Skip to main content
LibreTexts - Ukrayinska

26.4: Застосування хвильової оптики

  1. Last updated
  2. Save as PDF
  • Page ID
    74626

    • \( \newcommand{\vecs}[1]{\overset { \scriptstyle \rightharpoonup} {\mathbf{#1}} } \) \( \newcommand{\vecd}[1]{\overset{-\!-\!\rightharpoonup}{\vphantom{a}\smash {#1}}} \)\(\newcommand{\id}{\mathrm{id}}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \( \newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}\) \( \newcommand{\range}{\mathrm{range}\,}\) \( \newcommand{\RealPart}{\mathrm{Re}}\) \( \newcommand{\ImaginaryPart}{\mathrm{Im}}\) \( \newcommand{\Argument}{\mathrm{Arg}}\) \( \newcommand{\norm}[1]{\| #1 \|}\) \( \newcommand{\inner}[2]{\langle #1, #2 \rangle}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \(\newcommand{\id}{\mathrm{id}}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \( \newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}\) \( \newcommand{\range}{\mathrm{range}\,}\) \( \newcommand{\RealPart}{\mathrm{Re}}\) \( \newcommand{\ImaginaryPart}{\mathrm{Im}}\) \( \newcommand{\Argument}{\mathrm{Arg}}\) \( \newcommand{\norm}[1]{\| #1 \|}\) \( \newcommand{\inner}[2]{\langle #1, #2 \rangle}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\)

    цілі навчання

    • Порівняйте оптичну та електронну мікроскопію

    Мікроскопи використовуються для перегляду предметів, які неможливо побачити неозброєним оком. У цьому розділі ми обговоримо як оптичну, так і електронну мікроскопію.

    Оптична мікроскопія

    Ви, напевно, використовували оптичний мікроскоп у класі науки середньої школи. При оптичній мікроскопії світло, відбите від об'єкта, проходить через лінзи мікроскопа; це збільшує світло. Отримане, збільшене зображення потім бачиться оком. Хоча цей тип мікроскопії має багато обмежень, існує кілька методів, які використовують властивості світла та оптики для посилення збільшеного зображення:

    • Яскраве поле: Цей прийом збільшує контраст, висвітлюючи поверхню, на якій об'єкти сидять знизу.
    • Косе освітлення: Цей прийом висвітлює об'єкт збоку, надаючи йому тривимірний вигляд та виділяючи риси, які інакше не були б помітні.
    • Темне поле: Ця техніка хороша для поліпшення контрасту прозорих об'єктів. Ретельно вирівняне джерело світла мінімізує нерозсіяне світло, що потрапляє в площину об'єкта, і таким чином збирає лише світло, яке розсіюється самим об'єктом.
    • Дисперсійне фарбування: Це призводить до кольорового зображення безбарвного предмета; насправді не потрібно, щоб об'єкт був забарвлений.
    • Фазовий контраст: Це використовує показник заломлення об'єкта, щоб показати відмінності в оптичній щільності як різницю в контрасті. забезпечує демонстрацію цієї техніки.

    Електронна мікроскопія

    Електронні мікроскопи використовують електронні пучки для досягнення більш високої роздільної здатності, ніж це можливо в оптичній мікроскопії. Два види електронних мікроскопів:

    • Промісійний електронний мікроскоп (ТЕМ): ТЕМ посилає електронний промінь через тонкий зріз зразка. Електрон взаємодіє зі зразком і потім передається на фотопапір або екран. Оскільки електронні пучки мають набагато меншу довжину хвилі, ніж традиційні світлові, роздільна здатність отриманого зображення набагато вище.
    • Скануючий електронний мікроскоп (SEM): SEM показує деталі на поверхні зразка і створює тривимірний вигляд, скануючи зразк. показує SEM-зображення пилку.

    Спектрометр

    Спектрометр використовує властивості світла для ідентифікації атомів шляхом вимірювання довжини хвилі та частоти, які є функціями випромінюваної енергії.

    цілі навчання

    • Порівняйте конструкцію та функцію ранніх та сучасних спектрометрів

    Спектрометр

    Спектрометр - це прилад, який використовується для інтенсивного вимірювання світла над певною частиною електромагнітного спектра, для ідентифікації матеріалів. Прилад виробляє лінії, подібно до тих, що виробляються з дифракційної решітки, покритої попереднім атомом, а потім вимірює довжини хвиль і інтенсивність цих ліній.

    показує діаграму того, як працює спектрометр. Джерело розміщується перед дзеркалом, яке відображає світло, що випромінюється від цього об'єкта, на дифракційну решітку. Потім ця решітка розсіює випромінюване світло до дзеркала пильовика, яке поширює різні результуючі довжини хвиль і відображає їх на детекторі, який записує висновки. Цей тип приладу використовується в спектроскопії.

    зображення

    Діаграма спектрометра: Ця діаграма показує світлові шляхи в спектрометрі.

    Спектроскопія

    Спектроскопія вивчає взаємодію між речовиною та випромінюваною енергією. Ця випромінювана енергія є функцією довжини хвилі та частоти. Кожен тип атома має свою частоту. Коли спектрометр виробляє показання, спостерігач може потім використовувати спектроскопію для ідентифікації атомів і, отже, молекул, що складають цей об'єкт.

    Спектроскопи

    Спектроскопи використовуються в самих різних областях, таких як астрономія і хімія. Вони використовують дифракційну решітку, рухому щілину та фотоприймач. Всі ці елементи контролюються комп'ютером, який записує висновки. Матеріал нагрівається до розжарювання, і він випромінює світло, характерне для його атомного складу. Кожен атом має свій спектроскопічний «відбиток пальця». У можна побачити дуже простий спектроскоп на основі призми. Як інший приклад, Натрій виробляє подвійну жовту смугу.

    зображення

    Простий спектроскоп: дуже простий спектроскоп на основі призми

    Інтерферометр Майкельсона

    Інтерферометр Майкельсона є найпоширенішою конфігурацією для оптичної інтерферометрії.

    цілі навчання

    • Поясніть, як працює інтерферометр Майкельсона

    Інтерферометрія

    Перш ніж ми зможемо обговорити інтерферометр Майкельсона, важливо спочатку зрозуміти інтерферометрію - яка стосується методів, які використовують накладені хвилі для отримання інформації про хвилі. Простіше кажучи, він використовує перешкоди, які відчувають ці хвилі, щоб зробити точні вимірювання хвиль. Він використовується в багатьох областях науки, таких як астрономія, інженерія, океанографія, фізика та волоконна оптика.

    Популярні застосування інтерферометрії в промисловості включають вимірювання малих переміщень, зміни показника заломлення та нерівності поверхні. Як показано в попередніх атомах, коли дві хвилі з однаковою частотою об'єднуються, отримана картина визначається різницею фаз між ними. Конструктивні перешкоди виникають, коли хвилі перебувають у фазі, а руйнівні перешкоди виникають, коли вони поза фазою. Інтерферометрія використовує цей принцип для об'єднання хвиль і вивчення отриманої хвилі з метою отримання інформації про початковий стан хвиль.

    Інтерферометр Майкельсона

    Найпоширеніший інструмент в інтерферометрії - інтерферометр Майкельсона, показаний на малюнку 1, був винайдений Альбертом Абрахамом Майкельсоном, першим американцем, який отримав Нобелівську премію з науки. Інтерферометр працює, розбиваючи промінь світла на два шляхи, відскакуючи їх назад, а потім рекомбінуючи їх для створення інтерференційної картини. Для створення інтерференційних смуг на детекторі (див. Рис. 2) шляхи можуть бути різної довжини або складатися з різних матеріалів.

    зображення

    Бахрома в інтерферометрі Майкельсона: Кольорові та монохроматичні бахроми в інтерферометрі Майкельсона: (а) Білі світлові бахроми, де два пучки відрізняються кількістю фазових інверсій; (б) білі світлові бахроми, де два промені зазнали однакову кількість фазових інверсій; і (c) Візерунок бахромою з використанням однотонного світла (лінії натрію D).

    зображення

    Інтерферометр Майкельсона: Інтерферометр Майкельсона.

    На малюнку 3 показана схема того, як працює інтерферометр Майкельсона. M 1 і M 2 - це два високополіровані дзеркала, S - джерело світла, М - наполовину посріблене дзеркало, яке діє як роздільник променя, коли світло потрапляє на поверхню, а С - точка на М, яка частково відбиває. Коли промінь S потрапляє в цю точку на М, він розбивається на два пучка. Один промінь відбивається в напрямку А, а інший передається через поверхню М до точки Б. А і В обидві точки на сильно відшліфованих (і, отже, відбивають) дзеркалах М 1 і М 2. Коли промені потрапляють у ці точки, вони потім відбиваються назад до точки C ', де вони рекомбінуються, щоб створити інтерференційну картину. У точці Е інтерференційна картина, вироблена в точці C ', видно спостерігачеві.

    зображення

    Малюнок 3: Ця діаграма інтерферометра Майкельсона показує шлях, яким рухаються світлові хвилі в приладі.

    Додатки

    Інтерферометр Майкельсона був використаний для виявлення гравітаційних хвиль, як перебудовуваний вузькосмуговий фільтр та як ядро спектроскопії перетворення Фур'є. Він відігравав важливу роль у дослідженнях верхньої атмосфери, виявляючи температури та вітри (використовуючи як космічні, так і наземні прилади) шляхом вимірювання доплерівської ширини та зсувів спектрів повітряного світіння та полярного сяйва. Найвідомішим застосуванням інтерферометра Майкельсона є експеримент Майкельсона-Морлі - невдала спроба продемонструвати вплив гіпотетичного «ефірного вітру» на швидкість світла. Їх експеримент залишив теорії світла, засновані на існуванні світлового ефіру без експериментальної підтримки, і служив в кінцевому підсумку натхненням для особливої теорії відносності.

    РК-дисплеї

    Рідкокристалічні дисплеї використовують рідкі кристали, які не випромінюють світло, але використовують світломодулюючі властивості кристалів.

    цілі навчання

    • Поясніть, як рідкокристалічні дисплеї створюють зображення та обговоріть їх переваги та недоліки

    РК-дисплеї

    LCD розшифровується як рідкокристалічний дисплей. Самі рідкі кристали не випромінюють світло, але дисплей використовує світломодулюючі властивості кристалів. РК-дисплеї можуть бути використані для відображення довільних зображень, наприклад, на моніторі комп'ютера або телевізорі, за допомогою великої кількості дуже маленьких пікселів, або вони можуть бути використані для відображення фіксованих зображень, таких як цифровий годинник, наприклад, в.

    зображення

    Цифровий годинник: цифровий годинник, який використовує РК-дисплей для приховування або відображення фіксованих зображень.

    На відміну від новіших електронно-променевих трубок (ЕПТ) та плазмових дисплеїв, РК-дисплеї не використовують люмінофори. З цієї причини вони не страждають від вигорання зображення. Однак вони страждають наполегливістю зображення. Вигорання зображення відбувається, коли зображення відображається стільки разів або так довго, що контур зображення можна побачити навіть при вимкненому дисплеї. Стійкість зображення схожа, але контур зникає незабаром після вимкнення дисплея і не є постійним.

    РК-дисплеї складаються з численних шарів. Типовий шар наводиться діаграма в. Кожен піксель РК-дисплея складається з шару молекул, вирівняних між двома прозорими електродами та двома поляризаційними плівками, а фактичні рідкі кристали знаходяться між цими поляризаційними фільтрами. Світло проходить через перший фільтр, а перекривається другим. Електроди використовуються для вирівнювання кристалів в певному напрямку, що виробляє зображення, помічене на екрані. Кристали не випромінюють жодного світла, а навпаки надають світлу певну форму, яку слід випромінювати.

    зображення

    Шари РК-дисплеїв: Поляризаційна фільтрувальна плівка з вертикальною віссю для поляризації світла при вході. Скляна підкладка з електродами ITO. Форми цих електродів визначатимуть форми, які з'являться при включенні РК-дисплея. Вертикальні гребені, протравлені на поверхні, є smooth.Twisted нематичний рідкий crystal.Glass підкладка із загальною електродною плівкою (ITO) з горизонтальними гребенями, щоб вирівняти горизонтальну фільтрувальну плівку filter.Polarizing з горизонтальною віссю для блокування/пропускання світловідбиваючої поверхні для відправки світла назад до глядача. (У РК-дисплеї з підсвічуванням цей шар замінюється джерелом світла.)

    Кручені Нематичні пристрої

    Скручений нематичний пристрій є найпоширенішим РК-додатком. Коли не застосовується електричне поле, напрямки вирівнювання поверхні у електродів перпендикулярні один одному. Молекули розташовуються в гвинтовій структурі (скручена структура). Деяке світло здатне проходити, а деякі ні, тому результат полягає в тому, що екран виглядає сірим. При застосуванні електричного поля кристали в центральному шарі розкручуються, і світло повністю блокується від проходження, і ці пікселі будуть здаватися чорними.

    Використання перешкод для читання компакт-дисків та DVD-дисків

    Оптичні диски - це цифрові накопичувачі, зчитувані в оптичному дисководі за допомогою лазерного променя.

    цілі навчання

    • Поясніть, як інформація зберігається на оптичних дисках

    Огляд

    Прикладами оптичних дисків є компакт-диски (CD) і цифрові відеодиски (DVD). Вони зчитуються в оптичному диску, який направляє лазерний промінь на диск. Потім зчитувач виявляє, відбився чи розсіяний промінь.

    Функція цифрових дисків

    Оптичні диски - це цифрові носії інформації. Вони можуть зберігати музику, файли, фільми, фотографії тощо. Ці диски плоскі, як правило, виготовлені з алюмінію, і мають мікроскопічні ями і землі на одній з плоских поверхонь (як показано в). Інформація на цих дисках зчитується комп'ютером у вигляді двійкових даних. Спочатку в диск знімається лазерний промінь. Якщо промінь потрапляє на землю, він відбивається назад і записується як значення 1. Якщо промінь потрапляє в яму, він розсіюється і записується як значення нуля.

    зображення

    Рання версія оптичного диска: У цій ранній версії оптичного диска ви можете побачити ями та землі, які або відбивають заднє світло, або розсіюють його.

    Ці мікроскопічні ями і землі покривають всю поверхню диска по спіралі, починаючи в центрі і відпрацьовуючи свій шлях назовні. Дані зберігаються або штампувальним апаратом, або лазером і зчитуються при висвітленні даних лазерним діодом в дисководі. Диск обертається з більшою швидкістю, коли він читається в центральній доріжці, і повільніше для зовнішньої доріжки. Це пов'язано з тим, що центральні доріжки менші по колу і тому їх можна прочитати швидше.

    Ці ями також діють як щілини і викликають дифрагування світла, оскільки воно відбивається назад, що викликає райдужний ефект. Це пояснює візерунок веселки, який ви бачите на задній панелі компакт-диска, як показано на.

    зображення

    Компактний диск: Нижня поверхня компакт-диска, що демонструє характерні райдужності.

    Ключові моменти

    • При оптичній мікроскопії світло, відбите від об'єкта, проходить через лінзи мікроскопа; це збільшує світло. Отримане, збільшене зображення потім бачиться оком. Ця техніка має багато обмежень, але може бути вдосконалена різними способами, щоб створити більший контраст.
    • Просвічувальний електронний мікроскоп (ТЕМ) посилає електронний промінь через тонкий зріз зразка. Потім електрон передається на фотопапір або екран. Оскільки електронні пучки мають набагато меншу довжину хвилі, ніж традиційні світлові, роздільна здатність цього зображення набагато вище.
    • Скануючий електронний мікроскоп (SEM) показує деталі на поверхні зразка і створює тривимірний вигляд шляхом сканування зразка.
    • Джерело розміщується перед дзеркалом, яке відображає світло, що випромінюється від цього об'єкта, на дифракційну решітку. Потім ця решітка розсіює випромінюване світло до дзеркала пильовика, яке поширює різні результуючі довжини хвиль і відображає їх на детекторі, який записує висновки.
    • Ранні форми спектрометрів були простими призмами, але сучасні спектрометри автоматизовані комп'ютером і можуть записувати набагато ширший діапазон частот.
    • Спектрометри використовуються в спектроскопії. Спектроскопія вивчає взаємодію між речовиною та випромінюваною енергією. Ця випромінювана енергія є функцією довжини хвилі та частоти. Кожен тип атома має свою частоту.
    • Інтерферометрія відноситься до методів, які використовують накладені хвилі для отримання інформації про хвилі.
    • Інтерферометр Майкельсона працює, розбиваючи промінь світла на два шляхи, відскакуючи їх назад і рекомбінуючи їх для створення інтерференційної картини. Щоб створити інтерференційні смуги на детекторі, шляхи можуть бути різної довжини або складатися з різних матеріалів.
    • Найвідомішим застосуванням інтерферометра Майкельсона є експеримент Майкельсона-Морлі, несподіваний нульовий результат якого став натхненням для особливої відносності.
    • РК-дисплеї використовують електричне поле, щоб розташувати рідкі кристали в потрібний малюнок, а потім пропускають світло через ці шари, щоб створити зображення на екрані.
    • РК-дисплеї можуть бути використані для відображення довільного зображення, що складається з крихітних фіксованих пікселів, або можуть бути використані для відображення фіксованого зображення, як на цифровому годиннику.
    • Скручений нематичний дисплей є найпоширенішим РК-дисплеєм у використанні. Цей тип дисплея є на калькуляторах, цифрових годинниках та годинниках. Коли не застосовується електричне поле, молекули скручуються і пропускають трохи світла. При нанесенні поля вони розкручуються, блокуючи світло і розглядаються як чорні.
    • Райдужний шар диска віддрукований крихітними ямами і землями. Ями розсіюють світло при освітленні і виробляють показання 0; землі відбивають світло назад і виробляють показання 1.
    • Привід оптичних дисків записує 0 і 1 показання і переводить їх у двійкові дані, які використовуються для ретрансляції будь-якої інформації, записаної на диску.
    • Візерунок веселки на задній панелі компакт-диска обумовлений дифракцією відбитого світла ямами.

    Ключові умови

    • мікроскопія: використання мікроскопів для перегляду об'єктів, які неможливо побачити неозброєним оком
    • контраст: різниця в світлості, яскравості та/або відтінку між двома кольорами, що робить їх більш-менш помітними
    • розжарювання: Розжарювання - це випромінювання світла (видимого електромагнітного випромінювання) від гарячого тіла в результаті його температури.
    • спеціальна теорія відносності: теорія, яка (нехтуючи ефектами гравітації) узгоджує принцип відносності із спостереженням про те, що швидкість світла постійна у всіх системах відліку.
    • накладено: позиціонується на або над чимось іншим, особливо в шарах
    • Інтерференція: Ефект, спричинений накладенням двох систем хвиль, наприклад, спотворення на широкомовному сигналі через атмосферні чи інші ефекти.
    • LCD: рідкокристалічний дисплей.
    • гвинтові: У формі спіралі, скручування.
    • нематичний: Опис структури деяких рідких кристалів, молекули яких вирівнюються в пухких паралельних лініях.
    • двійкові дані: Дані, які можуть приймати лише два можливі значення, традиційно називаються 0 та 1.
    • яма: відбиток на оптичному диску, який розсіює світло при освітленні.
    • земля: рівна ділянка на оптичному диску, яка відбиває світло при освітленні.

    ЛІЦЕНЗІЇ ТА АВТОРСТВА

    CC ЛІЦЕНЗОВАНИЙ КОНТЕНТ, РАНІШЕ ДІЛИВСЯ

    CC ЛІЦЕНЗОВАНИЙ ВМІСТ, СПЕЦИФІЧНА АТРИБУЦІЯ