آزمایشگاه اپتیک

فهرست مطالب

1. مقدمه: سیستم های نوری متمرکز

2. تلسکوپ و دوربین دوچشمی

3. چشمی، چشم و رنگ

4. دوربین و لنز دوربین

5. دوربین CCD علمی

6. طیف سنجی

7. تداخل سنج ها و کاربرد آنها

8. جلوه های الکترواپتیکی و کاربرد آنها

9. میکروسکوپ و پروژکتور

10. سیدرواستات ها و کولوستات ها

11. تشخیص و اندازه گیری تابش

12. موارد کاربردی

مقدمه ای بر اپتیک آزمایشگاهی عملی

این کتاب برای دانشجویانی که دروس آزمایشگاهی اپتیک تجربی را می گذرانند، خوانندگان را با ابزارهای نوری و کاربردهای آنها آشنا می کند. این کتاب عملکرد اساسی عدسی‌ها، آینه‌ها، تلسکوپ‌ها را در آزمایشگاه و در شرایط صحرایی، نحوه استفاده از ابزارهای اپتیکی تا حداکثر پتانسیل خود و نحوه نگهداری آنها را در حالت کار توضیح می‌دهد. این گزارش قوانین اپتیک هندسی را ارائه می دهد که بر طراحی، چیدمان و کار ابزارهای نوری حاکم است. این کتاب برهمکنش‌های نور پلاریزه شده با ماده و ابزارها و دستگاه‌های حاصل از آن را توصیف می‌کند و در مورد انتخاب طیف‌سنج‌ها و آشکارسازها برای مناطق طیفی مختلف، با توجه ویژه به دوربین‌های CCD بحث می‌کند. تأکید در کل بر توصیف است، با دقت ریاضی محدود به ضمیمه ها، که ماتریس انتقال پرتو را توضیح می دهد و نظریه Seidel را در مورد انحرافات نوری ترسیم می کند. ضمیمه ها همچنین روش های فوریه در اپتیک و تبدیل فوریه طیف سنجی فروسرخ را معرفی می کنند.

اصول زیربنای ابزارهای نوری که معمولاً در تحقیقات و تجزیه و تحلیل علمی مورد استفاده قرار می‌گیرند را توضیح می‌دهد، دانش‌آموزان را برای ابزارها و آزمایش‌هایی که در آزمایشگاه ملاقات می‌کنند آماده می‌کند.

در مورد استفاده و مراقبت صحیح از ابزار و دستگاه های نوری دستورالعمل ها و توصیه هایی ارائه می کند

روش ها و کاربردهای ارائه شده توسط دستگاه های نوری در تحقیقات علمی را نشان می دهد

اپتیک موجی

اپتیک موج، که با نور به عنوان امواج الکترومغناطیسی سروکار دارد، شاخه مهمی از اپتیک است. پدیده های نوری اصلی مورد بحث در اپتیک موج شامل پراش، تداخل و قطبش نور است. این فصل بر دانش اولیه اپتیک موج و کاربردهای آن تمرکز دارد. ابتدا تئوری الکترومغناطیسی اپتیک به طور خلاصه معرفی می شود. ثانیاً تئوری ها و نمونه هایی از پراش و تداخل نور ارائه و توضیح داده شده است. در ادامه، معرفی مختصری از اپتیک فوریه ارائه می شود. سپس، انحراف جبهه موج معرفی می شود. در نهایت، محدودیت های وضوح نظری یک سیستم تصویربرداری نوری ارائه شده است.

اپتیک، لوازم جانبی لیزر و اندازه گیری

5.1 دستگاه های نوری کلاسیک 127

5.2 مواد نوری 136

5.3 پوشش های نوری و فیلترها 141

5.4 تحویل پرتو، جهت، و انتشار 145

5.5 تجهیزات نصب و موقعیت یابی 148

5.6 اپتیک غیرخطی 149

5.7 مدولاسیون پرتو و کنترل خروجی 156

5.8 اندازه گیری در اپتیک 159

5.9 ما چه آموخته ایم؟ 164

میکروسکوپ الکترونی انتقال (TEM)

میکروسکوپ الکترونی انتقال (TEM)

اصل عملیاتی پایه یک TEM در شکل 3A نشان داده شده است. منبع پرتو الکترونی توسط یک تفنگ الکترونی تولید می شود. از آنجا که حرکات الکترونها میدان مغناطیسی را تولید می کنند، مسیر پرتو آنها را می توان با استفاده از لنزهای الکترومغناطیسی هدایت کرد. TEM دارای لنزان خازن، یک لنز هدف و یک لنز پروژکتور است که پرتو الکترون را هدایت می کند، همانطور که در شکل 3 نشان داده شده است.

در TEM، نمونه ها معمولا با اورانیل استات رنگ می شوند، که تراکم الکترونی بالا را در نمونه تولید می کند و به ایجاد کنتراست تصویر بالاتر کمک می کند.

میکروسکوپ الکترونی اسکن (SEM)

SEM یک تکنیک اصلاح شده است که نمونه های نمونه و پروژه های با وضوح بالا را بر روی یک آشکارساز اسکن می کند. شبیه به TEM، SEM از یک تفنگ الکترون به عنوان یک منبع، یک کندانسور الکترومغناطیسی و لنزهای هدف استفاده می کند تا پرتو را هدایت کند (شکل 3b).

یک کویل اسکن اضافی در SEM به جای یک هدف استفاده می شود. سیم پیچ اسکن پرتو الکترون را در دو بعد در امتداد هواپیما کویل حرکت می دهد.

جسم تصویربرداری با فلزات سنگین مانند طلا، پلاتین یا تنگستن پوشش داده شده است. حضور فلزات سنگین بر روی سطح جسم پشتی، الکترونها را تحت تاثیر قرار می دهد. الکترونهای عقب پراکنده از طریق آشکارسازهای الکترونی جمع آوری می شوند و تصاویر با وضوح بالا با استفاده از نرم افزار ساخته می شوند.

تغییرات میکروسکوپ الکترونی و تاثیر

میکروسکوپ الکترونی در حمایت از عصر جدیدی از اکتشافات علمی، به عنوان دانش ساختارهای سلولی در زندگی گیاه و حیوانات به طور قابل توجهی افزایش یافت.

ارنست روسکا جایزه نوبل 1986 در فیزیک را برای کشف میکروسکوپ الکترونی به دست آورد. تغییرات بیشتر مانند میکروسکوپ تونل زنی اسکن (STM) و میکروسکوپ الکترونی کریوژنیک (Cryo-EM) تکنیک های تصویربرداری را پیشرفت کرده است. توسعه این دومین جایزه نوبل شیمی در سال 2017 را به دست آورد.

دوگانگی موج ذره

در سال 1924، فیزیکدان فرانسوی لوئیس د بوگلی، دوگانگی ذرات موج را تئوری کرد. دوگانگی موج موج نشان می دهد که همه چیز هر دو رفتار ذرات و رفتاری را نشان می دهد.

در سال 1927، دوگانگی ذرات موج به صورت آزمایشی با استفاده از پرتوهای الکترونی به عنوان یک منبع برای پراش تایید شد. هنگامی که یک پرتو الکترونها، که ذرات شارژ شده اند، از طریق یک شکاف هدایت می شوند، یک الگوی پراکندگی بر روی یک صفحه نمایش داده شد. اما پراکندگی پدیده ای است که فقط برای امواج اتفاق می افتد. از طریق این آزمایش، رفتار الکترونهایی دوگانه الکترونها نشان داده شد. بنابراین، اثبات تئوری د بوگلی و به دست آوردن جایزه نوبل فیزیک در سال 1929.

اختراع میکروسکوپ الکترونی

در سال 1933، فیزیکدان آلمانی Ernst Ruska اولین میکروسکوپ الکترونی را ساخت. الکترون ها دارای طول موج بسیار پایین تر از فوتون هستند که ذرات نور هستند. حد پراکندگی ناشی از طول موج نور هنگام استفاده از الکترونها به جای آن، برداشته می شود.

پراش پرتوهای الکترون با لنزهای مغناطیسی جمع آوری می شود، زیرا الکترونها ذرات شارژ می شوند. تصاویر تشکیل شده با میکروسکوپ الکترونی 1000 برابر با رزولوشن از میکروسکوپ های نوری است.

دو نوع عمده میکروسکوپ الکترونی وجود دارد:

 میکروسکوپ الکترونی انتقال (TEM) و میکروسکوپ الکترونی اسکن (SEM).

میکروسکوپ الکترونی

شکل 2: (الف) تصویری از یک تصویر پس از استفاده از لنز برای ضبط نور پراکنده شکل گرفته است. (ب) هنگامی که شکاف یا شیء کوچکتر می شود، تصویر شکل می گیرد تار شدن. (ج) نور لیزر آبی که در طول موج پایین تر از نور قرمز پایین تر از نور قرمز به علت پراش کمتر است.

هنگامی که شکاف کوچکتر می شود، پراکندگی افزایش می یابد. اشعه های نور بیشتر از طریق شکاف عبور می کنند. همانطور که در شکل 2b دیده می شود، اشعه های نور کمتر پراکنده توسط لنز دستگیر شده اند و تصویر تار می شود.

ارنست کارل اب، دانشمند نوری آلمان، قدرت حل و فصل میکروسکوپ نوری را در سال 1873 فرم کرد. معادله Abbe رابطه بین طول موج نور، اموال لنز، و اندازه جسم را می توان با میکروسکوپ نوری تصویربرداری کرد .

 بسته به طول موج نور، حداکثر اندازه نمونه که می توان تصویر برداری کرد، 200-250 نانومتر است.

در طیف قابل مشاهده نور، نور قرمز حداکثر پراش را به دلیل طول موج طولانی تر نشان می دهد. نور طولانی مدت طول موج بیشتر از نور طول موج کوتاه تر است. این نتایج در تصاویر تشکیل شده با نور قرمز که دبریر از تصاویر تشکیل شده با استفاده از نور UV یا آبی رنگ شده است، همانطور که در شکل 2b و 2C دیده می شود.

محدودیت تحمیل شده توسط پراش نور، میکروسکوپ های نوری را از توانایی تولید تصاویر با وضوح بالا از نمونه های بسیار کوچک محدود می کند.

پراش نور

شکل 1: تصویر پراش نور

با قرار دادن یک لنز محدب یا یک هدف در مسیر پرتو پراکنده، تصویر شکاف یا یک شی، می توان شکل داد (شکل 2a). برای یک تصویر تیز و واضح شکل گرفته، لنز باید قادر به گرفتن تمام پرتوهای پراکنده نور باشد. اگر لنز قادر به ضبط تمام نور پراکنده نباشد، تصویر تار می شود.

پراش نور

پراش عبارت است از خمش نور در حین عبور از دهانه یا اطراف لبه یک جسم. همانطور که در شکل 1 نشان داده شده است، هنگامی که نور از یک روزنه عبور می کند، به دلیل پراش پخش می شود. اگر الگوی پراش بر روی صفحه نمایش داده شود، خطوط روشن و تیره تشکیل می شوند. این خطوط روشن و تاریک حداکثر و حداقل نقاط پرتوهای نور هستند که پس از طی مسافت از شکاف تا صفحه به هم می رسند.

چگونه میکروسکوپ الکترونی کار می کند؟

میکروسکوپ الکترونی (EM) یک روش تجربی است که برای ضبط تصاویر با وضوح بالا از نمونه های میکروسکوپی استفاده می شود. این یک تکنیک قدرتمند برای مطالعه ساختار دقیق نمونه های بیولوژیکی مانند بافت ها و سلول ها است.

میکروسکوپ های الکترونی در محدودیت های میکروسکوپ های نور بهبود می یابند. از لحاظ تاریخی، میکروسکوپ های نور برای اندازه گیری و مطالعه ساختار نمونه های ارگانیک استفاده شد. یکی از معایب عمده میکروسکوپ های نوری پدیده پراش نور است. پراش نور محدودیتی در مورد چگونگی به وضوح یک نمونه میکروسکوپی را می توان تصویر کرد.

کشف نور: آزمایش های سرگرم کننده با اپتیک

به زودی 

تدریس برای بچه ها

کشف نور: آزمایش های سرگرم کننده با اپتیک