zmienną gęstość ośrodka; siatki fazowe prostokątne siatki fazowe sinusoidalne

Emisja spontaniczna zachodzi wtedy, gdy elektrony znajdujące się na poziomach wzbudzonych w sposób spontaniczny wracają na niższe poziomy energetyczne, emitując przy tym fotony.

Zjawisko występuje powszechnie i odpowiada za niemal każde świecenie ciał, np. gazów rozgrzanych, wzbudzonych atomów, ciał ciekłych i stałych, a także urządzeń elektronicznych diodę elektroluminescencyjną (LED).

Liczba emisji spontanicznych ciała, w którym w stanie wzbudzonym jest N atomów określona jest wzorem:

gdzie A21 jest stałym dla danego przejścia w danym atomie współczynnikiem emisji (stała wprowadzona przez Einsteina).

Przy braku nowych wzbudzeń prowadzi to do równania określajacego liczbę atomów pozostających w stanie wzbudzenia:

gdzie: N(0) początkowa liczba wzbudzonych atomów , τ21 jest czasem życia i wiąże się ze współczynnikiem A, τ21 = (A21)-1.

Inne sposoby emisji fotonów:

Emisja wymuszona

A – atom w stanie wzbudzonym (elektron na poziomie o energii E2) wraz z fotonem inicjującym
B – emisja fotonu (hν)
C – atom w niskim stanie energii (elektorn na poziomie E1<E2)

W optyce emisja wymuszona (stymulowana, indukowana) to proces emisji fotonów przez materię w wyniku oddziaływania z innym fotonem. Foton inicjujący emisję nie jest pochłaniany przez materię, wytwarzany foton ma fazę i częstotliwość taką samą jak foton oryginalny. Zjawisko to odgrywa ważną rolę w emisji fotonów przez ciała a szczególne znaczenia odgrywa w laserach, będąc podstawą ich działania.

Zjawisko to zostało przewidziane przez Alberta Einsteina, który zauważył, że bez tego zjawiska nie mogłoby dojść do równowagi między pochłanianiem i emisją ciała oświetlonego przez inne ciało.

A. Einstein rozumował: jeżeli oddziaływanie atomu z fotonem wywołuje pochłonięcie fotonu z prawdopodobieństwem zależnym od ilości fotonów o odpowiedniej energii (natężeniu oświetlania), zaś emisja występuje czysto swobodnie, z prawdopodobieństwem zależnym wyłącznie od wielkości charakteryzujących wzbudzony poziom energetyczny, to atom wzbudzony musi emitować foton w wyniku oddziaływania z fotonem, z prawdopodobieństwem zależnym od ilości odpowiednich fotonów, by mogło dojść do równowagi termodynamicznej między pochłanianiem i emitowaniem fotonów.

Emisja wymuszona jest zjawiskiem odwrotnym do pochłaniania fotonów przez atomy (cząsteczki). Prawdopodobieństwo pochłonięcia fotonu przez atom w stanie o mniejszej energii jest takie samo jak prawdopodobieństwo emisji wymuszonej atomu wzbudzonego, dlatego o wielkości emisji/pochłaniania ośrodka decyduje różnica liczby atomów w stanie wzbudzonym i podstawowym.

Absorpcja (optyka)

Absorpcja to w optyce proces pochłaniania energii fali przez ciało. W procesie absorpcji (także emisji) światło zachowuje się jak cząstka elementarna i może być pochłaniane tylko w porcjach zależnych od częstotliwości światła. Zjawisko to opisuje poprawnie mechanika kwantowa. Kwant energii fali przenoszony jest przez foton, który zderza się z cząstka, np. elektronem, czy jądrem atomowym. Cząstka pochłania zawsze całą energię fotonu i tylko wtedy, gdy pozwalają jej na to jej dopuszczalne stany kwantowe.

W wyniku absorpcji światła przechodzącego przez substancje (np. gaz) z widma światła zostają usunięte pochłaniane częstotliwości, na tej podstawie można stwierdzić przez jakie substancje przechodziło światło. Zjawisko to służy do badania składu chemicznego mieszanin związków chemicznych, gazów otaczających gwiazdy, obłoków gazowych we wszechświecie, jest to spektroskopia absorpcyjna. Jeśli absorpcja zachodzi pomiędzy parą wzbudzonych poziomów, zachodzi wówczas absorpcja ze stanów wzbudzonych.

Ilościową miarą wielkości absorpcji są transmitancja i absorbancja promieniowania. Wielkość absorpcji światła można obliczyć na podstawie prawa Lamberta-Beera.

Transmitancja

Czasami nazywana transmisją, z reguły wyrażana w %:

·         Io – natężenie światła przed absorpcją

·         I – natężenie światła po przejściu przez absorbujący ośrodek

Absorbancja

Absorbancja (dawniej nazywania ekstynkcją, oznaczana ABS lub ε) jest miarą absorpcji promieniowania i wyraża się wzorem

Laser rubinowy

Rubin jest to kryształ tlenku glinu (AL2O3), w którym niektóre atomy glinu są zastąpione atomami chromu. Atomy chromu nadają rubinowi charakterystyczną czerwoną barwę ponieważ absorbują one żółto-zieloną część widma. Rolę aktywną a laserze rubinowym spełniają tylko jony chromu. Monokryształ sztucznego rubinu szlifowany jest do postaci cylindra o średnicy 5 mm i długości 5 do 10 cm, którego podstawy są polerowane płasko, równolegle do siebie. Jedna z tych powierzchni jest pokryta warstwą odbijającą o blisko stuprocentowym współczynniku odbicia, druga ma odbicie

około 50%. Tak przygotowany kryształ umieszczony jest w lampie błyskowej. Schemat poziomów energetycznych w rubinie przedstawia animacja zamieszczona wyżej. Ksenonowa lampa błyskowa powoduje wzbudzenie elektronów z poziomu E1 w stan E2, który tworzy pasmo energetyczne o sporej szerokości dlatego łatwo fotony z kość szerokiego przedziału mogą wzbudzać elektrony. Średni czas przebywania na poziomie E2 jest krótki i wynosi jedynie 0,05ms. Elektrony wracają więc do stanów niższych. Wiele z nich przechodzi bezpromieniście (energia zostaje przekazana sieci krystalicznej i dlatego taki laser musi być chłodzony) na poziom E3. Średni czas życia na poziomie E3 jest dość długi wynosi około 3ms i dlatego nazywamy go metastabilnym. Oświetlenie więc rubinu światłem białym powoduje masowe przechodzenie elektronów do stanu E3. Proces taki nazywamy pompowaniem optycznym. Następuje inwersja obsadzeń.
Aby uzyskać silną emisję wymuszoną, konieczne jest utworzenie optycznej komory rezonansowej. Taką komorę tworzy sam kryształ rubinu w postaci pręta, którego powierzchnie czołowe są wypolerowane i pokryte powłokami odbijającymi. Wystarczy wtedy pojawienie się w pręcie jednego tylko fotonu o częstotliwości rezonansowej, poruszającego się równolegle do osi pręta, aby rozpoczął się proces narastania emisji wymuszonej. Foton ten wymusza bowiem emisję w atomach położonych wzdłuż jego drogi, a powstała przy tym wiązka fotonów odbijając się wiele razy od przeciwległych powierzchni lustrzanych oddziałuje z nowymi wzbudzonymi atomami i wyzwala coraz więcej fotonów. Prowadzi to do lawinowego wzrostu natężenia promieniowania laserowego.
Światło wysyłane przez laser rubinowy ma kolor czerwony, odpowiadający długości fali A = 694,3 nm. Laser rubinowy pracuje impulsowo.
Obecnie częściej buduje się lasery oparte na innych materiałach. Przykładem jest laser neodymowy gdzie szkło, kryształy fluorku wapnia lub inne materiały domieszkowane są neodymem. W pracy istotne są cztery poziomy energetyczne. Akcja laserowa zachodzi wtedy między poziomami E3 i E4 i uzyskanie odwrócenia obsadzeń jest znacznie łatwiejsze, a chłodzenie ośrodka czynnego ciekłym azotem pozwala na uzyskanie pracy ciągłej. Laser neodymowy na podłożu YAG (granat itrowo-glinowy) pozwala na uzyskanie w impulsie dużych mocy. W podobny sposób jak laser neodymowy działają lasery, w których w różnych osnowach krystalicznych centami są jony metali ziem rzadkich.

Laser gazowy
...