Pobieranie prezentacji. Proszę czekać

Pobieranie prezentacji. Proszę czekać

6. Oddziaływanie światła z materią Oscylator Lorentza Funkcja dielektryczna w modelu Lorentza Zespolony współczynnik załamania Propagacja fali świetlnej.

Podobne prezentacje


Prezentacja na temat: "6. Oddziaływanie światła z materią Oscylator Lorentza Funkcja dielektryczna w modelu Lorentza Zespolony współczynnik załamania Propagacja fali świetlnej."— Zapis prezentacji:

1 6. Oddziaływanie światła z materią Oscylator Lorentza Funkcja dielektryczna w modelu Lorentza Zespolony współczynnik załamania Propagacja fali świetlnej w ośrodku Prawo Lamberta-Beera Dyspersja materiałów Funkcja dielektryczna metali w modelu Drudego-Lorentza-Sommerfelda Częstość plazmowa metali Ujemny współczynnik załamania Metamateriały

2 Rola emisji wymuszonej Rozwój akcji laserowej we wnęce laserowej Cechy światła laserowego Podstawy fizyczne działania laserów: Inwersja obsadzeń Wybór ośrodka aktywnego Przegląd podstawowych typów laserów Laser LA Light Amplification by SER Stimulated Emission of Radiation 5. Lasery poprzedni wykład: 5. Lasery

3 LASERy* Laser He-Ne Działanie lasera bazuje na dwóch zjawiskach: inwersji obsadzeń i emisji wymuszonej. Unikalne właściwości światła laserowego: mała szerokość linii emisyjnej (duża moc w emisyjnym obszarze widma) łatwo uzyskać wiązkę: spolaryzowaną, spójną w czasie i przestrzeni o bardzo małej rozbieżności zwierciadło całkowicie odbijające zwierciadło wyjściowe ośrodek wzmacniajacy wneka laserowa źródło energii pompujacej

4 Inwersja obsadzeń Układ dwupoziomowy Fizykom zajęło trochę czasu by zauważyć, że układ czteropoziomowy jest najkorzystniejszy. Układ czteropoziomowy Układ trójpoziomowy Fast decay Przejście laserowe Pompowanie Szybki zanik N2N2 N1N1 Fast decay Przejście laserowe Pompowanie Szybki zanik

5 Pompowanie energii: lamba błyskowa laser rubinowy), inny laser (w ośrodkach aktywnych, którymi są barwniki), wyładowanie elektryczne (laser He-Ne), przyłożone napiecie (lasery diodowe) Podsumowanie: rozwój akcji laserowej

6 Oddziaływanie światła z materią Nasz ogląd świata jest wynikiem kreowania i anihilowania fotonów, czyli sposobu, w jaki światło oddziałuje z materią.

7 Wynik tego oddziaływania zależy od własności materii, ale również od cech światła (częstotliwość, (dla materiałów dwójłomnych również kąt padania i polaryzacja) Oddziaływanie światła z materią

8 Zależność od częstotliwości: modelowanie Oddziaływanie światła z materią

9 Oscylator harmoniczny Kiedy działamy siłą periodyczną na układu zdolny do wykonywania oscylacji (wahadło, sprężyna, huśtawka, atom) mamy do czynienia z oscylatorem wymuszonym. Przykłady: Dziecko (niekoniecznie) bujane na huśtawce Wahadło Wysokie lub długie konstrukcje na wietrze lub w czasie trzęsienia ziemi Atom w polu fali świetlnej Jean-Honore Fragonard: The Swing

10 Oscylator wymuszony jest jednym z ważniejszych problemów w fizyce. częstości rezonansowejrezonansu Wiąże się z nim pojęcie częstości rezonansowej i zjawiska rezonansu. Częstość: Częstość: zbyt mała, rezonansowa, zbyt duża Odpowiedź ładunków związanych na pole elektromagnetyczne jest bardzo podobna! Oscylator harmoniczny

11 Oscylator Loretza - model, w którym atomy ośrodka wyobrażamy sobie jako oscylujące dipole. Każdy z atomów posiada charakterystyczne częstości, które odpowiadają jego energiom przejść między poziomami energetycznymi modelu kwantowego. Elektron w położeniu x e (t), sprężyście związany z atomem siłą: F spr = - k spr x e = m e o 2 x e porusza się w polu elektrycznym fali świetlnej pod wpływem siły: F el = e E 0 exp(-i t) : Elektron oscyluje w polu fali padającej z częstością pola, ale amplituda jego oscylacji zależy od różnicy częstości własnej i częstości pola. Rozwiązaniem jest:

12 Oscylator Loretza - model, w którym atomy ośrodka wyobrażamy sobie jako oscylujące dipole. Każdy z atomów posiada charakterystyczne częstości, które odpowiadają jego energiom przejść między poziomami energetycznymi modelu kwantowego. Elektron w położeniu x e (t), sprężyście związany z atomem siłą: F spr = - k spr x e = m e o 2 x e porusza się w polu elektrycznym fali świetlnej pod wpływem siły: F el = eE 0 exp(-i t) : Elektron oscyluje w polu fali padającej z częstością pola, ale amplituda jego oscylacji zależy od różnicy częstości własnej i częstości pola. Rozwiązaniem jest:

13 Oscylator Loretza - model, w którym atomy ośrodka wyobrażamy sobie jako oscylujące dipole. Każdy z atomów posiada charakterystyczne częstości, które odpowiadają jego energiom przejść między poziomami energetycznymi modelu kwantowego. Elektron w położeniu x e (t), sprężyście związany z atomem siłą: F spr = - k spr x e = m e o 2 x e porusza się w polu elektrycznym fali świetlnej pod wpływem siły: F el = e E 0 exp(-i t) : Elektron oscyluje w polu fali padającej z częstością pola, ale amplituda jego oscylacji zależy od różnicy częstości własnej i częstości pola. Rozwiązaniem jest:

14 Oscylator Loretza - model, w którym atomy ośrodka wyobrażamy sobie jako oscylujące dipole. Każdy z atomów posiada charakterystyczne częstości, które odpowiadają jego energiom przejść między poziomami energetycznymi modelu kwantowego. Elektron w położeniu x e (t), sprężyście związany z atomem siłą: F spr = - k spr x e = m e o 2 x e porusza się w polu elektrycznym fali świetlnej pod wpływem siły: F el = e E 0 exp(-i t) : Elektron oscyluje w polu fali padającej z częstością pola, ale amplituda jego oscylacji zależy od różnicy częstości własnej i częstości pola. Rozwiązaniem jest:

15 Oscylator Lorentza Nasze rozwiązanie: w rezonansie ma nieskończoną amplitudę.

16 Oscylator Lorentza: Ale już oscylator tłumiony: posiada rozwiązanie: Elektron znowu oscyluje z częstością fali elektromagnetycznej, ale możliwe jest przesunięcie fazowe. Tym razem amplituda jest skończona dla wszystkich częstotliwości. z siłą tłumiącą proporcjonalną do prędkości i skierowaną przeciwnie:

17 Oscylator Lorentza: Ale już oscylator tłumiony: posiada rozwiązanie: Elektron znowu oscyluje z częstością fali elektromagnetycznej, ale możliwe jest przesunięcie fazowe. Tym razem amplituda jest skończona dla wszystkich częstotliwości. z siłą tłumiącą proporcjonalną do prędkości i skierowaną przeciwnie:

18 Oscylator Lorentza: Ale już oscylator tłumiony: posiada rozwiązanie: Elektron znowu oscyluje z częstością fali elektromagnetycznej, ale możliwe jest przesunięcie fazowe. Tym razem amplituda jest skończona dla wszystkich częstotliwości. z siłą tłumiącą proporcjonalną do prędkości i skierowaną przeciwnie:

19 Co opisuje czynnik tłumiący Co opisuje czynnik tłumiący Atomy spontanicznie powracają do stanu podstawowego po pewnym czasie. Oscylacje dipoli wzbudzone w ośrodku sumują się. Zderzenia powodują defazację poszczególnych oscylacji; ich suma maleje. Defazacja oscylacji przez zderzenia sprawia, że wzbudzone oscylacje zanikają w czasie. Światło emitowane przez taki ośrodek będzie się też w podobny sposób zmieniać w czasie. time zderzenia czas Suma

20 Zobaczyliśmy, co światło może zrobić atomom ośrodka. Wniosek: skuteczność wymuszenia oscylacji (dipoli) atomowych ośrodka silnie zależy od częstości ! Teraz zobaczmy, jaki z kolei wpływ mają wzbudzone oscylacje na falę elektromagnetyczną, rozchodzącą się w ośrodku.

21 Niejednorodne równanie falowe Polaryzacja indukowana w ośrodku: e jest ładunkiem elektronu, N jest koncentracją elektronów zwiaząnych ośrodka, które oddziałują ze światłem. Dla naszych oscylujących elektronów: E(z,t)E(z,t) Możemy więc zapisać: gdzie: jest podatnością elektryczną ośrodka gdzie:

22 Dielektryki liniowe: podatność elektryczna i przenikalność dielektryczna podatność elektryczna ośrodka jest natężeniem całkowitego pola elektrycznego, Wprowadźmy pole indukcji elektrycznej : Nie zapomnij: Wszystkie wielkości charakteryzujące odpowiedź danego ośrodka na pole elektromagnetyczne są funkcjami częstości !

23 Dielektryki liniowe: podatność elektryczna i przenikalność dielektryczna podatność elektryczna ośrodka jest natężeniem całkowitego pola elektrycznego, Wprowadźmy pole indukcji elektrycznej : Nie zapomnij: Wszystkie wielkości charakteryzujące odpowiedź danego ośrodka na pole elektromagnetyczne są funkcjami częstości !

24 Dielektryki liniowe: podatność elektryczna i przenikalność dielektryczna podatność elektryczna ośrodka jest natężeniem całkowitego pola elektrycznego, Wprowadźmy pole indukcji elektrycznej : Nie zapomnij: Wszystkie wielkości charakteryzujące odpowiedź danego ośrodka na pole elektromagnetyczne są funkcjami częstości !

25 Dielektryki liniowe: funkcja dielektryczna w modelu Lorentza

26 Gdy ośrodek posiada wiele częstości rezonansowych 0j : Częstości rezonansowe 0j to częstości własne układu (istnieją niezależnie od tego, czy układ oddziałuje z polem fali świetlnej, czy nie); charakteryzują układ, jako taki. Warto je znać!

27 Tacoma Narrows Bridge Tacoma Narrows Bridge zerwany z powodu wiatrów uderzających z częstościami rezonansowymi konstrukcji (November :00AM ). Tacoma Narrows Bridge

28 Nowy Tacoma Narrows Bridge (otwarty 2007)

29 Absorpcja i załamanie światła w ośrodku opisane są przez zespolony współczynnik załamania zespolony współczynnik załamania: funkcja dielektryczna w modelu Lorentza jest (rzeczywistym) współczynnikiem załamania jest współczynnikiem ekstynkcji (absorpcji)

30 Absorpcja i załamanie światła w ośrodku opisane są przez zespolony współczynnik załamania zespolony współczynnik załamania: funkcja dielektryczna w modelu Lorentza jest (rzeczywistym) współczynnikiem załamania jest współczynnikiem ekstynkcji (absorpcji)

31 Współczynnik załamania w funkcji częstości Ponieważ częstości rezonansowe pojawiają się w różnych obszarach widma elektromagnetycznego, współczynniki n( ) i ( ) zmieniają się w złożony sposób. anomalnej dyspersji. n rośnie z częstotliwością, z wyjątkiem obszarów anomalnej dyspersji. podczerień widzialne UV X czestotliwość (Hz) Rezonanse: oscylacyjne i rotacyjne przejścia elektronowe n

32 Całkowite pole elektryczne propagujące się w ośrodku: Współczynnik ekstynkcji tłumi pole Współczynnik załamania zmienia długość wektora falowego (długość fali): Relacja dyspersji: E0(z)E0(z) Powoli zmieniająca się obwiednia i oscylacje 0 jest długością fali o częstości w próżni n=c/v ph

33 Współczynnik ekstynkcji tłumi pole Współczynnik załamania zmienia długość wektora falowego (długość fali): Relacja dyspersji: E0(z)E0(z) Powoli zmieniająca się obwiednia i oscylacje 0 jest długością fali o częstości w próżni n=c/v ph Całkowite pole elektryczne propagujące się w ośrodku:

34 Współczynnik ekstynkcji tłumi pole Współczynnik załamania n zmienia długość wektora falowego k (długość fali): Relacja dyspersji: E0(z)E0(z) Powoli zmieniająca się obwiednia i oscylacje 0 jest długością fali o częstości w próżni n=c/v ph Całkowite pole elektryczne propagujące się w ośrodku:

35 Modyfikacja fali świetlnej po przejściu do ośrodka: Zazwyczaj: prędkość światła, długość fali, amplituda maleją. Częstotliwość nie zmienia się. n = 1Ren = 2 nk 0 Próżnia (lub powietrze)Ośrodek Głębokość absorpcji = 1/ k0k0 n Długość fali maleje n=c/v ph

36 Natężenie jest proporcjonalne do (średniego) kwadratu pola. Ponieważ E(z) exp(- z/2), natężenie wynosi: Współczynnik ekstynkcji i irradiancja (natężenie)) gdzie I(0) jest natężeniem w z = 0, a I(z) jest natężeniem w z, I(z) = I(0) exp(- z) Tak więc natężenie światła jest tłumione i zanika ~ exp(- z) w miarę propagacji w ośrodku. współczynnik absorpcji: Prawo BEERa lubLamberta-Beera z W obszarze widzialnym współczynnik absorbancji bezbarwnych materiałów przezroczystych (szkło) jest w przybliżeniu stały. W ogólności (jak i ) silnie zależą od częstości (DYSPERSJA!).

37 Natężenie jest proporcjonalne do (średniego) kwadratu pola. Ponieważ E(z) exp(- z/2), natężenie wynosi: Współczynnik ekstynkcji i irradiancja (natężenie)) I(z) = I(0) exp(- z) Za tłumienie odpowiedzialne są dwa procesy: absorpcja absorpcja (energia jest pochłonięta (np. przez atom; elektrony walencyjne przechodzą do stanu o wyższej energii). Zaabsorbowana energia może być ponownie wyemitowana jako energia promieniowania, lub może być zamieniona na ciepło. rozpraszanie rozpraszanie - wiąże się z niejednorodnościami układu, w którym zachodzi propagacja fal. Światło oddziaływując z materią powoduje drgania cząsteczek i wypromieniowanie (wtórnych) fal elektromagnetycznych współczynnik absorpcji: Prawo BEERa lubLamberta-Beera gdzie I(0) jest natężeniem w z = 0, a I(z) jest natężeniem w z,

38 38 Dyspersja materiałów: podsumowanie n ( ) 1 0 – /2 /2 ( ) 0 0 – /2 /2 współczynnik załamania szybko się zmienia w pobliżu atomowej (molekularnej) częstości rezonansowej wówczas rośnie też współczynnik absorpcji krzywa dyspersji materiałowej n( ), n( ) to krzywa dyspersji materiałowej dyspersji normalnej rejon krzywej dyspersji, w którym n( ) rośnie, gdy rośnie, to obszar dyspersji normalnej dyspersja anomalna rejon krzywej dyspersji, w którym n( ), gdy rośnie to dyspersja anomalna ze względu na absorpcję, dyspersja anomalna jest trudna do obserwacji (ośrodek jest nieprzezroczysty). Większość materiałów optycznych absorbuje w UV) materiały optyczne - duże n, małe

39 Dla światła widzialnego, dla większości materiałów przezroczystych (np. dla szkieł): czyli: Dyspersja materiałów przezroczystych - obszar dyspersji normalnej

40 szkło n m] Współczynnik załamania w funkcji częstości dla rzeczywistych materiałów Przykłady:

41 Współczynnik załamania Przykłady wartości dla światła o długość 580 nm dla różnych materiałów:

42 Zadanie domowe: 1. Sprawdź, że wyrażenie: jest rozwiązaniem równania: z E(t) = exp(-i t)

43 Jak w języku funkcji dielektrycznej i zespolonego współczynnika załamania opisać własności optyczne metali? Własności te wynikają z faktu, ze metale zawierają wysokie gęstości elektronów swobodnych (niezwiązanych), które pochodzą z powłok walencyjnych atomów metalu. Elektrony te (gaz elektronowy) nie są już związane z konkretnym jonem dodatnim i mogą się swobodnie poruszać. Elektrony swobodne nie doświadczają siły przeciwdziałającej wychyleniu w polu elektrycznym Własności: tworzenie połyskliwej, gładkiej powierzchni ciągliwość i kowalność dobre przewodnictwo elektryczne dobre przewodnictwo cieplne

44 Metale: funkcja dielektryczna w modelu Drudego-Lorentza-Sommerfelda Elektron w położeniu x e (t), porusza się w polu elektrycznym fali świetlnej pod wpływem siły: F el = eE 0 exp(-i t) Ruch elektronu podlega sile tłumiącej proporcjonalnej do prędkości i skierowanej przeciwnie:

45 Metale: funkcja dielektryczna w modelu Drudego-Lorentza-Sommerfelda Elektron w położeniu x e (t), porusza się w polu elektrycznym fali świetlnej pod wpływem siły: F el = eE 0 exp(-i t) Ruch elektronu podlega sile tłumiącej proporcjonalnej do prędkości i skierowanej przeciwnie:

46 Metale: funkcja dielektryczna w modelu Drudego-Lorentza-Sommerfelda Elektron w położeniu x e (t), porusza się w polu elektrycznym fali świetlnej pod wpływem siły: F el = eE 0 exp(-i t) Ruch elektronu podlega sile tłumiącej proporcjonalnej do prędkości i skierowanej przeciwnie:

47 Metale: funkcja dielektryczna w modelu Drudego-Lorentza-Sommerfelda Wprowadźmy pole indukcji elektrycznej : gdzie p jest częstością plazmową danego metalu:

48 Metale: funkcja dielektryczna w modelu Drudego-Lorentza-Sommerfelda Wprowadźmy pole indukcji elektrycznej : gdzie p jest częstością plazmową danego metalu:

49 Metale: funkcja dielektryczna w modelu Drudego-Lorentza-Sommerfelda Wprowadźmy pole indukcji elektrycznej : gdzie p jest częstością plazmową danego metalu:

50 Metale: funkcja dielektryczna w modelu Drudego-Lorentza-Sommerfelda Wprowadźmy pole indukcji elektrycznej : gdzie p jest częstością plazmową danego metalu:

51 Metale: funkcja dielektryczna w modelu Drudego-Lorentza-Sommerfelda gdzie p jest częstością plazmową danego metalu: Załóżmy dla prostoty, że = 0. Wówczas dla częstości poniżej częstości plazmowej r < 0, a współczynnik załamania:

52 Metale: funkcja dielektryczna w modelu Drudego-Lorentza-Sommerfelda gdzie p jest częstością plazmową danego metalu: Załóżmy dla prostoty, że = 0. Wówczas dla częstości poniżej częstości plazmowej r < 0, a współczynnik załamania: Współczynnik załamania metali jest więc liczbą zespoloną nawet wtedy, gdy funkcja dielektryczna jest rzeczywista! gdyż dla: < p r ( ) < 0

53 Metale: funkcja dielektryczna w modelu Drudego-Lorentza-Sommerfelda gdzie p jest częstością plazmową danego metalu: Światło o częstotliwości poniżej częstotliwości plazmowej jest odbijane; elektrony metalu ekranują pole elektryczne fali światła. Długość fali Odbijalność %

54 Metale: funkcja dielektryczna w modelu Drudego-Lorentza-Sommerfelda gdzie p jest częstością plazmową danego metalu: Bardzo silna absorpcja sprawia, że fala elektromagnetyczna może wniknąć do metalu jedynie niewiele, na odległość mniejszą niż długość fali: efekt naskórkowy Głębokość wnikania dla różnych metali

55 Metale: funkcja dielektryczna w modelu Drudego-Lorentza-Sommerfelda Konfrontacja z metalami rzeczywistymi:

56 Metale: funkcja dielektryczna w modelu Drudego-Lorentza-Sommerfelda Konfrontacja z metalami rzeczywistymi: - prędkość relaksacji związana z przewodnictwem DC - prędkość relaksacji związana z przewodnictwem DC, N i m* - koncentracja i masa efektywna elektronów przewodnictwa ε - zawiera dodatkowy wkład elektronów związanych do polaryzowalności (o wartości 1 jeśli mamy tylko elektrony swobodne Funkcja dielektryczna Drudego z parametrami efektywnymi:

57 Metale: funkcja dielektryczna w modelu Drudego-Lorentza-Sommerfelda Konfrontacja z metalami rzeczywistymi: metale alkaiczne Sód w nafcie

58 Metale: funkcja dielektryczna w modelu Drudego-Lorentza-Sommerfelda Konfrontacja z metalami rzeczywistymi: metale szlachetne parametry efektywne: 0 = 9,84, p = 9,096eV, = 0,072eV dla złota 0 = 3,7, p = 8,9 eV, = 0,021eV dla srebra

59 Metale: funkcja dielektryczna w modelu Drudego-Lorentza-Sommerfelda Dlaczego modele funkcji dielektrycznej są tak ważne, skoro znamy współczynnik załamania i absorpcji wielu przydatnych materiałów (tabele zmierzonych wielkości dla wielu częstotliwości )?

60 Zadanie domowe: 1. Sprawdź, że wyrażenie: jest rozwiązaniem równania: z E(t) = exp(-i t)

61 Metale: funkcja dielektryczna w modelu Drudego-Lorentza-Sommerfelda Dlaczego modele funkcji dielektrycznej są tak ważne, skoro znamy współczynnik załamania i absorpcji wielu przydatnych materiałów (tabele zmierzonych wielkości dla wielu częstotliwości )?

62 Dla większości materiałów optycznych μ r jest stała i bliska 1dla częstości optycznych i mogliśmy używać definicji: Ujemny współczynnik załamania Ostatnie badania wykazały istnienie materiałów o ujemnym współczynniku załamania, który pojawia się, gdy obie części rzeczywiste Re(ε r ( )) i Re(μ r ( )) są naraz ujemne (jest to warunek wystarczający, ale nie konieczny). Materiały o takich własnościach nie są znane w przyrodzie, ale można je wytworzyć jako tzw. metamateriały. Ogólniej: Praktycznie wszystkie przezroczyste materiały mają dodatnie wartości zarówno przenikalności elektrycznej ε jak i magnetycznej μ. Ogólniej: 4 rozwiązania. Które można zrealizować?

63 Dla większości materiałów optycznych μ r jest stała i bliska 1dla częstości optycznych i mogliśmy używać definicji: Ujemny współczynnik załamania Ostatnie badania wykazały istnienie materiałów o ujemnym współczynniku załamania, który pojawia się, gdy obie części rzeczywiste Re(ε r ( )) i Re(μ r ( )) są naraz ujemne (jest to warunek wystarczający, ale nie konieczny). Materiały o takich własnościach nie są znane w przyrodzie, ale można je wytworzyć jako tzw. metamateriały. Ogólniej: Praktycznie wszystkie przezroczyste materiały mają dodatnie wartości zarówno przenikalności elektrycznej ε jak i magnetycznej μ. Ogólniej: 4 rozwiązania. Które można zrealizować?

64 Dla większości materiałów optycznych μ r jest stała i bliska 1dla częstości optycznych i mogliśmy używać definicji: Ujemny współczynnik załamania Ostatnie badania wykazały, że mogą istnienić materiały o ujemnym współczynniku załamania, gdy obie części rzeczywiste Re(ε r ( )) i Re(μ r ( )) są naraz ujemne (jest to warunek wystarczający, ale nie konieczny). Materiały o takich własnościach nie są znane w przyrodzie, ale można je wytworzyć jako tzw. metamateriały. Ogólniej: Praktycznie wszystkie przezroczyste materiały mają dodatnie wartości zarówno przenikalności elektrycznej ε jak i magnetycznej μ. Ogólniej: 4 rozwiązania. Które można zrealizować?

65 Metamateriały Ośrodki sztucznie wyprodukowane o parametrach materiałowych nieznanych w przyrodzie. Ich odpowiedź na pole elektromagnetyczne posiada cechy wykraczające poza cechy materiałów, z których są wykonane. Materiały o ujemnym współczynniku załamania. tzw materiały lewoskrętne, mają szczególne znaczenie w optyce i fotonice, gdzie ich własności umożliwiają wytwarzanie nieklasycznych typów soczewek, anten, modulatorów i filtrów. Przykłady topografii: Są to materiały, które zyskują swe własności raczej dzięki strukturze (nie wynikają wprost z powodu składu). Metamateriały często tworzone są ze struktur periodycznych.

66 a prawo Snella a prawo Snella : Załamanie światła zachodzi zgodnie z prawem Snelliusa: n 1 sinθ 1 = n 2 sinθ 2 dla kąta załamania o ujemnej wartości: Ujemny współczynnik załamania normalny materiał (np. szkło, woda)metamateriał

67 Ujemny współczynnik załamania Metamateriały normalny materiałmetamateriał

68 Ujemny współczynnik załamania Supersoczewka (cienka warstwa) normalny materia

69 Ujemny współczynnik załamania Metamateriały Ta soczewka ma niezwykłą własność: jest pozbawiona aberacji:Supersoczewka

70 Ujemny współczynnik załamania Metamateriały Ponieważ współczynnik załamania jest ujemny, prędkość fazowa i prędkość grupowa fali elektromagnetycznej mogą rozchodzić się w przeciwnych kierunkach! Kierunek propagacji i kierunek przepływu energii są więc róże!

71 Materiały lewoskrętne Przykład: Jednowymiarowa packa falowa w materiale lewo- i prawo-skrętnym Dla fali płaskiej propagującej a się w metamateriale wzajemne kierunki pola elektrycznego, pola magnetycznego i wektora Poyntinga podlegają regule lewej ręki (nie jak w regule prawej reki dla iloczynu wektorowego): nowa klasa materiałów: metamateriały lewoskrętne. k = k 0 n Uśredniony po czasie wektor Poyntinga jest anty-równoległy do prędkości fazowej. Oznacza to, że w przeciwieństwie do zwykłych materiałów prawoskrętnych, fronty falowe poruszają się w kierunku przeciwnym do kierunku przepływu energii!

72 Ujemny współczynnik załamania Metamateriały Specyficzne własności: Załamują światło zgodnie z prawem Snelliusa (N 1 sinθ 1 = N 2 sinθ 2 ) dla negatywnej wartości refrakcji, czyli kąt załamania ma ujemną wartość (patrz diagram). Efekt Dopplera jest odwrócony (światło ze źródła poruszającego się w kierunku obserwatora ma obniżoną częstotliwość) Promieniowanie Czerenkowa jest wysyłane w przeciwną stronę niż poruszająca się cząstka naładowana. Prędkość grupowa fali ma zwrot przeciwny do prędkości fazowej. Światło ma tym większą długość fali im wyższą częstotliwość (odwrotnie niż w zwykłych materiałach). Dla fali płaskiej propagującej a się w takim metamateriale wzajemne kierunki pola elektrycznego, pola magnetycznego i wektora Poyntinga podlegają regule lewej ręki (nie jak w regule prawej reki dla iloczynu wektorowego). Fakt ten pozwala nazywać klasę materiałów: metamateriały lewoskrętne. Ale uwaga: termin materiał lewoskrętny czy prawoskrętny używany jest w kontekście materiałów posiadających skrętność optyczną Nowa terminologia!!!

73 Metamateriały Niewidzialność!?

74 Metamateriały Niewidzialność!? Rysunek wskazujący jako promienie świetlne musiałyby być ugięte wokół maskowanego obiektu, by sprawić, by stał się niewidoczny; światło rozchodzi się tak, że obserwator ma wrażenie, że przeszło przez obiekt. Niewidzialny tunel Hipotetyczny metamateriał

75 Metamateriały Niewidzialny płaszcz (na wybrane długości fal) Sekretny tunel (na wybrane długości fal)

76 Dziękuję za uwagę


Pobierz ppt "6. Oddziaływanie światła z materią Oscylator Lorentza Funkcja dielektryczna w modelu Lorentza Zespolony współczynnik załamania Propagacja fali świetlnej."

Podobne prezentacje


Reklamy Google