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 lasery  ważne narzędzie – własności promieniowania laserowego umożliwiają: - ulepszenie klasycznych pomiarów (np. widm absorpcyjnych) - nieliniowe oddziaływanie światło-materia, - rozwój nowych metod spektroskopii laserowej + pomiary ultraszybkiej dynamiki (reakcje chem., biol.) [femtosec (10-15 s), attosec (10-18 s)]

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)

– 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

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, ...

transformacja materiałów Laserowa obróbka, Pole EM związane z promieniowaniem lasera może modyfikować a) str. energetyczną materiałów – własności fiz-chem. b) selektywnie inicjować reakcje chemiczne 2. Termiczne działanie wiązki laserowej na materiały (musi być absorbowana) 3. Fotoablacja 4. Laser-Plasma Deposition (nanoszenie materiałów za pomocą plazmy laserowej) (dwie wiązki lasera excymerowego generują strumienie plazmowe różnych substancji, które się osadzają na płytce substratu w odpowiednich proporcjach)

Badania rozpraszania światła Rodzaje rozpraszania Rezonansowe – światło rezonansowo oddziałuje z określonym przejściem w atomach/cząsteczkach – absorpcja/reemisja  światła rozpraszanego =  św. reemitowanego – możliwy pomiar str. widmowej – str. energetycznej scatt exc Natęż. św. rozprosz. rozpraszanie elastyczne scatt = exc gdy bogatsza str. poziomów – bogatsze widma D1 D2 exc scatt Natęż. św. rozprosz. rozpraszanie Ramana scatt = excDi umożliwia pomiar rozszczepień Di D1 D2

SRS (Stimulated Raman Scattering) Z laserowym wzbudzeniem - rozpraszanie wymuszone 1 2 E=h(1-2) 2. Rozpraszanie nierezonansowe (oscylujący dipol) małe cząstki – rozprasz. Rayleigha – elastyczne  kolor nieba i zachodzącego słońca duże cząstki – rozpraszanie Mie [Gustaw Mie] – zależne od rozmiarów cząstek, słabiej zależy od  - kolor chmur

Rola interferencji i dyfrakcji w rozpraszaniu Rola interferencji i dyfrakcji w rozpraszaniu Mie, interferują przyczynki światła rozprosz. przez różne części cząstki i dają zależność od rozmiaru cząstek natęż. światła rozproszonego

w rozpraszaniu na wielu małych cząstkach istotna dyfrakcja na indywidualnych cząstkach kąt minimum pierścieni przy dyfrakcji na okrągłych (sferycznych) obiektach o średnicy d: Przykład - badania aerozoli  Analiza obrazów dyfr. = ważna metoda pomiaru rozmiarów obiektów i struktur

Elastometria defektoskopia analizator polaryzator przezroczysty przedmiot z naprężeniami obraz naprężeń defektoskopia badanie naprężeń, sprawdzanie modeli konstrukcji