ELEC-A4130 Sähkö ja magnetismi (5 op) Henrik Wallén Kevät 2017 Tämä luentomateriaali on pääosin Sami Kujalan ja Jari J. Hännisen tuottamaa
Luentoviikko 12 Tavoitteet Diffraktio Fresnel- ja Fraunhofer-diffraktio Diffraktio yhdestä raosta Yhden raon kuvion intensiteetti Monen raon diffraktio Diffraktiohila Röntgendiffraktio Pyöreät aukot ja erotuskyky Aaltojen tavoin käyttäytyvät hiukkaset Laser (ylikurssia) 2 (27)
Luentoviikko 12 Tavoitteet Tavoitteena on oppia mitä tapahtuu, kun koherentti valo valaisee kohteen reunaa tai aukkoa ymmärtämään, miten kapean raon läpi kulkeva koherentti valo synnyttää diffraktiokuvion miten intensiteetti yhden raon diffraktiokuvion eri kohdissa määritetään mitä tapahtuu, kun koherentti valo valaisee lähekkäisten kapeiden rakojen rivistöä miten diffraktiohilaa voi käyttää aallonpituuden tarkkuusmittaukseen miten röntgendiffraktio paljastaa kiteiden atomirakenteen miten diffraktio asettaa rajat pienten yksityiskohtien havaitsemiselle teleskoopilla 3 (27)
Fresnel- ja Fraunhofer-diffraktio Geometrisen optiikan rajoitukset Geometrisen optiikan mukaan valonsäde ei taivu kulkiessaan terävän reunan ohi, joten varjon reuna on terävä Valaistu alue Monokromaattinen pistelähde Geometrinen varjo Varjostin Terävä esine Todellisuudessa varjon reuna ei ole terävä, vaan valon ja varjon reunassa on diffraktiokuvio (miksi miten selitettävissä?) 4 (27)
Fresnel- ja Fraunhofer-diffraktio Diffraktio ja Huygensin periaate Diffraktio on interferenssi-ilmiö, jota esiintyy reunojen ja aukkojen läheisyydessä Huygensin periaatteen mukaisesti aaltorintaman jokainen piste toimii (toisio)alkeisaaltojen lähteenä (alkeisaallot leviävät joka suuntaan aallon etenemisnopeudella) ja alkeisaaltojen verhopinta myöhempänä ajanhetkenä osoittaa aaltorintaman sijainnin tuolla hetkellä Uuden aallon hetkellinen poikkeama (amplitudi tai kenttävektori) saadaan summaamalla alkeisaaltojen hetkelliset poikkeamat kussakin pisteessä (eli aaltoja tarkastellaan vaihe-eroineen) Interferenssi on pienen lähdemäärän (~kahden lähteen) ilmiö, diffraktio on suuren lähdemäärän tai aukkojakautuman ilmiö kumpikin on seurausta superpositiosta ja Huygensin periaatteesta, joten ilmiöiden jako kahteen luokkaan on osin keinotekoinen 5 (27)
Fresnel- ja Fraunhofer-diffraktio Lähi- ja kaukokenttädiffraktio Lähikenttädiffraktio eli Fresnelin diffraktio = lähde, kohde ja varjostin lähekkäin (raosta lähtevät säteet eivät ole yhdensuuntaisia) Kaukokenttädiffraktio eli Fraunhoferin diffraktio = pitkät etäisyydet (raosta lähtevät säteet ovat liki yhdensuuntaisia) P P f 6 (27)
Diffraktio yhdestä raosta Yksi rako Valaistaan pitkää kapeaa rakoa monokromaattisella valolla (tasoaallolla) ja tarkastellaan kaukaiselle varjostimelle syntyvää kuviota Geometrisen optiikan väite: varjostimella näkyy raon kuva (samanmuotoisena ja -kokoisena) Todellisuudessa varjostimella on diffraktiokuvio, jossa tummat ja valoisat alueet vuorottelevat keskuskuvion laidoilta ulospäin mentäessä (valoisa keskuskuvio saattaa olla jopa leveämpi kuin rako) Huygensin periaatteen mukaisesti raon jokainen pinta-alkio toimii uuden aallon lähteenä (kapean raon tapauksessa lähteet ovat raon pituussuuntaisia suikaleita, jotka tuottavat sylinterialkeisaaltoja) Syntyneet aallot muodostavat uuden aaltorintaman, joka etenee alkuperäisen aallon nopeudella (koska väliaine on sama) Aaltojen intensiteetti varjostimella saadaan summaamalla kaikkien alkeisaaltojen vaikutukset aaltojen vaihe ja amplitudi huomioon ottaen 7 (27)
Tummien juovien suunnat Oletetaan pitkä kapea rako (raon leveys olkoon a; raon pituussuunta on piirroksia vastaan kohtisuorassa ja pituus a) Kaukaiselle varjostimelle osuvat diffraktoituneet säteet ovat lähes yhdensuuntaisia (= Fraunhoferin diffraktio) Diffraktiokuvio tiivistetään sylinterilinssillä, jonka polttoviivalla varjostin on Raon reunalla ja raon keskellä olevista lähdesuikaleista lähteneiden alkeisaaltojen matkaero varjostimella on x = (a/2) sin θ Sammuttava interferenssi, kun x = λ/2; pätee kaikille a/2-etäisyyksisille suikaleille Rako voidaan jakaa neljään, kuuteen jne. suikaleeseen sammuttava interferenssi, kun (m = ±1, ±2, ±3,... ) x = a 2m sin θ = λ 2 sin θ = mλ a a f P a 2 sin θ θ
Tummien juovien paikat Yleensä λ a, joten θ on pieni: sin θ θ = mλ ([θ] = rad) a Raon ja varjostimen etäisyys olkoon x (jos ei ole linssiä; jos linssi on mukana, x = f eli linssin ja varjostimen välimatka) Tumman juovan m paikka (= juovan etäisyys kuvion keskikohdasta) y m = x tan θ xθ y m = x mλ a ; pätee, kun y m x (m = ±1, ±2, ±3,... ) Tyypillisesti λ 500 nm ja a 100 µm Esim. HeNe-laser (λ 633 nm) valaisee kapeaa rakoa. Laske raon leveys, kun x = 6 m ja keskimmäisten tummien juovien välimatka on 32 mm: y 1 = 32 mm 2 a = xλ y 1 0.24 mm a f P a 2 sin θ θ
Yhden raon kuvion intensiteetti Diffraktion kokonaisamplitudi Diffraktiokuvion intensiteetti lasketaan samalla tavalla kuin aiemmin kahden raon interferenssin intensiteetti Kokonaisamplitudi E P (pisteessä P) saadaan raon ylä- ja alareunasta lähteneiden aaltojen vaihe-eron β (radiaaneina!) ja kuvion keskikohdan amplitudin E 0 avulla (E 0 on lähdesuikaleiden säteilemien amplitudien summa, kun aaltojen vaihe-ero on merkityksettömän pieni): E P = E 0 sin(β/2) β/2 I = 1 [ sin(β/2) 2 ɛ 0cEP 2 = I 0 β/2 ] 2 (säteilymaksimi on suunnassa β = 0 rad) Vaihe-ero β saadaan geometriasta: β = 2π λ matkaero Piirroksen mukaan matkaero on a sin θ, joten β = 2π λ a sin θ a θ a sin θ 10 (27)
Yhden raon kuvion intensiteetti Yhden raon diffraktion intensiteetti Yhden raon kuvion intensiteetti on siten ( ) I = I 0 sin πa λ sin θ sin θ πa λ 2 I 1 0.5 0 6 4 2 0 2 4 6 Minimikohdat: I(β) = 0 β = 2πm sin θ = mλ (m = ±1, ±2,... ) a Maksimien selvittäminen onkin konstikkaampaa... Raon leventäminen kaventaa keskusmaksimia! β 11 (27)
Monen raon diffraktio Kaksi rakoa Usean raon kuvio koostuu diffraktiosta (minimit m d = ±1, ±2,...; kunkin raon leveys on a) interferenssistä (maksimit m i = 0, ±1, ±2,...; rakojen on välimatka d) Kokonaisintensiteetti on interferenssin ja diffraktion intensiteettien tulo ) [ ] 2 sin(β/2), missä φ = 2πd λ I = I 0 cos 2 ( φ 2 2πa sin θ ja β = λ sin θ β/2 Diffraktio Interferenssi Yhteisvaikutus (d = 3a, a λ) 12 (27)
Monen raon diffraktio Monta rakoa Kun rakoja (a λ) on N kpl, diffraktiomaksimien välissä on (N 1) minimikohtaa; maksimikohtien intensiteetti I N 2 ja maksimin leveys 1/N Suurten kapeiden maksimikohtien (eli päämaksimien) sijainnit voidaan mitata tarkasti sovellukset 13 (27)
Diffraktiohila Diffraktiohila = Suuri joukko tasavälisiä, yhdensuuntaisia aukkoja tai uria Voidaan tehdä esim. raapimalla timanttiterällä uria lasilevyn pintaan Kaksi tyyppiä: läpäisy- ja heijastushila Intensiteettimaksimien ehto on sama molemmille tyypeille: d sin θ = mλ, m = 0, ±1, ±2,... (esim. m = ±1 -huiput ovat ensimmäisen kertaluvun viivoja) θ θ d d Läpäisyhila Heijastushila 14 (27)
Diffraktiohila Hilaspektrografi Diffraktioehto d sin θ = mλ Tutkittavan valon aallonpituus voidaan määrittää mittaamalla θ (= liu utettavan peilin [2.] asento) Koko spektri saadaan käymällä kaikki kulmat läpi (Kuva: YF) 15 (27)
Diffraktiohila Kromaattinen erotuskyky Spektrografin kromaattinen erotuskyky määritellään suhteena R = λ/ λ, missä λ on pienin erotettavissa oleva aallonpituusero Suurempi R parempi laite Valitaan erottelukriteeri: erotamme lähekkäisten aallonpituuksien maksimit, kun yhden aallonpituuden diffraktiomaksimi osuu toisen aallonpituuden ensimmäiseen diffraktiominimiin Maksimi saadaan, kun vierekkäisten rakojen säteilyn vaihe-ero on φ = 2πm Maksimista päästään lähimpään minimiin kasvattamalla vaihe-eroa lisäyksellä dφ = 2π/N, missä N = rakojen lukumäärä Vierekkäisten rakojen säteilyn vaihe-ero on myös (huomaa: antiikva-d on differentiaalin symboli, kursiivi-d rakojen välimatka!) φ = 2πd sin θ λ d dθ dφ = 2πd cos θ λ dθ 16 (27)
Diffraktiohila Spektrografin erotuskyky Saadaan dφ = Toisaalta maksimeille pätee 2πd cos θ λ dθ = 2π N d cos θ dθ = λ N (vaihe-eron muutos maksimista minimiin) d sin θ = mλ d dλ d cos θ dθ = m dλ (lähekkäisten aallonpituuksien maksimit) Yhdistämällä yhtälöt saadaan (dλ λ) λ N Erotuskyky paranee, kun N kasvaa = m λ R = λ λ = Nm 17 (27)
Röntgendiffraktio Röntgendiffraktio Röntgensäteiden aallonpituus on kiteen atomien välisen etäisyyden suuruusluokkaa, λ 1 Å = 0.1 nm Röntgensäteillä valaistu kide sirottaa säteitä ja sironneista säteistä syntyy diffraktiokuvio kiteen säännöllisen hilan vuoksi (vaikka suurin osa säteistä kulkee kiteen läpi suoraan) Röntgendiffraktio (oikeastaan -interferenssi) on tärkeä menetelmä esim. kiteiden ja proteiinien rakenteen tutkimuksessa Vahvistava interferenssi saadaan, kun vierekkäisistä atomiriveistä sironneiden aaltojen matkaero toteuttaa Braggin ehdon 2d sin θ = mλ, m = 1, 2, 3,... missä θ on tulevan säteen ja pinnan välinen kulma ja d on kiteen atomitasojen välinen etäisyys; lisäksi säteiden tulokulman ja tarkastelukulman pitää olla yhtä suuri ja mλ < 2d (m on jälleen kertaluku) 18 (27)
Röntgendiffraktio Braggin ehto d θ d sin θ d sin θ 19 (27)
Pyöreät aukot ja erotuskyky Pyöreän aukon diffraktiokuvio Valo taipuu pyöreässä aukossa kuten kapeassa raossa Pyöreän raon diffraktiokuviossa on valoisa keskuskiekko sekä valoisia ja tummia renkaita (Kuva: YF) 20 (27)
Pyöreät aukot ja erotuskyky Airyn kiekko Valoisa keskuskiekko on Airyn kiekko Kiekko rajautuu ensimmäiseen tummaan renkaaseen suunnassa θ 1 (aukon halkaisija olkoon D): sin θ 1 = 1.22 λ D [Ylikurssia: Kuvion intensiteetti muuttuu säteittäissuunnassa funktioon (J 1 (ka sin θ)/(ka sin θ)) 2 verrannollisena (a = D/2); J 1 on ensimmäisen kertaluvun ensimmäisen lajin Besselin funktio ja 1.22 on funktion ensimmäinen nollakohta jaettuna piillä] 21 (27)
Erotuskyky Diffraktion takia piste kuvautuu optisissa laitteissa ympyräkiekoksi Optisen kojeen tuottamien kuvapisteiden keskinäiset kulmaetäisyydet ovat samat kuin kohdepisteiden keskinäiset kulmaetäisyydet Kahden lähekkäisen kohdepisteen kuvat ovat vielä erotettavissa toisistaan, jos yhden pisteen diffraktiokuvan huippu on toisen pisteen diffraktiokuvan ensimmäisen minimin kohdalla = Rayleigh n kriteeri kohteidenerotuskyvylle kohteet voi erottaa, jos niiden kulmaetäisyydelle θ pätee sin θ > 1.22 λ D Järjestelmä on diffraktiorajoitteinen, jos erotuskykyä rajoittaa diffraktio
Pyöreät aukot ja erotuskyky Aukon vaikutus erotuskykyyn Rayleigh n kriteeristä seuraa optisten järjestelmien (kulma)erotuskyvyn raja: sin θ = 1.22 λ D Määritelmä on mielivaltainen mutta antaa suuruusluokan Suuren optisen aukon käyttö parantaa erotuskykyä millä hinnalla? Pieni aukko Keskikokoinen aukko Suuri aukko (Kuvissa pistelähteet pysyvät paikoillaan ja optisen järjestelmän aukkoa kasvatetaan: erotuskyky paranee) (Kuvat: YF) 23 (27)
Laserin toiminta (YF 39.4) (ylikurssia)
Aaltojen tavoin käyttäytyvät hiukkaset (YF 39.4) Laser (ylikurssia) Spontaani ja stimuloitu emissio laser = light amplification by stimulated emission of radiation (voisi ennemmin olla loser = light oscillation by stimulated emission of radiation) Kun atomeja (molekyylejä) valaistaan sopivilla fotoneilla, atomi siirtyy korkeampaan energiatilaan eli virittyy Viritys purkautuu jonkin ajan kuluttua ja atomi emittoi fotonin: tapahtuu spontaani emissio ("Stimulated Emission"by V1adis1av - Own work. Licensed under GFDL via Wikimedia Commons - http://commons.wikimedia.org/wiki/file:stimulated_emission.svg#/media/file: Stimulated_Emission.svg) Stimuloidussa emissiossa virityksen laukaisee valaisun fotoni, jolloin atomi emittoi samanlaisen fotonin (taajuus, suunta, vaihe, polarisaatio) Yleensä atomissa (jopa esim. kuumassa hehkulangassa) on hyvin vähän virittyneitä atomeja 25 (27)
Aaltojen tavoin käyttäytyvät hiukkaset (YF 39.4) Laser (ylikurssia) Stimuloidun emission tehostaminen: miehityksen kääntö Jotta stimuloidun emission tuottamaa koherenttia säteilyä syntyy, tarpeeksi moni atomi on saatava viritetyksi Tämä onnistuu ( helpoiten ) luomalla epätasapainotilanne, jossa korkeaenergiaisia atomeja on enemmän kuin perustilaisia, eli on luotava miehityksen kääntö (population inversion) Atomeja voi pumpata esim. salamavaloväläyksillä tai purkauksilla kaasussa korkeampiin energiatiloihin; jos yksi näistä tiloista on pitkäikäinen metastabiili tila, atomit yritetään virittää tähän tilaan Kun metastabiilin tilan atomit siirtyvät spontaanisti alempiin energiatiloihin, emittoituneet fotonit kuitenkin stimuloivat samaa siirtymää, jolloin saadaan intensiivinen, koherentti valokeila (valopulssi) Jatkuvatoimiasessa laserissa pumppauksen on oltava jatkuvaa Atomien (molekyylien) energiatasojen pitää olla juuri sopivat laseroivia vain jotkin materiaalit ovat 26 (27)
Aaltojen tavoin käyttäytyvät hiukkaset (YF 39.4) Laser (ylikurssia) Laserin rakenne Laseroiva eli valoa vahvistava aine tyypillisesti asetetaan optiseen resonaattoriin, jolloin edestakaisin kulkevat fotonit stimuloivat emissiota halutun energiatilan atomeista Resonaattori voi olla peilipari, joista toinen päästää säteilyä ulos (silti heijastaa 95 %... 99 %; toisaalta esim. typpilasereissa ei välttämättä tarvita kuin yksi peili) Puolijohdelaserissa käytetään hyväksi puolijohteen vapaasti liikkuvien elektronien energiatiloja (Lähde: Lawrence Livermore National Laboratory) 27 (27)