Az előadás letöltése folymat van. Kérjük, várjon

Az előadás letöltése folymat van. Kérjük, várjon

1.A fény természete és alaptulajdonságai. Alapparaméterek. 1.1 Elektromágneses hullámok. 1.2.Fotonok. 1.3.Koherencia. 1.4.A hullámok szuperpoziciója, interferencia.

Hasonló előadás


Az előadások a következő témára: "1.A fény természete és alaptulajdonságai. Alapparaméterek. 1.1 Elektromágneses hullámok. 1.2.Fotonok. 1.3.Koherencia. 1.4.A hullámok szuperpoziciója, interferencia."— Előadás másolata:

1 1.A fény természete és alaptulajdonságai. Alapparaméterek. 1.1 Elektromágneses hullámok. 1.2.Fotonok. 1.3.Koherencia. 1.4.A hullámok szuperpoziciója, interferencia. 1.5.Diffrakció. 1.6.Polarizáció. 1.7.A fény érzékelése, biológiai hatásai. 1.8.A fény méréstechnikája. Alkalmazások: hullámoptika, fotometria, interferometria, a kurzus további részei.

2 Ha egy elektromos töltés rezeg, a körülötte levő elektromos tér változik, ami egy változó mágneses teret hoz létre, és ez folyamatosan ismétlődik... Az x irányban egy transzverzális hullám terjed. Minden testben vannak töltött részecskék, melyek rezgése elektromágneses sugárzást hoz létre (pld. hősugárzás!) Faraday felfedezése szerint a változó mágneses mező körül örvényes elektromos mező keletkezik. Maxwell feltételezése szerint pedig a változó elektromos mező körül örvényes mágneses mező jön létre.

3 A fény elektromágneses hullám. Ennek alapján magyarázható meg az interferencia, diffrakció, polarizáció és néhány más jelenség. A fény részecske tulajdonságai alapján magyarázható meg a sugár (geometriai) optika valamint néhány más jelenség (pld. fotoeffektus). A vákuumban a fényhullám c 0 sebességgel terjed, a közegben c=c 0 /n  0 =8,8542 × C 2 /N.m 2, vagy ε 0 ≈ × 10 −12 F.m −1 ( vagy A 2 ·s 4 ·kg −1 ·m −3 )  0 =4  N.s 2 /C 2, (  0  0 ) -1/2 = c 0 Egy kis villamosságtan : Coulomb törvény:

4 Elektromos térerősség: Az elektromos tér fluxusa :, A - felület Gauss törvénye: Elektromos eltolás (indukció) D  , és mágneses indukció: B   , elektromos térerősség, E [V/m] elektromos eltolás, D [As/m 2 ] mágneses indukció, B [T (tesla) = Vs/m 2 = N/Am] mágneses térerősség, H[A/m] Az anyag hatása a vektorok kapcsolatára: D= 0 E+P, B= 0 (H+M), J=(E+E b ), - az anyag vezetőképessége, P és M az anyag polározásának illetve mágnesezettségének a vektorai, E b -beiktatott térerősség. Optikai közegben: P, M, E b általában (de nem mindig!) elhanyagolhatók.

5 Gauss-törvényI. Faraday-Lenz- törvény II. Gauss mágneses törvényeIII. Ampère-törvény IV. Maxwell-egyenletek: differenciális integrális Megoldások: hullámok a szabad térben: div V= V x / x+ V y / y+ V z / z, parciális derivált, rot V= (V z / y- V y / z)i+ (V x / z- V z / x)j+ (V y / x- V x / y)k ) ahol : A-felület

6 Az elektromágneses hullámok energiája Poynting vektor (W/m 2 ) Sík EM hullám esetén: Az S átlagát nevezzük I intenzitásnak: S egyenlő az egységnyi felületen áthaladó elektromágneses energiával (teljesitmény/ egységnyi felület)

7 Fotonok: érthetők mint „hullámcsomagok”, hullámvonulatok A kvantumelmélet szerint a foton E energiája: E = h = hc/ ahol h = 6.6x [J s], Planck állandó A foton impulzusa: Elektronok átmenetei (rekombináció a félvezetőben!) adják a fotonokat. Lásd folytatást a „Fényforrások” fejezetben

8 Koherencia Két periodikus hullám koherens, ha a rezgések fázisa azonos vagy az eltolódás közöttük állandó. Két forrásból terjedő, két azonos hullámhosszú fényhullám interferál ha teljesül a következő feltétel: A fényforrások koherensek, illetve a fázisuk egymáshoz képest azonos. LED LD

9 A koherencia idő az az időkülönbség, ahol még látunk interferenciát, azaz a hullámok fázisa nem változik :  k =  1 −  2 Időbeli frekvencia spektrum - időbeli koherencia A sávszélesség és a koherencia idő kapcsolata:  k =1/Δ Longitudinális koherencia hossz: L k = v.  k, V – a hullám sebessége Monokromatikus nyaláb: << 0,  k T, T- periódus Pld.: λ= 633 nm ; Δλ= 0,01 nm ; Δ= 7,5 GHz ; L k =40 mm ;  k =0,1 nsec (kb T) Koherencia hossz az n törésmutatóval rendelkező közegben: = c L k = c  k /n = c/nΔ

10 Interferencia

11 Egyenletek: Az úthosszkülönbség, δ: δ = r 2 – r 1 = d sin θ – Feltételezzük, hogy a sugarak párhuzamosak, – A valóságban ez egy jó megközelítés, mivel L sokkal hosszabb, mint d.

12 A világos sáv a konstruktív interferencia eredménye, az úthosszak különbsége 0 vagy a hullámhossz többszöröse δ = d sin θ világos = m λ m = 0, ±1, ±2, … m a rend száma A destruktív interferencia eredménye a sötét sáv, az úthosszak különbsége egyenlő a félhullámhosszak páratlan számával δ = d sin θ sötét = (m + ½) λ m = 0, ±1, ±2, …

13 Emlékeznünk kell: Az elektromágneses hullám fázisa 180 fokkal változik, ha egy n 1 törésmutatóval rendelkező közegből haladva az n 2 törésmutatóval rendelkező közegtől verődik vissza, és: n 2 > n 1. Nincs fázisváltozás a visszavert hullámban, ha n 2 < n 1 (emlékezzünk majd a hullámvezetőknél!) A fény hullámhosza a közegben λ n = λ/n ahol λ a hullámhossz a vákuumban. 2

14 Tehát két tényezőt kell figyelembe venni, ha elemezzük az interferenciát: -lehetséges fázisváltozást a visszaverődésnél, -az L úthosszak különbségét. A felsorolt példák érvényesek a szimmetrikus elrendezésekre, n1-n2-n1. (vékony réteg, két oldalról levegő). Ha nem szimmetrikus a helyzet, a feltételek az ellenkezőre változnak. CD: a pit (jel) mélysége egyenlő ¼ 

15 Egyenlet 1 fázisváltozás 0 vagy 2 fázisváltozás 2nL = (m + ½) lkonstruktívdestruktív 2nL = m l destruktívkonstruktív Összegzés: A rétegek mérésénél, elemzésénél a vastágságot általában d-vel jelöljük !

16 Lloyd tükör Alkalmazás: holografikus mikrorácsok írása, Debreceni Egyetem!

17 r – reflexiós tényező, n f - törésmutató t - elnyelés Többszörös visszaverődés – törés- interferencia Fáziskülönbség: Egy lemez: Fabry–Perot etalon

18 Minőségi tényező (finesse): Airy funkció: F = 0.2 (r 2 = 0.046) F = 1 (r 2 = 0.17) F = 200 (r 2 = 0.87) Fázis eltolás: I i –beeső sugár intenzitása I t – átmenő sugár intenzitása Emlékezzünk: interferenciás szűrők!

19 Az interferencia néhány alkalmazása: Továbbá: lézeres elmozdulás mérés, interferenciás antireflexiós bevonatok, felületvizsgálatok.

20 20 1)Nagy felbontás 2)Lézer rezonátorok 3)Antireflexiós fedőrétegek 4)Szűrök Sáv félszélessége: Minőség (finesse ): Két, d távolságra szétválasztott lemez : Fabry-Perot interferométer

21 Michelson interferométer A hullámhossz, távolság, törésmutató pontos mérése Homogén Inhomogén lemezek Michelson interferométer

22 Diffrakció : a hullámok elhajlása az útjukban levő akadályokon Diffrakció résen: a képernyőn egy központi maximumot és további intenzitás minimumokat-maximumokat észlelünk. Lényeges: az akadály mérete összemérhető a hullámhosszal !

23 Diffrakciós rács: A maximumok feltétele: d sin θ bright = m λ m = 0, 1, 2, … egész szám, a diffrakciós rend. Ha a beeső sugár „fehér”, a rács szinekre bontja azt. Alkalmazás: monokromátorok, integrált optikai elemek csatoló eleme, cimkék...

24 Monokromátor vázlata Monokromátor paraméterei: hullámhossz tartomány ( 1 - 2), rács sürűsége vonal/mm, relatív apertura D/F, hullámhossz felbontás +- x nm, rések szélessége, azok változási határai, fókusztávolsag F, diszperzió (hullámhossz tartomány / rés szélesség), felbontó képesség (S= 1+ 2/ 2( 2- 1) ). Kell a jó, nagy diffrakciós hatásfokkal rendelkező rács! További alkalmazások: spektrofotométerek, fényszálas spektrofotométerek,...

25 Bragg- diffrakció 2 d sinθ = m λ Raman-Nath- diffrakció Klein-Cook paraméter: Q  1, Bragg Q  1, Raman-Nath Holográfia, akusztooptika

26 Polarizáció A hullámlemez (kettőstöréssel rendelkező kristály, melynek két síkjában haladó fény különböző sebességgel halad) fáziseltolást okoz a két ortogonálisra bontott hullám között és a kimeneten kaphatunk cirkuláris, vagy 90 fokra forgatott polarizált fényt λ/2 lemez: 90° forgatás λ/4 lemez: cirkuláris Figyelem: λ, d és n -függő a lemez tervezése! 1/ 4 λ lemez polarizátor

27 Polarizátorok Anyagok : vonalas rács, elnyelő anyagok (feszített polimer, üveg, folyadékkristály) reflexiós (Brewster szög!) kettőstörő kristályok tg θ B = n 2 /n 1 Alkalmazás: polarizációs szűrők, lézer ablakok, LCD pixelek,... Teszt kérdés: számolja ki a Brewster szöget a vízre eső sugár esetére ( n 2 =1,33, n 1 = 1,00 ) tgθ B = n 2 /n 1 = 1.33/1 = 1.33, θ B = 53.1º élővilág példák! elektrooptikai modulátor

28 A kettősen törő anyagoknak két törésmutatója van: ordinary, extraordinary, ezek ┴ Tehát, a polarizált fény különböző sebességekkel terjed. Ha a lemez vastagsága olyan, hogy Δφ=π (λ/2 lemez), az eredő polarizáció 45º fordul. De vannak még girotróp anyagok is (pld. cukor oldat) amelyek molekuláris szerkezetüknek köszönhetően forgatják jobbra vagy balra a polarizáció síkját! a lineáris polarizáció iránya „gyors” irány „lassú” irány

29 Az átlagos szem erőssége dioptria! Dioptria: D=1/F, ahol F a lencse fókusztávolsága. A fókusztávolságot változtathatjuk – akkomodáció! A víz alatt rosszúl látunk (maszk nélkül) mert kicsiny a törésmutató-különbség (n=1,33 – víz, n=1,367 –szaruhártya). szivárványhártya vízkamra szaruhártya sugárizom lencse ínhártya érhártya látóideg retina A fény érzékelése: az emberi szem.

30 A retina (recehártya) – idegsejtek vékony rétege, amely két típusú fotoreceptort tartalmaz: pálcikákat és csapocskákat. A retinában még ganglionok is vannak. A ganglionok olyan neuronok, amelyek érzékelik a fényjeleket egy sor sejten át a pálcikáktól és a csapocskáktól. Ezek közvetitik az információt az agyba, ahol azt jelekként, képekként fogjuk fel. A retina ~1, fotoreceptor-sejtet tartalmaz (pálcikák és csapocskák), a közepén főleg csapocskák (0,2 mm folt, ezek a színeket érzékelik, három fő altípus) távolabb a pálcikák (ezek az intenzitást). Az egész szem-agy rendszer egy bonyolult komplexum! Felbontás: kb. 0,1 mm, vagy 1’ szög! Az emberi szem a fehér, folyamatos spektrumra van teremtve. Viszont az optoelektronika elemei és eszközei jobban, vagy néha kizárólagosan csak monokromatikus fénnyel működnek !

31 A szem érzékenységi spektruma. A víz szerepe. A víz elnyelési spektruma. Az emberi szem érzékenységi spektruma. Hasonlítsúk össze!

32 Az atmoszféra elnyelési spektruma: hasonlítsuk össze a viz elnyelési spektrumával !

33 Az optikai mérések típusai: 1.Refraktometria és polarimetriaRefraktometria és polarimetria 2.UV-VIS fotometria és spektrofotometriaUV-VIS fotometria és spektrofotometria 3.IR spektrofotometriaIR spektrofotometria 4.Fluoreszcens spektrometriaFluoreszcens spektrometria 5.AtomspektrometriaAtomspektrometria

34 Fény érzékelése és méréstechnikája – fotometria Szükséges az objektív és szubjektív tényezők figyelembevétele ! Sugárzás energiája: W, (Joule) = lm.s  = W/t = teljesítmény (watt) = fényáram( lumen, lm) = 1 cd /1 steradián térszögbe kisugárzott fényáram. SI rendszer, alapegység: cd – kandela (dermedési hőmérsékletén izzó Pt feketetest (2046 K) 1/ m 2 -nyi sík felület fényerőssége. Megvilágítás: lux = 1 m 2 felületre eső 1 lm fényáram által okozott megvilágítás, másképp: W/ m 2, energia/idő.felület Spektrális láthatóság: maximális 555 nm hullámhosszon és = 680 lm/W. Mérés: Se fotométerekkel. Normális megvilágítás: Természetes: lux lakásban,nap nyáron lux lux csak általános gyárban+ felhős ég nyáron lux lux lokális, max 5000 lux telihold éjszaka 0,2 lux

35 CIE (Commission Internationale de l'Eclairage) 1931-ben bevezette a szinek mérési szabványát. Elkészült a szindiagrama, melynek fő szinei a vörös (Red), zöld (Green) és a kék (Blue) = RGB. Ezek alapján létre lehet hozni az összes többi színt. Színek skálája:

36 Teszt kérdések nm hullámhosszú lézerfénnyel merőlegesen megvilágítjuk egy kvarc kristálylemezt. Láthatunk e diffrakciót a kristályrácson? Milyen nagyságrendű a hullámhossza a kristálydiffrakciós kísérlethez alkalmazott röntgensugárnak? 2. Miért színes a megvilágított olajfolt a víz felületén? 3. Miért látható néha színes folt egy sík üveglap (pld. ablak) felületén? 4. Miért kék az ég ? 5. Miért sárga (vörös) néha a naplemente? 6. Alkalmazható e fénybontásra egy vízzel telített üvegfalú prizma? 7. Milyen hullámhossz-tartományra alkalmazható szűrőnek egy vízzel töltött üvegkocka? 8. Hogyan alkalmazható az interferencia egy vékonyréteg vastagságának a mérésére? 9. Milyen színű fényt kapunk, ha egy „fehér” fényforrás spektrumából kiszűrjük a vörös tartományt? 10. Egy fényemisszióval rekombináló elektron 2 eV energiát veszít. Milyen a kisugárzás hullámhossza?

37 Teszt kérdések 11. Miért nem láthatja az emberi szem az infravörös, pld. 5 mikrométer hullámhosszú, sugárzást? 12. Számolja ki a Brewster szöget egy üveglapra eső sugár esetére (üveg törésmutatója n 2 =1,5, a levegő törésmutatója n 1 = 1,00 ). 13. Vizsgálható e a kristályrács szerkezete UV lézersugár diffrakcójával? 14. Koherens e két egymás mellett elhelyezett He-Ne lézerből kibocsájtott fénysugár? 15. Hogyan készítene egy lézerekkel dolgozó mérnöknek védőszemüveget úgy, hogy csak a káros lézersugárzást szűrje ki? 16. Hogyan készítene el egy lézersugarat kettéosztó optikai elemet? 17. Mire alkalmazható a félhullám lemez? 18. Mire alkalmazható a negyedhullám lemez?

38 Teszt kérdések: 19. Milyen nyomást gyakorol egy lézer pointer a megvilágított felületre ? P lézer = 3 mW, d = 2 mm, 70% visszaverődés, Másképpen is lehetne? E=mc 2, m=E/c 2,, P=F/A,, A=πr 2, mc=FDt, tehát: P= mc/Dt π r 2 =Ec/c 2 Dt π r 2 =W Dt c/ c 2 Dt π r 2 = =W/c π r 2 = / , ≈3, N/m 2 +0,7(.....)=5, N/m 2

39 Teszt kérdések: 20. A spektrum melyik tartományában helyezkedik el az 1e14 Hz frekvenciájú sugárzás? a. UV, b. Kék, c. Sárga, d. Vörös,e. IR? Elemzés: Az UV sugárzás frekvenciája nagyobb, mint 8E14 Hz, az IR sugárzás frekvenciája kevesebb, mint4e14 Hz. Tehát, a 1e14 Hz sugárzás az IR tartományban van. (3E8 m/s)/(400E-9 m) = 8E14 Hz; (3E8 m/s)/(720E-9 m) = 4E14 Hz. A látható fény tartománya 4E14 - 8E14 Hz. 21. A sárga fény hullámhossza 550 nm. Milyen a frekvenciája? Elemzés: A sárga fény a 8E14 - 4E14 Hz tartomány közepén van. 22. Számítsa ki a 550 nm hullámhosszú foton energiáját. (h = 6.626E-34 J s) Elemzés: E = h c / λ, E= 2,255 eV 23. Hogyan változnak a hullám paraméterei a közegben? A frekvencia a közegben nem változik, változnak a hullámhossz, hullámszám és a sebesség. Fáziseltolódás = 2  nd/ !

40 24. =?, T=? 25. Ha E max =750 N/C, akkor B max =? 26. E(t)=? and B(t)=? Teszt kérdések:


Letölteni ppt "1.A fény természete és alaptulajdonságai. Alapparaméterek. 1.1 Elektromágneses hullámok. 1.2.Fotonok. 1.3.Koherencia. 1.4.A hullámok szuperpoziciója, interferencia."

Hasonló előadás


Google Hirdetések