Wybrane Zagadnienia z Optyki

Praca domowa

1. Wybrać jedną z nagród Nobla związaną ze światłem i dowiedzieć się za co została przyznana i dlaczego (dla ambitnych - przeczytać wykład laureata, dostępny na stronie Komitetu Noblowskiego). Opisać w kilku zdaniach (nie przepisywać z Wikipedii, postarać się samemu zrozumieć, choćby na podstawowym poziomie), przesłać do 9 marca na adres pwasylcz@fuw.edu.pl

2. Proszę przypomnieć sobie równania Maxwella, co one znaczą, jakie proste eksperymenty można wykonać, żeby zobaczyć zjawiska, które one opisują. Dla chętnych: przypomnieć sobie również, jak z równań Maxwella (w próżni) można wyprowadzić równanie falowe - najpierw w próżni, a potem z dodatkiem członu związanego z polaryzacją ośrodka.

Chcesz wiedzieć więcej?

H 3.1 Podstawowe prawa teorii elektromagnetyzmu (Odnośniki z literą H oznaczają rozdziały w książce E. Hechta "Optyka" - jest w bibliotece FUW, Jeszcze lepsza jest w oryginale jako "Optics").

Ilustracje do wykładu

Zadanie wstępne

Proszę sprawdzić w dowolnych (wiarygodnych) źródłach, jakie są obecnie najbardziej wydajne źródła światła stosowane do oświetlenia (tzn. takie, której z jednostki energii wytwarzają najwięcej widzialnych fotonów).

Nagranie wideo wykładu (link do filmu na YouTube) - nieźle ogląda się ustawiając prędkość odtwarzania x1.75 (albo nawet x2)

Po wykładzie powinnaś/powinieneś wiedzieć/rozumieć:

1. Jakie są typowe zakresy długości fali interesujące optyków i odpowiadające im częstości i energie fotonów.

2. Jak można myśleć o fotonach jako o dyskretnych wzbudzeniach w określonych modach pola EM.

3. Co opisują (jakościowo) równania Maxwella i w jakich prostych eksperymentach można zobaczyć zjawiska, które one opisują.

4. Jak wygląda równianie falowe dla fal EM i jakie ma właściwości.

5. Co to jest fala płaska i jakie ma właściwości.

Chcesz wiedzieć więcej?

H 2.2 Fale harmoniczne
H 2.7 Fale płaskie
H 3.2 Fale EM
H 3.3.3 oraz 4.11 Nieco więcej o fotonach

Ilustracje do wykładu

Zadanie wstępne

Proszę przypomnieć sobie, jak wygląd zachowanie pobudzanego oscylatora harmonicznego, w szczególności amplituda i faza w zależności od częstości pobudzania w pobliżu częstości rezonansowej. Demonstrację można obejrzeć np. tutaj.

• Nagranie wideo wykładu (link do filmu na YouTube)
• Nagranie audio wykładu o modelu Lorentza współczynnika załamania (z 2020 roku, plik audio .wmf)

Po wykładzie powinnaś/powinieneś wiedzieć/rozumieć:

1. Jak impuls pola EM powstaje ze złożenia fal monochromatycznych.

2. Co to jest prędkość fazowa i grupowa impulsu pola EM.

3. Jakie są najważniejsze parametry źródeł światła i w jaki sposób można je mierzyć w laboratorium (zakresy, przyrządy, ograniczenia).

4. Jakie są rodzaje źródeł światła i czym się charakteryzują.

5. Jak obecność ośrodka (nieprzewodzącego) modyfikuje równanie falowe i jakie są tego konsekwencje.

6. Jak model Lorentza opisuje (jakościowo) oddziaływanie atomu z polem fali EM - założenia i konsekwencje.

Praca domowa

1. Proszę zaznajomić się z diagramem Abbego i sprawdzić, jaka jest definicja liczny Abbego używanej na jednej z osi tego diagramu do określenia dyspersji materiału (tutaj szkła).
2. Proszę do przyszłego wykładu przejrzeć, jakie są dostępne mierniki natężenia światła w katalogu firmy Thorlabs (link tutaj)

Chcesz wiedzieć więcej?

H 3.5.1 Dyspersja ośrodka
H 4.8 Właściwości optyczne metali.

Zadanie wstępne

Proszę przypomnieć sobie, na czym polega efekt fotoelektryczny w metalach.

• Nagranie wideo wykładu (link do filmu na YouTube)
• Nagranie audio wykładu o detektorach światła (z 2020 roku, plik audio .wmf)

Po wykładzie powinnaś/powinieneś wiedzieć/rozumieć:

1. Jak zmienia się współczynnik załamania materiałów, np. szkła, w obszarze widzialnym i jego okolicach.

2. Jakie są inne ważne parametry materiałów optycznych (np. na podstawie katalogu szkieł optycznych).

3. Jak można korygować aberracje chromatyczne soczewek używając różnych rodzajów szkła.

4. Jakie są typy mierników natężenia światła oraz jakie są ich wady i zalety.

Praca domowa

1. Proszę obejrzeć dwa filmy o tym, jak robi się soczewki szklane: współcześnie: https://www.youtube.com/watch?v=sDZDsn-ir3E (szczególnie pierwsze cztery minuty), oraz dawno temu (w czasach, kiedy powstawały pierwsze mikroskopy): https://www.youtube.com/watch?v=2SJY0foypAo
2. Proszę przypomnieć sobie podstawowe pojęcia z optyki geometrycznej, w szczególności powstawanie obrazów w układach optycznych.
3. Dla chętnych: film o historii i technologii szkła, w tym proces chemicznego hartowania szkła do ekranów telefonów https://www.youtube.com/watch?v=2oDXbFcHliM

Ilustracje do wykładu

• Nagranie wideo wykładu (link do filmu na YouTube)
• Nagranie audio wykładu o optyce geometrycznej (z 2020 roku, plik audio .wmf)

Po wykładzie powinnaś/powinieneś wiedzieć/rozumieć:

1. Jak się wykonuje soczewki i inne, podobne elementy optyczne.

2. Jak można wykorzystać interferencję światła do sprawdzania kształtu elementów optycznych.

3. Jak działa dyfrakcja na małej przesłonie i czym mogą być "promienie światła".

4. Jak można rozumieć działanie soczewki (np. ogniskowanie) w różnych językach: promieni, frontów falowych, wiązek gaussowskich i ścisłego rozwiązania równań propagacji.

5. Omówić przykłady wykorzystania soczewek: spektrometr siatkowy, układ 4f do kształtowania fazy spektralnej.

Praca domowa

1. Proszę do przyszłego wykładu przejrzeć, jakie są dostępne soczewki w katalogu firmy Thorlabs (link tutaj), zwrócić uwagę na różne parametry soczewek i zrozumieć ich znaczenie.
2. Proszę znaleźć w internecie różne ilustracje wyjaśniające powstawanie obrazu w oku człowieka - proszę zwrócić uwagę, że różni autorzy pokazują różny bieg promieni. Czy uda się Wam znaleźć rysunki, które nie bardzo mają sens, a autorzy najwyraźniej nie do końca rozumieją co to jest obrazowanie w optyce promieni?

Chcesz wiedzieć więcej?

H 5.2 Soczewki

Ilustracje do wykładu

• Nagranie wideo wykładu (link do filmu na YouTube)
• Nagranie audio wykładu o oku i mikroskopii (z 2020 roku, cz. 1)

Po wykładzie powinnaś/powinieneś wiedzieć/rozumieć:

1. Związek między rozmiarem ogniska soczewki a aperturą numeryczną.

2. Jak wykorzystujemy załamanie na powierzchniach sferycznych w układach optycznych.

3. Czym jest obrazowanie i układ obrazujący.

4. Czym jest cienka soczewka, jakie ma parametry i jak można jej używać.

5. Jak można wyznaczać położenie obrazu i powiększenie prostego układu w optyce promieni (geometryczna konstrukcja obrazów).

Praca domowa

1. Zobaczyć nagranie z eye-trackera pokazujące, jak porusza się ludzkie oko, np. podczas czytania. Np. tutaj, ale jest wiele ciekawych materiałów.
2. Zrozumieć, przynajmniej na podstawowym poziomie, na czym polega postrzeganie barw przez człowieka; można zacząć np. tutaj https://pl.wikipedia.org/wiki/CIEXYZ
3. Proszę dowiedzieć się, jak działa: mikroskop konfokalny (confocal), mikroskop z kontrastem fazowym (phase contrast), mikroskop ciemnego pola (dark field) i mikroskop bliskiego pola (SNOM). Następnie w ok. dziesięciu zdaniach opisać działanie jednego z nich. Zacząć od tego jaki problem, jaką trudność czy przeszkodę w mikroskopii ta konstrukcja rozwiązuje, w jaki sposób, jakie zjawiska fizyczne wykorzystuje (np. interferencję, specyficzne obrazowanie). Nie zaczynać od szczegółów konstrukcji. Można dołączyć rysunek z objaśnieniami. Odpowiedź przesłać (jako plik .doc albo .pdf) na adres: pwasylcz@fuw.edu.pl do 13 kwietnia.

• Nagranie wideo wykładu (link do filmu na YouTube)
• Nagranie audio wykładu o mikroskopii fluorescencyjnej (z 2020 roku)

Po wykładzie powinnaś/powinieneś wiedzieć/rozumieć:

1. Jakie są podstawowe aberracje geometryczne w soczewkach.

2. Jak jest zbudowane oko człowieka (jako układ obrazujący).

3. Czym są i jak działają elementy optyczne typu GRIN.

4. Czym są barwy czyste i jak powstają kolory, które widzimy.

Praca domowa

Zrozumieć na podstawowym poziomie i opisać w ok. dziesięciu zdaniach, jak działa mikroskop STED (można zacząć tutaj), w szczególności, jakie zjawiska fizyczne wykorzystuje, jak jest zbudowany, jak przy pomocy masek fazowych wytwarza się wiązkę w dziurą w środku, używaną w tym mikroskopie, jakie ma możliwości i ograniczenia. Można dołączyć rysunek z objaśnieniami. Odpowiedź przesłać (jako plik .doc albo .pdf) na adres: pwasylcz@fuw.edu.pl do 26 kwietnia.

Chcesz wiedzieć więcej?

H 6.3 Aberracje w układach obrazujących (soczewkach)
H 5.7.1 Oko

• Nagranie wideo wykładu (link do filmu na YouTube)
• Nagranie audio wykładu o różnych typach mikroskopii, m.in. STED (z 2020 roku)

Po wykładzie powinnaś/powinieneś wiedzieć/rozumieć:

1. Jak działa najprostszy mikroskop optyczny.

2. Czym jest rozdzielczość w mikroskopie i dlaczego jest ważnym parametrem.

3. Jak działa konfokalny mikroskop fluorescencyjny.

4. Co oznaczają liczby umieszczone na obiektywie mikroskopowym.

Do przejrzenia/przeczytania

1.Santiago Ramon y Cajal, np. www.quantamagazine.org/why-the-first-drawings-of-neurons-were-defaced-20170928/

2. Obszerne tutoriale o mikroskopii optycznej www.microscopyu.com, w szczególności wprowadzenie do obiektywów mikroskopowych www.microscopyu.com/microscopy-basics/introduction-to-microscope-objectives

3. Katalog obiektytów mikroskopowych, np. https://www.olympus-ims.com/en/microscope/uis2/

Praca domowa

Przejrzeć informacje o największych teleskopach astronomicznych na ziemi i w kosmosie.

Chcesz wiedzieć więcej?

H 5.7.5 Mikroskop

Ilustracje do wykładu

• Nagranie wideo wykładu (link do filmu na YouTube)
• Nagranie audio wykładu o optycznych teleskopach astronomicznych (z 2020 roku)

Po wykładzie powinnaś/powinieneś wiedzieć/rozumieć:

1. Jak działa mikroskop STED - w jaki sposób umożliwia on obrazowanie z rozdzielczością lepszą niż pozwala na to kryterium Abbego.

2. Jak jest zbudowany prosty teleskop. Co to jest układ afokalny. Co oznacza powiększenie kątowe.

3.  Dlaczego obecnie budujemy głównie teleskopy zwierciadlane.

4. Jak działa teleskop astronomiczny z optyką adaptacyjną.

Do przejrzenia/przeczytania

1. Teleskop z wirującym zwierciadłem z rtęci https://pl.wikipedia.org/wiki/Wielki_Teleskop_Zenitalny (również świetna infografika pokazująca skalę największych teleskopów),
2. James Webb Space Telescope https://www.youtube.com/watch?v=6VqG3Jazrfs

Praca domowa

Wybrać jeden z największych, najnowszych, najciekawszych albo inne "naj" teleskopów astronomicznych (istniejących albo planowanych) i opisać go w ok. dziesięciu zdaniach (do czego służy, w czym jest wyjątkowy, jakie rozwiązania optyczne w nim zastosowano, jakie nowe technologie w nim zastosowano, ile kosztował...). Można dołączyć rysunek z objaśnieniami. Odpowiedź przesłać (jako plik .doc albo .pdf) na adres: pwasylcz@fuw.edu.pl do 11 maja.

Chcesz wiedzieć więcej?

H 5.7.7 Teleskop
H 5.8.1 Optyka adaptacyjna

• Nagranie wideo wykładu (link do filmu na YouTube)
• Nagranie audio wykładu o odbiciu światła na granicy dielektryków (z 2020 roku)

Po wykładzie powinnaś/powinieneś wiedzieć/rozumieć:

1. Jak zachowuje się fala EM padająca na płaską granicę dielektryków - wzory Fresnela (jakościowo).

2. Co to jest kąt Brewstera i kąt krytyczny.

3. Co to jest fala ewanescencyjna i jak stosuje się ją w mikroskopie TIRF.

4. Jaka jest idea wytwarzania warstw anyrefleksyjnych (AR) z przezroczystych warstw dielektrycznych.

5. Jaka jest idea wytwarzania gradientowych pokryć antyrefleksyjnych.

6. Jak wytwarza się wielowarstwowe lustra dielektryczne, jakie są ich właściwości i zastosowania.

Do przejrzenia/przeczytania

1. o różnych pokryciach optycznych, https://www.optosigma.com/eu_en/support/tutorial/optics-and-optical-coatings/technical-referance/optical-coatings?___store=eu_en&___from_store=us_en

Praca domowa

Zrozumieć i opisać w ok. dziesięciu zdaniach jedną z metod nakładania pokryć dielekrycznych - jakie zjawiska i procesy fizyczne wykorzystuje, do czego jest stosowana, jak się ma do innych metod, jakie ma możliwości i ograniczenia (można zacząć szukać np. tutaj). Można dołączyć rysunek z objaśnieniami. Odpowiedź przesłać (jako plik .doc albo .pdf) na adres: pwasylcz@fuw.edu.pl do 17 maja.

Chcesz wiedzieć więcej?

H 4.6 Fale EM na granicy ośrodków. Wyprowadzenie wzorów Fresnela.
H 4.7 Całkowite wewnętrzne odbicie

Ilustracje do wykładu

• Slajdy do wykładu (wyjątkowo plik pdf - do przejrzenia)
• Nagranie audio wykładu o polaryzacji światła i dwójłomności (z 2020 roku)

Po wykładzie powinnaś/powinieneś wiedzieć/rozumieć:

1. Jak opisuje się stany polaryzacji światła i jak można je mierzyć.

2. Co to jest dwójłomność (na poziomie mikro- i makroskopowym) i gdzie występuje w przyrodzie.

3. Jak działają różne rodzaje polaryzatorów.

4. Co to są płytki falowe i do czego się ich używa.

Praca domowa

Zastanowić się (poczytać, poszukać w źródłach...), gdzie w przyrodzie (poza laboratorium optycznym) mamy do czynienia ze światłem spolaryzowanym, dwójłomnością albo innymi zjawiskami związanymi z polaryzacją światła. Opisać jedno z takich zjawisk w kliku zdaniach, można dołączyć rysunek z objaśnieniami. Odpowiedź przesłać (jako plik .doc albo .pdf) na adres: pwasylcz@fuw.edu.pl do 24 maja.

Chcesz wiedzieć więcej?

H 8 Polaryzacja (światła)

Ilustracje do wykładu

• Nagranie wideo wykładu (link do filmu na YouTube)
• Nagranie audio wykładu o widmie światła i przyrządach do jego pomiaru (z 2020 roku)
• Nagranie audio wykładu o spójności światła i interferencji (z 2020 roku)

Po wykładzie powinnaś/powinieneś wiedzieć/rozumieć:

1. Jakie są rozmaite źródła światła i jak wyglądają ich widma.

2. Jak jest zbudowany i jak działa prosty spektrometr pryzmatyczny z kolimatorami soczewkowymi.

3. Jak działa siatka dyfrakcyjna i jak można jej użyć do budowy spektrometru. Co to są rzędy ugięcia (rzędy dyfrakcji) siatki.

4. Jakie są metody wytwarzania siatek dyfracyjnych.

5 .Jak mierzy się czas spójności (spójność czasową) źródła światła przy pomocy interferometru Michelsona i jak można z takiego pomiaru odzyskać widmo światła. 

6. Jak działa koherentna tomografia optyczna (OCT).

Do przejrzenia/przeczytania

1. Obejrzeć różne obrazy OCT oka, np. wyszukując z obrazach "OCT eye images" - zrozumieć, co widać na typowych przekrojach przez siatkówkę.

Chcesz wiedzieć więcej?

H 7.4.3 Droga spójności

Ilustracje do wykładu (interferencja)

Ilustracje do wykładu (widmo światła)

• Nagranie wideo wykładu (link do filmu na YouTube)

Po wykładzie powinnaś/powinieneś wiedzieć/rozumieć:

1. Jak jest zbudowany typowy światłowód telekomunikacyjny.

2. Kiedy obraz całkowitego wewnętrznego odbicia w światłowodzie nie znajduje zastosowania i jak można go zastąpić obrazem modów światłowodu. Co to jest mod światłowodu.

3. Co to znaczy że światłowód jest jednomodowy.

4. Jak wytwarza się typowe światłowody telekomunikacyjne.

5. Co ogranicza szybkość przesyłania informacji przez światłowód - dyspersja materiałowa i modowa.

6. Co to są światłowody mikrostrukturalne i jakie są ich zastosowania.

Do przejrzenia/przeczytania:

     1. Obejrzeć różne typy światłowodów i elementów światłowodowych na stronach: https://www.thorlabs.com/navigation.cfm?guide_id=2265

• Nagranie wideo wykładu (link do filmu na YouTube)
• Nagranie audio wykładu o laserach (z 2020 roku)

Po wykładzie powinnaś/powinieneś wiedzieć/rozumieć:

1. Jakie są podstawy działania lasera.

2. Co to jest emisja wymuszona, pompowanie optyczne, inwersja obsadzeń, wzmocnienie światła.

3. Jakie ośrodki wykorzystuje się w laserach i w jaki sposób można je pompować (kilka przykładów).

4. Jak działa wnęka rezonansowa lasera, co to są mody wnęki, jak wygląda typowe widmo lasera i dlaczego tak.

5. Gdzie stosowane jest światło laserowe i jakie jego właściwości wykorzystuje się w tych zastosowaniach.

Praca domowa

Wybrać jeden typ lasera i opisać w w ok. 10 zdaniach jego konstrukcję oraz do czego jest używany (można dodać ilustracje).

Uwzględnić:

1. Rys historyczny - jak został wynaleziony, przez kogo, kiedy i gdzie.

2. Jakie zjawiska fizyczne wykorzystuje. Jakie są specyficzne cechy dla tego własnie typu lasera, w odróżnieniu od innych typów.

3. Czy jest dostępny komercyjnie, do jakich zastosowań (czy np. tylko w nauce, czy również w przemyśle? jakim? dlaczego akurat ten typ?).

4. Jeśli jest dostępny, przejrzeć strony producentów i zorientować się, co jest dostępne: jakie parametry, może też np. ceny?

Odpowiedź przesłać (w pliku .pdf albo .doc) na adres: pwasylcz@fuw.edu.pl do 6 czerwca.

Chcesz wiedzieć więcej?

H 13.1 Lasery

Ilustracje do wykładu (Lasery 1)

Ilustracje do wykładu (Lasery 2)

Ilustracje do wykładu (Optyka impulsów femtosekundowych)