Szkła specjalne Wykład 17 Właściwości optyczne Część 1 Optyczne właściwości liniowe

Transkrypt

1 Szkła specjalne Wykład 17 Właściwości optyczne Część 1 Optyczne właściwości liniowe Ryszard J. Barczyński, 2017 Materiały edukacyjne do użytku wewnętrznego

2 Właściwości optyczne szkieł Masowe (liniowe) współczynnik załamania absorpcja dyspersja optyczna Kolor (absorpcja selektywna) Mniej tradycyjne fotoczułość fotochromizm skręcenie Fradaya Nieliniowe

3 Właściwości optyczne szkieł Historia optyki i historia wytwarzania szkieł optycznych biegły równolegle Od umiejętności wytwarzania przyrządów optycznych zależał rozwój astronomii, biologii, nauk medycznych Rozwój optyki wymagał opracowania nowych rodzajów szkła i możliwości regulowania wartości współczynnika załamania oraz dyspersji Współczesna nauka o szkłach zaczęła z końcem XIX wieku od współpracy Ernsta Abbego fizyka i specjalisty od projektowania układów optycznych i Otto Schotta specjalisty od wytwarzania szkieł.

4 Szkła optyczne Szkła optyczne są homogeniczne, bez defektów takich jak bąble, są używane do budowy urządzeń i elementów optycznych, takich jak soczewki i pryzmaty. Pierwsze szkła o jakości optycznej (flinty) zostały wynalezione i wytworzone przez Otto Schotta (Jena) około Wynalazł on również ciężkie szkło barowe (kron). W 1939, G.W. Morey (USA) wynalazł optyczne szkło zawierające La, Th oraz Ta, posiadające duży współczynnik załamania i małą dyspersję. Po 1945 dużo nowych szkieł optycznych wynaleziono w Japonii przez T. Izumitani i innych japońskich badaczy, początkowo w Osace, później w Hoya Glass (Tokio).

5 Właściwości optyczne szkieł

6 Właściwości optyczne szkieł

7 Prędkość fali elektromagnetycznej... w materii 1 c=, c0= 0 0 c= c0 Prędkość fali elektromagnetycznej w ośrodku dielektrycznym nie jest stała, ale jest mniejsza od prędkości światła w próżni i zależy od przenikalności dielektrycznej i magnetycznej ośrodka.

8 Odbicie i załamanie światła Przy przejściu światła przez granicę dwóch ośrodków Dielektrycznych zmienia się kierunek rozchodzenia się wiązki światła. Światło ulega załamaniu, część wiązki ulega odbiciu. Kierunki promieni zwyczajowo wyznaczamy względem prostej prostopadłej do granicy ośrodków.

9 Odbicie i załamanie Zjawiskami załamania i odbicia rządzą: Prawo załamania: promień załamany leży w płaszczyźnie padania, a kąty związane są zależnością n2 sin 2 =n1 sin 1 n1 i n2 są bezwymiarowymi stałymi charakteryzującymi ośrodki, nazywanymi współczynnikami załamania światła. Willebrord Snell

10 Odbicie i załamanie Zjawiskami załamania i odbicia rządzą: Prawo odbicia: promień odbity leży w płaszczyźnie padania, a kąt odbicia jest równy kątowi padania: ' 1= 1

11 Prawo załamania Prawo załamania (i wiele innych praw optyki) możemy wyjaśnić korzystając z zasady Huygensa, mówiącej, że każdy punkt, do którego dociera fala płaska może być traktowany jako źródło fali kulistej, a wynikowa fala jest złożeniem fal pochodzących z takich źródeł.

12 Prawo załamania Z zasady Huygensa, wynika, że załamanie światła przy przejściu granicy między materiałami nastąpi, gdy jego prędkość będzie w tych materiałach różna. Wiemy już, że fakt taki może mieć miejsce... = = = sin n c sin 1 n2 c

13 Polaryzacja i straty w funkcji częstotliwości

14 Rozszczepienie światła = = = sin n c sin 1 n2 c Przenikalność dielektryczna, a co za tym idzie prędkość światła oraz współczynnik załamania światła zależą od częstotliwości fali. Oznacza to, że światło o różnych Barwach będzie załamywane pod różnymi kątami.

15 Rozszczepienie światła Zdolność rozszczepiania światła charakteryzuje się liczbą Abbego, zdefiniowaną jako stosunek refrakcji do dyspersji materiału. gdzie nd, nf, nc to współczynniki załamania materiału dla poszczególnych linii Fraunhofera, odpowiednio: żółtej linii sodu D o długości 589,2 nm, niebieskiej linii wodoru F 486,1327 nm, czerwonej linii wodoru C 656,2816 nm. Im liczba Abbego jest większa, tym dyspersja materiału mniejsza.

16 Rozszczepienie światła

17 Rozszczepienie światła achromaty Aberracja chromatyczna to jedna z wad układów optycznych wynikająca z dyspersji. Achromat to układ optyczny składający się z dwóch soczewek, skupiającej i rozpraszającej, wykonanych ze specjalnych gatunków szkła o różnej dyspersji (np. kronu i flintu). Taki układ pozwala na korekcję aberracji chromatycznej dla światła o dwóch długościach fal.

18 Rozszczepienie światła apochromaty A apochromacie aberracja chromatyczna jest całkowicie korygowana dla trzech różnych długości fali, np. dla barwy czerwonej, niebieskiej i żółtozielonej. W takich konstrukcjach używa się soczewek ze specjalnych szkieł, o bardzo precyzyjnie dobranych właściwościach optycznych.

19 Całkowite wewnętrzne odbicie Przy pewnym geanicznym kącie padania promienia wychodzącego z materiałuo większym współczynniku załamania kąt załamania jest prosty. Nie ma już możliwości wyjścia promienia poza materiał. Mówimy wtedy o całkowitym wewnętrznym odbiciu. n1 sin gr =n2 sin 90o gr =arcsin n2 n1

20 Polaryzacja światła przy odbiciu Przy pewnym kącie padania, zwanym kątem Brewstera, polaryzacja światła odbitego jest całkowita. Doświadczalnie można sprawdzić, że gdy promień pada pod kątem Brewstera, to promienie odbity i załamany są prostopadłe. n sin =n sin 90 =n cos o 1 B Ostatecznie otrzymujemy prawo Brewstera określające kąt całkowitej polaryzacji B =arctg n2 n1 2 B 2 B

21 Pomiar współczynnika załamania Oparte wprost na prawie załamania Metoda kąta najmniejszego odchylenia Refraktometr typu V block

22 Pomiar współczynnika załamania Porównanie z współczynnikiem załamania cieczy o znanym (i regulowanym, na przykład poprzez ogrzewanie) współczynniku załamania. W momencie wyrównania się współczynników zanurzona próbka znika. Zaletą tej metody jest to, że nie trzeba precyzyjnie przygotowywać próbki.

23 Współczynnik załamania szkieł Współczynnik załamania szkła determinowany jest przez polaryzowalność elektronową oddziaływanie światła z elektronami atomów tworzących szkło wzrasta z gęstością elektronów i z polaryzowalnością jest mały gdy jony mają niskią liczbą atomową (niska gęstość elektronowa i polaryzowalność np. BeF n=1,27 2 niemostkowe atomy tlenu zwiększają współczynnik załamania

24 Współczynnik załamania szkieł Współczynnik załamania jest wrażliwy na inne zmiany strukturalne zamiana Na O na Al O obniża n ponieważ ubywa niemostkowych atomów tlenu znacznie łatwiej polaryzowalnych niż mostkowe atomy tlenu w Al O Si zmiana liczby koordynacyjnej w szkłach fosforanowo glinowych z 6 na 4 zmienia strukturę na bardziej otwartą obniżając wartość współczynnika załamania szkła o wysokim współczynniku załamania zawierają ciężkie jony o wysokiej polaryzowalności zamiana O2 na S2 także zwiększa n jony asymetrycznie skoordynowane również zwiększają n

25 Współczynnik załamania szkieł

26 Współczynnik załamania szkieł Współczynnik załamania zmienia się z tempem schładzania. Zmiany dla różnych szybkości chłodzenia są rzędu tysięcznych częci, o parę rzędów wielkości zbyt duże dla zastosowań optycznych. Konieczna jest ymagana bardzo precyzyjna obróbka termiczna.

27 Szkła o zmiennym wpółczynniku załamania Nazywane są GRIN (od angielskiego GRadient Index) lub SELFOC (od SELf FOCusing). Elementy wykonuje się ze szkła o zmiennej wartości współczynnika załamania światła n w funkcji odległości od osi soczewki n = f(r). Gradientowy profil współczynnika załamania powoduje krzywoliniowy bieg promieni.

28 Szkła o zmiennym wpółczynniku załamania Pierwszą aplikacją szkieł GRIN jest ogniskowanie, stosowane na przykład w telekomunikacji albo dyskach optycznych. Pręcik szkła GRIN powoduje ogniskowanie na płaskiej powierzchni umożliwiając sprzężenie ze źródłem światła, czujnikiem albo światłowodem.

29 Szkła o zmiennym wpółczynniku załamania Drugą grupą aplikacji jest tworzenie obrazów, na przykład obiektywy o bardzo małej średnicy tworzące matryce używane w drukarkach i kopiarkach. Mogą też być używane jako obiektywy fotograficzne (b) zastępując dużo bardziej złożone konstrukcje klasyczne (a).

30 Szkła o zmiennym wpółczynniku załamania

31 Szkła o zmiennym wpółczynniku załamania

32 Szkła o zmiennym wpółczynniku załamania

33 Szkła o zmiennym wpółczynniku załamania

34 Szkła o zmiennym wpółczynniku załamania

35 Szkła o zmiennym wpółczynniku załamania