Introducere

Introducerea în optică:

Principalele subdomenii ale opticii sunt optica geometrică și cea ondulatorie.
Lumina este agentul fizic care impresionează ochiul, și prin aceasta poate fi văzută. Natura luminii și structura ei au constituit o preocupare a omului din cele mai vechi timpuri. Datorită mijloacelor aproape inexistente de cercetare a luminii, diversele ipoteze privind lumina au fost multă vreme speculative. Mai precise au fost legile propagării luminii, conform cărora, de exemplu, ea se propagă în linie dreaptă. Aceasta a făcut ca între anii 1626-1637 Rudolph Snellius și Descartes să enunțe legile refracției. Legile reflexiei erau cunoscute încă din antichitate, nu se știe când și de cine au fost descoperite și enunțate, dar se știe că Euclid și Aristotel le foloseau. În cartea sa Kitab al-manazir (Cartea despre optică, cunoscută în latină sub titlul De Optica), savantul medieval arab Ali bin al-Haytham (în latină Alhazen, 965-1039) vorbește despre refracția luminii în aer și în apă, despre proprietîțile camerei obscure și ale lentilelor.
Dezvoltarea mijloacelor de cercetare și experimentare a dus la certitudinea că fenomenele luminoase sunt produse de câmpul electric alternativ al undelor electromagnetice, deci o rază de lumină este de fapt o undă electromagnetică. Generalități:
Optica se grupează pe trei mari secțiuni importante:
Optica geometrică, în care legile propagării luminii și formarea imaginilor optice sunt studiate făcându-se abstracție de natura luminii. Fenomene specifice sunt reflexia luminii, refracția luminii.
Optica ondulatorie, în care fenomene ca difracția, interferența și polarizarea luminii sunt explicate prin considerentul că lumina este un fenomen de natură ondulatorie, mai concret o undă electromagnetică.
Optica fotonică, în care sunt studiate efectul fotoelectric și alte efecte care scot în evidență aspectul corpuscular, fotonic al undelor electromagnetice.
Fenome optice consacrate sunt: dispersia luminii, curcubeul (apare datorită fenomenelor de refracție, reflexia luminii și dispersia luminii), absorbția luminii, polarizarea luminii.

Dispozitivul Young

Dispozitivul Young folosește o sursă de lumină monocromatică S (laser), un paravan cu două fante dreptunghiulare (cu lățimea mai mică de 1 mm) și paralele cu o distanță între ele de maxim 1 mm, un ecran (coală albă). Pentru observarea figurii de interferență nu există o poziție preferențială a ecranului, putând fi plasat la o distanță D între 1 m și 5 m față de fante și din acest motiv se numește interferență nelocalizată.
Atât interferența, cât și difracția se bazează pe principiul lui Hyugens-Fresnel care spune că fiecare punct de pe un front de undă se comportă ca o sursă secundară de undă cu aceeași frecvență și fază cu unda inițială. Noul front de undă este creat prin însumarea amplitudinilor undelor secundare.

Difracția reprezintă fenomenul de ocolire de către lumină a obstacolelor care au dimensiuni comparabile cu lungimea de undă a luminii. Undele difractate vor interfera, rezultând franje luminoase mai complicate, formate din maxime și minime de intensitate.
Rețeaua de difracție este un dispozitiv optic ce constă într-un sistem de fante înguste, rectilinii, paralele, egale, echidistante și foarte apropiate una de alta.
Ea se realizează prin trasarea pe o placă transparentă de plexiglas a unui număr N de zgârieturi rectilinii pe o distanță L.
Intervalele transparente dintre zgârieturi reprezintă fantele rețelei.
Notăm cu

r1,r2 – distanțele parcurse de cele două unde de la fante până în punctul P, unde analizăm interferența
l – distanța dintre fante
D - distanța de la fante la ecran
x – distanța de la centrul ecranului (O) până la punctul P
Δr = r2 – r1 = diferența de drum geometric
δ = n ∙ Δr = drum optic

Un fascicul de lumină monocromatică, provenit de la sursa S, este transformat într-un fascicul paralel de către lentila L1 și care cade sub un unghi de incidență, i, pe rețeaua de difracție, R.
Figura de difracție se vede pe ecranul E. Imaginea de difracţie prezintă un maxim central, urmat de o succesiune de maxime şi minime de ordin superior cu intensități ce descresc din ce în ce mai mult.
Conform Principiului Huygens- Fresnel, fiecare fantă a rețelei devine sediul unor unde secundare coerente care formează cu axa optică AO unghiul α. Între aceste unde va exista mereu aceeași diferență de drum optic:
δ = δ1 – δ2.
Diferența de drum optic între undele incidente pe rețea este:
δ1 = l ∙ sin i.
Diferența de drum optic între undele difractate de rețea este:
δ2 = l ∙ sin α.
δ = δ1 – δ2 = l ( sin i – sin α)
În cazul rețelei de difracție, fenomenul este mai complicat deoarece are loc atât difracția undelor secundare (de pe fante), cât și interferența tuturor undelor secundare. Cum sunt N trăsături pe rețea, vor interfera între ele N fascicule.
Prin interferența undelor provenite de la două fante aflate la distanța l pe rețea, vom obține în punctul P un maxim dacă δ = k ∙ λ și un minim când δ = (2k + 1) ∙ λ
Având în vedere fenomenul de interferență al celor N fascicule putem spune că în toate direcțiile pentru care:
δ = l ( sin i ± sin α) ∙ λ, avem maxime de difracție.