Optyczne metody badań materiałów

Wojciech Gawlik - Opt.Met.Badania Materiałów 1 - 2007/08 1/13

Optyczne metody badań materiałów

3. Badania struktury poziomów energetycznych – oddziaływania światła z materią (liniowe i nieliniowe) – optyczne własności materiałów

a) metody badania własności transmisyjnychb) metody badania własności odbiciowych c) metody badania rozproszenia światła

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

4. Materiały optyczne – materiały laserowe i fotoniczne

(optoelektronika, optyka nieliniowa, fotonika)


Optyczne własności materiałów

prawo Lamberta-Beera: LeILI 0)(

L

• Absorpcja

• Rozproszenie światła

• Odbicie światła IR=I0 R

• Transmisja

zależy od odbicia i absorpcji np. przez próbkę z dwiema odbijającymi powierzchniami (ten sam współczynnik R ):

LT eRII 2

0 )1(


Mechanizm oddziaływania światła z materią

pole magnetyczne

pole elektryczne

światło = fala EM

elektron

D

-indukowany moment elektr.:

EDW

• oddz. atomu z polem oddz. atomu z polem EE (model klasyczny):

ED

z

E


•fazy emisji•kierunki emisji•częstości emisji

Absorpcja i emisja fotonów

• Absorpcja• Emisja spontaniczna spontaniczna

•przypadkowe momenty (fazy) emisji•różne kierunki•rozmyte częstości

• Emisja wymuszona wymuszona

Skorelowane z fotonami wymuszającymi !!!


Zespolony współczynnik załamania

im

Ner

22

0

2

02 1

)( in

22

0

0

00

2

2)(

1)(

m

Nen

n(

1

0

–/2 /2związki Kramersa-Kroniga:

''

)'('1'

'

)'(1)(

)()()(

222221

1

21

dd

ir

wiążą ni

22

0

2

00

2

2)(

22

1)(

m

Ne

(

0

0

–/2 /2


0

Dyspersja materiałów

n ()

1

0

–/2 /2

()

00

–/2 /2

• współczynnik załamania ma dużą wartość w pobliżu atomowej (molekularnej) częstości rezonansowej

• wówczas rośnie też współczynnik absorpcji

• rejon krzywej d., w którym n() , gdy , to obszar dyspersji normalnej dyspersji normalnej

• n(), n() to krzywa dyspersji materiałowejkrzywa dyspersji materiałowej

• a taki, że n() , gdy to dyspersja anomalnadyspersja anomalna• ze względu na absorpcję, dyspersja anomalna jest trudna do obserwacji (ośrodki nieprzezroczyste, większość mat. optycznych absorbuje w UV)

• materiały optyczne - duże n , małe


Optyczne własności materiałów – c.d.krzywe dyspersji:

swobodnych atomów Ti

szkło

n

5 10 20 30 50 m]

1.7

1.4

szkła

1.000301

1.000291powietrza

LeR 2)1(

transmisja szkła


Modelowanie rzeczywistych materiałów: • więcej częstości rezonansowych:

22

0

2

00

2

2)(

22

1)(

m

Ne

22

0

0

00

2

2)(

41)(

m

Nen

2

20

2

00

2

2)(

2

2

j

j

j

j jjj

jj

M

fNe

2

20

0

00

2

2

2

jj

j

j jj

jj

M

fNe

)(

gdy poza rezonansem:

a) <<

b)

)(122

1 020

2

20

2

nM

fNefN

m

en

j ojj

jj

i oi

ii

c11

21

20

2

fi

ii fNm

en

12

n

22

0

2

00

2

2)(

22

i

i

i

i ii

ii fN

m

e

22

0

0

00

2

2

41

ii

i

i i

ii fN

m

e

)(

f – tzw. „siła oscylatora”

elektrony jądra

1

p > c

ef. elektrostrykcyjny


Przykład – H2O


zmiana fazy fali

zmiana amplitudy fali

absorpcja, prawo Lamberta-Beera

z

fala padająca

c

zti

i eEtzE

0),(

fala w ośrodku

c

z

c

znti

t eEtzE1

0),(

c

zti

c

zni

t eEetzE

0

1),(

c

zti

c

zni

c

z

t eEeetzE

0

)1(),(

zależność prędkości fal, dyspersja, załamanie światła

in

Współczynniki absorpcji i załamania


Spektroskopia transmisyjna/absorcyjna

ħ

-ogranicz. zdolność rozdzielcza (szerokość instr.)

-ogranicz. czułość (droga optyczna)

I0

T

np. widmo Fraunhoffera np. widmo Fraunhoffera

klasyczna metodyka:LeIIT )(

det0

spektroskop/ monochromator

detektorpróbka

źródło – lampa spektr.

Pomiar wymaga przezroczystego ośrodka !


T

0

Lasery w spektroskopii Lasery w spektroskopii klasycznejklasycznej

T

detektorpróbkalampa spektr.

spektroskop/ monochromator • monochromatyczność zwiększ. zdolności rozdz.

(instr doppler)

detektorpróbkalaser przestraj.

• kolimacja wiązki

świetlnej zwiększ. czułości (drogi opt.)

(liniowej ) ED

...

.)(32

0

EEED

npEEED

oddziaływania nieliniowe:

2. Inne zalety wiązek laserowych nieliniowa spektroskopia laserowa

1. Udoskonalenie klasycznych metod dzięki kolimacji i monochromatyczności wiązek laserowych


n1 n2

Widma odbiciowegranica 2 ośrodków (n1 i n2)

I0

Ir

It

2

21

210 nn

nnII r

gdy

np. w powietrzu/próżni, gdy n1=12

2

20 1

1

n

nII r

(materiały nieprzezroczyste)

2

0 1

1

I

IR r

Documents

Optyczne metody badań materiałów