Optika Gröller BMF Kandó MTI
Optikai alapfogalmak • Fény: transzverzális elektromágneses hullám
n = cvákuum/cközeg
Optika Gröller BMF Kandó MTI
Az elektromágneses spektrum
Optika Gröller BMF Kandó MTI
Optika Gröller BMF Kandó MTI
Az anyag és a fény kölcsönhatása • Visszaverődés, reflexió • Törés, kettőstörés, polarizáció • Elnyelés, abszorpció, szórás • Fénykibocsátás, fotoeffektus • Fotokémiai reakciók • Elektrooptikai, magnetooptikai hatás
Optika Gröller BMF Kandó MTI
Visszaverődés • Fresnel törvény merőleges 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 merőleges visszaverődik
Optika Gröller BMF Kandó MTI
Reflexió módosítása dielektrikum-rétegekkel
Antireflexiós (AR) bevonat: • Átlagos üvegfelületről (n = 1,5), R 4% • Rétegvastagság: n1d = /4 • Két visszavert sugár gyengítő interferencia • Teljes kioltás, ha: • Függ: hullámhossz beesési szög • Egyrétegű bevonat: R 1%
Optika Gröller BMF Kandó MTI
Többrétegű bevonatok • Szélesebb -tartomány • Szabályozható áteresztés, visszaverés, pl: interferenciaszűrő • Dielektrikum tükrök: visszaverés irányában erősítő interferencia Felváltva nagy és kis törésmutatójú rétegrendszer, λ/2, λ/4 rétegek, Fehér fényre: R 99%, csak egy -ra: R 99,999% pl. lézerek, rétegszám: 31-35 Optika Gröller BMF Kandó MTI
• Alkalmazások: – Interferenciaszűrők – Hidegtükrök (infrát nem veri vissza) pl. vetítőlámpa – Lencsék tükrözésmentes bevonata – „Egyirányú” tükrök – Kirakatüveg
• Réteganyagok: – Kis n: MgF2, kriolit – Nagy n: ZrO2, TiO2, ZnS
A legjobban tükröző fémek reflexiós spektruma Optika Gröller BMF Kandó MTI
Fénytörés • Schnellius-Descartestörvény:
n =sin /sin =c1 /c2 • A törésmutató függ a hullámhossztól
Diszperzió
Optikai adatátvitelben a • Fény felbontása jelsebesség függ a -tól, a jel hullámhossz szerint, kiszélesedik, csökken az átviteli spektroszkópia, ékszerek kapacitás csillogása Anyagdiszperzió [ps/nm/km] Optika Gröller BMF Kandó MTI
• Lencsék, lencserendszerek kromatikus hiba: fehér fényt használva minden hullámhosszra máshol van az éles kép • Korrekció: kétféle optikai üvegcsalád: korona és flint • : Abbe-szám
Optika Gröller BMF Kandó MTI
Kettőstörés, polarizáció • Anizotrópia: az anyagi tulajdonságok pl. n, , D függenek a vizsgálati iránytól • Izotróp anyagok: gázok, folyadékok, polikristályos anyagok, szimmetrikus rácsú egykristályos anyagok • Anizotróp: nem szabályos rendszerű egykristályos anyagok, folyadékkristályok
• 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
Optika Gröller BMF Kandó MTI
• Két megtört fénysugár polarizációja egymásra merőleges • A polarizáció síkja megegyezik a főtengelyek irányával. • Kettőstörést / anizotrópiát okozhat: – Mechanikai feszültség – Makromolekulák rendeződése – Elektromos, mágneses tér
Optika Gröller BMF Kandó MTI
Polisztirol láncmolekulák rendeződése a fröccsöntő szerszámban
Alkalmazás: • Anyagvizsgálat, • fényerő-szabályozás, • reflexiócsökkentés (pl foto), • LCD kijelző, • optikai jelmodulálás Egy meteorit kőzetszemcse polarizációs mikroszkópi képe
Optika Gröller BMF Kandó MTI
Fényelnyelés • Foton energiája megfelel egy elektron energia-átmenetnek • Fekete, fehér, átlátszó, színes anyagok: a látható spektrumból mást-mást nyelnek el
Optika Gröller BMF Kandó MTI
Fénykibocsátás • Hőmérsékleti sugárzás: (fizika)
Stephan-Boltzmann törv:
S = T4
S: össz. kisugárzott teljesítmény
• Lumineszcencia Pl. fénycső, katódsugárcső
• Laser
A hőmérsékleti sugárzás spektrális eloszlása 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.: Félvezető jellegű anyagok foszforeszcens Egerj Eem vagy világítási mechanizmusa fotolum: gerj em Optika Gröller BMF Kandó MTI
Fluoreszcencia, foszforeszcencia • Fluoreszcens: spin váltás nélkül egyszerűbb mechanizmus, rövidebb utánvilágítás • Foszforeszcens: a spin megforduláshoz 3. szereplő, hosszabb utánvilágítás micro.magnet.fsu.edu Optika Gröller BMF Kandó MTI
Laser Feltétlek: 1.Metastabil energiaszint (pumpálás = elektronok gerjesztése a metastabil szintre) 2.Populáció inverzió
(több elektron van gerjesztett állapotban, mint alapon)
3.Stimulált emisszió
A rekombináció egy másik foton hatására következik be. 4. Optikai rezonátor
Optika Gröller BMF Kandó MTI
• Koherens nyaláb: , fázis, (esetenként a polarizáció) nagyon pontosan megegyezik. • Nagy energiasűrűség • Az aktív tartomány két végén dielektrikum tükör. Zárt végen R > 99,5%, a kilépő oldalon ~ 50%. • Pulzáló fény.
A He – Ne lézer működése
Optika Gröller BMF Kandó MTI
A félvezető lézerek működése
Optika Gröller BMF Kandó MTI
Optika Gröller BMF Kandó MTI
A különböző fényforrások jellegzetes emissziós spektruma Optika Gröller BMF Kandó MTI
Elektro-optikai hatás Kerr effektus Elektro-optikai modulátor sémája. A fény polarizációs síkjának elfordítása elektromos térrel Ebben az elrendezésben az alkalmazott villamos tér párhuzamos a fény terjedésével.
2 l E K 2 d
2
Optika Gröller BMF Kandó MTI
Pockels effektus Transzverzális elektrooptikai moduláció
Felső: két elemes konfiguráció, pl. ADP típusú anyagokhoz. Alsó:egy elemes konfiguráció, pl. lítium-tantalát típusú anyagokhoz.
~ E
Optika Gröller BMF Kandó MTI
Elektro-Optikai Anyagok Sávszélesség (MHz)
no,ne adott hullámhosszon (mm)
Rövidítés
Képlet
Áteresztési tartomány (m m)
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
2.14, 2.143
1000BMF Kandó MTI Optikato Gröller at 1.00
Magneto-optikai hatás Faraday hatás A polarizációs sík változtatása mágneses térrel θ=VlB V: Verdet áll: ~ 10-4 ívpec/Tesla m
Anyagok: Bizmuttal adalékolt yttrium-vas gránát (Bi:YIG), nitrobenzol Optika Gröller BMF Kandó MTI
Magnetooptikai Kerr effektus Alkalmazás adattárolásban
Optika Gröller BMF Kandó MTI