3.5. Interferentsi ja difraktsiooni rakendusi
Selgendavad katted
Valguse interferentsi kiles kasutatakse peegelduskadude vähendamiseks optilistes süsteemides. On kindlaks tehtud, et puhtalt klaasipinnalt peegeldub tagasi umbes 4% langevast valgusest, kui langemissuund on risti pinnaga. Suuremate langemisnurkade korral on peegeldunud valguse hulk suurem, näiteks 60 langemisnurga korral on peegeldunud valguse hulk juba ca 20%..
Selleks, et optilist süsteemi läbiks võimalikult palju valgust, kaetakse optiliste detailide pinnad peegeldamist vähendavate katetega. Sel juhul tekib esemest ka selgem kujutis, sest valgus ei haju laiali .
Jooniselt on näha, et peegeldumine laiendab kiirtekimpu, mis tähendab, et kujutis muutub ebaselgemaks Sellepärast nimetataksegi peegeldamisvõimet vähendavaid katteid selgendavateks kateteks.
KATSE: läbi klaasplaadi, millel on selgendava katte laik lastakse valgust seinale. Teises seinas on näha peegeldumise puudumine.
Vaatame lähemalt, kuidas selgendavad katted “töötavad”. Klaasi pinnale on kantud õhukene kile, selgendav kate. Valgus peegeldub kile mõlemalt pinnalt. Kile paksus on valitud nii, et tema pindadelt peegeldunud lained 2 ja 3 on vastasfaasides.
Interfereerudes nad kustutavad teineteist ja peegeldunud valgust ei esine. Kui klaas valgust ei neela, siis suureneb klaasist läbi läinud valguse intensiivsus nii palju, kui muidu oleks tagasi peegeldunud.
Selgendavad katted ei võimalda kõrvaldada kogu peegelduvat valgust, kuna interferentsi miinimumi tingimus on täpselt täidetud vaid ühe kindla lainepikkuse jaoks.
Selgendavaid katteid võib näha, kui vaadata näiteks fotoaparaadi objektiivi. Lillakas või kollakas kile objektiivi pinnal ongi selgendav kate. Need katted on väga õhukesed. Kilede paksus on ainul mõni tuhandik millimeetrit. Sellepärast ei tohi tolmunud objektiivi puhastada lapiga hõõrudes, nii võime kalli objektiivi jäädavalt rikkuda. Puhastada võib ainult õrnalt puhudes või pehme pintsliga ettevaatlikult pühkides.
Selgendavate katete alal on oma töödega saavutanud maailmakuulsuse Tartu Ülikooli füüsikud prof. Paul Kard (1914-1985) ja tema õpilane Lembit Sossi (1943).
Holograafia
Holograafia on esemete ruumilise kujutise fotografeerimine. Selle tulemusena saadakse hologramm, mis erineb mitmeti tavalisest fotost. Fotol jäädvustatakse eseme tasapinnaline, mitteruumiline kujutis, mille me mõtleme ruumiliseks Sealjuures aitavad meid ka varjud fotol, perspektiiv jne. Kuid fotol on võimatu näha eseme mingit osa, mis jääb teise varju. Ei aita siin ka pea liigutamine, mis ikka on "nurga taga", see sinna ka jääb.
Hologrammil on aga jäädvustatud eseme ruumiline, kolmemõõtmeline kujutis. See tähendab, et hologrammi vaatamisel pead liigutades võib eset näha ka teistest külgedest. Kui ühest kohast hologrammi vaadates jäi mingi ese teisele osaliselt ette, siis teisalt vaadates võib näha ka segava detaili taha.
DEMONSTRATSIOON
Vaatame lähemalt hologrammi valmistamist fotograafilisel meetodil ehk holografeerimist. Mingi eseme holografeerimiseks kasutatakse kahe koherentse valguslainekimbu interferentsi. Selleks juhitakse laserikiir läbi optilise süsteemi, mis tekitab laia paralleelse kiirtekimbu ehk tasalaine. Üks osa sellest, nn. tugikimp juhitakse peegliga fotoplaadile5 või filmile. Teine osa suunatakse sinna pärast holografeeritavalt esemelt peegeldumist. See on esemekimp.
Kõik tugikimbus olevad lained jõuavad fotoplaadini samas faasis. Kuid esemekimbu lainepinna kuju muutub holografeeritavalt esemelt peegeldumisel, sest eseme pind ei ole tasapind. Esemekimbu lainepinna kuju kajastab holografeeritava eseme kuju. Niisugusel juhul läbivad esemelt peegelduvad valguslained fotoplaadini jõudmiseks erinevad teepikkused, sest mõned eseme osad on fotoplaadile lähemal kui teised. Sellepärast on käiguvahe esemekimbu ja tugikimbu lainete vahel fotoplaadi erinevais kohtades erinev.
Kuna laserivalgus on koherentne, siis eseme- ja tugikimbu lained interfereeruvad, s.t. nõrgendavad või tugevdavad üksteist. Tulemuseks on keeruline interferentsipilt, milles on peidus holografeeritava eseme kuju. See jäädvustatakse fotoplaadile ja pärast fotograafilist töötlemist (ilmutamine, kinnitamine, kuivatamine) ongi hologramm valmis.
Hologrammi vaatlemiseks kasutatakse ainult tugikimpu. Selle difraktsioon hologrammi interferentsipildil tekitab täpselt samasuguse lainekimbu nagu oli esemekimp. Kui see kimp silma juhtida, tekib silmas esemega sarnane kujutis. Tekkiv kujutis on ruumiline, s.t. silma asendit muutes nihkub vastavalt ka kujutis.
Holograafial on mitmeid rakendusi teaduses, tehnikas, meditsiinis. Loomisel on holograafiline kino ja televisioon. Holograafiast on huvitavalt kirjutanud H. Käämbre oma "Laseriraamatus" (Tln: Valgus, 1978, § 25).
Hologramm erineb fotost mitmeti:
- purunemisel säilitab iga tükk info kogu objekti kohta, sest pole kasutatud koondavat optikat, "pilt" on laiali üle kogu kaadri;
- pole erinevust positiivi ja negatiivi vahel;
- kujutise suurus oleneb kasutatava valguse lainepikkusest : mida suurem , seda suurem kujutis;
- ühele fotoplaadile saab jäädvustada palju hologramme, piisab, kui iga kord enne holografeerimist fotoplaati pisut pöörata.
Holograafia leiutas 1947.a. ungari päritolu füüsik D. Gabor, kes sai selle eest 1971.a. Nobeli füüsikapreemia. Hologrammile andis nime samuti D. Gabor, lähtudes kreekakeelsetest sõnadest "holos" - täielik ja "gramma" - üleskirjutus. Seega tähendab “hologramm” täielikku üleskirjutust.
Hologramm annab esemest tunduvalt täielikuma kujutise kui foto. Tõeliselt "täielikuks üleskirjutuseks" aga ei saa ka hologrammi pidada, sest see ei kajasta näiteks eseme kuju või asukoha muutusi.
1963.a. tegid E. Leith ja J. Uptanieks (lätlane) USA-s maailma esimese hologrammi. Eestis olid esimesed P. Paris ja H. Voolaid 1979 (TRÜ).
Hologramm selle sõna otseses tähenduses annab nn. aegruumiline ehk 4D holograafia. See meetod lubab salvestada lisaks keha kujule ka selle liikumist, heleduse või värvuse muutumist jne. Aeg-ruumilise holograafia avastasid 1983.a. Eesti TA Füüsika Instituudi teadlased akadeemik P. Saari (1945) juhtimisel.
Optiliste riistade lahutusvõime
Mikroskoobiga vaadeldakse väikesi objekte, selliseid, mida palja silma või luubiga ei näe, näiteks baktereid, seene eoseid jne. Kuid kas mikroskoobis on näha ka molekule või aatomeid? Ei ole, ja mitte seepärast, et mikroskoobid on kehvad. Põhjuseks on valguse lainelised omadused.
Mida väiksemaid objekte mikroskoobis vaadelda, seda rohkem hakkab meid segama valguse difraktsioon. Objekti valgustamiseks kasutatav valgus hakkab painduma objekti taha, varju piirkonda. Selle tulemusena muutuvad objekti kontuurid ähmasteks ja kujutis uduseks.
Teleskoobiga vaadatakse taevatähti. Need asuvad meist nii kaugel, et paistavad taevas helenduvate punktidena. Teleskoobis tekkiv tähe kujutis koosneb heledast täpist , mille ümber on palju väiksema heledusega rõngad. Neid rõngaid me tavaliselt ei näe, kui teleskoobiga tähti vaadata. Küll ilmnevad nad astronoomilistel vaatlustel, kui tähtede kujutisi pika aja jooksul fotografeeritakse.
Nähtuse põhjuseks on valguslainete difraktsioon teleskoobi objektiivi raamil. Ümmarguse ava korral on difraktsiooniribad rõngakujulised.
Kui kaks tähte paistavad taevavõlvil väga lähestikku, siis teleskoobis nende difraktsioonipildid kattuvad . Enam ei ole võimalik eristada, kas on tegemist ühe või kahe kujutisega.
Tähtede paremaks vaatlemiseks tuleb kasutada suurema läbimõõduga objektiive. Siis paiknevad difraktsioonirõngad tähe kujutisele (heledale täpile) lähemal ja meil on parem tähti eristada. Selles, et ava suurendamisel difraktsioonipilt "kitseneb", veendusime ise filmitükis oleva pilu laiust muutes.
Lahutusvõime suurendamine on keeruline probleem ja selle lahendamine kallis. Maailma suuremate teleskoopide objektiivide läbimõõdud ulatuvad 10 m. Projekteeritakse 100 m läbimõõduga peegelobjektiivi. Sellised objektiivid on väga kallid. Eestis on suurima objektiiviga teleskoop Tõravere observatooriumis (objektiivi diameeter 1,5m).
3.6. Valguse polarisatsioon
Mingi valguslaine E-vektor võib võnkuda suvalises sihis. Kui me näeksime E-vektoreid, siis vastu valguse levimissuunda vaadates oleks pilt selline.
See on nn. loomulik valgus.
Kui sellise valguse teele asetada seade, mis laseb läbi ainult kindlas sihis võnkuvaid E-vektoreid, siis näeksime järgmist pilti.
Sellist valgust nimetatakse polariseeritud valguseks6 ja E-vektori võnketasandit polarisatsioonitasandiks. Polariseeritud valguse saamise seadet nimetatakse polaroidiks või polarisaatoriks. Tasandit, milles võnkuvaid E-vektoreid polaroid läbi laseb, nimetatakse polaroidi läbilasketasandiks.
Kui polariseeritud valguse ette asetada teine polaroid, mille läbilasketasand on E-vetori võnketasandiga risti, mis siis juhtub?
Valgus ei läbi teist polaroidi.
KATSE
Uurime lähemalt, kuidas muutub polariseeritud valguse intensiivsus, kui seda valgust vaadata läbi analüsaatori, mida pööratakse ümber vaatesihi. Selleks hoiame polaroidi ühes kindlas asendis ja vaatame sealt tulnud valgust läbi analüsaatori. Pöörame analüsaatorit ümber vaatesihi, näiteks vastupäeva, ühe täisringi. Olukorda aitab mõista joonis 3.4.1.3, kus on näidatud polarisaatori P ja analüsaatori A neli asendit.
Kui polarisaatori läbilasketasand on vertikaalne ja analüsaatori läbilasketasand on ka vertikaalne, siis on analüsaatorist väljunud valguse intensiivsus maksimaalne (olukorrad a ja c). Kui läbilasketasandid on omavahel risti, siis ei pääse valgus üldse analüsaatorist läbi (olukorrad b ja d). Seega ühe täisringi jooksul esineb kaks intensiivsuse I maksimumi ja kaks miinimumi.
P A P P P
A A
A
I = Imax I = 0 I = Imax I = 0
a) b) c) d)
Katse valguse läbiminekust kahest järjestikusest polaroidist. Algul on ainult üks polaroid. Loomulik valgus suunatakse esimesele polaroidile, kus see polariseerub. Kui seda polaroidi keerata ümber valguse levimissuuna, siis ekraanil valguse intensiivsus ei muutu. Kui asetada esimese polaroidi ja ekraani vahele teine polaroid ja seda keerata, siis on näha, kuidas ekraanil valguse intensiivsus muutub.
Valguse intensiivsuse sõltuvust valguse polarisatsioonitasandi ja analüsaatori läbilasketasandi vahelisest nurgast seletatakse järgmiselt.
Langegu polariseeritud valgus analüsaatorile, mille läbilasketasand OO on vertikaalne ja valguse E-vektor E0 moodustab läbilasketasandiga nurga . Sel juhul saab analüsaatorit läbida ainult E0 komponent E = E0cos .
Kuna valguse intensiivsus I E2, saame intensiivsuse avaldiseks I = I0cos2 . Selle seaduse avastas prantsuse füüsik E. Malus 1808.a.
Valgust saab polariseerida mitmeti. Meie vaatame polariseerumist peegeldumisel ja neeldumisel.
Kui loomulik valgus peegeldub dielektriku pinnalt, siis peegeldunud ja murdunud laine on osaliselt polariseeritud.
KATSE :vaadata läbi polaroidi laualt peegeldunud valgust.
Ühe kindla langemisnurga korral on peegeldunud laine täielikult polariseeritud. Sellele olukorrale vastavat langemisnurka nimetatakse Brewsteri nurgaks šoti füüsiku David Brewsteri auks, kes selle efekti avastas aastal 1815.
Brewsteri nurk (joonisel Θp ) on selline langemisnurk, mille korral peegeldunud ja murdunud kiir on omavahel risti.
Sellist olukorda saab seletada, kasutades valguse levimise dipoolmudelit ja dipooli elektrivälja jaotust (telje suunas on E = 0, ristsuunas aga maksimaalne). Meie seda nähtust lähemalt ei käsitle.
Valgust saab polariseerida, lastes seda läbi aine, mis ei neela teatava polarisatsioonitasandiga laineid, kuid teisi neelab. Sellist nähtust nimetatakse dikroismiks.
Nähtuse seletamisel kasutame mudelit, milles loomulik valgus langeb lõpmata peenikestest paralleelsetest metalltraatidest võrele.
Ey Ey
Ex
Valguslaine E-vektori x-komponent paneb vabad elektronid metallis liikuma piki traate. Sealjuures elektrivälja energia muutub traadi soojusenergiaks ja võrest sellised lained läbi ei lähe.
E-vektori y-komponent ei neeldu, sest y-telje suunas elektronid ei saa nihkuda (traat on lõpmata peenike). Tegelikkuses asendavad sellist võret pikad ja paralleelsed molekulid. Polariseeriva toimega on joodpolüvinüülkile, turmaliin, gerapatiit jne.
NÄIDE: nööri vöngutamine tooli seljatoe ribide vahel: piki ja risti ribisid.
Valgus polariseerub ka sellise nähtuse korral nagu on kaksikmurdumine. Kaksikmurdumise korral jaotub ainele langev valguslaine kaheks laineks: tavaliseks ja ebatavaliseks. Need lained on polariseeritud ristiolevates tasandites. Tavalise laine korral kehtib valguse murdumisseadus, ebatavalise korral ei kehti, st
sin /sin const.
Kaksikmurdumine esineb ainetes, mis on anisotroopsed, st ainetes , kus dielektriline läbitavus on erinevates suundades erinev. Põhjuseks on kristalli aatomite erinevad vahekaugused erinevates suundades.
Anisotroopiat saab tekitada ka kunstlikult, kas mehaanilise surve või elektrivälja abil. Mehaanilise pinge toimel tekkiva deformatsiooni uurimine polariseeritud valguse abil on nn. fotoelastsusmeetod.
KATSE kahe polaroidi ja karbikaanega
Anisotroopia tekitamine elektrivälja abil kannab nimetust Kerri efekt (šoti füüsik John Kerr 1875). Vedelikuga täidetud küvett pannakse kahe ristioleva polaroidi vahele. Küvetis on kaks elektroodi, mille abil on võimalik tekitada vedelikus elektriväli. Selle tulemusena muutub vedelik anisotroopseks ja valgus hakkab rakku (nii nimetatakse küvetti koos polaroidide ja elektroodidega) läbima. Efekt tekib väga kiiresti, ca 10-12 ...10-10 sekundi jooksul. Kerri efekti kasutatakse valguse moduleerimisel.
KATSE Kerri efektist
Anisotroopsed on ka nn. vedelad kristallid. Need koosnevad pikkadest peenikestest molekulidest, mille otstes on erinimelised laengud. Sellised molekulid asuvad ka vedelas olekus teatava korrapära järgi. Neid kasutatakse näiteks mitmesugustes tabloodes, kus on elektroodidega varustatud segmendid, millele saab rakendada pinge ja sellega muuta molekulide orientatsioonining sellega ka polariseeritud valguse läbilasketasandit. Need segmendid on polaroidide vahel ja kõige selle tulemusena valgus neeldub segmentides ja me näeme tumedaid numbreid või tähti hallil taustal.
Polarimeetria
On olemas ka aineid, millest läbiminekul valguse polarisatsioonitasand pöördub. Selliseid aineid nimetatakse optiliselt aktiivseteks. Pöördenurga suurus oleneb ainekihi paksusest ja lahuste korral ka lahuse kontsentratsioonist - kontsentratsiooni suurenedes suureneb ka tasandi pöördenurk. Pöördumise suurust kirjeldatakse eripöörangu abil, mis näitab, kui suure nurga võrra polarisatsioonitasand pöördub ühikulise ainekihi paksuse ja ühikulise kontsentratsiooni korral.
Lahuste korral kehtib seos:
= cl,
kus on polarisatsioonitasandi pöördenurk, - eripöörang, c – lahuse kontsentratsioon ja l – lahusekihi paksus.
Näiteks suhkrulahuse puhul on pöördenurk umbes 60 kraadi, kui kihi paksus on 10 cm ja kontsentratsioon 1 g/cm3 . Umbes sellepärast, et tulemus sõltub suhkru sordist ja lahuse temperatuurist.
Riistu, mis mõõdavad aines oleva suhkru kontsentratsiooni polarisatsioonitasandi pöördenurga järgi, nimetatakse sahharimeetriteks.
Sellega tutvume praktikumis täpsemalt.
KATSE sahharimeetriga
Polaroidprillid
Nagu eespool räägitud, polariseerub valgus dielektrikutelt peegeldumisel. Järelikult
mere- või järveveelt peegeldunud päikesevalgus on polariseeritud. Sellepärast kasutataksegi mõnedes päikeseprillides silmade kaitseks klaasidele kantud polaroidkilesid. Need vähendavad oluliselt veepinnalt, lumelt või märjalt asfaldilt peegeldunud valguse tugevust. Sellepärast kasutavad polaroid-päikeseprille peamiselt kalamehed, mäesuusatajad või autojuhid. Teistel on nad rohkem edevuse asjad.
Polaroide kasutatakse ka 3D filmide vaatamiseks.
Filmi tegemisel kasutatakse filmimiseks kaht kaamerat üheaegselt. Kaamerad asuvad kõrvuti nagu meie silmadki. Filmi näitamisel kasutatakse kaht projektorit, millest üks näitab vasakpoolse kaameraga tehtud filmi ja teine parempoolse kaameraga tehtud filmi. Mõlemad projektorid on suunatud ekraani ühte kohta. Ruumilise kujutise tekkimiseks peab vaataja nägema vasaku silmaga vasakpoolse kaamera filmitut ja parema silmaga parempoolse kaameraga filmitut. Selle saavutamiseks kasutatakse projektorite ees rsitiolevate läbilasketasanditega polaroide. Ja vaatajal on ka ees polaroidklaasidega prillid, mille vasaku klaasi läbilasketasand on sama mis vasakpoolsel projektopril ning parempoolsel sama mis parempoolsel projektoril.
3D filmi vaatamine. E – ekraan, KK –kujutis, VP - vasakpoolne projektor, PP – parempoolne projektor; PKP – polaroidklaasidega prillid.
LCD kuvar
LCD kuvareid kasutatakse televiisorites ja arvutites pildi nähtavaks tegemiseks ehk kuvamiseks. LCD (Liquid Crystal Display) kuvari põhiosad on ekraan pikslitega, valge taustvalguse allikas ja valguse hajutaja. Sellelt tulev valgus juhitakse läbi pikslite, mis tekitavad soovitud pildi ekraanile. Pikslid on on paigutatud kindlatesse ridadesse ja veergudesse ning igaüks neist laseb läbi kas punast, rohelist või sinist valgust. Neid värvusi kombineerides on võimalik saada igasuguseid värvitoone.
LCD kuvari põhiosad. 1 – pikslitega ekraan, 2- tasutvalguse allikas (päevavalguslamp), 3 – taustvalguse hajutaja (valge mattekraan).
Piksli nimi tuleb ingliskeelsetest sõnadest picture ja element, seega eesti keeles oleks nimi pildielement.
Pikslid on imeväikesed, palja silmaga eristamatud. Iga piksel koosneb klaasplaatide vahele pandud vedelkristallist. Plaatide pinnad on kaetud polaroidkile ja kas punase, rohelise või sinise valgusfiltriga (ainega, mis laseb läbi ainult vastavat värvi valgust). Kummalgi pinnal on ka läbipaistvast materjalist elektrood, mis lubab tekitada pikslis elektrivälja. Piksli pindadel olevate polaroidide läbilasketasandid on omavahel risti ja pingestamata elektroodide korral valgus pikslit ei läbi. Selline piksel paistab ekraanil musta täpina.
Kui piksel pingestada, siis selles olev vedelkristall pöörab teda läbiva valguse polarisatsioonitasandit. Järelikult pingestatud pikslis ei ole enam polaroidide läbilasketasandid omavahel risti ja pikslist hakkab valgus läbi minema. Polarisatsioonitasandi pöördenurk oleneb kasutatud pinge suurusest ja nii saab muuta pikslit läbinud valguse hulka. Selliselt on võimalik tekitada ekraanile erineva heleduse ja värvusega punkte, mis kokku annavad soovitava värvilise kujutise.
|
