Wojciech Gawlik - Opt.Met.Badania Materiałów 3 - 2007/08 1/21

Spektroskopia transmisyjna/absorcyjna

ħ

-ogranicz. zdolność rozdzielcza (szerokość instr.)

-ogranicz. czułość (droga optyczna)

I0

T

np. widmo Fraunhoffera np. widmo Fraunhoffera

klasyczna metodyka:LeIIT )(

0det

spektroskop/ monochromator

detektorpróbka

źródło – lampa spektr.

Pomiar wymaga przezroczystego ośrodka !

Wojciech Gawlik - Opt.Met.Badania Materiałów 3 - 2007/08 2/21

T

0

Lasery w spektroskopii (klasycznej Lasery w spektroskopii (klasycznej liniowej)

T

detektorpróbkalampa spektr.

spektroskop/ monochromator • monochromatyczność zwiększ. zdolności rozdz.

(instr doppler)

detektorpróbkalaser przestraj.

• kolimacja wiązki

świetlnej zwiększ. czułości (drogi opt.)

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

Wojciech Gawlik - Opt.Met.Badania Materiałów 3 - 2007/08 3/21

Laserowa obróbka, transformacja materiałów1. Pole EM związane z promieniowaniem lasera może modyfikować

a) str. energetyczną materiałów – własności fiz-chem. b) selektywnie inicjować reakcje chemiczne

2. Termiczne działanie wiązki laserowej na materiały (musi być absorbowana)

3. Fotoablacja – rozrywanie wiązań molekularnych (dysocjacja, defragmentacja) 4. Laser-Plasma Deposition (nanoszenie materiałów za pomocą plazmy laserowej)

(dwie wiązki lasera excymerowego generują strumienie plazmowe różnych substancji, które się osadzają na płytce substratu w odpowiednich proporcjach)

Wojciech Gawlik - Opt.Met.Badania Materiałów 3 - 2007/08 4/21

umożliwia pomiar rozszczepień i

Badania rozpraszania światłaRodzaje rozpraszania

1. Rezonansowe – światło rezonansowo oddziałuje z określonym przejściem w atomach/cząsteczkach – absorpcja/reemisja

światła rozpraszanego = św. reemitowanego – możliwy pomiar str. widmowej – str. energetycznej

gdy bogatsza str. poziomów – bogatsze widma

rozpraszanie elastycznescatt exc

scattexc

Natęż. św. rozprosz.

exc scatt

Natęż. św. rozprosz. rozpraszanie Ramana

scatt exci

Wojciech Gawlik - Opt.Met.Badania Materiałów 3 - 2007/08 5/21

- SRS (Stimulated Raman Scattering)

11

22

Z laserowym wzbudzeniem - rozpraszanie wymuszone

E=h(E=h(11--22))

2. Rozpraszanie nierezonansowe (oscylujący dipol)

22

3

4

2

1

2

3

c

kolor nieba i zachodzącego słońca

• małe cząstki (objętość ) – rozprasz. Rayleigha – elastyczne

• duże cząstki – rozpraszanie Mie [Gustaw Mie]

– zależne od rozmiarów cząstek, słabiej zależy od - kolor chmur

4

Wojciech Gawlik - Opt.Met.Badania Materiałów 3 - 2007/08 6/21

Rola interferencji i dyfrakcji

w rozpraszaniu

- w rozpraszaniu Mie, interferują przyczynki światła rozprosz. przez różne części cząstki i dają zależność od rozmiaru cząstek

natęż. światła rozproszonego

średnica cząstek

Wojciech Gawlik - Opt.Met.Badania Materiałów 3 - 2007/08 7/21

- w rozpraszaniu na wielu małych cząstkach istotna dyfrakcja na indywidualnych cząstkach

Przykład

- badania aerozoli

kąt minimum pierścieni przy dyfrakcji na okrągłych (sferycznych) obiektach o średnicy d:

d

22.1

Analiza obrazów dyfr. = ważna metoda pomiaru rozmiarów obiektów i struktur

Analiza obrazów dyfr. = ważna metoda pomiaru rozmiarów obiektów i struktur

Wojciech Gawlik - Opt.Met.Badania Materiałów 3 - 2007/08 8/21

Elastometria

polaryzator analizator

przezroczysty przedmiot z naprężeniami

obraz naprężeń

- defektoskopia- badanie naprężeń, sprawdzanie modeli konstrukcji

Wojciech Gawlik - Opt.Met.Badania Materiałów 3 - 2007/08 9/21

Koherencja światła lasera zastos. do interferometrii

laser speckle („cętki” laserowe) - wynik interferencji światła rozproszonego

nieniszcząca metoda badania powierzchniInterferometria plamkowa

Wojciech Gawlik - Opt.Met.Badania Materiałów 3 - 2007/08 10/21

Przykłady zastosowań interferometrii laser speckle

wizualizacja uszkodzeń i ruchu obiektów i powierzchni

Wojciech Gawlik - Opt.Met.Badania Materiałów 3 - 2007/08 11/21

Prążki mory (moire pattern)mechanizm powstawania – interferencja fal świetlnych

Zastosowania - np.ochrona zabytków:

Wojciech Gawlik - Opt.Met.Badania Materiałów 3 - 2007/08 12/21

Materiały fotoniczne

1. Materiały na standardowe elementy optyczne (soczewki, pryzmaty, okienka)

ważna transmisja/absorpcja i dyspersja

szkło BK-7

szkło kwarcowe

szafir

CaF2

Wojciech Gawlik - Opt.Met.Badania Materiałów 3 - 2007/08 13/21

FT II 20 sin

2. Materiały do manipulacji wiązkami świetlnymi

Modulatory światła: wymuszona dwójłomność – efekty magneto- i elektro-optyczne

2) efekt Kerrapoprzeczne pole elektr.

LP

E

A

Np. modulatory natężenia (AM)– substancja dwójłomna między skrzyż. polaryzatorami

2ELKK K = stała Kerra

gdy podłużne pole E- ef. Pockelsa (E)gdy podłużne pole E- ef. Pockelsa (E)

1) efekt Faraday’apodłużne pole magnet.

P

B

ALgdy poprzeczne pole B- ef. Voigta (B2)(Cottona-Moutona)

gdy poprzeczne pole B- ef. Voigta (B2)(Cottona-Moutona) V = stała Verdeta

BLVF

Wojciech Gawlik - Opt.Met.Badania Materiałów 3 - 2007/08 14/21

Modulatory częstości (FM) i fazy– najczęściej elektro-optyczne (EOM) (materiał dwójłomny bez polaryzatorów)

Ważne modulatory akusto-optyczne (AOM)modulatory akusto-optyczne (AOM) wykorzystujące efekt elastooptyczny (ciśnieniowa modyfikacja n )

generator

akust. PZT

wiązka ugięta o częstości lub

wiązka o częstości

modulatory akusto-optyczne umożliwiają:1) szybkie kierowanie wiązki laserowej w zadanym kierunku2) modulowanie częstości wiązki świetlnej

Piezoceramiczny nadajnik ultradźwiękowy (PZT) wytwarza w krysztale falę zagęszczeń n (o częstości ), na której następuje ugięcie wiązki świetlnej. Ponadto ugięta wiązka ma częstość zmienioną o częstość fali zagęszczeń:

Wojciech Gawlik - Opt.Met.Badania Materiałów 3 - 2007/08 15/21

Optyczne materiały nieliniowe

...

.)(32

0

EEED

npEEED

oddziaływania nieliniowe:

n i są też nieliniowymi funkcjami natężenia światła

tEEi cos0 tEtEE 2cos1

2cos

2022

02

1. Generacja drugiej harmonicznej

Podstawowe optyczne zjawiska nieliniowe

2. Samoogniskowanie i deogniskowanie światła 220)( EnnEnn

gdy n2>0, ośrodek nieliniowy działa jak soczewka skupiająca, gdy n2<0, ośrodek nieliniowy działa jak soczewka rozpraszająca,

Wojciech Gawlik - Opt.Met.Badania Materiałów 3 - 2007/08 16/21

Pomiary nieliniowości optycznej

• metoda Z-scan

220)( EnnEnn

n2 > 0n2 < 0

w zależności od znaku n2 , nieliniowa próbka poddana jest samoogniskowaniu lub samo-deogniskowaniu i w zależności od swego położenia wzgl. ogniska wiązki laserowej, wywołuje charakterystyczne zmiany rejestrowanego natężenia światła

Wojciech Gawlik - Opt.Met.Badania Materiałów 3 - 2007/08 17/21

Kryształy fotoniczne= materiały z periodycznymi niejednorodnościami współczynnika załamania charakteryzują się „fotoniczną przerwą energetyczną” – obszarem „zabronionych” częstotliwości fal świetlnych

Kryształy fotoniczne pozwalają na propagację dozwolonych modów promieniowania z b. małymistratami i zmianę kierunku propagacji pod b. ostrymi kątami (co jest niemożliwew standardowych światłowodach)

Wojciech Gawlik - Opt.Met.Badania Materiałów 3 - 2007/08 18/21

Światłowody fotoniczne

• bardzo małe tłumienie, • bardzo silne nieliniowości

dozwolone (a) i zabronione (b i c) mody promieniowania w światłowodzie fotonicznym

(a)(b)

(c)

Przykładowe konstrukcje:

Wojciech Gawlik - Opt.Met.Badania Materiałów 3 - 2007/08 19/21

Metamateriały, left-handed materials

RHM (right-handed materials) n > 0

LHMn < 0

jonosferaRe(n) = 0

seignetto-magnetyki

nn

Wojciech Gawlik - Opt.Met.Badania Materiałów 3 - 2007/08 20/21

<0, n urojone

<0, n <0

Wojciech Gawlik - Opt.Met.Badania Materiałów 3 - 2007/08 21/21