Optikai mérési módszerek

„Ágazati Á ti felkészítés f lké íté a h hazaii ELI projekttel j ktt l ö összefüggő fü ő képzési ké é i é és K K+F F ffeladatokra" l d t k "

Optikai mérési módszerek Márton Zsuzsanna (1 (1,2,3,4,5,7) 2 3 4 5 7) Tóth György (8,9,10,11,12) Pálf l i László Pálfalvi Lá ló (6)

TÁMOP-4.1.1.C-12/1/KONV-2012-0005 projekt

1

3. előadás Néhány fényen alapuló mérési eljárás

A teljesség igénye nélkül bemutatunk néhány olyan mérési módszert, amelyek a fényt mint mérőeszközt használják fel. • Lézeres távolságmérés • Lézer Doppler pp sebességmérés, g • Fényszóráson alapuló aeroszol- és hidroszol- koncentrációmérések, • Ellipszometria


2

Lézeres távolságmérés g Lézeres távolságmérési technikák: • • • • •

Trianguláció Repülési idő mérése (time of flight) Fázistolás mérése Frekvencia moduláción alapuló mérés Interferometrikus módszerek

Előnyök: nagy gy pontosság p g és érzékenység, y g, nagyon gy gyors gy mérés (MHz-es ( sávszélesség), g), széles mérési tartomány. Viszont nem mind egyetlen eszközben! Alkalmazás: építészet, térinformatika, közlekedés, haditechnika, gépi „látás” stb. Piacon kapható eszközök. TÁMOP-4.1.1.C-12/1/KONV-2012-0005 projekt

3

Lézeres távolságmérés

Tükröződés és diffúz visszaverődés

• Általában Ált láb 670 nm-es dióda diód lé lézer • A foltméret meghatározza a mérési pontosságot • Detektor: pozíció érzékelő analóg detektor (PSD) vagy diódasor, CCD Távolságmérés tükröződő felületen TÁMOP-4.1.1.C-12/1/KONV-2012-0005 projekt

4

Lézeres távolságmérés g - alkalmazások A Mona Lisa részletes felmérése háromszögeléses módszerrel

3D LIDAR felmérés LIght Detection And Ranging • • • •

„Szintvonalak” Enyhén deformálódott hordozó

http://media3.snbcnews.com/j/msnbc/Components/Photos/ 060927/060927 monalisa bcol 830a grid 060927/060927_monalisa_bcol_830a.grid4x2.jpg TÁMOP-4.1.1.C-12/1/KONV-2012-0005 projekt

a „repülési idő” idő mérése nagy hatótávolságú viszonylag pontatlan fluoreszcens LIDAR: anyagi y g minőségre is érzékeny

http://cast.uark.edu/samaipata/image/project_scan.jpg 5

Lézer Doppler sebességmérés Részecske , vp

lézernyaláb y apertúra

erősítő

detektor

Doppler effektus : 1− fr = fb 1−

v v eb v p c v v e pr v p c

v vp v v ≈ f b + ( e pr − eb ),

λb

ahol f b a kibocsátott frekvencia, f r a detektor helyén mért frekvencia v p a részecske sebessége eb , a nyaláb irányába mutató egységvektor e pr , a részecskétől a detektor felé mutató egységvektor

λb , a nyaláb hullámhossza TÁMOP-4.1.1.C-12/1/KONV-2012-0005 projekt

6

Lézer Doppler sebességmérés vx

vp

− e2

e1

θ /2

• A két nyaláb ellentétes előjelű Doppler eltolódást okoz • Nem a nagyon kis Doppler eltolódást mérjük j közvetlenül,, hanem a két frekvenciában eltolódott jelből származó lebegés frekvenciáját. • A lebegési frekvencia elég kicsi ahhoz ahhoz, hogy a fotodiódával mérni lehessen.

Lebegési g frekvencia Æ sebesség g

A lebegés frekvenciája :

v v v v v vp e pr v p f d = f r1 − f r 2 = f b ( eb1 − eb 2 ) 1 − c c

(


7

)

−1

≈ 2 f b sin θ

vx c

Lézer Doppler sebességmérés • A két beeső lézernyaláb átfedésénél interferencia csíkok

Jel tmért

Idő

• Ha a csíkok távolságának nagyságrendjébe eső kis részecske mozog g a csíkokra merőlegesen => periodikusan változik a szórt fény intenzitása

Repülési idő Æ sebesség


8

Lézer Doppler sebességmérés a mérőeszköz felépítése Lézer HeNe Ar-Ion Nd:Yag Dióda

Leképező optika Nyalábosztó Akromát lencse

PC

Detektor Gáz Folyadék Részecske

J lf ld l Jelfeldolgozás á Spektrum p analizátor Korrelátor Számláló


9

Akromát lencse Térszűrés PMT Fotodióda J lk dí i álá Jelkondícionálás Erősítő Szűrő

Lézer Doppler sebességmérés - alkalmazások • Szélcsatorna kísérletek (autók, repülők épületek körüli áramlások) • Áramló folyadékok vizsgálata (csővezetékek, hajótestek tervezése, véráramlás) éá lá ) • Környezeti kutatások (robbantások vizsgálata, hullám dinamika, árapály modellezés stb.) • Turbulenciák vizsgálata • Stb.

2 komponensű sebességmérés egy helikopter modell körül szélcsatornában http://www.dantecdynamics.com/laser-doppler-anemometry TÁMOP-4.1.1.C-12/1/KONV-2012-0005 projekt

https://www.adinstruments.com/products/laser-doppler-probes 10

Részecskék méreteloszlásának mérése fé fényszórásuk ó á k alapján l á Fényszórás y különböző mérettartományokban y α méretparaméter p szerint, (Dp a részecske mérete) πD p α= λ 1. α << 1, Rayleigh - szórás 1 + cos2 θ I = I0 2R2

4

2 ⎛ 2π ⎞ ⎛ n − 1 ⎞ ⎟⎟ ⎜ ⎟ ⎜⎜ 2 λ + 2 n ⎝ ⎠ ⎝ ⎠

2

⎛ Dp ⎞ ⎜⎜ ⎟⎟ 2 ⎝ ⎠

A Mie-szórás intenzitásának méretfüggése vízcseppeken

6

λ=633 nm θ =4-12° n=1.33

I0 bemenő intenzitás I szórt intenzitás λ lézer hullámhossz θ szórási szög R a részecske távolsága g n törésmutató

2. α ≅ 1,

Mie - szórás

Bonyolult összefüggés http://www.cas.manchester.ac.uk/restools/instruments/aerosol/opc/ mie/index.html

3. α >> 1,

Geometriai szórás


I = I 0 K ( n, θ ) D p2 11

K(n,θ) szögtől és törésmutatótól függő tényező

A Mie-szórás irány szerinti eloszlása On-line számoló program: http://omlc.ogi.edu/cgibin/mie_angles.cgi?diameter=1.0&lambda_vac=0.6328&n_medium=1.0&nr_sphere=1.5&ni_sphere=0&n_angles =100&density=0.3 y

Szórt intenzitás logaritmusa Polarizáció

A beeső fény iránya


12

Részecske számláló eszközök • Nincs egyszerű kapcsolat a részecskeméret és a szórt intenzitás közt Æ ismert méretű részecskékkel kalibrálni kell • Ahhoz, hogy egy részecskéről szórt fényt detektálni tudjunk intenzív fényforrás kell Æ lézer. • Csökkenő részecskeméret Æ Rayleigh-szórás • 100 nm alatti részecskeméretnél a nagy intenzitás rezonátoron belüli elrendezéssel valósítható meg

Rezonátoron belüli részecskeméret meghatározás TÁMOP-4.1.1.C-12/1/KONV-2012-0005 projekt

13

•Measuring principle: Mie Scattering Theory according ISO 13320 •Measuring range: 0.01 µm - 3000 µm •Type of analysis: dry and wet analysis http://www.retsch-technology.com/rt/products/laser-lightscattering/?gclid=CNSD-4K8v70CFeXLtAodcBUA8Q

Fá i D Fázis-Doppler l anemometria ti 1. detektor

• Nagy részecskék esetén a belső visszaverődések miatt a különböző irányokba visszavert jel különböző fázisban érkezik. • A detektorok által mért jelek fáziskülönbségéből a méret (nem túl kis részecskékre) meghatározható • H Ha a fá fáziskülönbség i külö b é nagyobb bb mint i t2 2π, akkor a méretben bizonytalanság lép föl.

2. detektor


• Ez 3 detektoros rendszerrel elkerülhető

14

Ellipszometria p A mérés elve: • A polarizáció megváltozását mérjük miközben a fény áthalad egy anyagon vagy visszaverődik arról • A mért mennyiségek: amplitúdók aránya (Ψ), fáziskülönbség (Δ) • Elsősorban rétegvastagság és a réteg optikai tulajdonságainak meghatározására g használják j • A rétegvastagság 10-10 m-ig, azaz 1 Angströmig mérhető! • További kinyerhető információk: pl. összetétel, kristályszerkezet, érdesség szennyezők koncentrációja érdesség,


15

Av fény polarizációja v v

E (t ) = ex E x cos(ωt − kz ) + e y E y cos(ωt − kz + Δϕ )

Δϕ=0°: ϕ 0 lineárisan eá sa po polarizált a át

Δϕ=random: ϕ polarizálatlan p

Δϕ=konstans: általános eset, elliptikusan polarizált TÁMOP-4.1.1.C-12/1/KONV-2012-0005 projekt

Δϕ=90°: cirkulárisan polarizált

16

Fényterjedés az anyagban Meghatározó anyagi paraméterek:

n~ = n + ik ,

• A komplex törésmutató:

ahol n a szokásos törésmutató, k az extinkciós koefficiens

ε~ = ε1 + iε 2 ,

ε~ = n~ 2 .

• A fénysebesség az anyagban v, vákuumban c:

c v= n

• k az extinkciós koefficiens, ami az anyag fényelnyelő képességével van kapcsolatban.

α=

4πk

λ

• B Beer-Lambert L b t tö törvény é ((a z mélységben él é b mért é t iintenzitás, t itá ha h I(0) a beeső b ő intenzitás):

I ( z ) = I (0)e −αz


17

A Fresnel-formulák ⎛ E ⎞ n cos(φi ) − nt cos(φt ) rs = ⎜⎜ 0 r ⎟⎟ = i ⎝ E0i ⎠ s ni cos(φi ) + nt cos(φt ) ⎛E ⎞ n cos(φi ) − ni cos(φt ) rp = ⎜⎜ 0 r ⎟⎟ = t ⎝ E0i ⎠ p ni cos((φt ) + nt cos((φi ) ⎛E ⎞ 2ni cos(φi ) ts = ⎜⎜ 0t ⎟⎟ = ⎝ E0i ⎠ s ni cos((φi ) + nt cos((φt ) ⎛E ⎞ 2ni cos(φi ) t p = ⎜⎜ 0t ⎟⎟ = ⎝ E0i ⎠ p ni cos(φt ) + nt cos(φi ) • Leírják a reflektált és a transzmittált térerősség s és p komponenseit a b beeső ő térerősséghez té ő é h viszonyítva i ít • Vékonyrétegeken és többrétegű struktúrákon való áthaladáskor követni kell minden komponens relatív fázisát, mert ezek interferenciája adja a teljes reflektált f vagy transzmittált fényt. f TÁMOP-4.1.1.C-12/1/KONV-2012-0005 projekt

18

Fényvisszaverődés vékonyrétegen • Vezessük be a vékonyréteg β fázisvastagságát! • Ezzel és a Fresnel-formulák segítségével számolhatjuk a többszörös reflexió hatását a reflektált nyaláb intenzitására és fázisára.

⎛t ⎞

β = 2π ⎜ 1 ⎟n1 cos(Φ1 ) ⎝λ ⎠ n~0

n~1

r01 t01r12t10e −2iβ t01r12 r10r12t10e −4iβ

φ0 t1 φ1

n~2


19

Az ellipszometriai mérés elve • Az s és p komponensek reflexió vagy transzmisszió során megváltoznak g • Az emiatt bekövetkező eredő polarizáció megváltozást iΔ

ρ = tan(( Ψ )e

alakban szokás felírni, ahol

tan(( Ψ ) = R p / Rs a relatív amplitúdó gyengítés

polarizátor

Δ = arg( R p ) − arg( Rs ) a relatív fázistolás az s és p polarizáció közt a reflexió fl ió során á forgó analizátor A forgó analizátor periodikusan változó jeléből visszaszámolhatók az „effektív” anyagi paraméterek. (ha nincs felületi réteg réteg, pl pl. oxidmentes a felület)


20

Az ellipszometriai mérés kiértékelése Mérés Modell n rétegre az anyagi tulajdonságok előzetes becslésével

A modell illesztése a mérési adatokhoz Az illesztendő paraméterek számát a minta információ t t l tartalma h határozza tá meg

Az illesztési paraméterek változtatásával optimalizáljuk az illeszkedés jóságát leíró mennyiséget (pl. MSE)

Eredmény: törésmutató (n), extinkciós koefficiens (k), réte asta sá érdesség rétegvastagság, érdessé (roughness), (ro hness) stb stb. TÁMOP-4.1.1.C-12/1/KONV-2012-0005 projekt

21

Optikai mérési módszerek

Recommend Documents