optica fisica: lección 3

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Este es el tema dedicado a los fenómenos de Difracción

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  • 1. O.F. 3 DIFRACCIN DE LUZ J.M. Saiz ; 2010 Qu es la difraccin? Qu fenmenos difraccionales podemos observar? Tiene alguna aplicacin importante? Versin sin animacin para el Aula Virtual

2. FENMENOS DE DIFRACCIN 3. Qu ocurre si un objeto opaco se interpone en el camino de la luz? Respuesta Geomtrica : Se produce una SOMBRA, con contornos bien definidos [ Una proyeccin desde la fuente al objeto a base de lneas rectas ] Fenmenos de difraccin Los contornos de sombra no son ntidos, sino que presentan ciertaestructura Esto no es exactamente as Ejemplo: La sombra de la mano de E. Hecht, el autor del libro ptica Y por qu se llama difraccin? Francesco de Grimaldi se refiri aalgunos de estos fenmenos comodifractio. 4. Fenmenos de difraccin En general, siempre que trunquemos la marcha de un haz en supropagacin se producir un fenmeno de difraccin ms o menos notorio. Otros ejemplos: Sombra de una cuchilla bajo iluminacin de lser colimado Difraccin de luz blanca por un CD Luz de una estrella a travs de la atmsfera (difraccin irregular) Diapositivas siguientes: - Efectos atmosfricos de difraccin: halos y glorias. - Efectos de la difraccin en instrumentos: Diafragmas poligonales. - Fuente de luz vista a travs de un visillo (fina tela en forma de malla) Comprobaremos con frecuencia que la periodicidad de los objetos hace msnotorios los efectos de difraccin. 5. Fenmenos de difraccin Halo en torno a la luna producido por la difraccn de luz en las gotitas uniformes de una fina capa de nubes Glorias formadas en torno a la sombra de un observador proyectada sobre una nube. En estos dos casos el obserador est en un avin, y ms concretamente (foto superior) algunos asientos por delante del ala y (foto inferior) en el lado derecho de la cabina 6. Fenmenos de difraccin Puntas en torno a cada fuente de luz, correspondientes a una fotografa tomada con un diafragma de forma hexagonal. Difraccin calculada para una apertura hexagonal (comparar con la que aparece en la fotografa) En realidad, nuestra tpica representacin de las estrellas con mltiples puntas (en lugar de redondas),es consecuencia de la difraccin (irregular) producidapor la pupila de nuestros ojos , efecto muy notorio en observacin nocturna. 7. Fenmenos de difraccin Imgenes de una lmpara de la calle (Lmparas de Sodio de alta presin) que est a cierta distancia de la ventana de nuestra casa. A la izquierda, imagen directa. A la derecha, imagen tomada a travs de una cortina fina (visillo) tejida en forma de malla o red (net curtain). [Otros entramados producen figuras de difraccin distintas] 8. - Aberturas y obstculos son distintas formas de truncar un haz de luz. ->Ambos producen difraccin -Si tienen la misma forma y tamao,la difraccin de una abertura es idnticaa la de su obstculo complementario . [Esto se denomina en pticaPrincipio de complementariedad de Babinet Difraccin por aberturas y obstculos Ejemplo (experimental): Luz detrs de un obstculo: Punto de Poisson 9. DIFRACCIN POR UNA ABERTURA RECTANGULAR Y UNA RENDIJA 10. Geometra que utilizaremos para experimentos de difraccin: Difraccin por una abertura rectangular En lugar de la sombra de la abertura o del obstculo, la teora de ladifraccin (basada en la ptica ondulatoria, predice distribuciones deluz complejas, con un comportamiento que no se puede interpretardesde un punto de vista geomtrico. Pantalla alejada Abertura u obstculo Haz colimado, 11. Abertura Rectangular 2b>2a Difraccin por una abertura rectangular Caractersticas: -En el eje del lado ms corto (horizontal), los mximos estn msseparados. - El mximo del centro es el doble de ancho que todos los dems. - Fuera de los ejes hay luz en los puntos cuyas coordenadas son demximo sobre el eje. Ejemplo: Difraccin de Rayos X blandos por una abertura cuadrada 2b 2a 12. Abertura Rectangular 2b>>2a (rendija) Caractersticas Difraccin por una rendija I P = C sen ( k a sen ) k a sen 2 2a 13. Vamos cerrando la rendija... Difraccin por una rendija de anchura variable Variamos la anchura mediante cuchillas mviles que se van cerrando. 14. DIFRACCIN DE BORDE 15. Difraccin por un borde de cuchilla Vista de cerca, la lnea de sombra presenta una estructura. 16. DIFRACCIN POR UNA ABERTURA CIRCULAR 17. Caractersticas: - Maximo en el centro (83% de la energa) - Minimos nulos peridicos (anillos) Difraccin por una abertura circular 2R Forma matemtica de la mancha de difraccin (tambin Airy disk):z= k R tg J 1:Funcin de Bessel de 2 clase Difraccin por partculas esfricas I 2J 1 ( z) z 2 18. La difraccin por un orificio es importantsima en ptica, porque TODOS LOS INSTRUMENTOS PRODUCEN UNA MANCHA DEDIFRACCIN COMO IMAGEN DE UN PUNTO, cuyo tamao dependedel dimetro del Diafragma de Apertura del instrumento. - Con las aberraciones perfectamente corregidas, un instrumento an estlimitado por difraccin. Microsopios, Telescopios, cmaras - La expresin Diffraction limited indica gran calidad del instrumento. - El tamao de la mancha de difraccin impone un lmite fsico a laresolucin que puede alcanzar un instrumento Difraccin por una abertura circular Tamaoangulardel mximo central: - Cuanto ms grande el orificio ms pequeos los anillos - Cuanto ms pequea ms pequeos los anillos - Comparacin de la seccin para orificio y rendija 2.44 /D 19. Difraccin por una abertura circular Separados (no hay problema de resolucin) En el lmite de resolucin No resueltos Tomemos la imagen perfecta de dos puntos separados: 20. DIFRACCIN POR OBJETOS DE FORMA MS IRREGULAR 21. Segn la forma del objeto se va complicando tambn lo hace supatrn de difraccin Distintas aberturas y su forma de difraccin caracterstica (fotografa) [Como en el objeto dominan las lineas horizontales y verticales, el patrn de difraccin est dominado por las lineas ortogonales a las anteriores. Se observa algo parecido a la difraccin por una rendija vertical, correspondiente al palo vertical de la letra E.] 22. LA RED DE DIFRACCIN 23. Cuando un objeto difusor (una rendija) se repite peridicamente,aparece un patrn de difraccin caracterstico y relacionado conla separacin espacial (periodo) Descripcin de una red de difraccin Supongamos que tengo 10 rendijas iluminadas: Observaremos: - Cada 10 mximos pequeos (secundarios) hay uno ms grande. - Los mximos grandes se llama principales y en la prctica sonlos nicos observables cuando el n de rendijas es muy alto. - La ECUACIN DE LA RED establece las posiciones angulares delos mximos principales 24. Ecuacin de la red: 2dsen = m = 2 dsen = = 2 Ecuacin de la red Interpretacin: 2 d 25. LUZ BLANCA Difraccin de luz policromtica por una red 26. Difraccin de luz policromtica por una red Observacin del espectro: 27. Vista al microscopio electrnico de algunas redes de difraccin por reflexin Tipos de redes de difraccin Hay redes por transmisin y por reflexin (las ms utilizadas) Hay redes de reflexin planas y redes curvas (Redes de Rowland) Hay redes con el difusor elemental simtrico y asimtrico (ej: blaze, o redes de alto brillo) 28. Un espectroscopio es un aparato para visualizar el espectro Difraccin de luz policromtica por una red Un espectrmetro es un aparato para medir el espectro Ambos suelen estar basados en redes de difraccin por reflexin: 29. O.F. 3 DIFRACCIN DE LUZ J.M. Saiz ; 2010 30. Punto de Poisson: Se observa la presencia de un punto luminoso ntido en el centro de la sobra de un obstculo opaco circular, y no muy lejos de l (la difraccin en la zona prxima al objeto difractor se conoce con el nombre de difraccin de Fresnel). Se trata de la constatacin de una prediccin terica hecha por Poisson (y comprobada in situ por Arago) durante la presentacion de la teora ondulatoria propuesta por Fresnel para optar al premio de la Academia de Ciencias de Paris. Poisson y el resto del tribunal, concedieron el premio a Fresnel. Punto de Poisson Simulacin Experimento 31. - Fotones de 560eV ( 22 ) - Apertura cuadrada de 5mm de lado. Ej: Difraccin por una rendija en Rayos X 32. Difraccin por partculas esfricas (similar a orificios circulares) Ejemplo d e aplicacin del Ppio de Babinet 33. Comparacin orificio-rendija [ 2 a=D] 34. Ejemplos de redes de difraccin Estructuras peridicas microscpicas 35. Ejemplos de redes de difraccin Estructuras peridicas microscpicas