Zaawansowane materiały – materiały fotoniczne Fotonika? Elektron Foton ika po co? źródła światła– generacja i wzmacnianie transmisja i modulacja detekcja Zastosowania: systemy fotoniczne (np. telekomunikacja, komputery opt., ...), metrologia, medycyna, obronność, lotnictwo, obróbka materiałów, rozrywka, obróbka informacji, ... .... Wojciech Gawlik - Materiały Fotoniczne 1, 2009/10

Program optyczne własności materii materiały na ośrodki laserowe i wzmacniające materiały do transmisji, modulacji i manipulacji wiązkami św. materiały o periodycznej strukturze (cienkie warstwy, kryształy fotoniczne) nieliniowe materiały optyczne Wojciech Gawlik - Materiały Fotoniczne 1, 2009/10

Własności materiałów fotonicznych wynikają ze: struktury elektronowej materiału (poziomy energetyczne, własności spinowe – magnetyzm) skali, kształtu (np. nanostruktury, cienkie warstwy, SNOM...) oddziaływań z zewn. czynnikami – manipulacja własnościami za pomocą zewn. pól – (np. optyka nieliniowa) Wojciech Gawlik - Materiały Fotoniczne 1, 2009/10

Mechanizm oddziaływania światła z materią światło = fala EM → ładunki → fala EM pole magnetyczne pole elektryczne elektron oddz. atomu z polem E (model klasyczny): indukowany moment elektr.: E z Wojciech Gawlik - Materiały Fotoniczne 1, 2009/10

Zespolony współczynnik załamania (gdy  > 0, lub n+i, gdy  <0 ) () 0 -  –/2 /2 n() 1 0 -  –/2 /2 Wojciech Gawlik - Materiały Fotoniczne 1, 2009/10

Interpretacja n i  - współczynniki absorpcji i załamania fala w ośrodku fala padająca  z zmiana amplitudy fali zmiana fazy fali  absorpcja, prawo Lamberta-Beera  zależność prędkości fal, dyspersja, załamanie światła Wojciech Gawlik - Materiały Fotoniczne 1, 2009/10

związek z prędkością światła © http://commons.wikimedia.org/wiki/User:Kraaiennest Wojciech Gawlik - Materiały Fotoniczne 1, 2009/10

Dyspersja materiałów n ( )  ( ) współczynnik załamania ma dużą wartość w pobliżu atomowej (molekularnej) częstości rezonansowej wówczas rośnie też współczynnik absorpcji n ( ) 1 –/2 /2 a taki, że n()  , gdy  to dyspersja anomalna n(), n() to krzywa dyspersji materiałowej 0 -  rejon krzywej d., w którym n()  , gdy , to obszar dyspersji normalnej  - 0  ( ) –/2 /2 ze względu na absorpcję, dyspersja anomalna jest trudna do obserwacji (ośrodki nieprzezroczyste, większość mat. optycznych absorbuje w UV) materiały optyczne - duże n , małe  Wojciech Gawlik - Materiały Fotoniczne 1, 2009/10

Modelowanie rzeczywistych materiałów: więcej częstości rezonansowych: elektrony jądra   f – tzw. „siła oscylatora” gdy  poza rezonansem: a)  << 0 () 1 b)  >> 0 p > c Wojciech Gawlik - Materiały Fotoniczne 1, 2009/10

Optyczne własności materiałów – c.d. krzywe dyspersji: 1.000301 1.000291 powietrza swobodnych atomów Ti 1.7 1.4 szkła transmisja szkła szkło n  5 10 20 30 50  [m] n ( ) 1 –/2 /2 Wojciech Gawlik - Materiały Fotoniczne 1, 2009/10

Materiały na standardowe elementy optyczne Materiały fotoniczne szkło BK-7 Materiały na standardowe elementy optyczne (soczewki, pryzmaty, okienka)  ważna transmisja/absorpcja i dyspersja zazwyczaj dielektryki (ew. półprzewodniki) szkło kwarcowe szafir CaF2 Wojciech Gawlik - Materiały Fotoniczne 1, 2009/10

Przykład – H2O Wojciech Gawlik - Materiały Fotoniczne 1, 2009/10

Własności optyczne metali ? duża koncentracja swobodnych elektronów  silna absorpcja, silne oscylacje swobodnych elektronów oscylacje swob. elektronów z częstością plazmową  stała dielektryczna ośrodka propagacja w głąb metalu silnie osłabiana, różnica faz między polami E i B (inaczej niż w dielektrykach)  zespolona stała dielektryczna i z dużym  Wojciech Gawlik - Materiały Fotoniczne 1, 2009/10

„metaliczny” odblask i kolory metali /p e 0.8 1 2 dla  > p ,  jest dodatnie a k rzeczywiste, współcz. odbicia   R /p 1 .5 0.8 1 2 dla  < p,  < 0, k jest urojone, brak propagującej fali sinusoidalnej, ampl. zanika wykładniczo i cała energia jest w fali odbitej Au Ag Al R 1 .5 0 1 2 3 4 5 ħ [eV] dla  ;  =1, tzn. (minimum plazmowe) brak odbicia, R=0  „metaliczny” odblask i kolory metali Wojciech Gawlik - Materiały Fotoniczne 1, 2009/10

Metal-dielektryk: polaryton powierzchniowy cienka (~50 nm) warstwa metalu na pow. dielektryka oscylacja ładunków – fala powierzchniowa ład. = polaryton powierzchniowy relacja dyspersji polarytonu: na ogół w metalach dla VIS m () << -1  kx > k0  brak synchronizacji fal optycznej i ładunku, – słabe wzbudzanie polarytonu – silne odbicie Wojciech Gawlik - Materiały Fotoniczne 1, 2009/10

 ale można uzgodnić składowe styczne: np k0 sin  = kxSP wtedy możliwe sprzężenie oscylacji pola el. fali świetlnej i ładunków – wydajne wzbudzenie polarytonu – straty energii fali świetlnej – brak odbicia  efekt tylko dla fali p (polaryz. ┴ ) – zależność od polaryzacji i kątów Wojciech Gawlik - Materiały Fotoniczne 1, 2009/10

2. Materiały do generacji i wzmacniania światła generacja: em. spont. i em. wymuszona emisja – konieczne wzbudzenie: temperatura (promieniowanie c. dosk. czarnego) zderzenia (termiczne, wyładowania el.) absorpcja promieniowania reakcje chem., bioluminescencja, .... wzmacnianie – em. wymuszona Wojciech Gawlik - Materiały Fotoniczne 1, 2009/10

porówn. z: Wojciech Gawlik - Materiały Fotoniczne 1, 2009/10

Wojciech Gawlik - Materiały Fotoniczne 1, 2009/10

Inwersja nie wystarcza !  warunek konieczny: emisja wymuszona > em. spontaniczna liczba aktów em. wym. liczba aktów em. spont. N2 B21  > N2 A21 B21  > A21 konieczne duże   rezonator Rezonator to interferometr Fabry-Perot ! Jego charakterystyka transmisyjna określa widmo promieniowania lasera (mody laserowe) Wojciech Gawlik - Materiały Fotoniczne 1, 2009/10

Rozwój akcji laserowej ośrodek z inwersją:  > 0 – wzmocnienie R<1 L Rezonator pozwala na: Sprzężenie zwrotne – przejście od wzmacniania promieniowania spontanicznego do generacji spójnej wiązki światła 2. Koncentrację energii, spełnienie warunku przewagi emisji wymuszonej B21  > A21 3. Selekcję spektralną (jak w interferometrze F-P) struktura modowa promieniowania laserowego Wojciech Gawlik - Materiały Fotoniczne 1, 2009/10

Elementarne warunki działania lasera Konieczne spełnienie 2 warunków  Wzmocnienie możliwe gdy: emisja > absorpcja E2 E1 N2 N1 N2 N1 N2 > N1 inwersja obsadzeń    Emisja promieniowania spójnego możliwa gdy: emisja wymuszona > em. spontaniczna liczba aktów em. wym. liczba aktów em. spont. N2 B21  > N2 A21 B21  > A21 konieczne duże   rezonator Wojciech Gawlik - Materiały Fotoniczne 1, 2009/10

Ośrodki laserowe/wzmacniające kryształy, gazy, ciecze, swobodne elektrony, ... możliwość kreowania inwersji (z „zapasem” dla pokonania strat) przykłady: He-Ne, excimer, N2 przezroczystość dla promieniowania (generowanego i wzbudzającego) wytrzymałość na zniszczenia (kryształy, ciecze, gazy + mat. rezonatora; problemy - m.in. chłodzenia) lasery diodowe (monolityczna konstr. ośrodka generującego i rezonatora – ważne współczynniki załamania) lasery światłowodowe (rezonator „wmontowany” we włókno) Wojciech Gawlik - Materiały Fotoniczne 1, 2009/10

na swobodnych elektronach (FEL) laser na swobodnych elektronach (FEL) laser gazowy He-Ne laser „stałociałowy” np. rubin, YAG Wojciech Gawlik - Materiały Fotoniczne 1, 2009/10

lasery półprzewodnikowe (diodowe) Planar-Cavity Surface-Emitting diode Laser (PCSEL) LED Vertical-Cavity Surface-Emitting diode Laser (VCSEL) Wojciech Gawlik - Materiały Fotoniczne 1, 2009/10