Presentationmaterials...

30
Presentation materials Optics, Light & Lasers Chapter 2 Wave optics Copyright: The graphical material of this document may be freely used in presentations for instance in teaching at universities and elsewhere. Appropriate referencing is expected. The material must not be used for commercial purposes.

Transcript of Presentationmaterials...

  • Presentation materialsOptics, Light & Lasers

    Chapter 2

    Wave optics

    Copyright:The graphical material of this document may be freelyused in presentations for instance in teaching atuniversities and elsewhere. Appropriate referencing isexpected. The material must not be used forcommercial purposes.

  • ���������������������������������������������

    �����

    �����

    �������������� �����������������

  • Source: Optics, Light & Lasers, D. Meschede, 2. ed., chap.2 2007 Wiley-VCH Velag GmbH & Co. KGaA, Weinheim

    Wave Optics:the speed of light is constant

    — ————

    299750

    299775

    299800

    299825

    299850

    1900 1925 1950 1975 2000 2025

    ——

    17. congress on measuresand weigths 1983

    ——

    c (km/s)

    c = 298.792.458 m/s

  • Source: Optics, Light & Lasers, D. Meschede, 2. ed., chap.2 2007 Wiley-VCH Velag GmbH & Co. KGaA, Weinheim

    Wave Optics:Rœmer’s measurement of the speed of light

    Jupiter

    Io

    Earth

    Sun

    d1

    d2

    1 AU

  • Source: Optics, Light & Lasers, D. Meschede, 2. ed., chap.2 2007 Wiley-VCH Velag GmbH & Co. KGaA, Weinheim

    Wave Optics:field vectors of a linearly polarized electromagnetic wave

    E

    H k

    electromagnetic wavesare transversal:in free space a tripodis formed by {E,H,k}

  • Source: Optics, Light & Lasers, D. Meschede, 2. ed., chap.2 2007 Wiley-VCH Velag GmbH & Co. KGaA, Weinheim

    Wave Optics:wave types

    spherical wavescalar

    plane wave

    spherical wavedipole like dsitribution

    spherical wavelarge separationfrom the source

  • Source: Optics, Light & Lasers, D. Meschede, 2. ed., chap.2 2007 Wiley-VCH Velag GmbH & Co. KGaA, Weinheim

    Wave Optics:field distribution of radiating dipoles

    z

    z

    linear dipole circular dipole

  • �����

    ������������

    ��

    ��������

    �������������

  • ��������������������������������������������

    b = 2z0

    z

    2w0Θdiv ��� ���������

    � ��� �!�� ��!��

    �� ���������!����

  • Source: Optics, Light & Lasers, D. Meschede, 2. ed., chap.2 2007 Wiley-VCH Velag GmbH & Co. KGaA, Weinheim

    Wave Optics:focusing a Gaussian beam

    w03λfπw01

    2w01

    RR ~ f

    E1 E2 E3

    2w03

  • Source: Optics, Light & Lasers, D. Meschede, 2. ed., chap.2 2007 Wiley-VCH Velag GmbH & Co. KGaA, Weinheim

    Wave Optics:Gaussian modes, TEMnm

    (00) (10) (11)

    (20) (21) (22)

  • Source: Optics, Light & Lasers, D. Meschede, 2. ed., chap.2 2007 Wiley-VCH Velag GmbH & Co. KGaA, Weinheim

    Wave Optics:Gaussian modes of a Ti-sapphire laser

    TEM00 TEM01 TEM73 TEM48,0

    Source: Diplomarbeit B. Ueberholz, Bonn 1996

  • ���������������������������������

    ���������������������������������

    �������������������������������������������������������������������������

    ����������

  • Source: Optics, Light & Lasers, D. Meschede, 2. ed., chap.2 2007 Wiley-VCH Velag GmbH & Co. KGaA, Weinheim

    Wave Optics:polarization of electromagnetic waves

    x

    y

    z x

    y

    z

  • αx

    y

    elliptical polarization, linear components

    ������ ������

  • Source: Optics, Light & Lasers, D. Meschede, 2. ed., chap.2 2007 Wiley-VCH Velag GmbH & Co. KGaA, Weinheim

    Wave Optics:polarized light, Stokes parameters

    1100

    1-100

    1

    00

    01

    01

    0Ex

    Ey

    Ex

    Ey

    Ex

    Ey

    Ex

    Ey

    linear (y) linear (x) unpolarized circular (+)

  • ��������������������������������

    �������������������

  • Source: Optics, Light & Lasers, D. Meschede, 2. ed., chap.2 2007 Wiley-VCH Velag GmbH & Co. KGaA, Weinheim

    Wave Optics:about Huygens’ principle

    diffraction

    diffraction

    geometric beam

    Portrait by C. Netscher, 1671;Haags Gemeentemuseum Collection, Den Haag

    Christiaan Huygens1629-1695

  • ���

    �����������

    SQ Pρ r

    er eρes

    cos(ρ,s) cos(r,s)

    dS

    ρ r

  • ���������������������

  • ��� �� � � ��

    ����

    ��

    ����

    �����

    �����������������

    π��/λ�

  • �����������������������������������������������������������

    ��� �� � � ��

    ��������

    ����

    ����������������

    π �/λ!

    !

    "#�

  • ������

    �����������������������

  • �������������������������

  • �����������������������

    �������������������

    ��

    ���

    ��������������������������������������������

    ����������������������������������

  • Source: Optics, Light & Lasers, D. Meschede, 2. ed., chap.2 2007 Wiley-VCH Velag GmbH & Co. KGaA, Weinheim

    Wave Optics:Fresnel diffraction from a straight edge

    1,00 I(u)/I0

    u=024

    -2

    0,5

    0,5 C(u)

    S(u)

    -0,5

    u=0

    The integral is evaluated by meansof the Fresnel integral:

    The Cornu spirale displaysthe Fresnel integrals:

    ξ u

    z

  • Source: Optics, Light & Lasers, D. Meschede, 2. ed., chap.2 2007 Wiley-VCH Velag GmbH & Co. KGaA, Weinheim

    Wave Optics:Fresnel diffraction from a circular aperture

    a

    ka2z

    ka2z 0,05

    0,10

    0,15

    0,20

    1,00

    40

    14

    6,3

    5,7

    1,00

    aperture

    Fraunhofer limit

    z-axis

  • Source: Optics, Light & Lasers, D. Meschede, 2. ed., chap.2 2007 Wiley-VCH Velag GmbH & Co. KGaA, Weinheim

    Wave Optics:Fresnel diffraction from a disc, Poisson’s spot

    0,05

    0,10

    0,15

    0,20

    1,00

    zka2

    zka2

    14

    40

    6,25

    5,7

    1,0

    z axis

    Fraunhofer limit

    Poisson’s spot

  • Source: Optics, Light & Lasers, D. Meschede, 2. ed., chap.2 2007 Wiley-VCH Velag GmbH & Co. KGaA, Weinheim

    Wave Optics:Fresnel zones and zone plate

    1 2 3

    s

    s+λ/

    2

  • Source: Optics, Light & Lasers, D. Meschede, 2. ed., chap.2 2007 Wiley-VCH Velag GmbH & Co. KGaA, Weinheim

    Wave Optics:Fresnel lens, concept and old boat lantern

    Source: Wikipedia