Experimentalphysik II TU Dortmund SS2012 Shaukat. TU - Dortmund. de Kapitel 6

Transkript

1 Faraday-Effekt Die meisten transparenten Dielektrika drehen die Polarisationsebene von Licht, wenn sie einem starken Manetfeld in Ausbreitunsrichtun des Lichts ausesetzt sind. Der Effekt wurde 1845 von Michael Faraday entdeckt (erster Hinweis auf eine Beziehun zwischen Licht und Manetismus). Pockels-Effekt (linearer elektro-optischer Effekt) Manche Kristalle ("elektro-optische Kristalle") drehen die Polarisationsrichtun, wenn sie einem elektrischen Feld ausesetzt werden. Anwendun: Pockelszelle als schneller Schalter für Laserlicht durch Anleen einer Hochspannun (typisch 5 kv) an einen elektro-optischen Kristall mit nachfolendem Polarisator. Kerr-Effekt Hänt der Brechunsindex vom Quadrat des elektrischen Felds ab, spricht man vom quadratischen Kerr- Effekt. Die Polarisation von Licht kann auch abhäni vom Manetisierunszustand einer ferromanetischen Oberfläche edreht werden: maneto-optischer Kerr-Effekt. Beispiel von DESY/Hambur : Elektrooptische Abtastun zur Untersuchun der Struktur extrem kurzer Elektronenpakete in einem Linearbeschleunier. Das elektrische Feld eines Elektronenpakets, das an einem GaP-Kristall (EO) vorbeifliet, dreht die Polarisation eines Laserpulses im Kristall in Anhänikeit der momentanen Feldstärke. Dadurch wird dem Laserpuls die Form des Elektronenpakets aufeprät, die auf verschiedene Weise detektiert werden kann, z.b. "spectral decodin". Nach Passieren eines Polarisationsfilters (A) variiert die Intensität entlan des Pulses aufrund der zeitabhänien Polarisationsdrehun. Wenn sich auch die Wellenläne entlan des Laserpulses ändert (so. "chirp"), kann die Intensitätsvariation mit einem Spektrometer (ratin + CCD) abebildet werden. 1

2 7 Geometrische Optik 6.1 Grundlaen Fermatsches Prinzip Das Fermatsche Prinzip besat, dass das Licht zwischen zwei Punkten den We zurücklet, der die Laufzeit minimiert. Eine Beründun findet dieses Prinzip im ahmen der Quantenelektrondynamik (siehe z.b. ichard P. Feynman: "QED Die seltsame Theorie des Lichts und der Materie"). Beispiele: - in einem optisch homoenen Medium (Brechunsindex überall leich) ist die kürzeste und schnellste Verbindun zwischen zwei Punkten eine Gerade - bei der eflexion an einer Grenzfläche ist die kürzeste und schnellste Verbindun diejenie, bei der Einfalls- und Ausfallswinkel leich sind. - beim Überan von einem Medium in ein anderes mit anderer Ausbreitunseschwindikeit ist die schnellste Verbindun durch das Snellius-Gesetz eeben. Die eometrische Optik betrachtet "Lichtstrahlen" d.h. idealisierte Lichtbündel, die sich in einem optisch homoenen Medium eradlini beween und dem eflexions- und Snellius-Gesetz enüen. Darüber hinaus durchdrinen sich Lichtstrahlen (im ahmen der "linearen" Optik) unestört. Die Näherun des "Lichtstrahls" inoriert die Wellennatur des Lichts und damit Phänomene wie Beuun an Hindernissen und Interferenz (s. nächstes Kapitel). Für Lichtbündel (die z.b. durch Laser oder durch eine Blende realisiert werden können), deren Durchmesser eine Größenordnun über der Wellenläne lieen (typisch 10 mm), ist der Lichtstrahl für viele Zwecke eine akzeptable Näherun, mit der die Funktionsweise optischer Systeme (z.b. Fernrohr) beschrieben werden kann.

3 7. Optische Abbildun: Spieel und Linsen Abbildun = Vereiniun der Lichtstrahlen in einem Punkt, die von einem anderen Punkt ausehen. - elint nur näherunsweise (Ausnahme: ebener Spieel) - Bild = Gesamtheit von Punkten, die von einem leuchtenden oder beleuchteten Geenstand ausehen. - reelles Bild: Lichtstrahlen treffen sich (näherunsweise) in einem Punkt. Man kann das Bild auf einem Schirm betrachten oder mit Film, CCD o.ä. aufnehmen. - virtuelles Bild: rückwärtie Verlänerun von Lichtstrahlen. Man kann das Bild nicht auf einem Schirm betrachten (z.b. Bild hinter einem Spieel), aber mit einem weitern optischen System (Aue, Kamera) ein reelles Bild herstellen. Lochkamera reelles umedrehtes Bild durch Abbildun mit einer Lochblende (Durchmesser d). Der Durchmesser des Bildpunkts ist d b d Aber: für kleine Blendendurchmesser ibt es eine durch Beuun bedinte Grenze (s. später), so dass es einen optimalen Durchmesser ibt. Das Größenverhältnis von Bild zu Geenstand ist AB AB B G b b: Bildweite : Geenstandsweite 3

4 Versuch: Lochkamera Es entsteht ein umekehrtes reelles Bild. Je kleiner der Durchmesser der Lochblende, desto lichtschwächer das Bild. Die "Bildschärfe" nimmt zunächst zu, bei einem zu kleinen Durchmesser aufrund von Beuunseffekten jedoch auch wieder ab. 1,0 mm 0,6 mm 0,3 mm 0, mm Versuch: Abbildun mit Sammellinse Es entsteht ein umekehrtes reelles Bild, das bei eebener Brennweite der Linse nur bei bestimmten Verhältnissen von Geenstands- und Bildweite scharf ist (s. nächste Vorlesun). 4

5 Ebener Spieel virtuelles aufrechtes Bild im leichen Abstand wie der Geenstand von der Spieelebene. Die Strahlen scheinen vom Punkt A' auszuehen. Die Kamera kann das Bild A'B' aufnehmen, aber man kann es nicht betrachten, indem man einen Schirm in die Bildebene brint (virtuelles Bild) Sphärischer Hohlspieel Im leichen Abstand parallel zur Achse verlaufende Strahlen treffen sich in einem Brennpunkt (F), dessen Abstand zu O und M (Kreismittelpunkt) nur für achsennahe Strahlen konstant ist: FM cos 1 OF f 1 1 cos cos h f paraxiale Näherun: achsennahe Strahlen Dies ist die so. Brennweite. In diesem Abstand werden Sonnenstrahlen (hinreichend parallel) in einen Punkt fokussiert. konkaver Hohlspieel (vl. enl. cave) 5

6 Konstruktion eines Bildpunkts mit mindestens zwei Strahlen, praktischerweise z.b. - Strahl durch M (wird in sich selbst reflektiert) - Strahl durch F und nach der eflexion parallel zur Achse - Strahl parallel zur Achse und nach der eflexion durch F - Strahl zu O unter dem selben Winkel zur Achse reflektiert Außenwinkel = Summe der Innenwinkel der anderen Ecken Für achsennahe Strahlen ilt die Näherun h h h h tan tan sin b f b f Größenverhältnis von Bild zu Geenstand (Hinweis: Hilfslinie von A zu O und von O zu A') AB AB B G b Liet der Geenstand außerhalb von M, entsteht ein reelles umekehrtes Bild zwischen M und F. Liet der Geenstand zwischen M und F, entsteht ein reelles umekehrtes Bild außerhalb von M. Liet der Geenstand zwischen F und Spieel, entsteht hinter dem Spieel ein virtuelles aufrechtes Bild. Konvexer Spieel Aufrechtes virtuelles Bild hinter dem Spieel (interpretiere A'B' als Geenstand und AB als Bild). 6