Inleiding Optica (146012). Cursusjaar: 2007-2008
De leerstof van week tot week en begripsvragen. • • • • •
• •
Besteed ca. 10 uur per week aan thuis-zelfstudie (dus excl. de colleges!) Maak zo veel mogelijk vraagstukken. Zie ook de uitwerkingen achter in het boek. Antwoorden zijn hier te vinden: Antwoorden vraagstukken Hecht. Op de werkcolleges kunnen vragen over de vraagstukken zonder uitwerking worden gesteld. Tijdens de werkcolleges zullen in ieder geval de genoemde tentamenopgaven behandeld worden. Zie ook: Oude tentamens. Probeer de begripsvragen voor jezelf te beantwoorden als test of je de stof begrepen hebt. Vraagstuk 1 van het tentamen bevat altijd enkele van onderstaande vragen! Maak gebruik van de bonuspunten. Gebruik de op de web-site gepubliceerde simulaties (een stand-alone programma voor op je eigen PC) om de stof te verduidelijken. Vooral voor de laatste twee onderwerpen: Interferentie- en Diffractie verschijnselen.
20 augustus 2007, Dr ir F.A. van Goor.
Week 36 golven, licht als electromagnetische golf. Boek Hecht: Hoofdstuk 2. Golven. Het hele hoofdstuk. Hoofdstuk 3. Licht als elektromagnetisch golfverschijnsel. paragraaf: 3.1.5, 3.2, 3.2.1, 3.3.1, 3.3.2, 3.3.4, 3.5, 3.5.1
Overheadsheets: hoofdstuk1.pdf, hoofdstuk 2.pdf, Hoofdstuk 3.pdf
Begripsvragen: 1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. 8.
Hoe beschrijf je een lopende golf? Wat voor soort golven bestaan er in de natuur? Wat trilt er precies? Wordt er iets verplaatst? Zo ja wat? Wat wordt er over grote afstand verplaatst? Wat zijn: (hoek)frequentie, golflengte, periode, golfgetal harmonische golven? Golfvergelijking, fasesnelheid? Superpositie van golven, complexe representatie en fasoren. Wat is interferentie? Vlakke golven, sferische golven, het begrip fasefront Herhaal de relevante stof van het propaedeusevak: 140525 Elektriciteit & magnetisme (De Mul/M. Peters) 9. ‘Begrijp’ de Maxwellvergelijkingen (niet uit het hoofd leren). 10. Wat trilt er precies bij licht? Wat voor soort golven zijn het? 11. Vergelijk de golfvergelijking met die van het vorige hoofdstuk. Moet zowel het magnetisch als het elektrisch veld meegenomen worden in verdere beschouwingen of is een van de twee voldoende? 12. Wat is de Poyntingvector? 13. Wat is irradiantie precies? 14. Kun je het elektrische of het magnetisch veld van licht waarnemen? Zo niet, wat kun je wel waarnemen? Weet je nu alles van het licht? Wat weet je dan niet? 15. Hoe propageert licht in materie? Wat gebeurt er met de fasesnelheid, de frequentie en de golflengte bij propagatie in materie? 16. Wat is dispersie? De wet van Cauchy? 17. Wat gebeurt er in de buurt van een absorptieband? Kan de fasesnelheid groter worden dan de lichtsnelheid? 18. Wat is een abnormaal dispersief medium? 19. Welke golflengtes en frequenties heeft ‘zichtbaar licht’? en microgolven en röntgenstraling?
Week 37 voortplanting van licht, superpositie van golven, polarisatie. Boek Hecht: Hoofdstuk 4. De voortplanting van licht, paragraaf: 4.1 t/m 4.7 Hoofdstuk 7. De superpositie van golven, Paragraaf: 7.1, 7.2 Hoofdstuk 8. Polarisatie, Paragraaf: 8.1.1 t/m 8.1.4, 8.2, 8.3.1, 8.3.2, 8.3.3, 8.4(globaal), 8.6, 8.6.1, 8.7, 8.7.1, 8.8
Overhead sheets: Hoofdstuk 4.pdf, Hoofdstuk 7.pdf, hoofdstuk 8.pdf
Begripsvragen: 1. Wat zijn secundaire golven veroorzaakt door punt-verstrooiers? Waarom kunnen we atomen en moleculen beschouwen als puntverstrooiers? 2. Wat is een ‘dicht medium’? 3. Waarom is propagatie in een materiaal en reflectie een interferentieverschijnsel? 4. Wat is een lichtstraal? Bestaan die ook in het echt of is het meer een wiskundige constructie? 5. Wat is een lichtbundel precies? 6. Wat beschrijft de wet van Snellius? 7. Wat is het principe van Huygens? En het principe van Fermat? 8. Wat kun je doen met de Fresnelvergelijkingen? 9. Wat is een ‘parallelle’ en een ‘loodrechte’ component? 10. Wat is de kritische hoek? En de Brewster of polarisatiehoek? 11. Wat is ‘interne reflectie’? Treden er fasesprongen op? 12. Wat is het verschil tussen ‘amplitudereflectie’ en ‘intensiteitreflectie’? 13. Wanneer treedt er een ‘oppervlaktegolf’ op en hoe ziet deze eruit? 14. De golfvergelijking is lineair. Wat houdt dat in? 15. Wat valt op aan de resulterende golf als je golven met dezelfde frequenties maar met verschillende fasehoeken en amplitudes optelt? 16. Wat is handig als je de complexe methode en fasors toepast? 17. Wat is een staande golf? 18. Wordt er in het geval van een staande golf energie getransporteerd? 19. Heeft een staande golf energie? 20. Op het moment dat de elektrische veldcomponent door nul gaat is de energie van dit veld overal nul! Hoe kan dit? (Wet van behoud van energie!) 21. Hoe kun je een staande golf maken? 22. Wat zijn ‘beats’? 23. Wat is de groepssnelheid? 24. Waaraan is in vacuüm de groepssnelheid gelijk? Kan dit ook het geval zijn in een medium en waaraan moet dit medium dan voldoen? 25. Wat moet je weten om de groepssnelheid uit te kunnen rekenen? 26. Wat is lineair, circulair en elliptisch gepolariseerd licht? 27. Wat is natuurlijk of ongepolariseerd licht? 28. Kun je willekeurig gepolariseerd licht altijd ontbinden in twee loodrecht op elkaar staande lineair gepolariseerde golven? Is de keuze van het assenstelsel vrij? 29. Wat is rechtsom en linksom gepolariseerd licht?
30. Wat kun je met een polarisator doen? 31. Geef een opsomming van mogelijke polarisatoren.
Week 38 interferentieverschijnselen, interferometers. Boek Hecht: Hoofdstuk 9. Interferentie (Young, Newton ringen, Michelson, Fabry-Perot, dunne lagen), Paragraaf: 9.1, 9.2, 9.3, 9.4, 9.6, 9.7.
Overhead sheets: hoofdstuk 9.pdf
Begripsvragen: 1. 2. 3. 4. 5. 6. 7.
Wat moet je precies optellen om interferentieverschijnselen te berekenen? In welke gevallen mag je de irradianties van twee golven optellen en wanneer niet? Wat is een interferentie term? Op welke manieren kun je fase verschillen krijgen? Hoe krijg je totale destructieve interferentie? en constructieve? Kunnen twee incoherente bronnen een interferentiepatroon vormen? Onder welke conditie zullen twee lineair gepolariseerde bundels een interferentiepatroon laten zien? 8. Wat is het verschil tussen ruimtelijke- en tijds coherentie? 9. Hoe kun je van incoherent licht (bij benadering) ruimtelijk coherent licht maken? En hoe maak je (bij benadering) tijdscoherent licht van een incoherente lichtbron? 10. Kan je ook (bij benadering) zowel tijds- als ruimtelijk coherent licht maken uitgaande van een incoherente lichtbron? 11. Kun je ook van een coherente bron, zoals een laser, weer een incoherente bron maken? Hoe? Ruimtelijk- of tijds incoherent? 12. Welke twee methodes kun je gebruiken om interferentieverschijnselen te laten zien? 13. Kun je een aantal interferometers van elke soort noemen? 14. Hoe werkt de interferometer van Young? Tot welk type interferometer behoort hij? 15. Waarom kun je gekleurde interferentieverschijnselen zien bij wit licht? 16. Kun je bij de interferometer van Young fringes zien als er ruimtelijk incoherent licht op de gaten valt? 17. Onder welke voorwaarde kun je bij een diëlectrische film spreken van twee-bundel interferentie? 18. Wat kun je met een Michelson interferometer meten? 19. Wanneer krijg je bij een Michelson interferometer circulaire fringes en wanneer een set evenwijdige fringes? 20. Kun je, als de twee armen precies gelijk zijn en de spiegels precies haaks op de bundels staan ook cirkels waarnemen? Kun je in dit geval ook evenwijdige fringes waarnemen? 21. Wat zie je bij de Michelson als je twee of meerde golflengtes hebt? 22. Onder welke conditie kun je bij wit licht ook fringes zien met de Michelson interferometer? 23. Wat is het fundamentele verschil van een Fabry-Perot interferometer met de andere type interferometers? 24. Hoe kun je het oplossend vermogen van de Fabry-Perot interferometer vergroten? 25. Waarom zijn de fringes van de Fabry-Perot zo veel smaller dan die van de andere interferometers, zoals de Michelson? 26. Wat betekent de Finesse, de Airy functie en de Free Spectral Range van een Fabry-Perot?
27. Hoe kun je een Fabry-Perot interferometer verstemmen? (2 manieren!)
Week 39 Fraunhoferdiffractie Boek Hecht: Hoofdstuk 10. Fraunhofer diffractie (spleten, tralies, ronde en rechthoekige gaten), Paragraaf: 10.1, 10.1.1 t/m 10.1.3, 10.2.1 t/m 10.2.6, 10.2.8.
Overhead sheets: hoofdstuk 10 (Fraunhofer).pdf
Begripsvragen: 1. 2. 3. 4.
Wat is het principe van Huygens? Is diffractie eigenlijk een interferentieverschijnsel of niet? Waarom? Wat gebeurt er als de golflengte van het licht groot is t.o.v. de opening? Zie je in het nabije veld of in het verre veld min of meer hevige fluctuaties in het diffractie patroon? 5. Wanneer is er sprake van Fresnel diffractie en wanneer van Fraunhofer diffractie? 6. Hoe verandert het diffractie patroon als je de afstand tot de opening vergroot bij Fresnel diffractie? en hoe bij Fraunhofer diffractie? 7. Wanneer 'begint' Fraunhofer diffractie en houdt Fresnel diffractie op? 8. Hoe komt het dat je bij een rij coherente oscillators bij bepaalde hoeken een vlak golffront ziet? Waarom moeten daarvoor de oscillators coherent zijn? 9. Bij Fraunhofer diffractie zie je in het brandpunt van een lens minima en maxima. Kun je de plaats van de minima ook verklaren door gebruik te maken van het principe van Huygens? 10. Als je met een ideale lens (geen aberraties bijvoorbeeld met een a-sferische lens) een vlakke monochromatische golf focusseert, waarom krijg je dan geen oneindig smal spotje in het focus? 11. Wat is er in principe nodig om de afmeting van het spotje van vraag 10 zo klein mogelijk te maken? 12. Wat beperkt de resolutie van een optisch afbeeldings systeem? Wat is de invloed van de golflengte van het invallende licht hierop? 13. Wat is het Rayleigh criterium? 14. Wat bepaalt bij een tralie (of multi-spleet diffractor) de breedte van één enkele orde (of fringe)? 15. Wat voor invloed heeft de breedte van één enkele spleet van het tralie op het diffractiepatroon in brandpunt van de lens? 16. Wat kun je met een tralie goed meten? 17. Wat is het oplossend vermogen van een tralie? 18. Hoe kun je het oplossend vermogen van een tralie vergroten? 19. Heeft het veel zin om de breedte van de spleten van een tralie zo klein mogelijk te maken?
Week 40 Fresnel diffractie Boek Hecht: Hoofdstuk 10. Fresnel diffractie (Fresnel zones, ronde gaten en schijven, zone plaat), Paragraaf: 10.3.1 t/m 10.3.5, 10.3.6 Eventuele uitloop collegestof.
Overheadsheets: hoofdstuk 10 (Fresnel).pdf
Begripsvragen: 1. Wat is een Fresnel zone? 2. Waarom zie je afwisselend licht en donker in het centrum van het Fresnel diffractie patroon van een rond gat als je de afstand vergroot? 3. Waarom zie je ringen bij Fresnel diffractie aan een rond gat? 4. Bij voldoend grote afstand verdwijnen de ringen en verschijnt er een enkele spot. Wat gebeurt er als je de afstand nog verder vergroot? Wat voor soort diffractie krijgen we dan? 5. Als je de afstand gelijk houdt kun je dan dezelfde verschijnselen zien als bij vraag 22 en 23 als je de diameter van het gat en/of de golflengte varieert? Hoe moeten deze variabelen veranderen om een zelfde effect als met de afstand te verkrijgen? 6. Kun je een verband tussen gatdiameter, golflengte en afstand vinden dat als een kengetal de Fresnel en Fraunhofer diffractie aan een rond gat kenschetst? 7. Waarom is er bij diffractie aan een ronde schijf een heldere spot in de schaduw van die schijf te zien? Hoe wordt deze spot genoemd? 8. Hoe werkt een Fresnel zone plaat? 9. Wat is het nadeel van de Fresnel zone plaat t.o.v. een gewone positieve lens?
Week 41. geometrische optica, propagatiematrices Boek Hecht: Hoofdstuk 5. Geometrische optica, Paragraaf: 5.1 t/m 5.2, 5.5.1 Hoofdstuk 6. Propagatiematrices, Paragraaf: 6.1, 6.2, 6.3 (globaal)
Overhead sheets: hoofdstuk 5.pdf, hoofdstuk6.pdf
Begripsvragen: 1. Wat doet een ideale lens? 2. Hoe definieer je de vorm van een oppervlak dat een gegeven stralenbundel buigt op een gewenste manier? Waarom noemt men dit een ‘a-sferisch’ oppervlak? 3. Waarom worden er bijna altijd sferische oppervlakken gebruikt? 4. Wat is een ‘paraxiale’ straal? Wat is ‘Gaussische optica’? 5. Wat is de definitie van een beeld? Is het voldoende om één willekeurig punt op het voorwerp te nemen om een optisch afbeeldingsysteem te beschrijven? 6. Wat kun je met een prisma doen? Wat is ‘minimum deviatie’? Waarvoor kun je een prisma gebruiken? 7. Wat is het oplossend vermogen van een prisma? 8. Wat is een dikke lens? 9. Wat zijn hoofdvlakken, brandpuntsafstanden, voorwerpsafstanden, en beeldafstanden? Tekenconventies? 10. Wat is een propagatiematrix? Is de volgorde van de matrices belangrijk? Hoe moet je ze achter elkaar zetten? 11. Onder welke condities mag je propagatiematrices toepassen? 12. Geef een nauwkeurige definitie voor de ideale afbeelding van een (punt op een) voorwerp. 13. Is er ook een matrix te bedenken voor een diafragma? 14. Wat voor soort aberraties zijn er?
Week 42 Inleiding laserfysica Boek Hecht: Hoofdstuk 13. Moderne Optica. Paragraaf 13.1 (vooral 13.1.3)
Overhead sheets: Lasers.ppt
Begripsvragen: 1. Waar komt het begin-veld vandaan waarop de laser opstart nadat je hem hebt aangezet? 2. Waardoor wordt de frequentie waarop de laser oscilleert bepaald?
Week 45 1e Tentamen 1e schriftelijk tentamen. Boek Hecht mag bij het tentamen gebruikt worden. Eigengemaakt formuleblad (max. 2 pagina’s) toegestaan. Week 5 2e Tentamen 2e schriftelijk tentamen (snelle herkansing).
