College 9 Lit.=Literatuur K=Kennen T/A=Toepassen/Afleiden

Slides:



Advertisements
Verwante presentaties
Trillingen en Cirkelbewegingen
Advertisements

4/10/2017 Opleiding BINNENISOLATIE voor thermische renovatie Module 3 Train the trainer – 06/12/ Brugge.
Isaac Newton Omdat een beetje extra bijscholing nooit kwaad kan 
Wageningen University Meteorologie en Luchtkwaliteit
Materialen en moleculen
Hoe deel je gesteenten in? Codering; Streckeisen
Havo 5: Stoffen en Materialen
Handboek Commercieel Budgetteren: toegepast J. Vanhaverbeke & L
Veevoeding Blok 3 en 4: Ruwvoerbalans melkveehouderij
Dynamica van luchtstromen
Jeugd in het Strafrechtelijk kader Les 3, 2016 ‘Needs’
Natuurkunde Overal Hoofdstuk 1: Beweging in beeld.
Klaar met het PW? Lees aandachtig het samenvattingenblad hst 7
Greenbuilding project
Aanleiding Veranderende organisatie
Financiële situatie Volley
Portfolio Zon projecten.
Door Marco Lassche, Joyce Mulder en Mare de Winter
VAN KEUKENBLAD TOT FRIKANDEL presentatie door Koen Ongkiehong
Energielening.
De missie, het hart en het broodtrommeltje
Context 4 Verlichtingsideeën en de democratische revoluties
Gaat u dan snel naar Goedkoop of in kleine oplagen kleding (laten) bedrukken, met een embleem, logo en/of tekst van uzelf, of.
Bomen en struiken IVN Helden.
STUUR DIT AAN EEN SLIMME VROUW... EN AAN ALLE MANNEN... DIE ER TEGEN KUNNEN !!! Na 5000 jaar moppen over vrouwen... uiteindelijk moppen over mannen.
Roundtable De Gefragmenteerde Organisatie
Welkom.
Mictieklachten bij mannen
BASISVEILIGHEID (VCA)
Quel jour sommes-nous aujourd’hui ?
Hoofdstuk 6 Warmte.
Outdoor Advanced - Specialist Tuin en Openbaar Groen 3.1,
Jorismavo Examenvoorlichting
RECHT VAN SPREKEN FUNCTIONEREN OC’S 2016
Inlichtingenbijeenkomst Simulatiecapaciteit ERTMS
Toolbox: ATEX ATmosphere - EXplosive
Groeiende kritiek op de katholieke Kerk rond 1500
De wederkomst ophanden? 20 augustus 2017 Urk.
En blessurepreventie Trainingsopbouw.
Six hats: Werken met netwerken? Mijn gedacht
VEELTERMEN BLADWIJZERS: GETALWAARDE OPTELLEN EN AFTREKKEN
Omdenken Een kleine test….
Toevoeging H5 Elektriciteit
Hoofdstuk 3 In beweging.
Reisconferentie van zorg naar zelfregie
Klaar met de toets? Lees aandachtig het samenvattingenblad hst 6
Je kunt iedere dag iets betekenen voor een ander
Rd4-afvalconferentie november 2016
Nienke Hoffman Teamleider bovenbouw 28 maart 2017
Risico’s en de vertaling naar wettelijke uitgangspunten
Op zoek naar de juiste toon Geluid in de omgevingswet
TAALSITUATIE & - ONTWIKKELING IN VLAANDEREN
NIET-RATIONELE BESLISSINGEN in de TECHNIEK
Stedelijke bevolking 50% wereldwijd (70% verwacht) 75% in Europa
Hoofdstuk 5 Les 1: Markten.
6. Sleutelvoedingsfactoren
Hst. 2 Het geslachtsapparaat
Wees welkom op deze 1STE cursus windows SPECIAAL ONTWIKKELD VOOR AMBTENAREN Vergeet niet te rusten tijdens de cursus en neem een relaxe houding aan tijdens.
Microsoft® Office Outlook® 2007-cursus
De Here zeide tot Mozes: Ga, Ik zend u tot Farao
Co-creatie in de Master Health Care & Social Work
Participatie in Onderzoek ZonMw
DE WINST VAN ZORGVRIENDELIJK WERKGEVERSCHAP
VPH Les 13.
Maurits Hendriks Technisch Directeur Chef de Mission
Welkom Brussel, 25/02/2017.
Informatiebijeenkomst project Snippergroen
Nedgraphicsdag 18 september 2012
Kwaliteitsborging voor het Bouwen
Transcript van de presentatie:

College 9 Lit.=Literatuur K=Kennen T/A=Toepassen/Afleiden Hecht H6 staat in dit college centraal Werkcollegeopgaves: zie blackboard Thema Lit. K T/A Opmerking Breking, Huygens, Principe van Fermat (deels herhaling) Hecht H6.4 X Concept kunnen uitleggen/toepassen. Vergelijkingen kunnen reproduceren Fresnel coeeficienten H6.6 Afleiding kunnen produceren Evanescent wave H6.7 QED, Phasor approach to Feynman’s summation of probability amplitudes H6.11.1 Figuur 6.68 T Concept achter figuur 6.68 kunnen uitleggen/toepassen.

Trillingen, Golven en Optica (TGO) TGO in dagelijks leven: geluid, licht en mechanische trillingen. TGO in de natuurkunde: belangrijke basiskennis om verschijnselen uit de Quantum Mechanica en Electromagnetisme te beschrijven en te begrijpen.                   Dr. Marcel Vreeswijk h73@nikhef.nl, Nikhef Prof. Dr. Johannes F. de Boer jfdeboer@few.vu.nl, Laserlab VU Januari Trillingen & Golven Feb-Maart Golven & Optica

Fermat’s principe Het pad tussen twee punten dat afgelegd wordt door een lichtbundel is dat pad dat afgelegd wordt in de kortste tijd. → Snell’s Wet Afleiding op p. 107 van Hecht

Snell’s wet zorgt er voor dat dingen gekromd lijken in water. Picture borrowed from http://en.wikipedia.org/wiki/Refraction

Snell's wet verklaart vele allledaagse verschijnselen De brekingsindex neemt toe met dichtheid. Astronomen speculeren of licht om een planeet kan draaien ergens in het universum… Het effect kan een rol spelen in fata morgana’s.

Snell’s wet verklaart waarom de zon platter wordt als hij onder gaat. Lichtstralen dichter bij de horizon buigen meer af dan stralen verder weg.

Breking en Reflectie, volgens Maxwell We kunnen de hoeken wel uitrekenen, maar hoe zit het met de grootte van de velden? Je verwacht dat er een soort behoud van E-veld en B-veld zal gelden. Echter, de atoomtrillingen (‘gebonden oppervlaktelading’) dragen ook bij aan deze velden. Gevolg (m.b.v. Maxwell vgl): de tangentiele componenten van E en B/m zijn continue op een grensvlak. (m= magnetische permeabiliteit voor ieder materiaal) Inkomend (i) Reflected (r) Transmitted (t) De Maxwell theorie wordt zo nodig op tentamen gegeven  dus niet uit hoofd leren. Je moet de informatie wel kunnen gebruiken /toepassen/ Interpreteren. Ik probeer consistent groene kaders te gebruiken

Breking en Reflectie De eerste stap: waar wijst het E veld naar toe? Twee extreme mogelijkheden: 1. “S” polarisatie. E veld steekt uit de plane of incidence. (senk) 2. “P” polarisatie ligt in de plane of incidence (parallel) t r i van overgang Vlak P-Polarisatie invalsvlak orientatie E vectoren uit Maxwell theorie. van overgang Vlak S-Polarisatie invalsvlak i r Het vlak van de overgang (interface) steekt uit papier. Het invalsvlak is het papier. (plane of incidence) t

Fresnel Equations Ei Er Et Aim: We would like to compute the fraction of a light wave reflected and transmitted by a flat interface between two media with different refractive indices. for the perpendicular polarization for the parallel polarization where E0i, E0r, and E0t are the field complex amplitudes. We consider the boundary conditions at the interface for the electric and magnetic fields of the light waves. We’ll do the perpendicular polarization first.

Boundary Condition for the Electric Field at an Interface The Tangential Electric Field is Continuous In other words: The total E-field in the plane of the interface is continuous. Here, all E-fields are in the z-direction, which is in the plane of the interface (xz), so: Ei(x, y = 0, z, t) + Er(x, y = 0, z, t) = Et(x, y = 0, z, t) Er Ei ni Bi Br qi qr x y z Interface qt Et nt Bt

Ruimte voor Afleiding ni nt qi qr qt Ei Bi Er Br Et Bt x y z Interface Waarom kijken we alleen naar de grootte van E veld. Immers: ni nt qi qr qt Ei Bi Er Br Et Bt Interface x y z The Tangential Electric Field is Continuous

Boundary Condition for the Magnetic Field at an Interface The Tangential Magnetic Field* is Continuous In other words: The total B-field in the plane of the interface is continuous. Here, all B-fields are in the xy-plane, so we take the x-components: –Bi(x, y=0, z, t) cos(qi) + Br(x, y=0, z, t) cos(qr) = –Bt(x, y=0, z, t) cos(qt) *It's really the tangential B/m, but we're using m = m0 Er Ei Bi ni qi qi qr Br qi x y z Interface qt Et nt Bt

Reflection and Transmission for Perpendicularly (S) Polarized Light Canceling the rapidly varying parts of the light wave and keeping only the complex amplitudes:

Reflection & Transmission Coefficients for Perpendicularly Polarized Light These equations are called the Fresnel Equations for perpendicular polarized light

Simpler expressions for r┴ and t┴ Recall the magnification at an interface, m: θt qi wi wt ni nt Also let ρ be the ratio of the refractive indices, nt / ni. Dividing numerator and denominator of r and t by ni cos(qi):

Fresnel Equations—Parallel electric field x y z This B-field points into the page. Ei Br Bi qi qr Er ni Interface Beam geometry for light with its electric field parallel to the plane of incidence (i.e., in the page) Note that Hecht uses a different notation for the reflected field, which is confusing! Ours is better! qt Et nt Bt Note that the reflected magnetic field must point into the screen to achieve . The x means “into the screen.”

Reflection & Transmission Coefficients for Parallel (P) Polarized Light For parallel polarized light, B0i - B0r = B0t and E0icos(qi) + E0rcos(qr) = E0tcos(qt) Solving for E0r / E0i yields the reflection coefficient, r||: Analogously, the transmission coefficient, t|| = E0t / E0i, is These equations are called the Fresnel Equations for parallel polarized light.

Simpler expressions for r║ and t║ Again, use the magnification, m, and the refractive-index ratio, ρ . And again dividing numerator and denominator of r and t by ni cos(qi):

Interpretatie van de hoeken Brewster angle Critical angle Phase shifts

Reflection Coefficients for an Air-to-Glass Interface Incidence angle, qi Reflection coefficient, r 1.0 .5 -.5 -1.0 r|| r ┴ 0° 30° 60° 90° Brewster’s angle r||=0! nair ~1 nglass ~1.5 Note that: Total reflection at q = 90° for both polarizations Zero reflection for parallel polarization at Brewster's angle (56.3° for these values of ni and nt). qBrewster = arctan(nt /ni)

Brewster Angle (I) Fresnel sin⁡( 𝜃 𝑡 ) sin⁡( 𝜃 𝑖 ) = 𝑛 𝑖 𝑛 𝑡 Snell

Reflectie-coefficienten (Amplitude)

Afleiding Brewster Angle (II) Snell sin⁡( 𝜃 𝑡 ) sin⁡( 𝜃 𝑖 ) = 𝑛 𝑖 𝑛 𝑡

Reflection Coefficients for a Glass-to-Air Interface Incidence angle, qi Reflection coefficient, r 1.0 .5 -.5 -1.0 r|| r ┴ 0° 30° 60° 90° Total internal reflection Brewster’s angle Critical angle nglass ≈ 1.5 > nair ≈ 1 Total internal reflection above the critical angle qcrit = arcsin(nt /ni) Sine in Snell’s law cannot be larger that one: sin⁡( 𝜃 𝑡 ) sin⁡( 𝜃 𝑖 ) = 𝑛 𝑖 𝑛 𝑡

Interpretatie Fresnel Coefficienten, vervolg Fase verschuiving reflectie

We beginnen met loodrechte inval

Vergelijking met een golf door een touw Randvoorwaardes: Medium 1 Medium 2 start later X=0 Zie eerder college. Dit hebben we afgeleid: Dit kan eventueel naar volgend college: volgende onderwerp (staande golven) moet in week3 algemeen Beroemde r en t coëfficiënten

Phase Shift in Reflection (for Perpendicularly Polarized Light) ni nt qi qr qt Ei Bi Er Br Et Bt Interface So there will be destructive interference between the incident and reflected beams just before the surface. Analogously, if ni > nt (glass to air), > 0, and there will be constructive interference.

Phase Shift in Reflection (Parallel Polarized Light) ni nt qi qr qt Ei Bi Er Br Et Bt Interface This also means destructive interference with incident beam. Analogously, if ni > nt (glass to air), r|| > 0, and we have constructive interference just above the interface. Good that we get the same result as for ; it’s the same problem when qi = 0! Also, the phase is opposite above Brewster’s angle.

Phase shifts in reflection (air to glass) 0° 30° 60° 90° Incidence angle π ┴ || Incidence angle, θi Reflection coefficient, r 1.0 -1.0 r|| r ┴ 0° 30° 60° 90° Brewster’s angle 180° phase shift for all angles 180° phase shift for angles below Brewster's angle; 0° for larger angles

Phase shifts in reflection (glass to air) 0° 30° 60° 90° Incidence angle π ┴ || Incidence angle, θi Reflection coefficient, r 1.0 -1.0 r|| r ┴ 0° 30° 60° 90° Total internal reflection Brewster’s angle Critical angle Interesting phase above the critical angle. Coefficent becomes complex, see evanescent wave (later).

If you slowly turn up a laser intensity incident on a piece of glass, where does damage happen first, the front or the back? The obvious answer is the front of the object, which sees the higher intensity first. But constructive interference happens at the back surface between the incident light and the reflected wave. This yields an irradiance that is 44% higher just inside the back surface!

Phase shifts with coated optics Reflections with different magnitudes can be generated using partial metallization or coatings. We’ll see these later. But the phase shifts on reflection are the same! For near-normal incidence: 180° if low-index-to-high and 0 if high-index-to-low. Example: Laser Mirror Highly reflecting coating on this surface Phase shift of 180°

Transmittance and Reflectance We hebben de Fresnel coëfficiënten afgeleid  verhoudingen Amplitudes. Hoe zit het met het VERMOGEN?

Transmittance (T) T Transmitted Power / Incident Power A = Area T Transmitted Power / Incident Power Compute the ratio of the beam areas: qt qi wi wt ni nt 1D beam expansion The beam expands in one dimension on refraction. The Transmittance is also called the Transmissivity.

Reflectance (R) R Reflected Power / Incident Power A = Area R Reflected Power / Incident Power qi wi ni nt qr Because the angle of incidence = the angle of reflection, the beam area doesn’t change on reflection. Also, n is the same for both incident and reflected beams. So: The Reflectance is also called the Reflectivity.

Reflectance and Transmittance for an Air-to-Glass Interface Perpendicular polarization Incidence angle, qi 1.0 .5 0° 30° 60° 90° R T Parallel polarization Incidence angle, qi 1.0 .5 0° 30° 60° 90° R T Note that R + T = 1

Reflectance and Transmittance for a Glass-to-Air Interface Perpendicular polarization Incidence angle, qi 1.0 .5 0° 30° 60° 90° R T Parallel polarization Incidence angle, qi 1.0 .5 0° 30° 60° 90° R T Note that R + T = 1

Reflection at normal incidence When qi = 0,   and For an air-glass interface (ni = 1 and nt = 1.5), R = 4% and T = 96% The values are the same, whichever direction the light travels, from air to glass or from glass to air. The 4% has big implications for photography lenses.

Practical Applications of Fresnel’s Equations Windows look like mirrors at night (when you’re in the brightly lit room) One-way mirrors (used by police to interrogate bad guys) are just partial reflectors (actually, aluminum-coated). Disneyland puts ghosts next to you in the haunted house using partial reflectors (also aluminum-coated). Lasers use Brewster’s angle components to avoid reflective losses: R = 100% R = 90% Laser medium 0% reflection! Optical fibers use total internal reflection. Hollow fibers use high- incidence-angle near-unity reflections.

The critical angle and beyond Incidence angle, θi Reflection coefficient, r 1.0 -1.0 r|| r ┴ 0° 30° 60° 90° Total internal reflection Brewster’s angle Critical angle The critical angle and beyond Totale Interne Reflectie Evanescent Waves

Total Internal Reflection occurs when sin(θt) > 1, and no transmitted beam can occur. Note that the irradiance of the transmitted beam goes to zero (i.e., TIR occurs) as it grazes the surface. Brewster’s angle Total Internal Reflection Total internal reflection is 100% efficient, that is, all the light is reflected.

Applications of Total Internal Reflection Beam steerers Beam steerers used to compress the path inside binoculars

Three bounces: The Corner Cube Corner cubes involve three reflections and also displace the return beam in space. Even better, they always yield a parallel return beam: If the beam propagates in the z direction, it emerges in the –z direction, with each point in the beam (x,y) reflected to the (-x,-y) position. Hollow corner cubes avoid propagation through glass and don’t use TIR.

Frustrated Total Internal Reflection By placing another surface in contact with a totally internally reflecting one, total internal reflection can be frustrated. Total internal reflection Frustrated total internal reflection n=1 n=1 n n n n How close do the prisms have to be before TIR is frustrated? This effect provides evidence for evanescent fields—fields that leak through the TIR surface–and is the basis for a variety of spectroscopic techniques.

FTIR and fingerprinting Picture on right due to Center for Image Processing in Education See TIR from a fingerprint valley and FTIR from a ridge.

The Evanescent Wave qi ni y qt nt x The evanescent wave is the "transmitted wave" when total internal reflection occurs. A mystical quantity! So we'll do a mystical derivation:

The Evanescent-Wave k-vector The evanescent wave k-vector must have x and y components: Along surface: ktx = kt sin(qt) Perpendicular to it: kty = kt cos(qt) Using Snell's Law, sin(qt) = (ni /nt) sin(qi), so ktx is meaningful. And again: cos(qt) = [1 – sin2(qt)]1/2 = [1 – (ni /nt)2 sin2(qi)]1/2 = ± iβ Neglecting the unphysical -ib solution, we have: Et(x,y,t) = E0 exp[–kβ y] exp i [ k (ni /nt) sin(qi) x – w t ] The evanescent wave decays exponentially in the transverse direction. ni nt qi qt x y

Fermat’s principle: Light travels shortest path in time Possible path from S to P reflected from a mirror Amplitude and phase in complex plane for each path

The End