ÚVOD

Dr.h.c. Prof.RNDr.Ing. Ján TURÁN, DrSc. Department of Electronics and Multimedia Communications

Faculty of Electrical Engineering and Informatics University of Technology Košice, Letná 9, 042 00 Košice,

Slovakia

Tel. ++ 421 55 602 29 43, E-mail: jan.turan@tuke.sk

OPTOELEKTRONIKA

1. kap. OE KEMT FEI TUKE 1

1 ÚVOD

1.3 ZÁKLADNÉ FYZIKÁLNE VLASTNOSTI SVETLA

Sedemnáste storočie – dve teórie podstaty svetla:

Vlnová teória Hooka a Huygensa

Korpuskulárna teória Newtona

Pozorovania Younga, Malusa, Eulera

V roku 1864 Maxwell – slávne rovnice – základ jednotnej všeobecnej elektromagnetickej teórie svetla

Svetlo je transverzálna elektromagnetická (TEM) vlna

Rýchlosť svetla vo vákuu

c=2,997925.108=3.108 m/s

1887– Hertz generoval elektromagnetické vlny s vlnovou dĺžkou 10 m

Korpuskulárne-vlnový dualizmus fotónov

00

1

c

1. kap. OE KEMT FEI TUKE 2

1 ÚVOD

1.3 ZÁKLADNÉ FYZIKÁLNE VLASTNOSTI SVETLA

Kvantum energie fotónu

redukovaná Planckova konštanta

je kruhová frekvencia

Fotoefekt – r. 1905 – Einstein – Nobelova cena

Podľa princípu korpuskulárne-vlnového dualizmu nie sú dve teórie svetla v konflikte, ale je ich treba chápať komplementárne

hcfhE fot

3410.054,1 2/h

f 2

1. kap. OE KEMT FEI TUKE 3

1 ÚVOD

1.4 VLNOVÁ PODSTATA SVETLA

Elektromagnetická vlna - intenzita elektrického poľa - intenzita magnetického poľa Z Maxwellových rovníc – Vlnové rovnice

– Laplaceov operátor, c – rýchlosť svetla

V materiálnom prostredí

E

H

HEtc

HE

,1

,2

2

2

0fc

fn

cv

1. kap. OE KEMT FEI TUKE 4

1 ÚVOD

1.4 VLNOVÁ PODSTATA SVETLA

n – index lomu

r a r sú relatívna permeabilita a permitivita

Sínusové vlny

– fáza, k=2/ je vlnové číslo, - fázová konštanta

rrn

)cos(),( 0 kxtEtxE

kxt

1. kap. OE KEMT FEI TUKE 5

1 ÚVOD

1.4 VLNOVÁ PODSTATA SVETLA

Rovinná elektromagnetická vlna (TEM vlna)

Fázová rýchlosť. V praxi – vlnový balík s grupovou rýchlosťou

Zovšeobecnenie na opísanie rovinnej vlny šíriacej sa v smere určenom vlnovým vektorom

– polohový vektor, - vlnový vektor Guľová vlna

r

fk

v

kvg

k

)cos(),,,( 0 rktEtzyxE

)cos( rktr

AE

1. kap. OE KEMT FEI TUKE 6

1 ÚVOD

1.4 VLNOVÁ PODSTATA SVETLA

Spôsob pohybu vektora intenzity elektrického poľav rovine kolmej na smer šírenia rovinnej vlny nazývame polarizáciou. Môže byť:

Lineárna Kruhová Eliptická Kruhová a eliptická polarizácia - Ľavotočivá - Pravotočivá Elektromagnetická vlna môže byť polarizovaná,

nepolarizovaná, čiastočne polarizovaná Disperzné vlastnosti (kvapaliny, plyny a tuhé látky) –

priehľadné, priesvitné a nepriehľadné Svetelný lúč – Geometrická optika Regulárny odraz Difúzny odraz Zákon odrazu

1. kap. OE KEMT FEI TUKE 7

1 ÚVOD

1.4 VLNOVÁ PODSTATA SVETLA

Obr 1.8 Dopad svetla na rozhranie:

(a) dopadajúce vlny, (b) svetelný lúč, (c) regulárny odraz, (d) difúzny

odraz, (e) zákon odrazu.

1. kap. OE KEMT FEI TUKE 8

1 ÚVOD

1.4 VLNOVÁ PODSTATA SVETLA

Snellov zákon lomu

n12 – relatívny index lomu

22

11

2

1

2

112

rr

rr

v

c

v

c

n

nn

1. kap. OE KEMT FEI TUKE

12

2

121

sin

sinsinsin n

n

nnn

d

p

pd

9

1 ÚVOD

1.4 VLNOVÁ PODSTATA SVETLA

Obr 1.9 Lom svetla na rozhraní:kolmý dopad, (b) šikmý dopad (lom ku kolmici),(c) šikmý dopad (lom od kolmice, (d) totálny odraz

1. kap. OE KEMT FEI TUKE 10

1 ÚVOD

1.4 VLNOVÁ PODSTATA SVETLA

p>d lom smerom od kolmice , pre určitý uhol d=c (tzv. kritický uhol dopadu) bude p=/2

pre d>c je sin p>1 – úplný (totálny) odraz –

povrchová vlna

Brewsterov uhol =B

1

2

12

12 arcsin1

arcsin    1sinn

n

nn cc

121

2 1

nn

nB tg

1. kap. OE KEMT FEI TUKE 11

1 ÚVOD

1.4 VLNOVÁ PODSTATA SVETLA

Obr 1.11 Odrazivosť ako funkcia uhlu dopadu pre paralelne (P) a kolmo (K) polarizovanú zložku (a) opticky redšie prostredie, (b) opticky

hustejšie prostredie. 1. kap. OE KEMT FEI TUKE 12

1 ÚVOD

1.4 VLNOVÁ PODSTATA SVETLA

Polarizácia svetla – 7 platničiek Polaroid Polarizačné hranoly (Nicolov hranol, Glanov – Thompsonov hranol) Intenzita prenášaného svetla – vyjadrenie Malusovým zákonom

Polychromatický lúč Rozloženie bieleho svetla Disperzia – rôzne rýchlosti šírenia svetla s rôznou vlnovou dĺžkou

2

0

22

0 coscos IEI

Obr 1.12 Disperzia bieleho svetla. 1. kap. OE KEMT FEI TUKE 13

1 ÚVOD

1.4 VLNOVÁ PODSTATA SVETLA

Superpozícia dvoch alebo viacerých vĺn

Koherencia – interferenčné prúžky

Matematický opis interferencie

Ak amplitúdy vĺn sú rovnaké E01=E02

alebo

...321 EEEE

)sin(

)sin(

2022

1011

kxtEE

kxtEE

)cos(12 12

2

01 EI

2cos4 1222

01

EI

1. kap. OE KEMT FEI TUKE 14

1 ÚVOD

1.4 VLNOVÁ PODSTATA SVETLA

Youngov pokus - fázový rozdiel

Svetlé interferenčné

prúžky

Tmavé prúžky

1212

2DD

pDD 12

2

1212

pDD

Obr 1.13 Geometria Youngovho pokusu. 1. kap. OE KEMT FEI TUKE 15

1 ÚVOD

1.4 VLNOVÁ PODSTATA SVETLA

Interferenčné javy na

tenkých vrstvách alebo platničkách

Fázový rozdiel

Svetlé prúžky

Tmavé prúžky

Obr 1.14 Interferencia na tenkej vrstve alebo platničke.

2cos22

nL

2cos2 nLp

2cos22

12

nLp

1. kap. OE KEMT FEI TUKE 16

1 ÚVOD

1.4 VLNOVÁ PODSTATA SVETLA

Obr. 1.16 Zmena relatívnej intenzity

(I/Io) interferenčných prúžkov

od zmeny hodnoty odrazivosti zrkadiel R.

Obr 1.15 Mnohonásobný odraz a interferencia na dvoch

rovnobežných (paralelných) platničkách.

Fabryho – Perotov rezonátor

1. kap. OE KEMT FEI TUKE 17

1 ÚVOD

1.4 VLNOVÁ PODSTATA SVETLA

Optická mriežka

Obr 1.17 Interferencia na optickej mriežke.

cossin dbap

1. kap. OE KEMT FEI TUKE 18

1 ÚVOD

1.4 VLNOVÁ PODSTATA SVETLA

Difrakcia

Huygensov princíp

Fresnelov –

Kirchhoffov vzorec

Fraunhoferova

a Fresnelova difrakcia

Obr 1.18 Huygensov princíp. 1. kap. OE KEMT FEI TUKE 19

1 ÚVOD

1.4 VLNOVÁ PODSTATA SVETLA

Fraunhoferova difrakcia vzniká na úzkej štrbine - Maximá

84% svetla v centrálnej oblasti (Airyho disk)

Obr 1.19 Fraunhoferova difrakcia (a) a rozloženie ožiarenia (b).

D

p sin

DD

22,1sin

1. kap. OE KEMT FEI TUKE 20

1 ÚVOD

1.5 KLASICKÉ ZDROJE SVETLA

Klasické (tepelné zdroje) svetla : - Čierne žiariče

- Čiarové žiariče

Žiarenie z nepriehľadných telies (objektov) a hustých plynov

Stefanov-Boltzmanov zákon pre ideálne absolútne čierne teleso

– Stefanova konštanta

Väčšina teplých povrchov

– emisivita povrchu (medzi 0 a 1)

4TW

4TW

1. kap. OE KEMT FEI TUKE 21

1 ÚVOD

1.5 KLASICKÉ ZDROJE SVETLA

Maximum sa posúva ku kratším vlnovým dĺžkam s rastúcou teplotou – Wienov zákon

m – vlnová dĺžka maxima

Planckov vzťah

Kvantová podstata svetla – fotóny

Tento vzťah položil základy modernej kvantovej teórie svetla

.konštTm

1/exp

123 kThfc

hfW f

1. kap. OE KEMT FEI TUKE 22

1 ÚVOD

1.5 KLASICKÉ ZDROJE SVETLA

Excitované plyny – žiarenie emitované pri dobre definovaných diskrétnych vlnových dĺžkach

Bohrov model atómu

Kvantum žiarenia – fotón

z čoho

Šírka spektrálnej čiary závisí od rôznych javov :

Heizenbergov princíp neurčitosti, Starkov jav, Zeemanov jav, Dopplerov jav

2

0

22

42

8 hn

RmZEn

hc

hfE

222

0

3

24 11

8 if nnh

Zme

h

Ef

1. kap. OE KEMT FEI TUKE 23

1 ÚVOD

1.6 ZÁKLADY RÁDIOMETRIE A FOTOMETRIE

Rádiometrické jednotky značené e (energia) Fotometrické jednotky značené v (visible – viditeľné) Žiarivý tok

Vyžiarená energia

Základnou jednotkou rádiometrie je jeden watt (W), fotometrie je lumen (lm) Vyžarovanie

Časť vyžarovania Me, na ktorú je citlivý ľudský zrak nazývame svetlením Mv

dt

dQP e

e

dtPQ ee

s

ee

dA

dPM

1. kap. OE KEMT FEI TUKE 24

1 ÚVOD

1.6 ZÁKLADY RÁDIOMETRIE A FOTOMETRIE

Obr 1.20 Žiarivý tok bodového žiariča do priestorového uhlu .

Obr. 1.21 Svietivosť bodového zdroja.

1. kap. OE KEMT FEI TUKE 25

1 ÚVOD

1.6 ZÁKLADY RÁDIOMETRIE A FOTOMETRIE

Žiarivosť

Časť žiarivosti Ie, na ktorú je citlivý ľudský zrak, nazývame svietivosťou Iv. Jednotka je candela (cd)

Žiara

Vyžarovanie

d

dPI e

e

ddA

Pd

dA

dI

dA

dII

s

e

s

e

sf

ee

coscos

2

dLM ee

1. kap. OE KEMT FEI TUKE 26

1 ÚVOD

1.6 ZÁKLADY RÁDIOMETRIE A FOTOMETRIE

Žiarivý tok

Časť žiary Le, na ktorú je citlivý ľudský zrak, nazývame jasom Lv

Účinnosť zdroja žiarenia e, resp. zdroja svetla v

As

see ddALP cos

P

Pee

P

Pvv

1. kap. OE KEMT FEI TUKE 27

1 ÚVOD

1.6 ZÁKLADY RÁDIOMETRIE A FOTOMETRIE

Veličiny vzťahujúce sa na prijímače (detektory) svetla (žiarenia)

Ožiarenie Ee (Wm-2) Žiarivý tok Pe

Časť žiarenia Ee, ktorá je z oblasti citlivosti ľudského zraku, nazývame osvetlením Ev. Jednotkou je lux (lx) = lm/m2 Dávka ožiarenia

Jednotka Wsm-2 = Jm-2 Časť dávky ožiarenia He, na ktorú je citlivý ľudský zrak, nazývame expozíciou (dávkou osvetlenia) Hv (lmsm-2 = lx.s)

dA

dPE e

e

A

ee dAEP

T

ee dtEH

1. kap. OE KEMT FEI TUKE 28

1 ÚVOD

1.6 ZÁKLADY RÁDIOMETRIE A FOTOMETRIE

Obr 1.22 Oblasti jasu umelých a prírodných zdrojov svetla.

1. kap. OE KEMT FEI TUKE 29

SI radiometry units 1/3 Quantity Symbol SI unit Abbr. Notes

Radiant energy Q joule J Energy

Radiant flux Φ watt W

Radiant energy per unit time, also called radiant power

Radiant intensity

I watt per steradian

W·sr−1 Power per unit solid angle

Radiance L watt per steradian per square metre

W·sr−1·m−2

Power per unit solid angle per unit projected source area. Called intensity in some other fields of study.

1. kap. OE KEMT FEI TUKE 30

SI radiometry units2/3

Quantity Symbol SI unit Abbr. Notes

Radiant excitance Radiant emittance

M watt per square metre

W·m−2 Power emitted from a surface.

Radiosity J or Jλ watt per square metre

W·m−2

Emitted plus reflected power leaving a surface

Spectral radiance

Lλ or Lν

watt per steradian per metre3 or watt per steradian per square metre per hertz

W·sr−1·m−3 or W·sr−1·m−2·Hz−

1

Commonly measured in W·sr−1·m−2· nm−1

1. kap. OE KEMT FEI TUKE 31

SI radiometry units 3/3

Quantity Symbol SI unit Abbr. Notes

Spectral irradiance

Eλ or Eν

watt per metre3 or watt per square metre per hertz

W·m−3 or W·m−2·Hz−1

Commonly measured in W·m−2·nm−1

Radiant emittance

M watt per square metre

W·m−2 Power emitted from a surface.

1. kap. OE KEMT FEI TUKE 32

SI photometry units 1/2

Quantity Symbol SI unit Abbr. Notes

Luminous energy

Qv lumen second lm·s Units are sometimes called talbots

Luminous flux F lumen (= cd·sr)

lm Also called luminous power

Luminous intensity

Iv candela (= lm/sr)

cd An SI base unit

Luminance Lv candela per square metre

cd/m2 Units are sometimes called "nits"

33/36 1. kap. OE KEMT FEI TUKE

SI photometry units 2/2

Quantity Symbol SI unit Abbr. Notes

Illuminance Ev lux (= lm/m2) lx Used for light incident on a surface

Luminous emittance

Mv lux (= lm/m2) lx Used for light emitted from a surface

Luminous efficacy

lumen per watt lm/W Ratio of luminous flux to radiant fl

1. kap. OE KEMT FEI TUKE 34