Optyczne metody badań materiałów – w.2 Resume W1: struktura energetyczna materiałów określa ich własności optyczne: a) transmisję / absorpcję b) odbicie (od dielektryków i metali) c) rozproszenie - zespolony współczynnik załamania n() 1 0 -  –/2 /2 () Wojciech Gawlik - Opt.Met.Badania Materiałów 2 - 2009/10

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 - Opt.Met.Badania Materiałów 2 - 2009/10

Spektroskopia transmisyjna/absorcyjna klasyczna metodyka: detektor próbka źródło – lampa spektr. ogranicz. zdolność rozdzielcza (szerokość instr.) ogranicz. czułość (droga optyczna) spektroskop/ monochromator np. widmo Fraunhoffera  I0   T  ħ pomiar  pozwala na wyznaczenie charakterystyk materiału ( 0i,  ) konieczny przezroczysty ośrodek !  Wojciech Gawlik - Opt.Met.Badania Materiałów 2 - 2009/10

Lasery w spektroskopii klasycznej (liniowej ) 1. Udoskonalenie klasycznych metod dzięki kolimacji i monochromatyczności wiązek laserowych oddziaływania nieliniowe: detektor próbka lampa spektr. spektroskop/ monochromator monochromatyczność  zwiększ. zdolności rozdz. (instr  doppler) detektor próbka laser przestraj.  T   T  0 kolimacja wiązki świetlnej  zwiększ. czułości (drogi opt.) 2. Inne zalety wiązek laserowych  nieliniowa spektroskopia laserowa Wojciech Gawlik - Opt.Met.Badania Materiałów 2 - 2009/10

(materiały nieprzezroczyste) Widma odbiciowe granica 2 ośrodków (n1 i n2) – wzory Fresnela określają stosunki między ampl. fal n1 n2 Ir It I0 gdy   0, np. w powietrzu/próżni, gdy n1=1 Wojciech Gawlik - Opt.Met.Badania Materiałów 2 - 2009/10

Całkowite wewnętrzne odbicie p + – x r 1 /2 i R R|| B gr Wzory Fresnela dla n1>n2 i 1 > gr : R ,|| = rr* 1 całkowite odbicie ! (wewnętrzne)  Fala zanikająca  >gr x y z d   Sprzęgacze Światłowody Wojciech Gawlik - Opt.Met.Badania Materiałów 2 - 2009/10

Odbicie od 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 - Opt.Met.Badania Materiałów 2 - 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 (kompensacja prądów związanych ze stałą diel. ośrodka L i z oscylacjami elektronów) 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 - Opt.Met.Badania Materiałów 2 - 2009/10

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  kz > k0  brak synchronizacji fal opt. i ład., – słabe wzbudzanie polarytonu – silne odbicie Wojciech Gawlik - Opt.Met.Badania Materiałów 2 - 2009/10

 ale można uzgodnić składowe styczne: np k0 = kzSP np k0 sin  = kSP 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 - Opt.Met.Badania Materiałów 2 - 2009/10

Lasery – co każdy powinien wiedzieć, ale się bał zapytać... główny mechanizm – emisja wymuszona – przez wzbudzone atomy Emisja wymuszona fazy emisji kierunki emisji częstości emisji Skorelowane z fotonami wymuszającymi !!! konieczne warunki działania lasera: Inwersja obsadzeń stanów o wyższej energii względem niższej (aby emisja promieniowania przeważała nad absorpcją) Rezonator laserowy pozwalający na zwiększenie liczby fotonów wymuszających (aby emisja wymuszona przeważała nad spontaniczną) Wojciech Gawlik - Opt.Met.Badania Materiałów 2 - 2009/10

– różne parametry promieniowania Różnorodność laserów – różne parametry promieniowania zakresy energii (dł. fal): od (X) VUV, do IR – możliwe rozszerzanie przez procesy nieliniowe monochromatyczność – na ogół stałe dł. fali, ale są też lasery przestrajalne praca ciągła i impulsowa (ultrakrótkie impulsy: fs i as) energia i moc promieniowania – bardzo różne moc 1 W wiązki laserowej – znacznie silniejsze zaburzenie niż dla światła od np. 100 W żarówki (kolimacja, kąt bryłowy, monochromatyczność) polaryzacja (na ogół tak, ale czasem nie) spójność – dla wiązek ciągłych b. duża kolimacja – ograniczona jedynie dyfrakcją Laser Dye Wojciech Gawlik - Opt.Met.Badania Materiałów 2 - 2009/10

Popularne lasery: Laser ośrodek aktywny długość fali [nm] rodzaj emisji moc typowe zastosowania He-Ne gaz 633; 1150; 3390 ciągła (CW) 1-40 mW holografia, i wiele innych (świetna jakość wiązki) CO2 (9 600) 10 600 ciągła 5-10 000 termiczna obróbka materiałów Argonowy zjonizowany gaz 488; 514,5 5 mW-5W holografia, medycyna (chirurgia oka), laser shows ekscymerowy 193; 308; 351 impulsowa (P) - 20 MW (peak) obróbka materiałów, medycyna He-Cd pary metalu 325; 441 5-100 mW spektroskopia i tak jak He-Ne Cu 511; 578 impulsowa 50 W (uśredn.) holografia, medycyna, laser shows barwnikowy ciecz 370 – 1000 przestrajalny ciągła/ 10-500 mW CW 1 MW (P peak) spektroskopia, medycyna Ti:szafir ciało stałe 700 – 1100 nm przestrajalny - j.w. - spektroskopia, medycyna, ultrakrótkie impulsy rubinowy 694 holografia, obróbka materiałów, znaczenie histor. Nd:YAG 1064; (druga harmon.: 532) impulsowa/ 2x108 W szkło Nd 1064 5x1014 W obróbka materiałów diodowy 380 – 40 000 można przestrajać 1mW-100W CD, DVD, komunikacja, drukarki, medycyna, spektroskopia, ... Wojciech Gawlik - Opt.Met.Badania Materiałów 2 - 2009/10