c közeg. Fény: transzverzális elektromágneses hullám. (n 1 n 2 ) 2 R= (n 1 + n 2 ) 2

Optikai alapfogalmak • Fény: transzverzális elektromágneses hullám

n = cvákuum/cközeg

Optika Gröller BMF Kandó MTI


Az elektromá elektromágneses spektrum


Az anyag és a fé fény kö kölcsö lcsönhatá nhatása • Visszaverıdés, reflexió • Törés, kettıstörés, polarizáció • Elnyelés, abszorpció, szórás • Fénykibocsátás, fotoeffektus • Fotokémiai reakciók • Elektrooptikai, magnetooptikai hatás


Visszaverı Visszaverıdés • Fresnel törvény merıleges beesésnél: (minden közeg határfelületén, iránytól független) • Szögfüggés:

(n1 – n2)2 R= (n1 + n2)2

• Brewster szög: polarizációs sík

szerinti szétválás: a párhuzamos megtörik (Rpárh=0), a merıleges visszaverıdik Optika Gröller BMF Kandó MTI


1

Reflexió Reflexió módosí dosítása dielektrikumdielektrikum-rétegekkel Antireflexiós (AR) bevonat: • Átlagos üvegfelületrıl (n = 1,5), R ≈ 4% • Rétegvastagság: n1d = λ/4 • Két visszavert sugár gyengítı interferencia • Teljes kioltás, ha: • Függ: hullámhossz beesési szög • Egyrétegő bevonat: R ≈ 1%

Többré bbrétegő tegő bevonatok • Szélesebb λ-tartomány • Szabályozható áteresztés, visszaverés, pl: interferenciaszőrı • Dielektrikum tü tükrö krök: visszaverés irányában erısítı interferencia Felváltva nagy és kis törésmutatójú rétegrendszer, λ/2, λ/4 rétegek, Fehér fényre: R ≈ 99%, csak egy λ -ra: R ≈ 99,999% pl. lézerek, rétegszám: 31-35



Fénytö nytörés

• Alkalmazá Alkalmazások: – Interferenciaszőrık – Hidegtükrök (infrát nem veri vissza) pl. vetítılámpa – Lencsék tükrözésmentes bevonata – „Egyirányú” tükrök – Kirakatüveg

• Réteganyagok: – Kis n: MgF2, kriolit – Nagy n: ZrO2, TiO2, ZnS

• Schnellius-Descartestörvény:

n =sinα /sinβ =c1 /c2 • A törésmutató függ a hullámhossztól →

Diszperzió Diszperzió A legjobban tükrözı fémek reflexiós spektruma

Optikai adatátvitelben a

• Fény felbontása jelsebesség függ a λ -tól, a jel hullámhossz szerint, kiszélesedik, csökken az átviteli spektroszkópia, ékszerek kapacitás → csillogása

Anyagdiszperzió [ps/nm/km]



Kettı Kettıstö störés, polarizá polarizáció ció • Anizotrópia: az anyagi tulajdonságok pl. n, ρ, D függenek a vizsgálati iránytól • Izotróp anyagok: gázok, folyadékok, polikristályos anyagok, szimmetrikus rácsú egykristályos anyagok • Anizotróp: nem szabályos rendszerő egykristályos anyagok, folyadékkristályok

• Lencsék, lencserendszerek kromatikus hiba: fehér fényt használva minden hullámhosszra máshol van az éles kép • Korrekció: kétféle optikai üvegcsalád: korona és flint • ν: Abbe-szám


• Anizotróp anyagokban kristálytani tengelyek irányában más más törésmutató no (rendes, ordinárius), neo (rendellenes, extraordinárius) SiO2, kvarc: 1,544 1,553 TiO2, rutil: 2,616 2,903


2

Polisztirol láncmolekulák rendezıdése a fröccsöntı szerszámban

• Két megtört fénysugár polarizációja egymásra merıleges • A polarizáció síkja megegyezik a fıtengelyek irányával. • Kettıstörést / anizotrópiát okozhat: – Mechanikai feszültség – Makromolekulák rendezıdése – Elektromos, mágneses tér

Alkalmazás: • Anyagvizsgálat, • fényerı-szabályozás, • reflexiócsökkentés (pl foto), • LCD kijelzı, • optikai jelmodulálás


Egy meteorit kızetszemcse polarizációs mikroszkópi képe

Fényelnyelé nyelnyelés • Foton energiája megfelel egy elektron energia-átmenetnek • Fekete, fehér, átlátszó, színes anyagok: a látható spektrumból mást-mást nyelnek el


Fénykibocsá nykibocsátás • Hımérsékleti sugárzás: (fizika) Stephan-Boltzmann törv:

S = σT4

S: össz. kisugárzott teljesítmény

• Lumineszcencia Pl. fénycsı, katódsugárcsı Optika Gröller BMF Kandó MTI

Lumineszcencia 1.

Gerjesztés (energiafelvétel) UV, katódsugárzás, RTG, radioaktív, el. tér, stb 2. Energia tárolás µs – ms – s → utánvilágítás vagy nem sugárzásos energia-leadás 3. Foton kibocsátás Stokes törv.: Félvezetı jellegő anyagok foszforeszcens Egerj > Eem vagy világítási mechanizmusa fotolum: λgerj < λem Optika Gröller BMF Kandó MTI

• Laser

A hımérsékleti sugárzás spektrális eloszlása Optika Gröller BMF Kandó MTI

Fluoreszcencia, foszforeszcencia • Fluoreszcens: spin váltás nélkül egyszerőbb mechanizmus, rövidebb utánvilágítás • Foszforeszcens: a spin megforduláshoz 3. szereplı, hosszabb utánvilágítás micro.magnet.fsu.edu Optika Gröller BMF Kandó MTI

3

Laser Feltétlek: 1.Metastabil energiaszint (pumpálás = elektronok gerjesztése a metastabil szintre) 2.Populáció inverzió

• Koherens nyaláb: λ, fázis, (esetenként a polarizáció) nagyon pontosan megegyezik. • Nagy energiasőrőség • Az aktív tartomány két végén dielektrikum tükör. Zárt végen R > 99,5%, a kilépı oldalon ~ 50%.

(több elektron van gerjesztett állapotban, mint alapon)

3.Stimulált emisszió A rekombináció egy másik foton hatására következik be. 4. Optikai rezonátor

• Pulzáló fény.

A He – Ne lézer mőködése



A fé félvezetı lvezetı lézerek mő mőködése



Kerr effektus

A különbözı fényforrások jellegzetes emissziós spektruma Optika Gröller BMF Kandó MTI

Elektro-optikai modulátor sémája. A fény polarizációs síkjának elfordítása elektromos térrel Ebben az elrendezésben az alkalmazott villamos tér párhuzamos a fény terjedésével.

2π l E 2 δ =K d2 Optika Gröller BMF Kandó MTI

4

Elektro-Optikai Anyagok

Pockels effektus Transzverzális elektrooptikai moduláció Felsı: két elemes konfiguráció, pl. ADP típusú anyagokhoz. Alsó:egy elemes konfiguráció, pl. lítium-tantalát típusú anyagokhoz.

Rövidítés

Képlet

Áteresztési tartomány (µ µ m)

Sávszélesség (MHz)

no,ne adott hullámhosszon (µ µm)

Ammonium dihydrogen phosphate

ADP

NH4H2PO4

0.3 - 1.2

to 500

1.51, 1.47 at 1.06

Potassium dihydrogen phosphate

KDP

KH2PO4

0.25 - 1.7

> 100

1.51, 1.47 at 0.55

Potassium dideuterium phosphate

KD*P

KD2PO4

0.3 - 1.1

to 350

1.49, 1.46 at 1.06

Lithium niobate

LN

LiNbO3

0.5 - 2

to 8000

2.23, 2.16 at 1.06

Lithium tantalate

—

LiTaO3

0.4 - 1.1

Anyag

δ ~ E Optika Gröller BMF Kandó MTI

2.14, 2.143

1000BMF Kandó MTI Optikato Gröller at 1.00

Faraday hatá hatás A polarizációs sík változtatása mágneses térrel

Magnetooptikai Kerr effektus Alkalmazás adattárolásban

θ=VlB V: Verdet áll: ~ 10-4 ívpec/Tesla m

Anyagok: Bizmuttal adalékolt yttrium-vas gránát (Bi:YIG), nitrobenzol Optika Gröller BMF Kandó MTI


Alapfogalmak

Mágneses tulajdonságok

B = µ0 µrel H B: Indukció (T) H: Térerısség (A/m) µ0: vákuum permeabilitása = 4 10-7 Vs/Am µrel : relatív permeabilitás, anyagi jellemzı B = µ0 H + M, ill. M = χ H M: mágnesezettség χ: mágn. szuszceptibilitás, anyagi jellemzı

µrel = 1 + χ Optika Gröller BMF Kandó MTI


5

Alaptípusok: • Paramágneses: µrel > 1 • Diamágneses: µrel < 1 • Ferromágneses: µrel >> 1 )

χ > 0 χ< 0 χ >> 0 (µrel ~ χ

Atomi szintő szintő értelmezé rtelmezés • Elektron mágneses momentuma: Pályamenti mozgás, Spin • Bohr-magneton: a mágneses dipólmomentum egysége: µB = eh/4πme = 9,27 · 10-24 Am2 • Pálymenti mozgás hozzájárulása: m µB, ahol m az elektron mágneses kvantumszáma ( 0, ±1, ±2..) • Spin hozzájárulása: ± µB • Eredı mágneses momentum: az elektronok momentumainak vektori eredıje. Telített héjon, párosított spínő elektronok egymás hatását kioltják. • Csak a külsı pályán levı, párosítatlan spinő számít. • Az atommag hozzájárulása elhanyagolható


• Diamágneses anyagok: – χ ~ -10-5, – Alkalmazás ritka

• Szupravezetık: ideális diamágneses viselkedés: χ = -1

• Paramágneses anyagok: – χ ~ 1…100·10-5 – Alkalmazás: mágneses szétválasztás, mérés (pl O2) • Ferromágneses anyagok: • Fe, Co, Ni, Gd, Fe2O3,

CrO2, ötvözetek, stb.

• Szerkezeti tulajdonság is: elemi dipólusok erısek, egymást is irányítják • Rendezett tartományok, A domének átfordulása ferromágneses domének anyagok elsı mágnesezése során Optika Gröller BMF Kandó MTI

A doménfalak mozgása Fe egykristályban, növekvı térerısség hatására


Ferromá Ferromágneses jellemzı jellemzık • Hiszterézis • Domén szerkezet 10-2 …10-5 cm Weiss 1907, kimutatás Bitter 1931 • Curie-hımérséklet • Magnetostrikció: a doménszerkezet átalakulásával méretváltozás (+ -), mechanikai feszültség

Jellegzetes mágnesezési görbe Optika Gröller BMF Kandó MTI

Lágymá gymágnesek • Nagy telítési indukció • Kis hiszterézis • Kis Hc (< 300A/m), nagy fajlagos ellenállás Alkalmazás:

Lágy és kemény mágnes ideális mágnesezési görbéje Optika Gröller BMF Kandó MTI

• Elektromágneses indukción alapuló: transzformátor, motor, generátor • Elektromechanikus eszközök: emelık, relék, mágneskapcsolók • Mágneses árnyékolók Optika Gröller BMF Kandó MTI

6

Állandó llandó mágnesek

Anyagok: – Fe: nagy hiszterézis és örvényáram veszteség – Fe-Si (1 – 4%) C és O szennyezés káros Erısáramú alk – Ni – Fe (80 : 20) permalloy, Ni,Fe, Mn,Mo: supermalloy – Fémüvegek, nanokristályos ötvözetek NiFe2O4– Ferritek: MnFe2O4-ZnFe2O4, ZnFe2O4 – Gránátok: 3M2O35Fe2O3 M: Y, Sm, Eu, Gd Optika Gröller BMF Kandó MTI

• Nagy Hc, Br, nagy energiaszorzat (BHmax)

W = 1/2H·B·V Nagy hiszterézis Kicsi krisztallitok, benne már nincs doménfal, átmágnesezés nehezebb

Anyagok: – acél ötvözetek (Cr, Ni, Co, W, Ti, Al) – Ferritek: MOFe2O3, MO6Fe2O3 M: Ba, Sr, Co – Ritkaföldfém-Co ötvözetek: RCo5, R2Co17 R: Sm, Pr, Nd, La,Ce, Tb, Eu, Gd Optika Gröller BMF Kandó MTI

Alkalmazá Alkalmazások • Mágneses információ tárolás: merevlemez, floppy, magnó, videó • Híradástechnika: hangszóró, mikrofon • Mérımőszerek, galvanométer


7

c közeg. Fény: transzverzális elektromágneses hullám. (n 1 n 2 ) 2 R= (n 1 + n 2 ) 2

Recommend Documents