M A S A R Y K O V A U N I V E R Z I T A PŘÍRODOVĚDECKÁ FAKULTA ÚSTAV TEORETICKÉ FYZIKY A ASTROFYZIKY Diplomová práce BRNO 2014 KATEŘINA ZUZAŇÁKOVÁ (Ml to I M A S A R Y K O V A U N I V E R Z I T A PŘÍRODOVĚDECKÁ FAKULTA ÚSTAV TEORETICKÉ FYZIKY A ASTROFYZIKY Světelné paprsky a vlny v absolutních instrumentech Diplomová práce Kateřina Zuzaňáková Vedoucí práce: prof. Mgr. Tomáš Tyc, Ph.D. Brno 2014 Bibliografický záznam Autor: Bc. Kateřina Zuzaňáková Přírodovědecká fakulta, Masarykova univerzita Ústav teoretické fyziky a astrofyziky Název práce: Světelné paprsky a vlny v absolutních instrumentech Studijní program: Fyzika Studijní obor: Teoretická fyzika a astrofyzika, směr Teoretická fyzika Vedoucí práce: prof. Mgr. Tomáš Tyc, Ph.D. Akademický rok: 2013/2014 Počet stran: xi + 54 Klíčová slova: absolutní instrument; inverzní problém; frekvenční spektrum; módy; vlnové klubko Bibliographic Entry Author: Be. Kateřina Zuzaňáková Faculty of Science, Masaryk University Department of Theoretical Physics and Astrophysics Title of Thesis: Light rays and waves in absolute instruments Degree Programme: Physics Field of Study: Theoretical physics and astrophysics, specialization Theoretical physics Supervisor: prof. Mgr. Tomáš Tyc, Ph.D. Academic Year: 2013/2014 Number of Pages: xi + 54 Keywords: absolute instrument; inverse problem; frequency spectrum; modes; wave packet Abstrakt V této diplomové práci se věnujeme absolutním instrumentům z pohledu geometrické i vlnové optiky. V první části věnované geometrické optice se zabýváme šířením paprsků v absolutních instrumentech, transformacemi indexu lomu a řešením inverzního problému. Druhá část práce je věnována vlnám v absolutních instrumentech, zejména v Hookově profilu indexu lomu a v Hookově profilu obklopeném zrcadlem. Nalezneme frekvenční spektra a módy těchto instrumentů a analyzujeme šíření pulsu vyslaného bodovým zdrojem. Sérií zdrojů vybudíme vlnové klubko odpovídající paprsku o zvoleném momentu hybnosti a prozkoumáme jeho chování. Abstract In this thesis we study absolute instruments from the point of view of both geometrical and wave optics. In the first part dedicated to geometrical optics we study ray propagation in absolute instruments, transformation of refractive index and we solve the inverse problem. The second part of this thesis is dedicated to waves in absolute instruments, especially in the Hook refractive index profile and the Hook profile surrounded by a mirror. We find frequency spectra and modes of these instruments and analyse propagation of a pulse that is generated by a point source. Using a series of sources we generate a wave packet corresponding to a ray with certain angular momentum and we investigate its behaviour. Přírodovědecká fakulta Masarykova univerzita ZADÁNÍ DIPLOMOVÉ PRÁCE Student : Bc. Kateřina Zuzaňáková, učo 356652 Studijní program : Fyzika Studijní obor : Teoretická fyzika a astrofyzika Ředitel Ústavu teoretické fyziky a astrofyziky PřF M U Vám ve smyslu Studijního zkušebního řádu M U určuje diplomovou práci s tématem: Světelné paprsky a vlny v absolutních instrumentech Zásady pro vypracování: Pojem absolutního instrumentu neboli dokonalé čočky je v optice znám již velmi dlouho. Prvním takovým netriviálním zařízením je Maxwellovo rybí oko, objevené v roce 1854. Teprve nedávno se však došlo k výraznějšímu rozvoji teorie absolutních instrumentů, a to jak v rámci geometrické, tak vlnové optiky. Během diplomové práce se student seznámí se stávajícím popisem a teorií absolutních instrumentů, bude se zabývat analýzou chování vln v nich a pokusí se navrhnout nové typy těchto zařízení. S využitím těsné souvislosti teorie absolutních instrumentů a teorie neviditelných plášťů bude rovněž analyzovat chování vln v těchto pláštích v některých specifických situacích. • T Y C , Tomáš, Lenka HERZÁNOVÁ, Martin ŠARBORT a Klaus B E R I N G L A R S E N . Absolute instruments and perfect imaging in geometrical optics. New Journal of Physics, Velká Británie: IOP, 2011, roč. 13, č. 115004, s. 1-24. ISSN 1367-2630. doi:l 0.1088/1367-2630/13/11/115004. Změněno: 8. 10. 2012 10:57, prof. Mgr. Tomáš Tyc, Ph.D. • T Y C , Tomáš a Aaron D A N N E R . Frequency spectra of absolute optical instruments. New Journal of Physics, Velká Británie: IOP, 2012, roč. 14, č. 085023, s. 1-16. ISSN 1367-2630. doi:10.1088/1367-2630/14/8/085023. Změněno: 8. 10. 2012 10:57, prof. Mgr. Tomáš Tyc, Ph.D. • B O R N , Max a Emil W O L F . Principles of optics .-electromagnetic theory of propagation, interference and diffraction of light. 6th corr. ed. Cambridge: Cambridge University Press, 1997. xxviii, 80. ISBN 0-521-63921-2. Po domluvě s vedoucím DP může být DP napsána v českém, slovenském a anglickém jazyce. Light rays and waves in absolute instruments Literatura: Vedoucí diplomové práce Datum zadání diplomové práce Datum odevzdám diplomové práce prof. Mgr. Tomáš Tyc, Ph.D. leden 2013 dle harmonogramu ak. roku 2013/2014 ( / W V Brně leden 2013 Rikard von Unge ředitel ÚTFA Zadání diplomové práce převzal dne: H, 2 . l o < * Podpis studenta Poděkování Na tomto místě bych ráda poděkovala vedoucímu své diplomové práce prof. Mgr. Tomáši Tycovi, Ph.D., za cenné rady a připomínky a za trpělivost, se kterou vedl tuto práci. Prohlášení Prohlašuji, že jsem svoji diplomovou práci vypracovala samostatně s využitím informačních zdrojů, které jsou v práci citovány. Brno 16. května 2014 Kateřina Zuzaňáková Obsah Úvod x Kapitola 1. Šíření paprsků v absolutních instrumentech 1 1.1 Analogie s klasickou mechanikou 1 1.1.1 Hookův profil indexu lomu 2 1.2 Transformace indexu lomu 3 1.2.1 Příklad 1: Hook a Kepler 5 1.2.2 Příklad 2: Transformace logaritmem 6 Kapitola 2. Inverzní problém 10 2.1 Inverzní problém zadaný úhlem 10 2.2 Formulace inverzního problému pomocí času 11 2.2.1 Čočka vnořená v homogenním prostředí 11 2.2.2 Opticky homogenní koule v nehomogenním prostředí 14 2.2.3 Paprsky omezené v prostoru 14 2.3 Příklady použití inverzních formulí 15 Kapitola 3. Frekvenční spektra a módy 19 3.1 Módy analyticky 19 3.1.1 Analytické vyjádření spektra a módů pro Hookův profil 21 3.1.2 Od Keplerova profilu ke dvourozměrnému atomu vodíku 22 3.2 Módy numericky 24 3.2.1 Spektrum a módy pro Hookův profil se zrcadlem 25 Kapitola 4. Šíření pulsu 29 4.1 Greenova funkce 29 4.1.1 Greenova funkce pro Helmholtzovu rovnici 30 4.1.2 Greenova funkce pro vlnovou rovnici 31 4.2 Výpočet koeficientů 33 4.3 Šíření pulsu v Hookově profilu indexu lomu 34 4.3.1 Vlny v Hookově profilu 35 4.3.2 Šíření pulsu 35 Kapitola 5. Vlnová klubka 40 - viii - 5.1 Vlnové klubko na jednotkové kružnici 40 5.2 Vlnové klubko na elipse 43 5.3 Vlnové klubko s uvážením disperze 45 Závěr 52 Příloha 53 Seznam použité literatury 54 Úvod Pojem absolutního instrumentu je v optice znám již dlouho. Absolutním instrumentem [1] je optické prostředí, ve kterém se zobrazuje ostře nějaká 3D (pro dvourozměrné instrumenty 2D) oblast prostoru. Přitom ostrým obrazem bodu A rozumíme bod B, kterým prochází nekonečně mnoho paprsků vycházejících z bodu A. Nejjednodušším příkladem absolutního instrumentu je rovinné zrcadlo. V roce 1854 objevil J. C. Maxwell pravděpodobně první netriviální absolutní instrument známý jako M a xwellovo rybí oko [2], ve kterém se paprsky šíří po kružnicích a každý bod má ostrý obraz v bodě daném kulovou inverzí. Novou vlnu zájmu o dokonalé zobrazování vyvolal J. B . Pendry [3] v roce 2000 návrhem absolutního instrumentu sestávajícího z destičky z materiálu se záporným indexem lomu. Pendryho objev podnítil rozvoj fyziky metamateriálů a hledání nových absolutních instrumentů. V [4] se J. C. Miňano zabýval dokonalým zobrazováním v rámci geometrické optiky v prostředí s kladným indexem lomu. Všiml si, že již déle známé čočky, jako je Eatonova [5] nebo Luneburgova [6], mohou fungovat jako absolutní instrumenty. Navrhl také nové absolutní instrumenty, které ostře zobrazují opticky homogenní oblasti. V [7] vyřešili T. Tyc a spoluautoři inverzní rozptylový problém pro prostorově omezené paprsky a na základě tohoto výsledku nalezli obecnou metodu pro návrh absolutních instrumentů se sféricky symetrickým indexem lomu. V [8] byly představeny absolutní instrumenty, které zobrazují se zvětšením. Odpověď na otázku, zda absolutní instrumenty definované v rámci geometrické optiky mohou poskytnout dokonalé zobrazovací vlastnosti i v rámci vlnové optiky, se pokusili najít U . Leonhardt [9, 10] a T. Philbin [10]. Ukázali, že Maxwellovo rybí oko v principu umožňuje rozlišení neomezené difrakční limitou, což bylo v [11] potvrzeno experimentálně pro dvourozměrný případ. Jistou kontroverzi ovšem vzbudila nutnost použití propadu v místě obrazu [12, 13, 14]. V poslední době se ukazuje, že překonání difrakční limity bude v praxi značně komplikované [15]. Absolutní instrumenty z pohledu vlnové optiky byly zkoumány také v [16], kde se ovšem autoři zaměřili na jiný problém, a to na určení charakteristických vlastností spekter vlastních frekvencí. Analýzou vybuzení a pohlcení pulsu ukázali, že spektrum sestává z degenerovaných hladin s téměř ekvidistantními rozestupy, což bylo potvrzeno v [ 17] pomocí W K B aproximace. V [17] byla navíc kromě vzájemných rozestupů frekvenčních hladin spočítána i hodnota nejnižší frekvence a byla zde spočítána spektra i pro absolutní instrumenty se zrcadlem. V této práci se budeme zabývat absolutními instrumenty z pohledu geometrické i vlnové optiky. První část práce věnujeme geometrické optice a budeme se v ní nejprve zabývat transformacemi indexu lomu a transmutací potenciálů. Ve druhé kapitole pak představíme -x- Úvod xi netradiční formulaci inverzního problému. Kapitoly 3 - 5 věnujeme zkoumání vln v absolutních instrumentech. Nejprve se ve třetí kapitole zaměříme na spektra frekvencí a módy absolutních instrumentů. Popíšeme analogii mezi vlnovou optikou a kvantovou mechanikou, pomocí které mimo jiné najdeme analytické vyjádření spektra a módů v absolutním instrumentu s Hookovým profilem indexu lomu. Ve čtvrté kapitole analyzujeme šíření pulsu vyslaného bodovým zdrojem v tomto instrumentu a prozkoumáme, jak se změní charakter šíření vln, obklopíme-li instrument zrcadlem. Sérii zdrojů použijeme v páté kapitole k vybuzení vlnového klubka, které odpovídá určitému paprsku. Prozkoumáme časový vývoj takovýchto klubek v Hookově profilu bez zrcadla i se zrcadlem. Kapitola 1 Šíření paprsků v absolutních instrumentech V úvodní kapitole se budeme věnovat absolutním instrumentům z pohledu geometrické optiky. Nejdříve připomeneme analogii, která existuje mezi geometrickou optikou a klasickou mechanikou, a v sekci 1.2 se pak budeme zabývat transformacemi indexu lomu. 1.1 Analogie s klasickou mechanikou Je známou skutečností, že mezi šířením paprsků v prostředí s indexem lomu n(r) a pohybem mechanické částice v potenciálu V(r) existuje jistá analogie. Připomeňme si na úvod tuto analogii, tak jak je popsána v [18]. Síření paprsků v prostředí s indexem lomu n(r) je určeno Fermatovým principem, podle kterého se paprsek šíří z bodu A do bodu B po trajektorii s extremální optickou dráhou. Trajektorie paprsku je určena podmínkou Pohyb klasické částice s jednotkovou hmotností a s energií E v potenciálu V(r) určuje Maupertuisův princip [19]. Trajektorie částice, která se pohybuje z bodu A do bodu B, je určena podmínkou extremální zkrácené akce: Z podobnosti rovnic (1.1) a (1.2) vyplývá, že pohyb částice o jednotkové hmotnosti v potenciálu V(r) je ekvivalentní šíření paprsků v indexu lomu (1.1) (1.2) n(r) = y/2(E-V(r)) (1.3) a naopak šíření paprsků v n(r) je ekvivalentní pohybu částice v potenciálu V(r) =E (1.4) 2 -1- Kapitola 1. Síření paprsků v absolutních instrumentech 2 Ve druhém členu na pravé straně (1.4) vidíme, že index lomu odpovídá velikosti hybnosti částice. V optice proto definujeme moment hybnosti paprsku v analogii s momentem hybnosti částice jako dr L = r x « ( r ) — . (1.5) |dr| 1.1.1 Hookův profil indexu lomu Jako příklad uveďme Hookův profil indexu lomu n(r) = \fl-r2 , r < y/l, (1.6) kde radiální vzdálenost r měříme v jednotkách určité charakteristické délky v instrumentu a uvažujeme j i jako bezrozměrnou. Šíření paprsků v tomto indexu lomu odpovídá podle (1.4) pohybu částice s energií E — 1 v potenciálu harmonického oscilátoru r 2 V(r) = - , (1.7) ve kterém částice opisují elipsy se středem v počátku soustavy souřadnic. Stejné elipsy opisují i paprsky v Hookově profilu indexu lomu, jak je vykresleno v obrázku 1.1a. Hookův profil je absolutním instrumentem, ve kterém se bod s polohovým vektorem r zobrazuje na —r. Použijeme-li index lomu (1.6) pouze pro r < 1 dostaneme Luneburgovu čočku [6], která fokusuje rovnoběžný svazek paprsků do bodu na svém okraji, jak je znázorněno v obrázku 1.1b. (a) (b) Obrázek 1.1: (a) Trajektorie paprsků v Hookově profilu indexu lomu. Paprsky opisují elipsy se středem ve středu čočky. Čárkovaně je vyznačena jednotková kružnice, (b) Luneburgova čočka. Kapitola 1. Síření paprsků v absolutních instrumentech 3 Obdobně jako v mechanice se i v optice ve sféricky symetrickém prostředí zachovává moment hybnosti paprsku. Jeho velikost můžeme vyjádřit jako L = rn(r)sinoc, (1.8) kde a je úhel, který svírá trajektorie paprsku se směrem rostoucího r. Definujme funkci p: p(r) = rn(r). (1.9) Poloosy elipsy, r±, kterou opisuje v Hookově profilu paprsek s daným momentem hybnosti L, jsou pak řešením rovnice p(r±)=L. (1.10) V kapitolách 3 - 5 se na Hookův profil indexu lomu ve 2D podíváme z pohledu vlnové optiky a budeme mimo jiné zkoumat, jak se v tomto profilu šíří vlnová klubka odpovídající paprskům s různými momenty hybnosti. 1.2 Transformace indexu lomu Zobrazíme-li trajektorie paprsků v prostředí s indexem lomu n(r) zobrazením, které zachovává úhly, budou jejich obrazy opět trajektoriemi paprsků v prostředí s novým indexem lomu n'(r'). Takovéto zobrazení určuje dvojici vzájemně provázaných indexů lomu a je základem moderního odvětví optiky - transformační optiky. V této části najdeme vztah mezi původním a transformovaným indexem lomu a podíváme se, jak se přitom transformují odpovídající potenciály. Speciálním případem transformace potenciálů je transmutace. Známým příkladem navzájem transmutovaných potenciálů, který popíšeme v sekci 1.2.1 Jsou Hookův a Keplerův potenciál. Souvislosti Hookova a Keplerova profilu indexu lomu využijeme později v kapitole 4, kde se budeme zabývat vlnami v těchto instrumentech. Ze známého spektra vlastních frekvencí a módů absolutního instrumentu s Hookovým profilem indexu lomu určíme spektrum frekvencí a módy v Keplerově profilu. Je známo, že šíření paprsků v daném prostředí souvisí s fází vlny (tzv. eikonálu) v tomto prostředí. Směr paprsku je určen gradientem fáze, což se dá ukázat (jak je popsáno v [20]) například následovně. Vezměme paprsek šířící se z bodu A do bodu B. Uvažujme tento paprsek jako výsledek Feynmannovy interference elementárních vln. Představme si, že z bodu A vyšleme vlnu. Každé možné dráze paprsku mezi body A a B (tedy i těm nefyzikálním, které se nakonec nerealizují) přiřadíme elementární vlnu tak, že každá dráha ponese stejnou amplitudu oscilující s fází úměrnou uražené optické dráze. Vlny, které do bodu B dorazí s fázovým rozdílem TÍ, interferují destruktivně. Za předpokladu, že fáze se mění výrazně rychleji než optické vlastnosti prostředí, existuje pro většinu drah c nějaká sousední c'', se kterou destruktivně interferuje. Pouze dráha, na které je fáze stacionární, a dráhy jí blízké s ní tedy interferují konstruktivně, se projeví jako skutečná dráha paprsku. Z požadavku nulové variace fáze lze odvodit (viz [20]) rovnici pro trajektorii paprsku dr c k (r) dí n(r) |k(r) kde vlnový vektor k je určen jako gradient fáze, (1.11) k(r) = V f (1.12) Kapitola 1. Síření paprsků v absolutních instrumentech 4 Paprsek se tedy šíří ve směru gradientu fáze, přičemž velikost rychlosti paprsku je dána podílem rychlosti světla ve vakuu, c, a indexu lomu. Z úvah o Feynmannově interferenci drah lze také, j ak ukázali v [20], odvodit Helmholtzovu rovnici. Definujme vlnu *P v bodě r jako superpozici fázových faktorů e1 ^ přes všechny možné dráhy z nějakého pevně zvoleného zdroje do bodu r. Formálněji zapíšeme jako Feynmannův dráhový integrál (1.13) Působením Laplaceova operátoru na rovnici (1.13) s použitím disperzní relace CO — ck/n dostaneme pro *P Helmholtzovu rovnici co2 n2 Ax ¥ + ^^x ¥ = 0. (1.14) cz Fáze vlny *P určuje chod paprsků rovnicemi (1.11) a (1.12). Transformace Helmholtzovy rovnice Uvažujme nyní dvourozměrné prostředí s indexem lomu n(r). Ukážeme, že při transformaci souřadnic analytickou funkcí se Helmholtzova rovnice transformuje opět na Helmholtzovu rovnici s novým indexem lomu [21]. Trajektorie paprsků v n(r) se tak zobrazí na trajektorie paprsků v transformovaném indexu lomu. Bude výhodné použít komplexní notaci, proto zkombinujeme souřadnice x a y do komplexní proměnné z — x + iy. Přepíšeme Helmholtzovu rovnici (1.14) do nových proměnných z a z*. S využitím řetězového pravidla pro derivace snadno spočteme, že Laplaceův operátor A = d% + dy má v proměnných z a z* tvar A = Adzdz*. Helmholtzova rovnice v proměnných z a z* je tedy Ct)2 n2 4 d z d z * < F + ^ - » F = 0. (1.15) c z Proveďme nyní transformaci do nových souřadnic u a v, které spojíme v komplexní souřadnici w — u + iv, analytickou funkcí w = w(z). (1.16) Díky tomu, že dw/dz* — 0 = dw* jdz, se operátor dzdz* transformuje jako *dw dw dzdz* = ~fc~d^dwdw*. (1-17) Celá Helmholtzova rovnice se tak transformuje opět na Helmholtzovu rovnici © V 2 4 3 ^ ^ + — 5 - * F = 0 (1.18) ovšem s transformovaným indexem lomu dzn — dw n. (1.19) Kapitola 1. Síření paprsků v absolutních instrumentech 5 Protože při zobrazení komplexní roviny z na rovinu w analytickou funkcí zůstává zachován tvar Helmholtzovy rovnice, představují obrazy paprsků opět nějaké paprsky. Trajektorie paprsků v prostoru z, kde je index lomu n, se zobrazí na trajektorie paprsků v prostoru w s indexem lomu n', přičemž optická dráha uražená paprskem se nezmění: n \áz\ — n Idwl (1.20) V části 1.1 jsme ukázali, že šíření paprsku v indexu lomu n je ekvivalentní pohybu mechanické částice s energií E v potenciálu V určenými rovnicí (1.3). Podívejme se, jak se při transformaci indexu lomu (1.19) transformuje odpovídající potenciál. Z rovnic (1.3) a (1.19) dostaneme V'{w)-E'={V{z)-E) dz dw (1.21) kde čárkou značíme veličiny odpovídající transformovanému indexu lomu n'. Speciálním případem takovéto transformace potenciálů je tzv. transmutace, při které se transformuje jeden potenciál v druhý [20]: -EV'(w) V (z) = -E' dz dw dw dz. (1.22) (1.23) 1.2.1 Příklad 1: Hook a Kepler Známá dvojice potenciálů, které jsou transmutací jeden druhého, je Hookův a Keplerův potenciál. Uvažujme v rovině z Hookův profil indexu lomu (1.6): n{r) — y/l — r2 , (1.24) kterému při E — 1 odpovídá Hookův potenciál V(r) = i2, ji. Proveďme nyní transformaci druhou mocninou .2 W — Z Podle (1.19) se index lomu transformuje na 1 n (r) = 1, r — \w\ (1.25) (1.26) což je až na faktor 1/2 (který ale nemá vliv na trajektorie paprsků) tzv. Keplerův profil indexu lomu. Potenciál harmonického oscilátoru V se podle (1.22) transmutuje na Keplerův potenciál v V ) = 4 (1.27) s hodnotou energie E' — —1/8. Částice v Keplerově potenciálu, a tím také paprsky v indexu lomu (1.26), opisují elipsy s ohniskem v počátku soustavy souřadnic. Tyto elipsy jsou obrazy Hookových elips zobrazené Kapitola 1. Síření paprsků v absolutních instrumentech 6 Obrázek 1.2: (a) Trajektorie paprsků v Keplerově profilu indexu lomu. Paprsky opisují elipsy s ohniskem ve středu čočky. Čárkovaně je vyznačena jednotková kružnice, (b) Eatonova čočka jako zpětný reflektor. funkcí w(z) — z . Několik trajektorií paprsků v Keplerově indexu lomu je vykresleno v obrázku 1.2a. Keplerův profil je absolutním instrumentem, který zobrazuje každý bod sám na sebe. Použijeme-li Keplerův profil pouze v oblasti uvnitř jednotkové kružnice a obklopíme ho prostředím o jednotkovém indexu lomu, dostaneme tzv. Eatonovu čočku. Eatonova čočka funguje jako zpětný reflektor (viz obrázek 1.2b) a je také absolutním instrumentem [4]. Poznamenejme ještě, že funkce w(z) — z2 zobrazí komplexní rovinu na dva Riemannovy listy. Každý ze dvou Riemannových listů odpovídá polorovině v z. Zatímco v rovině z paprsek opíše jednu Hookovu elipsu, jeho obraz ve w opíše Keplerovu elipsu dvakrát. 1.2.2 Příklad 2: Transformace logaritmem Jako druhý příklad transformace analytickou funkcí uvedeme transformaci logaritmem w(z) = lnz. (1.28) Zapíšeme-li z v exponenciálním tvaru, z — re1(p , dostaneme w = u + iv — lnr + i
->• r pro r e [0, ro]. Rovnice (2.12) tak přestavuje předpis, jak ze známé funkce A T I (Ľ) získat inverzní funkci k p, a tím i implicitně index lomu. Nalezení funkce / K úplnému vyřešení inverzního problému ještě potřebujeme najít funkci / , která bude splňovat rovnici f(L,L) -Ľ===dL=l. (2.13) L ' 'yfp2 ^2 V integrálu provedeme substituci L — t a zavedeme funkci g, čímž rovnici (2.13) upravíme na Ľg(L2 ,Ľ2 )=f(L,Ľ), (2.14) P g(L2 j) 2 S { ' } dt = ^ . (2.15) L2 v / p 2 - ^ ^ z Rovnice typu b ^ l l d t = h(b) (2.16) y/b — t je Ábelova integrální rovnice [22] pro neznámou funkci g{a,t). Tato rovnice má řešení , ( « , , ) = i | / ' ^ L d , (2.17) Ttdt Ja y/t — S Kapitola 2. Inverzní problém 14 V našem případě je a — L2 , b — p 2 a h(b) — 2/b. Spočtěme nejprve integrál vystupující ve vyjádření funkce g(a,t): Ks) y/t^š ds 2ds _ 2 y/t + y/t-a 'a Sy/t—S yft yft — y/t — a kde ve druhém kroku jsme po substituci t — s — x využili vzorce [22] dx (c2 — d2 x)\fx cd Dosazením (2.18) do (2.17) dostaneme 1 c + d\fx c — d\fx g(a,t) = 1 , y/t + y/t-a 2 l n — ; hTt \ t3 /2 y/t-y/t-a tyjt-a Hledaná funkce / je tedy podle (2.14) tvaru " ^ 2, 1 / 1 Ľ + yJĽ2 -L2 f(L,L) = - - - p ä l n . V ^ g + Tri Ľ 2 Ľ-VĽ2 ^!2 ĽVĽ2 ^!2 (2.18) (2.19) (2.20) (2.21) Tím je inverzní problém vyřešen. Na jeho aplikaci v konkrétních situacích se podíváme v sekci 2.3. 2.2.2 Opticky homogenní koule v nehomogenním prostředí Uvažovaný případ, tj. koule s proměnným indexem lomu obklopená prostředím s konstantním indexem lomu, lze snadno modifikovat na obrácený případ koule o konstantním indexu lomu no vnořené do prostředí s indexem lomu n(r), kde n(ro) — no. Uvažujme paprsek s momentem hybnosti L, který prochází homogenní koulí a poté vstoupí do nehomogenní oblasti. Zde opíše křivku, jejíž nejvzdálenější bod od počátku soustavy souřadnic, vnější bod vratu, označíme r+(L). Poté paprsek opět vstoupí do homogenní oblasti. Je zadána doba AT2(L), za kterou paprsek dorazí od hranice koule do bodu vratu. Řešení tohoto inverzního problému můžeme najít stejným způsobem jako v předchozím případě s jediným rozdílem spočívajícím v tom, že v integrálu (2.10) integrujeme od xo do x+ (L) — ln r + (L). Takto dostaneme výsledek r+(L) /"^o . /s , is i l n ^ ^ = / f(L,L)AT2(L)dL. (2.22) ro JL 2.2.3 Paprsky omezené v prostoru Třetí případ, kterým se budeme zabývat, v sobě spojí oba předchozí. Uvažujme index lomu n(r) takový, že funkce p má jediné maximum v bodě ro, pro r < ro je p rostoucí a pro r > ro je klesající. V takovémto indexu lomu opisuje paprsek s momentem hybnosti L křivku, jejíž radiální souřadnice je omezena vnitřním r_(L) a vnějším r+(L) bodem vratu: r-(L) < r< r+(L). (2.23) Kapitola 2. Inverzní problém 15 Přitom r±(L) jsou body, ve kterých je funkční hodnota funkce p rovna momentu hybnosti: P ( r ± ) = L . Paprsek s maximálním možným momentem hybnosti, LQ — p (ro), opisuje kružnici o poloměru ro. Zadáme dobu A T ( L ) , za kterou paprsek dorazí z vnitřního do vnějšího bodu vratu. Řešení inverzního problému najdeme obdobným způsobem jako v případě prostorově neomezených paprsků. Předpoklad o průběhu funkce p nám umožní provést záměnu pořadí integrace podobně jako v (2.11) a dostaneme r+(Ľ) fL o , r , is i l n ^ - { = / f(L,L ) A T ( L ) dL . (2.24) r_(L) J L 2.3 Příklady použití inverzních formulí Příklad 1: Eatonova čočka Vraťme se k Eatonově čočce, o které byla řeč v úvodu kapitoly. Ověříme, že inverzní formule (2.12) s dobou ATI (L) určenou rovnicí (2.3) skutečně dává index lomu Eatonovy čočky. V případě Eatonovy čočky je ro = 1 a LQ — 1. Dosazením ATI (L) Z (2.3) do rovnice (2.12) dostaneme - In r_(L) = fLf{LX){^ + V ^ ) é L = h+h, (2.25) kde h značíme integrál z / ( L , Ĺ) násobené prvním sčítancem v závorce a h značíme integrál z / ( L , L ) násobené druhým sčítancem. Integrály h a h řešíme metodou per partes a po úpravách dostaneme ŕ f 1 1 , Ľ+vij^i? i \ , 1 l + y / T ^ Ž 2 - In , , (2.26) 2 l-VT^L? 7 2 = A ^ ^ ľ ^ l n z 7 T ^ ^ + ^ Z w ^ l d L i i + \ / r ^ ž 2 - l n 2 Dosazením za Ti a ^ v rovnici (2.25) dostáváme - l n ( l + V Í - L A . (2.27) - l n r _ ( L ) = l n 1 + ^ 1 ^ - ln ( l + y 7 ! - L 2 ) , (2.28) 1 — v 1 — L 2 ^ ' a tedy r_(L) = l - V T ^ L 2 . (2.29) Kapitola 2. Inverzní problém 16 Protože v bodě vratu je L — p, našli jsme radiální souřadnici r jako funkci p: r(p) = 1 (2.30) neboli r — l — y l — [rn)2 . Odtud již snadno vyjádříme hledaný index lomu ( 2 . 3 1 ) r < 1, (2.32) což je skutečně index lomu Eatonovy čočky. Příklad 2: Luneburgova čočka Jako druhý příklad použití (2.12) uvedeme Luneburgovu čočku, která má stejně jako Eatonova jednotkový poloměr, a platí pro ni tedy ro = 1 = LQ. ATI (L) pro Luneburgovu čočku určíme z ATI (L) Eatonovy čočky využitím transmutace. Index lomu v Luneburgově čočce je transmutací indexu lomu v Eatonově čočce vynásobeného jednou polovinou, viz sekce 1.2.1. Čas, který stráví daný paprsek v Luneburgově čočce, je tak roven polovině doby, kterou stráví jeho obraz v Eatonově čočce. Protože transformace analytickou funkcí zachovává úhly, je úhel, který svírá daný paprsek s radiálním směrem, v obou prostředích stejný. Proto se paprsek s daným momentem hybnosti zobrazí na paprsek o stejném momentu hybnosti. Vynásobením ATI (L) Eatonovy čočky (2.3) jednou polovinou tak získáme ATI (L) pro Luneburgovu čočku: ATI (L) pro Luneburgovu čočku se od ATI (L) Eatonovy čočky (2.3) liší pouze faktorem 1/2. Můžeme tak využít výsledků předchozího příkladu a rovnici pro index lomu v Luneburgově čočce získat drobnou úpravou rovnice (2.28) - vynásobením její pravé strany faktorem 1/2: (2.33) (2.34) Odtud dostaneme r jako funkci p (2.35) a hledaný index lomu je tak n — \fl — r2 , r < 1. (2.36) Kapitola 2. Inverzní problém 17 Vztah mezi body vratu Kromě nalezení indexu lomu nám inverzní formule také umožňují najít vztah mezi body vratu paprsků v určitém typu prostředí. Uvažujme index lomu, ve kterém paprsky opisují prostorově omezené trajektorie a který vyhovuje předpokladům části 2.2.3. Zvolme ro = 1 = LQ. Podívejme se, co dostaneme, budeme-li požadovat, aby paprsek strávil na cestě od vnitřního bodu vratu k jednotkové kružnici pevně danou část doby, za kterou se dostane z vnitřního bodu vratu do vnějšího, tedy aby platilo A T I ( L ) = / ? A T ( L ) (2.37) pro nějaké konstantní p G (0,1). Z rovnic (2.12) a (2.24) dostaneme - l n r _ ( L ) = j p l n ^ Í , (2.38) odkud získáme vztah mezi body vratu: r+{L) = rý{L). (2.39) Zdůrazněme, že pro získání tohoto výsledku není třeba znát konkrétní předpis funkce / , výsledek plyne již ze skutečnosti, že funkce / existuje. Konstantní A T Podívejme se ještě na speciální případ prostředí, ve kterém platí (2.37), a to na prostředí, kde je navíc A T konstantní. V souvislosti s absolutními instrumenty nás tento případ zajímá, protože je-li A T konstantní, pak je konstantní i úhel A
\. Za čas A T dorazí všechny paprsky do svého dalšího bodu vratu. Tyto body vratu leží na vlnoploše, která musí být kolmá k paprskům, a proto mají všechny body vratu stejnou polární souřadnici (fe. Uhel mezi body vratu A
l . (2.47)
Vyjádřením n z rovnic (2.46) a (2.47) zjistíme, že pro jt> = 1 /2 je hledaným indexem lomu
tzv. zobecněné Maxwellovo rybí oko:
= r l - ^ / A T + r l + ^ / A T - < 2
- 4 8
>
Pokud je A T rovno racionálnímu násobku čísla 7t, tak paprsky opisují uzavřené trajektorie,
přičemž uvnitř jednotkové kružnice stráví stejnou dobu jako vně.
Pro p ^ 1/2 je hledaný index lomu kombinací dvou zobecněných Maxwellových ok:
nír) = -, ^—r—, (2.49)
{ X r < 1
2PA
1 ~ (2-50)
2 ( p - l ) A T r > 1
Závěrem
kapitoly poznamenejme, že jak jsme viděli, inverzní problém lze formulovat
i pomocí času - ať už času, za který paprsek projde čočkou (viz 2.2.1), nebo času, za který
dorazí od jednoho bodu vratu k následujícímu (viz 2.2.3). Zároveň jsme ovšem viděli, že
řešení takto formulovaného inverzního problému je značně komplikované, jak je patrné
z tvaru funkce / (2.21), což znesnadňuje použití získaných výsledků.
Kapitola 3
Frekvenční spektra a módy
V této a zbývajících kapitolách se budeme věnovat absolutním instrumentům z pohledu
vlnové optiky. Budeme uvažovat absolutní instrumenty jako prostředí bez absorpce a bez
disperze, tj. zanedbáme závislost indexu lomu na frekvenci. Naše úvahy budeme směřovat
ke konkrétnímu příkladu absolutního instrumentu, kterým bude 2D instrument s Hookovým
profilem indexu lomu. V této kapitole, kterou věnujeme spektrům a módům, si připravíme
půdu pro následující kapitoly, ve kterých budeme analyzovat chování pulsu (kapitola 4)
a vlnových klubek (kapitola 5) v Hookově profilu a prozkoumáme, jak se změní charakter
šíření vln, obklopíme-li instrument kruhovým zrcadlem.
Budeme uvažovat skalární vlny, jejichž šíření je v prostředí s indexem lomu n(r) určeno
vlnovou rovnicí
, . n2
(r) d2
y/(r,t) . . 1S
A y ( r , ř ) - y Y
d y =q(r,t), (3.1)
kde c je rychlost světla ve vakuu a q je funkce popisující zdroje vlnění. V této a následujících
kapitolách budeme používat jednotky, ve kterých je c — 1. Ve dvourozměrném prostředí
při takové volbě polarizace, že vektor intenzity elektrického pole směřuje kolmo k rovině
instrumentu, je (3.1) rovnicí pro intenzitu elektrického pole.
V případě, kdy nejsou přítomny žádné zdroje, tj. g(r, t) — 0, a za předpokladu harmonické
závislosti v/na čase, y(r,í) — i//(r)e~i a w
, dostaneme pro ty/(r) Helmholtzovu rovnici
Ay(r) + © V (r) \jf(r) = 0. (3.2)
V této kapitole budeme hledat řešení Helmholtzovy rovnice, tedy módy absolutních instrumentů,
a příslušná spektra frekvencí co. Nejprve v sekci 3.1 představíme analogii mezi
Helmholtzovou a Schródingerovou rovnicí, díky které jsme například schopni analyticky
vyjádřit spektrum a módy v Hookově profilu indexu lomu ze známého spektra a stacionárních
stavů harmonického oscilátoru. V sekci 3.2 pak popíšeme, jakým způsobem získáme
spektrum a módy v Hookově profilu se zrcadlem.
3.1 Módy analyticky
Ukážeme, jak lze využít výsledků známých z kvantové mechaniky částice v potenciálové jámě
k určení frekvenčních spekter a módů některých absolutních instrumentů. Ze známého spektra
energií a příslušných vlastních funkcí kvantové částice v potenciálové jámě můžeme pro
-19-
Kapitola 3. Frekvenční spektra a módy 20
určitý typ potenciálů V (r) vhodným naskakováním vlastních funkcí získat módy absolutního
instrumentu s indexem lomu odpovídajícím potenciálu V(r). Přitom využíváme formální
podobnosti Helmholtzovy a stacionární Schródingerovy rovnice. Uvedený postup je platný
pro 2D i 3D absolutní instrumenty a v části 3.1.1 ho využijeme k analytickému vyjádření
frekvenčního spektra a módů absolutního instrumentu s Hookovým profilem indexu lomu.
Uvažujme absolutní instrument s rozložením indexu lomu n(r), kde šíření paprsků odpovídá
pohybu klasické částice o jednotkové hmotnosti s energií e v potenciálu V(r). Pak jsou
index lomu a tento potenciál propojeny vztahem
n2
(r) = e - V ( r ) . (3.3)
Uvažujme nyní kvantovou částici o jednotkové hmotnosti v potenciálové jámě zadané
stejným potenciálem V(r). Povolené energie vázaných stavů kvantové částice a jim příslušné
vlnové funkce splňují stacionární Schródingerovu rovnici
A0(r) + 2 [ £ - V ( r ) ] 0 ( r ) = O, (3.4)
kde jsme položili h — 1. Předpokládejme, že známe spektrum energií Ej a vlastní funkce mp(r, y/côr:
¥mp(r, (p) = V^Nmp ofi M L ^ 1
{m2
) e - ^ + i m <
P , (3.22)
kde co je pro dané map určena vztahem (3.21). Funkce \pmp je navíc oproti ľ [rÉj'(r)&(r) + (1 +2m) Éj(r)&(r)] dr + 0 ) 2
Y > ľ rn2
(r)^(r^k(r)ár = 0.
(3.36)
S definicí matice t/^
Ujk = - £ [rtfW&r) + (1 +2m) Éj(r)&(r)] dr (3.37)
můžeme rovn ici (3.36) zapsat zkráceně jako
G)2
'£ajGjk = 1
£ajUjk, (3.38)
což je zobecn ěn ý vlastn í problém pro vlastn í hodnoty CO a vlastní vektory se složkami aj.
Hledané frekven ce a módy získáme tak, že vezmeme konečný počet bázových funkcí Č,j,
pro pevné m spočítáme prvky matic G a U a numerickým řešením zobecněného vlastního
problému (3.38) dostaneme pro dané m hodnoty frekvencí CO a složky aj k nim příslušných
vlastních vektorů v v bázi č,j. Tím získáme přibližnou radiální část u(r) — v (r) r™ vlnové
funkce ty/(r, mp harmonického oscilátoru (vpravo) pro několiknejnižších hodnot m a p . V grafech
módů \i/mp je čárkovanou čarou vyznačen poloměr r — y/l, kde je n — 0 a za který zasahují
vlny pouze evanescentně.
Kapitola 3. Frekvenční spektra a módy 27
m-O m= 1
p = 0 p=l p = 2 p = 3
Obrázek 3.2: Radiální závislost numericky spočítaných módů v Hookově profilu indexu lomu
se zrcadlem v R = y/l. Módy číslujeme obdobně jako v případě bez zrcadla dvojicí indexů
map, kde m má význam prostorové frekvence módu v úhlovém směru a p udává počet
nulových bodů radiální části módové funkce.
Kapitola 3. Frekvenční spektra a módy 28
20 40 60
Obrázek 3.3: Spektrum frekvencí v Hookově profilu indexu lomu se zrcadlem v R — y/2 a bez
zrcadla. U módů s velkou hodnotou \m\ je korekce frekvence nejmenší, protože tyto módy
v Hookově profilu téměř nezasahují do evanescentní oblasti, a přidání zrcadla je tak ovlivní
jen málo. Naopak módy s malou hodnotou \m\ zasahují do evanescentní oblasti výrazněji,
a přidání zrcadla tak způsobí větší změnu jejich frekvencí.
Kapitola 4
Síření pulsu
V této kapitole se podíváme, jaké vlnění vznikne v instrumentu vlivem bodového zdroje
působícího po krátký časový úsek. Odvodíme Greenovu funkci, která určuje časový vývoj
vlnění a spočítáme výraz pro časovou závislost koeficientů v rozvoji vlny do medových
funkcí.
Ukážeme, jak se šíří puls v Hookově profilu indexu lomu bez zrcadla a v Hookově profilu
se zrcadlem. Vybuzení pulsů sérií bodových zdrojů použijeme v dalších kapitolách k vytvoření
vlnového klubka.
4.1 Greenova funkce
Při zkoumání šíření pulsů v absolutních instrumentech budeme potřebovat nalézt řešení
nehomogenní vlnové rovnice
A¥-n2
(r)^-=q(r,t), (4.1)
kde q(r,t) popisuje působen í zdrojů vln ěn í. Učiníme tak metodou Greenovy funkce.
Greenova funkce je řešením vlnové rovnice se zdrojem q(r,t) — 8 (r — ro) ô (t — to):
( A - n2
(r) ^ \ G(r, t; r0 , to) = 8(r - r0)8(t - to). (4.2)
Greenova funkce G(r,ř;ro,řo) tak představuje pole v bodě r v čase t vyvolané bodovým
zdrojem umístěným v bodě ro působícím po nekonečně krátký čas kolem okamžiku řoBudeme
používat tzv. retardovanou Greenovu funkci, pro niž platí G(r, t; ro, ro) = 0 pro t < to.
Se známou Greenovou funkcí pak získáme řešení vlnové rovnice s obecným zdrojem q(r,t)
za předpokladu, že veškerá vlna vznikla působením tohoto zdroje, tedy y/(r, t —> —oo) = 0,
jako
\ff(r,t) = í ár0 í dř0 G(r,ř;r0 ,řo)^(ro,řo)- (4.3)
JV J-co
V této podkapitole nejprve najdeme Greenovu funkci pro Helmholtzovu rovnici a poté
s jejím využitím i Greenovu funkci pro vlnovou rovnici.
-29-
Kapitola 4. Síření pulsu 30
4.1.1 Greenova funkce pro Helmholtzovu rovnici
Absolutní instrumenty, kterými se zabýváme, mají diskrétní spektrum frekvencí a módů.
Módy y/j příslušné frekvencím (ůj jsou řešením Helmholtzovy rovnice
Aví/(r) + ©?n2
(r) y/j{r) = 0, (4.4)
kde j zastupuje všechny indexy, kterými jsou jednotlivé módy označeny.
Funkce y/j příslušné různým frekvencím (ůj jsou navzájem ortogonální s vahou n2
(r), což
dokážeme následovně. Vezměme rovnici (4.4) pro j-tý mód, vynásobme j i yr* (r) a integrujme
přes objem instrumentu. Dostaneme
aj J n2
y/j y/* dr = - J y/* Ay/j dr. (4.5)
Stejnou operaci provedeme pro navzájem zaměněné i a j. Výslednou rovnici komplexně
sdružíme a odečteme od rovnice (4.5). Takto dostaneme
O 2
- (O2
) jv n2
y/j tfdr = Jv [y/j Ayr* - yr* Ay/j] dr. (4.6)
Ukážeme, že pravá strana rovnice (4.6) je rovna nule. Oba členy integrandu upravíme následujícím
způsobem:
y/jAy/* = V.(y/jVy/*)-Vy/*.Vy/j. (4.7)
Cleny se skalárním součinem gradientů se odečtou a pravá strana rovnice (4.6) přejde na
í [ V . ( v í y V v í ) - V . ( v í ř V v í y ) ] d r . (4.8)
J v
Podle Stokesovy věty převedeme tento integrál na integrál po hranici V
í [y/jVy/*-y/*Vy/j]-dS. (4.9)
J aV
V případě se zrcadlem jsou módy y/j na hranici nulové a v případě bez zrcadla jde objem
instrumentu do nekonečna, kde jsou funkce y/j i jejich gradienty nulové. Integrál (4.9) je tak
roven nule.
Pravá strana rovnice (4.6) je tedy pro všechna i a j rovna nule, proto musí platit
í v/y-(r) i//f(r)n2
(r)dr = 0 pro (ůj^(Ou (4.10)
J v
a módy příslušné různým frekvencím jsou tak navzájem ortogonální.
Pokud je spektrum frekvencí degenerované a jedné hodnotě frekvence přísluší více módů,
zvolíme je tak, aby byly ortogonální. Tím získáme ortogonální systém funkcí y/j, které navíc
normujeme tak, aby
^ ^ • ( r ) v / ; ( r ) n 2
( r ) d r = 5y 7 . (4.11)
Nyní odvodíme Greenovu funkci pro Helmholtzovu rovnici Ga (r; ro), která je definována
následovně:
AGĎ ) (r;ro) + ©V(r)GĎ ) (r;ro) = 5 ( r - r o ) . (4.12)
Kapitola 4. Síření pulsu 31
Greenovu funkci budeme hledat jako superpozici módových funkcí s neznámými koeficienty
Ay.
Gf l ,(r;r0 ) = £AJ -V0-(r). (4.13)
j
Dosazením tohoto rozvoje do (4.12) dostaneme
£Ay(ffl2
-ffl?)n2
(r)vo-(r) = 5 ( r - r 0 ) . (4.14)
i
Vynásobením celé rovnice yf(r) a integrací přes r s využitím ortonormality funkcí vyjádříme
koeficienty Ay.
(O1
-(Oj
a tím získáváme i samotnou Greenovu funkci pro Helmholtzovu rovnici
G£ 0 (r,r0 ) = V: • (4-16)
4.1.2 Greenova funkce pro vlnovou rovnici
Našli jsme Greenovu funkci pro Helmholtzovu rovnici a nyní se vraťme zpět k vlnové rovnici
(4.1).
Bodový zdroj lokalizovaný v bodě ro s harmonickou časovou závislostí e _ i a )
^ _ í
° ) vyvolá
odezvu Ga,(r;r0 )e-i í o ( í
~í o )
> piatí:
(A-n2
(r)J^ [ G ^ r ^ e - ^ - ^ ] = ô(r-r0)o-[(O
^. (4.17)
Hledaná Greenova funkce G(r,ř;ro,řo) představuje odezvu na zdroj <5(r — ro)<5(r — to).
Abychom ji našli, rozložíme 8(t — to) prostřednictvím Fourierovy transformace na harmonické
složky Q-'^'-'O)
1
8(t-t0) = — e-m
('-'°)d(0 (4.18)
2n J-co
a sečteme odezvy na tyto složky. Greenovu funkci G(r, t; ro, to) tak dostanemejako Fourierovu
transformaci Gc o (r;ro):
1 r°°
G(r,t;ro,to) = — G ^ r ^ e - ^ - ^ d © . (4.19)
I7t J-co
Dosazením vyjádření (4.16) za Gc o (r;ro) máme
1 ľ00
e^^'^'o)
G(r,ř;r0 ,ř0 ) = —£v^(ro)VO(r
) / — 7 T d ř 0
- <4
-2 0
)
• J —00 CO — CO-J J
Pro určení Greenovy funkce nám zbývá spočítat integrál
00 e - i c o ( ř - ř o j
00 co2
-co}
dco. (4.21)
Kapitola 4. Síření pulsu 32
Integrovaná funkce má na reálné ose singularity v bodech C0 — ±C0j. Výpočet proto rozšíříme
do komplexní roviny, kde budeme řešit integrál po vhodně zvolené uzavřené křivce.
Při integraci se vyhneme pólům na reálné ose tak, aby výsledek byl v souladu s fyzikální
představou vlnění šířícího se v čase vpřed. Prakticky to provedeme tak, že k co ve jmenovateli
přičteme kladný imaginární člen ie, čímž posuneme póly pod reálnou osu. Při této volbě
dostaneme, jak vzápětí ukážeme, pro t < to nulový a pro t > to nenulový výsledek. Po
integraci provedeme limitu £ —> 0
/
oo e-ico(ř-řo) r i
s
At m: mi
(5.7)
Úhlová grupová rychlost tak souvisí se směrnicí závislosti (Onam a podle (5.6) je vg — 1.
Kapitola 5. Vlnová klubka 43
Fázová rychlost je rychlost, kterou se pohybuje daná hodnota fáze, a je rovna frekvenci
dělené vlnovým číslem. V našem případě, protože nás zajímá úhlová fázová rychlost (tj.
úhlová rychlost pohybu vlnoplochy), hraje roli vlnového čísla index m. Úhlovou fázovou
rychlost dostaneme jako
v/ = - = l + - = l + — , (5.8)
m m 2TÍ
kde X je polární úhel, který vytyčuje jedna vlnová délka vln v klubku. Fázová rychlost je tedy
větší než grupová rychlost o tolik, že daná fáze za dobu jedné periody urazí o jednu vlnovou
délku větší vzdálenost než klubko samotné. To je přesně to, co pozorujeme v obrázcích
5.6 a v animaci 3. V prvním ze série obrázků 5.6, kde t — 0, má uprostřed klubka vlnová
funkce kladné hodnoty (vykresleny modře) a naopak ve třetím z obrázků, kde t — Tí, má
vlnové klubko uprostřed červenou barvu, která odpovídá záporným hodnotám vlnové funkce.
Rychlost, kterou se pohybuje určitá fáze, je větší než rychlost pohybu klubka jako celku
o tolik, že se modrý pruh za dobu TÍ dostane na místo červeného. Za dobu jedné periody pak
modrý pruh v souladu s (5.8) „předběhne" klubko o jednu vlnovou délku.
Klubko v Hookově profilu se zrcadlem
Zaměřme teď svoji pozornost na vlnové klubko v Hookově profilu indexu lomu se zrcadlem (na
obrázku 5.6 vpravo). V posledním obrázku ze série 5.6 již začíná být vidět, jakým způsobem
ovlivní přidání zrcadla chování vlnového klubka. Fázová rychlost vln v klubku se přidáním
zrcadla zvýší, což souvisí s tím, že přidáním zrcadla se zvýší hodnoty vlastních frekvencí,
jak jsme viděli v části 3.2.1. Grupová rychlost vlnového klubka se naopak přidáním zrcadla
zmenší. Že je tomu skutečně tak, je vidět v obrázku 5.2, který zachycuje vlnová klubka po delší
době, konkrétně v časech t — 2TÍ a t — 4-TÍ. Na obrázcích je patrné, že oblast vlnového klubka
s největšími výchylkami (nejvýrazněji vybarvené) se v instrumentu se zrcadlem zpožďuje
vzhledem ke klubku v instrumentu bez zrcadla. Vlnové klubko v instrumentu se zrcadlem se
navíc časem rozplývá.
V grafu 5.3 je vykreslena závislost frekvence módů na indexu m pro případy se zrcadlem
i bez zrcadla. Vidíme, že přidáním zrcadla jsou více ovlivněny módy s menším m, jejichž
frekvence se zvýší výrazněji než u módů s větším m. Směrnice závislosti CO na m se tak zmenší
a s tím souvisí menší grupová rychlost vlnového klubka.
5.2 Vlnové klubko na elipse
Paprsek s momentem hybnosti L se v Hookově profilu indexu lomu šíří po elipse, přičemž
body vratu jsou řešením rovnice rn(r) — L. Vlnové klubko, které odpovídá takovému paprsku
vybudíme řadou bodových zdrojů rozmístěných po části této elipsy. Vyslání pulsů ze sousedních
zdrojů opozdíme o čas, za který by paprsek dorazil od jednoho zdroje ke druhému, tj.
/n(r) dl, kde integrujeme po oblouku elipsy mezi těmito zdroji.
Obrázky 5.7 a 5.8 ukazují vlnové klubko, které odpovídá paprsku s momentem hybnosti
L = 0,7. Klubko jsme vybudili řadou zdrojů umístěných podél čtvrtiny elipsy tak, jak je
znázorněno v obrázku 5.4. Použili jsme zdroje o frekvenci COQ — 12 a šířce Gaussovy funkce
Ar = 0,2.
Kapitola 5. Vlnová klubka 44
(b) t = An
Obrázek 5.2: Vlnové klubko na jednotkové kružnici v časech t — 2n a t — 4-n.
Série obrázku 5.7 zachycuje vývoj vlnového klubka v Hookové profilu indexu lomu bez
zrcadla v průběhu jedné periody. Obrázky jsou uspořádány podle rostoucího času do řádků.
V obrázku 5.8 je vykresleno vlnové klubko v Hookově profilu se zrcadlem umístěným na
poloměru R — y/l. Obrázek 5.8 ukazuje vývoj klubka od času t — 0 až po čas t — 3,3TT. Za
tuto dobu vyková klubko necelé dva oběhy po elipse. Animace 4 na přiloženém C D nabízí
srovnání vývoje tohoto vlnového klubka v Hookově profilu bez zrcadla a se zrcadlem. V obou
případech, bez zrcadla i se zrcadlem, si můžeme všimnout, že fázová rychlost vlnového klubka
je v oblastech kolem vzdálenějšího bodu vratu výrazně větší než v okolí bližšího bodu vratu,
kde je téměř stejná jako grupová rychlost.
V příloze je zařazena také animace vlnového klubka, které odpovídá paprsku s menším
momentem hybnosti L — 0,2, a které tak opisuje elipsu o větší výstřednosti (animace 5).
Přidání zrcadla způsobí změnu fázové a grupové rychlosti podobně jako u vlnového klubka
obíhajícího po kružnici. Klubko v instrumentu se zrcadlem se také bude časem rozplývat.
Kromě těchto jevů pozorovaných i v předchozí části o klubku na kružnici se v případě
vlnového klubka na elipse objevuje s přidáním zrcadla další jev. V Hookově profilu se
zrcadlem se elipsa, kterou klubko opisuje, stáčí proti směru, ve kterém klubko po elipse
obíhá.
Pro vysvětlení tohoto jevu se nejprve podívejme, jak se stáčí elipsa, po které se šíří pa-
Kapitola 5. Vlnová klubka 45
a>
15 h •
10 •
• se zrcadlem
* • bez zrcadla
2 4 6 8 10 12 14
Obrázek 5.3: Frekvence módů, které jsou nejsilněji zastoupeny ve vlnovém klubku obíhajícím
po jednotkové kružnici.
prsek v absolutním instrumentu se zrcadlem o menším poloměru. Umístíme-li do absolutního
instrumentu zrcadlo o takovém poloměru, aby ho paprsek zasáhl, bude se elipsa, jejíž část
paprsek opisuje, otáčet. Při každém odrazu od zrcadla se elipsa stočí proti směru obíhání
paprsku o úhel vymezený průsečíky elipsy se zrcadlem, jak je nakresleno v obrázku 5.5.
Budeme-li místo paprsku sledovat vývoj vlnového klubka, které tomuto paprsku odpovídá,
bude toto klubko kopírovat trajektorii paprsku.
Když umístíme zrcadlo na poloměr R — A/2, tedy tak daleko, že paprsek k zrcadlu nedorazí
a k odrazu nedojde, bude se přesto elipsa, po které se šíří klubko, stáčet. Děje se tak proto, že
vlna na rozdíl od paprsku není úplně lokalizovaná a zasahuje až k zrcadlu. Zvolíme-li větší
poloměr zrcadla, bude se elipsa stáčet pomaleji, jak je vidět v animaci 6, která srovnává vývoj
klubka v Hookově profilu se zrcadlem na poloměru y/l a na poloměru 1,5.
5.3 Vlnové klubko s uvážením disperze
Až doposud jsme v našich úvahách zanedbávali disperzi. Podívejme se na závěr, jak se změní
chování vlnového klubka v absolutním instrumentu, vezmeme-li v úvahu závislost indexu
lomu na frekvenci.
Uvažujme index lomu ň(r, Co), který závisí na frekvenci CO prostřednictvím nějaké funkce
h:
n(r, co) = n(r)/z(ct)), (5.9)
kde n(r) je index lomu absolutního instrumentu bez disperze. Jako n(r) použijeme opět
Hookův profil indexu lomu. Index lomu pro vlnu o dané frekvenci tak bude mít stejný
tvar jako původní profil bez disperze, pouze bude vynásobený konstantou. Vynásobením
profilu indexu lomu konstantou se nezmění módy absolutního instrumentu. Změní se pouze
hodnoty vlastních frekvencí. Původní vlastní frekvence CO absolutního instrumentu, ve kterém
Kapitola 5. Vlnová klubka 46
neuvažujeme disperzi, se započítáním disperze změní na frekvence Čb tak, aby n(r)co —
ň(r, cb)čb. Frekvence Čb budou tedy řešením rovnice CO — Čbh(cb).
Pro jednoduchost budeme uvažovat funkci h ve tvaru h(cb) — ačb + b. Konstanty a a b
volíme tak, aby h byla rostoucí a aby platilo h(l) — 1.
Obrázek 5.9 ukazuje časový vývoj vlnového klubka v Hookově profilu s uvážením disperze
(vpravo) ve srovnání s vlnovým klubkem v instrumentu, ve kterém disperzi nezapočítáváme
(vlevo). Vlnové klubko se pohybuje po jednotkové kružnici a vzniklo použitím zdrojů s parametry
At — 0,3 a Cůo — 9 při volbě konstant a — 0,003 a b = 0,997. Časový vývoj tohoto
vlnového klubka je zachycen také v animaci 7.
Vlastní frekvence se započítáním disperze zmenší, proto je fázová rychlost klubka v prostředí
s disperzí menší než v prostředí bez disperze. Větší frekvence se zmenší výrazněji. To
způsobí, že vlnové klubko v prostředí s disperzí se vzhledem ke klubku v prostředí bez disperze
zpožďuje. V obrázcích také vidíme, že klubko v prostředí s disperzí se časem rozplývá.
Animace 8 ukazuje srovnání vývoje vlnového klubka opisujícího elipsu v prostředí
s disperzí a v prostředí, ve kterém disperzi neuvažujeme.
Kapitola 5. Vlnová klubka 47
Obrázek 5.4: Rozmístění zdrojů (černé body), jejichž působením jsme vybudili vlnové klubko
opisující elipsu.
Obrázek 5.5: Stáčení elipsy, jejíž oblouky opisuje paprsek, v Hookově profilu se zrcadlem
umístěným na poloměru R < \/2. Na kružnici vykreslené tenkou čarou je index lomu roven
nule, kružnice vykreslená tlustou čarou představuje zrcadlo. Odrazem paprsku (plná modrá
čára) se stočí elipsa, po které se paprsek šíří, o úhel /3 vzhledem k elipse, kterou by paprsek
opisoval, kdyby tam zrcadlo nebylo (přerušovaná modrá čára).
Obrázek 5.6: Vlnové klubko opisující jednotkovou kružnici.
Obrázek 5.7
periody.
: Vlnové klubko opisující elipsu v Hookově profilu indexu lomu v průběhu jedné
Obrázek 5.8: Vlnové klubko opisující elipsu v Hookově profilu se zrcadlem. Obrázky zachycují
vývoj klubka po dobu 3,3n. Všimněme si stáčení elipsy proti směru obíhání klubka.
Obrázek 5.9: Vlnové klubko se započítáním disperze (vpravo) ve srovnání s vlnovým klubkem
v prostředí bez disperze (vlevo).
Závěr
V této práci jsme se zabývali absolutními instrumenty, a to z pohledu geometrické i vlnové
optiky. V první části práce věnované geometrické optice jsme se po úvodním připomenutí
známé analogie mezi šířením paprsků a pohybem klasické částice zabývali transformací
indexu lomu analytickou funkcí a transmutací potenciálů.
Ve druhé kapitole jsme se věnovali inverznímu problému ve sféricky symetrickém prostředí.
Ukázali jsme, že inverzní problém lze formulovat nejen pomocí rozptylového úhlu
nebo úhlu vymezeného body vratu paprsku. Další možností je zadat zobrazovací vlastnosti
prostředí pomocí času, který stráví paprsek uvnitř čočky, nebo času, za který paprsek dorazí
z jednoho bodu vratu do druhého. Přínosem této práce je vyřešení inverzního problému
zadaného pomocí času. Inverzní problém jsme vyřešili pro případ čočky vnořené v opticky
homogenním prostředí i pro případ prostředí, ve kterém jsou paprsky omezené na určitou
oblast prostoru. Použití inverzních formulí jsme demonstrovali na několika příkladech.
Ve druhé části práce jsme se zabývali vlnami v absolutních instrumentech, zejména v Hookově
profilu indexu lomu. Z analogie mezi Helmholtzovou a Schródingerovou rovnicí jsme
našli analytické vyjádření spektra frekvencí a módů v absolutním instrumentu s Hookovým
profilem. Numericky jsme spočítali vlastní frekvence a módy v instrumentu s Hookovým
profilem indexu lomu obklopeném kruhovým zrcadlem.
S využitím Greenovy funkce jsme v těchto dvou instrumentech zkoumali časový vývoj
pulsu vybuzeného bodovým zdrojem. Přínos diplomové práce spočívá ve vytvoření a prozkoumání
chování vlnových klubek v absolutním instrumentu. K vybuzení vlnového klubka
odpovídajícího paprsku o zvoleném momentu hybnosti jsme použili řadu bodových zdrojů.
Vytvořili jsme animace srovnávající vývoj vlnových klubek v Hookově profilu bez zrcadla
a se zrcadlem. Analyzovali jsme chování těchto klubek a vysvětlili jsme některé pozorované
jevy. Viděli jsme, že na rozdíl od paprsků je chování vln přidáním zrcadla znatelně ovlivněno.
Na závěr jsme opustili předpoklad prostředí bez disperze a prozkoumali jsme, jak se
započítáním závislosti indexu lomu na frekvenci změní chování klubka.
-52-
Příloha
CD s animacemi
Animace 1. Časový vývoj pulsu vyslaného z bodu r — 0,8 zdrojem o frekvenci (ŮQ = 10
a šířce Ar = 0,2. Srovnání případů bez zrcadla (vlevo) a se zrcadlem (vpravo).
Animace 2. Časový vývoj pulsu vyslaného z bodu r — 0 zdrojem o frekvenci (OQ = 10
a šířce Ar = 0,2. Srovnání případů bez zrcadla (vlevo) a se zrcadlem (vpravo).
Animace 3. Vlnové klubko opisující jednotkovou kružnici. Klubko vzniklo působením 20
zdrojů o frekvenci řOo = 10 a šířce Ar = 0,25 rozmístěných po čtvrtině kružnice. Srovnání
případů bez zrcadla (vlevo) a se zrcadlem (vpravo).
Animace 4. Vlnové klubko odpovídající paprsku s momentem hybnosti L — 0,7. Klubko
vzniklo působením zdrojů o frekvenci řOo = 12 a šířce At — 0,2. Srovnání případů bez zrcadla
(vlevo) a se zrcadlem (vpravo).
Animace 5. Vlnové klubko odpovídající paprsku s momentem hybnosti L — 0,2. Klubko
vzniklo působením zdrojů o frekvenci řOo = 12 a šířce At — 0,2. Srovnání případů bez zrcadla
(vlevo) a se zrcadlem (vpravo).
Animace 6. Srovnání vlnových klubek opisujících elipsu v Hookově profilu se zrcadlem
na poloměru R\ — \fl (vlevo) a se zrcadlem na poloměru Ri — 1,5 (vpravo). Paprsek odpovídající
těmto klubkům by měl moment hybnosti L — 0,5. Byly použity zdroje o frekvenci
a>0 = 12 a šířce At — 0,2.
Animace 7. Vlnové klubko opisující jednotkovou kružnici v prostředí s disperzí (vpravo)
ve srovnání s klubkem v prostředí, kde disperzi neuvažujeme (vlevo). Klubko vzniklo působením
zdrojů o frekvenci řOo = 9 a šířce At — 0,3.
Animace 8. Vlnové klubko odpovídající paprsku s momentem hybnosti L — 0,4 v prostředí
s disperzí (vpravo) ve srovnání s klubkem v prostředí, kde disperzi neuvažujeme (vlevo).
Klubko vzniklo působením zdrojů o frekvenci řOo = 10 a šířce At — 0,25.
-53-
Seznam použité literatury
[1] Born, M . , Wolf E., Principles of optics, Cambridge University Press (2003).
[2] Maxwell J. C , Problems, Cambridge and Dublin Mathematical Journal 8, 188 (1854).
[3] Pendry J. B., Negative Refraction Makes a Perfect Lens, Physical Review Letters 85,
3966(2000).
[4] Mifiano J. C , Perfect imaging in a homogeneous three-dimensional region, Optics
Express, 66-71 (1952).
[5] Eaton J. E., On spherically symmetric lenses, Transactions on Antennas and Propagation
14,9627-9635(2006).
[6] Luneburg, R. K . Mathematical theory of optics, University of California Press (1964).
[7] Tyc T , Herzánová L., Sarbort M . , Bering K., Absolute instruments and perfect imaging
in geometrical optics, New Journal of Physics 13, 115004 (2011).
[8] Tyc T , Magnifying absolute instruments for optically homogeneous regions, Physical
Review A 84, 031801 (2011).
[9] Leonhardt U., Perfect imaging without negative refraction, New Journal of Physics 11,
093040(2009).
[10] Leonhardt U., Philbin T , Perfect imaging with positive refraction in three dimensions,
Physical Review A 81, 011804 (2010).
[11] M a Y. G., Sahebdivan S., Ong C. K., Tyc T , Leonhardt U., Evidencefor subwavelength
imaging with positive refraction, New Journal of Physics 13, 033016 (2011).
[12] Blaikie R. J., Comment on 'Perfect imaging without negative refraction', New Journal
of Physics 12, 058001 (2010).
[13] Leonhardt U., Reply to comment on 'Perfect imaging without negative refraction', New
Journal of Physics 12, 058002 (2010).
[14] Tyc T , Zhang X . , Perfect lenses in focus, Nature 480, 42 (2011).
[15] Tyc T , Danner A., Resolution of Maxwell'sfisheyewith an optimal active drain, New
Journal of Physics, přijato k publikaci (2014).
-54-
Seznam použité literatury 55
[16] Tyc T., Danner A., Frequency spectra of absolute optical instruments, New Journal of
Physics 14, 085023 (2012).
[17] Tyc T , Spectra of absolute instruments from the WKB approximation, New Journal of
Physics 15, 1367-2630 (2013).
[ 18] Šarbort M . , Non-Euclidean Geometry in Optics, Ph.D. disertace, Masarykova univerzita,
Brno (2013).
[19] Landau L . D., Lifshitz E. M . , Mechanics, 3rd edition, Butterworth-Heinenann (1981).
[20] Leonhardt, U . , Philbin T , Geometry and Light: The Science od Invisibility, Dover
Publications (2010).
[21] Leonhardt U . , Optical Conformal Mapping, Science 312, 1777-1780 (2006).
[22] Polyanin A . D., Manzhirov A . V., Handbook of Integral Equations, Chapman &
Hall/CRC (2008).
[23] Zelevinsky V., Quantum Physics, Volume 1: From Basics to Symmetries and Perturbations,
Wiley-VCH Verlag GmbH & Co. K G a A (2011).
[24] Landau L. D., Lifshitz E. M . , Quantum Mechanics-Non-relativistic Theory, 3rd edition,
Pergamon Press (1991).