slide09 - dipartimento di fisica della materia e ingegneria elettronica

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Fisica II - Informatica
La natura della luce
Ottica geometrica
Velocità della luce
Dispersione
Fibre ottiche
La natura della luce
 Teoria corpuscolare (Newton)
 Teoria ondulatoria: proposta già al tempo di Newton,
ma scartata perchè necessaria l’esistenza di un
mezzo di “supporto” (etere !). Solo nel XIX secolo
dopo una lunga serie di esperimenti fu accettata.
 Teoria quantistica: comportamento corpuscolare
nelle interazioni con la materia a livello microscopico
(XX secolo).
 La luce presenta una doppia natura:
 comportamento ondulatorio
 comportamento corpuscolare
Fisica II - Informatica
Ottica geometrica
Modello semplificato:
Approssimazione dei raggi luminosi
l<<d
Fisica II - Informatica
Ottica ondulatoria
Effetti interferenziali
Fisica II - Informatica
l~d
Riflessione
speculare
Fisica II - Informatica
diffusa
Riflessione
L’angolo di incidenza è uguale
all’angolo di riflessione
1  1
Il cammino del raggio di luce è reversibile
Riflessione della luce su una strada. Quale riflessione è speculare
e quale è diffusa ?
Fisica II - Informatica
Rifrazione
Variazione di direzione del raggio di
luce al confine tra due mezzi
vi = velocità di propagazione nel mezzo i
L’angolo 2 dipende dalle proprietà
dei due mezzi secondo la relazione:
Fisica II - Informatica
sin 1 v1
  cost
sin  2 v2
Legge
di Snell
Rifrazione
vluce in aria 3.0 × 108 m/s, vluce in vetro 2.0 × 108 m/s → perchè ?
La luce nel vetro incontra un atomo in A e viene
assorbita. L’atomo si mette in oscillazione ed irradia
la luce verso un altro atomo B che la assorbe, ed il
processo continua (come una staffetta). I processi
di emissione ed assorbimento causano un ritardo
nella velocità di propagazione media della luce.
Fisica II - Informatica
Rifrazione
La luce passando da un mezzo ad un altro viene rifratta
perchè la sua velocità media è diversa nei due mezzi.
indice di rifrazione
ogni
sostanza ha
il suo indice
di rifrazione
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vel. luce vuoto c
n

vel. luce mezzo v
Rifrazione
Quando un’onda passa da un mezzo a
un altro la sua frequenza non varia !
I fronti d’onda superano un osservatore in A
nel mezzo 1 con una certa frequenza ed
incidono all’interfaccia (mezzo 1)/(mezzo 2).
La frequenza con la quale i fronti d’onda
superano un osservatore in B deve essere
identica. Altrimenti si creerebbe un
accumulo o una riduzione di onde al confine.
Poichè la relazione v  f l rimane valida
e deve anche essere f1  f 2  f
si vede che v1  f l1 e v2  f l2 , da cui v1  v2 e l1  l2
dividendo membro a membro
ovvero n 
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l0
ln
l1 v1 c n1 n2
 

 l1n1  l2 n2
l2 v2 c n2 n1
e la legge di Snell diventa
n1 sen1  n2 sen 2
Esempio di rifrazione
Raggio di luce che attraversa una lastra di vetro
Fisica II - Informatica
I raggi incidente ed emergente sono paralleli
ma “disassati” di una distanza d.
Dispersione
Dipendenza dell’indice di rifrazione
dalla lunghezza d’onda si chiama
dispersione.
Effetti della dispersione (es. prisma)
Fisica II - Informatica
Dispersione: arcobaleno
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Principio di Huygens
Il principio di Huygens è una costruzione geometrica per
determinare la posizione di un nuovo fronte d’onda dalla
conoscenza di un fronte d’onda anteriore.
Tutti i punti su un dato fronte d’onda si possono considerare come
sorgenti puntiformi di onde sferiche elementari: la superficie
tangente risultante è il nuovo fronte d’onda ad un istante
successivo.
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Riflessione interna totale
In condizioni di riflessione interna totale la luce non si propaga nel
secondo mezzo.
La riflessione interna totale si verifica solo quando la luce si
propaga da un mezzo di un dato indice di rifrazione ad un mezzo di
indice di rifrazione minore. Dalla legge di Snell:
n2
n1 sen  n2 sen  90   n2  sen 
 per n1  n2    angolo limite
n1
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Riflessione interna
totale: esempi
Fisica II - Informatica
Fibre ottiche
Fisica II - Informatica
Fibre ottiche
Applicazione del
fenomeno della
riflessione interna
totale: confinamento
della luce.
Fisica II - Informatica
Fibre ottiche
Allargamento dell’impulso di luce dovuto alla presenza di
traiettorie di lunghezza diversa all’interno della fibra ottica
multimodo stepped index.
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Fibre ottiche
Fibra ottica
multimodo graded
index.
Fibra ottica a modo
singolo stepped
index.
Importante per le
telecomunicazioni !
Fisica II - Informatica
Fibre ottiche
Cono di accettazione della luce: necessità di un ottimo
accoppiamento tra fibre laddove esistono delle
giunzioni !!!
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