Optyczne metody badań materiałów

Prezentacja na temat: "Optyczne metody badań materiałów"— Zapis prezentacji:

1 Optyczne metody badań materiałów
1. Badania makroskopowe (geometria, odkształcenia) – techniki interferometryczne, holografia, elastometria 2. Badania mikroskopowe – badania str. krystalicznej stopów metalurgicznych – anizotropia optyczna, mikroskopia polaryzacyjna – mikroskopia skaningowa bliskiego pola (NFOM, SNOM) – tomografia optyczna 3. Badania struktury poziomów energetycznych – oddziaływania światła z materią (liniowe i nieliniowe) – optyczne własności materiałów metody badania własności transmisyjnych metody badania własności odbiciowych metody badania rozproszenia światła 4. Materiały optyczne – materiały laserowe i fotoniczne (optoelektronika, optyka nieliniowa, fotonika) Wojciech Gawlik - Opt.Met.Badania Materiałów 1, 2008/09

2 Optyczne własności materiałów
L Absorpcja prawo Lamberta-Beera: Rozproszenie światła Transmisja zależy od odbicia i absorpcji np. przez próbkę z dwiema odbijającymi powierzchniami (ten sam współczynnik R ): Odbicie światła IR=I0 R Wojciech Gawlik - Opt.Met.Badania Materiałów 1, 2008/09

3 Mechanizm oddziaływania światła z materią
światło = fala EM pole magnetyczne pole elektryczne elektron oddz. atomu z polem E (model klasyczny): indukowany moment elektr.: E z Wojciech Gawlik - Opt.Met.Badania Materiałów 1, 2008/09

4 Absorpcja i emisja fotonów
Emisja spontaniczna przypadkowe momenty (fazy) emisji różne kierunki rozmyte częstości Emisja wymuszona fazy emisji kierunki emisji częstości emisji Skorelowane z fotonami wymuszającymi !!! Wojciech Gawlik - Opt.Met.Badania Materiałów 1, 2008/09

5 Zespolony współczynnik załamania
() 0 -  –/2 /2 n() 1 0 -  –/2 /2 związki Kramersa-Kroniga: wiążą n i  Wojciech Gawlik - Opt.Met.Badania Materiałów 1, 2008/09

6 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 - Opt.Met.Badania Materiałów 1, 2008/09

7 Optyczne własności materiałów – c.d.
krzywe dyspersji: powietrza swobodnych atomów Ti 1.7 1.4 szkła transmisja szkła szkło n   [m] Wojciech Gawlik - Opt.Met.Badania Materiałów 1, 2008/09

8 Modelowanie rzeczywistych materiałów:
więcej częstości rezonansowych: elektrony jądra   f – tzw. „siła oscylatora” gdy  poza rezonansem: ef. elektrostrykcyjny a)  << 0 () 1 b)  >> 0 p > c Wojciech Gawlik - Opt.Met.Badania Materiałów 1, 2008/09

9 Przykład – H2O Wojciech Gawlik - Opt.Met.Badania Materiałów 1, 2008/09

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 1, 2008/09

11 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  wymaga przezroczystego ośrodka !  Wojciech Gawlik - Opt.Met.Badania Materiałów 1, 2008/09

12 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 1, 2008/09

13 (materiały nieprzezroczyste) Widma odbiciowe
granica 2 ośrodków (n1 i n2) n1 n2 Ir It I0 gdy   0, np. w powietrzu/próżni, gdy n1=1 Wojciech Gawlik - Opt.Met.Badania Materiałów 1, 2008/09