Materiałoznawstwo optyczne i optoelektroniczne

Transkrypt

1 Materiałozawstwo optycze i optoelektroicze Grupa R4 Wykład 3 godzi Prowadzący: dr iż. Leszek Wawrzyiuk Zaliczeie wykładu - kolokwia Materiałozawstwo optycze

2 Program przedmiotu. Ogóle właściwości materiałów optyczych: podstawowe materiały optycze, właściwości optycze i ieoptycze materiałów, optycza jakość materiałów, kryteria wyboru.. Materiały optycze charakterystyka właściwości: szkło optycze, dewitryfikaty i ceramika optycza, kryształy optycze, tworzywa sztucze, metale. 3. Wybrae zagadieia kształtowaia właściwości materiałów optyczych do kokretych zastosowań: materiały laserowe, elektrooptycze, ieliiowe, światłowody włókiste i plaare. Materiałozawstwo optycze

3 Literatura. A.Szwedowski: Materiałozawstwo optycze i optoelektroicze. Ogóle właściwości materiałów. WNT, Warszawa 996. S.Musicat: Optical materials, Marcel Dekker Ic., N.Y M.J.Weber: Hadbook of Optical Materials, CRC Press, Boca Rato, Lodo, New York, Washigto, D.C Katalogi i ormy Materiałozawstwo optycze

4 Widmo fal elektromagetyczych Częstotliwość ν a długość fali λ [ Hz] c ν T ct c λ Materiałozawstwo optycze

5 Właściwości materiałów optyczych Właściwości optycze Refrakcja współczyik załamaia dyspersja współczyika załamaia dwójłomość aturala dyamicze liiowe i ieliiowe zmiay współczyika załamaia wywoływae oddziaływaiem zewętrzym Charakterystyka eergetycza propagacji światła odbicie freselowskie absorpcja wewętrza rozproszeie Lumiescecja i efekty radiacyje Materiałozawstwo optycze

6 Właściwości materiałów optyczych Właściwości ieoptycze Mechaicze Termicze Elektrycze Chemicze Techologicze Materiałozawstwo optycze

7 Właściwości fizycze materiałów w ujęciu tesorowym Wektorowy opis zmiay wielkości R spowodowaej bodźcem S : Przykłady: R T S M ρ V ρ - gęstość, tesor zerowego rzędu P p T Pi pi T ( i x, y, z) p - współczyik piroelektryczy, tesor pierwszego rzędu Materiałozawstwo optycze

8 Materiałozawstwo optycze Właściwości fizycze materiałów w ujęciu tesorowym Tesor rzędu drugiego (ogólie): ),,, ( z x y j i S T R j ij i z zz y zy x zx z z yz y yy x yx y z xz y xy x xx x S T S T S T R S T S T S T R S T S T S T R z y x zz zy zx yz yy yx xz xy xx z y x S S S T T T T T T T T T R R R

9 Współczyik załamaia ośrodków dielektryczych izotropowych Absoluty współczyik załamaia gdzie: abs c v c - prędkość światła w próżi v - prędkość fazowa fali elektromagetyczej w ośrodku Względy współczyik załamaia gdzie: v v sii sii i, i - odpowiedio kąt padaia i załamaia Materiałozawstwo optycze

10 Współczyik załamaia ośrodków dielektryczych izotropowych Z rówań Maxwella: c v ε µ εε µµ a więc: v c ε µ a poieważ dla dielektryczych ośrodków iemagetyczych µ ε Materiałozawstwo optycze

11 Związek współczyika załamaia z właściwościami materii Idukoway elektryczy momet dipolowy cząsteczki p α E gdzie: α - współczyik polaryzowalości Związek między polaryzowalością i przeikalością elektryczą (wzór Clausiusa-Mossottiego) 3ε ε N i αi ε gdzie: N i - liczba atomów o polaryzowalości α i w jedostce objętości Materiałozawstwo optycze

12 Związek współczyika załamaia z właściwościami materii Refrakcja molowa (wzór Loretza-Loreza) R m ( ) ( ) M ρ g ( ) ( ) V m 3ε N A α Wpływ polaryzowalości i objętości molowej a współczyik załamaia Y NA α, gdzie Y Y 3 V m Refrakcja molowa związku chemiczego lub mieszaiy A x B y R xr m A yr B Materiałozawstwo optycze

13 Związek współczyika załamaia z właściwościami materii Refrakcja właściwa r ( ) ( ) ρg dla materiału wieloskładikowego r a i ri gdzie: a i - procetowy udział molowy składika i Materiałozawstwo optycze

14 Związek współczyika załamaia z właściwościami materii (wzory empirycze) Wzór Gladstoe a-dale a r ρ g i ai ρ gi Formuła wyzaczaia współczyika załamaia ze wzoru Gladstoe a-dale a ρ r ρ ri D ai D, Formuła do obliczeń wstępych D,4 ρ 8,6 Materiałozawstwo optycze

15 Dyspersja współczyika załamaia Wzór dyspersyjy Sellmeiera ε C ν ν gdzie Ne C ε 4π m Rówaie Cauchy ego Wzór Sellmeiera B A λ C 4 λ A i λ λ λ i i Materiałozawstwo optycze

16 Materiałozawstwo optycze Dyspersja współczyika załamaia Wzór Herzbergera 4 Dλ Eλ C L B L A gdzie,8 λ L Zmodyfikoway wzór Cauchy ego λ λ λ λ λ A A A A A A Rozwiięta formuła Sellmeiera 3 3 C B C B C B λ λ λ λ λ λ

17 Dyspersja współczyika załamaia w ujęciu katalogowym Materiałozawstwo optycze

18 Dyspersja współczyika załamaia w ujęciu katalogowym Współczyik dyspersji ν λ lub λ λ 3 ν λ d / dλ Liczba Abbego (dla liii d, F, C) Róworzędy wzór dla liii e, F i C ν d F d C ν e F ' e C' Materiałozawstwo optycze

19 Dyspersja współczyika załamaia w ujęciu katalogowym Względa dyspersja częściowa P xy x y lub F C P x' y ' x F' y C' Związek między względą dyspersją częściową a liczbą Abbego P xy a b ν xy xy d ( Pxy ) Materiałozawstwo optycze

20 Wykres Abbego Materiałozawstwo optycze

21 Materiałozawstwo optycze Współczyik załamaia materiałów optyczych dielektryczych o dwójłomości liiowej Związek między wektorem idukcji elektryczej a wektorem pola elektryczego: ( ) ( ) ( ) z zz y zy x zx z z yz y yy x yx y z xz y xy x xx x E E E D E E E D E E E D ε ε ε ε ε ε ε ε ε ε ε ε z y x ε ε ε ε z z z y y y x x x E D E D E D ε ε ε ε ε ε

22 Materiałozawstwo optycze Elipsoida ormalych z y x z y x γ β α z y x α β γ > >

23 Materiałozawstwo optycze Przekroje kołowe elipsoidy ormalych β γ α β α γ tgv Ośrodek jedoosiowy: e o V γ β α, o e z y x

24 Zmiaa współczyika załamaia pod wpływem czyików zewętrzych Materiałozawstwo optycze

25 Dwójłomość wymuszoa w polu aprężeń i odkształceń (fotosprężystość) Elipsoida ormalych x x y z B x B y Bz x y z y z gdzie B i i W przypadku ogólym B B xx xx x x B y B z B xy B xz B yz yy zz xy B y B z B xy B xz B yz yy Zmiaa składowej Bi Bi Bi Bi Π i Πij - tesor piezooptyczy, zz xy ij σ j xz xz ( i, yz yz j,..., 6) σ j - tesor aprężeń Bi Bi Bi i P - tesor elastooptyczy, ir Pγ ir r ( i, r,..., 6) γ - tesor odkształceń r Materiałozawstwo optycze

26 Dwójłomość wymuszoa w polu aprężeń i odkształceń Materiał izotropowy Elipsa współczyików załamaia ( B B ) x ( B B ) y x ' ( B Bx ), ( B B ) y Różica owych współczyików załamaia (dwójłomość wymuszoa) 3 " ' σ " ' c σ σ ( Π Π )( σ ) p ( ) cp - stała piezooptycza y " 3 " ' γ " ' c γ γ ( P P )( γ ) e ( ) ce - stała elastooptycza Materiałozawstwo optycze

27 Zmiay współczyika załamaia w polu elektryczym Polaryzacja P i Pχ E χ - podatość elektrycza () () (3) ( χ E χ E E χ E E E...) ε ( i, j, k, l,,3) ij j ijk j k ijkl j k l Liiowy efekt elektrooptyczy (Pockelsa) B i maks. r E ( i,..., 6, m im m i r 3 E,,3) Materiałozawstwo optycze

28 Zmiay współczyika załamaia w polu elektryczym Efekt elektrooptyczy kwadratowy (Kerra) B i (,..., 6, RijEj i j i,,3) Ciała izotropowe Bk - stała Kerra 3 ( R R ) E B E e o k Materiałozawstwo optycze

29 Zmiay współczyika załamaia wywołae działaiem światła Fotorefrakcja ref 3 E w Materiałozawstwo optycze

30 Zmiay współczyika załamaia wywołae działaiem światła Nieliiowość zmia współczyika załamaia E γj Materiałozawstwo optycze

31 Zmiay współczyika załamaia pod wpływem pola magetyczego Efekt Faradaya Γ π l λ ( ' " ) Γ V l H cos θ V - stała Verdeta Efekt Cottoa-Moutoa " ' λc H C stała Cottoa-Moutoa Materiałozawstwo optycze

32 Termicze zmiay współczyika załamaia Przyrost współczyika załamaia z aalizy wzoru Loretza-Loreza 6 M d dt dr ρ R dρ λ ( ) dt dt λ λ λ dρ dt ρα v Ośrodki aizotropowe Ośrodki izotropowe ( α α α ) α 3 B i i P ij α j T B ( P P ) α T i d dt α 3 ( P P )α Materiałozawstwo optycze

33 Termicze zmiay współczyika załamaia Przyrost współczyika załamaia jako fukcja zmia gęstości i absorpcji d dt d dt α d dt κ Szkła atermale d dt ( ) α Materiałozawstwo optycze

34 Termicze zmiay współczyika załamaia Stała termooptycza Przyrost względy dla szkła LaSF N9 odiesioy do TºC Materiałozawstwo optycze

35 Współczyik załamaia w obszarze absorpcji Zespoloy współczyik załamaia ~ λ iκ λ λ Materiałozawstwo optycze

36 Przepuszczalość światła ośrodków optyczych Odbicie światła Dla kieruku padaia ormalego do powierzchi Współczyik odbicia I ρ I r o W powietrzu ρ o o t t ρ τ s ρ 4 ( ) Metale ρ I I r o ( t o) κ ( ) κ t o τ s ρ 4 ( ) κ t t o o Materiałozawstwo optycze

37 Przepuszczalość światła ośrodków optyczych Odbicie światła Dla światła spolaryzowaego ρ I I r o ( ρ ) II ρ ρ II I I rii oii ρ I I r o Dielektryki (bezabsorpcyje) tg ρii tg ( io it) ( i i ) o t ρ II t t cos i cos i o o o o t t o o si si i i o o si ρ si ( io it) ( i i ) o t ρ o o cos i cos i o o t t o o si si i i o o Materiałozawstwo optycze

38 Przepuszczalość światła w ujęciu makroskopowym Amplituda promieiowaia elektromagetyczego E E e ( kκz) i( ωt kz) e Natężeie światła I κ I exp ωz I exp c Współczyik pochłaiaia ( α z) α κ c ω 4πκ λ α z l I I Materiałozawstwo optycze

39 Przepuszczalość światła w ujęciu makroskopowym Absorbacja Współczyik tłumieia (tłumieość) I log z I A A I log I log τ i τ Współczyik przepuszczaia I I ( ρp) exp( α z) ( ρp) τi I I z I r I r Gęstość optycza D log τ Materiałozawstwo optycze

40 Dielektryki Cząsteczkowe mechaizmy strat światła. W obszarze krótkofalowym: absorpcja wyikająca z elektroowych przejść międzypasmowych,. W obszarze przepuszczaia: - absorpcja będąca wyikiem przejść elektroowych ie w pełi obsadzoych powłok wewętrzych w atomach, ajczęściej metali, staowiących zaieczyszczeie podstawowej masy materiału, - absorpcja a joach OH - związaa z rezoasowymi częstotliwościami drgań dipolowej cząstki H-O-H, - rozproszeie Rayleigha a fluktuacjach gęstości i składu chemiczego ośrodka w przypadku, gdy zaburzeia wywołujące rozproszeie mają wymiar ie większy iż,λ, - rozproszeie Mie a cząstkach większych, wtrąceiach, - rozproszeie wymuszoe związae ze zjawiskami towarzyszącymi dużym gęstościom eergii. 3. W obszarze długofalowym absorpcja wywołaa oddziaływaiem promieiowaia z termiczie wzbudzoymi oscylacyjymi modami sieci strukturalej. Materiałozawstwo optycze

41 Zmiay przepuszczalości materiałów optyczych pod wpływem czyików zewętrzych Światłoczułość materiałów optyczych efekt fototropowy solaryzacja. Działaie promieiowaia joizującego zmiaa przepuszczalości zmiaa zabarwieia materiałów optyczych. Termicze zmiay przepuszczalości optyczej przesuięcie krawędzi krzywej spektralej przepuszczaia Materiałozawstwo optycze

42 Światłoczułość materiałów optyczych Efekt fototropowy ieodwracala reakcja chemicza w halogekach srebra odwracala reakcja chemicza - w związkach orgaiczych powstaje iy związek - w kryształach z cetrami barwymi astępuje przeiesieie optycze wzbudzoych elektroów z cetrów jedego typu do cetrów iego typu - w szkłach fotochromowych astępuje rozpad związków halogeków srebra Materiałozawstwo optycze

43 Światłoczułość materiałów optyczych Efekt fototropowy Materiałozawstwo optycze

44 Światłoczułość materiałów optyczych Działaie promieiowaia laserowego Materiałozawstwo optycze

45 Światłoczułość materiałów optyczych Działaie promieiowaia joizującego Materiałozawstwo optycze

46 Przepuszczalość światła w ujęciu katalogowym - charakterystyki widmowe przepuszczaia, - widmowy współczyik przepuszczaia całkowitego i wewętrzego dla różych długości fal światła i dla ustaloej grubości próbki, - graice obszaru przepuszczaia opisae długościami fal dla których astępuje spadek trasmisji o określoą wartość i dla zormowaych grubości płytki ( i 5 mm lub i mm). Materiałozawstwo optycze

47 Emisyjość Prawo Stefaa-Boltzmaa E σt 4 8 σ 5,67 W m - K -4 Dla ciał rzeczywistych emisyjość zależy od: rodzaju materiału, stau powierzchi (chropowatość), długości fali, temperatury, kieruku promieiowaia. Materiałozawstwo optycze

48 Lumiescecja Kryteria ocey procesu lumiescecji: wydajość (stosuek eergii światła emitowaego do zaabsorbowaego), charakterystyka spektrala emitowaego światła w powiązaiu z charakterystyką spektralą absorpcji i odpowiadające im podstawowe długości fali, połówkowa szerokość tych charakterystyk, szerokość obszaru absorpcji, czas zaiku świeceia upływający od mometu zmiejszeia się o połowę eergii początkowej promieiowaia, ewetuala obecość iego świeceia lub pojawieie się efektów solaryzacji. Materiałozawstwo optycze

49 Nieoptycze właściwości materiałów optyczych Właściwości mechaicze: twardość, sprężystość, wytrzymałość mechaicza, kruchość, łupliwość, gęstość, lepkość. Materiałozawstwo optycze

50 Twardość Materiałozawstwo optycze

51 Właściwości mechaicze - sprężystość Moduł sprężystości wzdłużej (moduł Youga) σ Eγ w Współczyik Poissoa ν γ ' γ w Stała sprężystości poprzeczej (moduł Kirchhoffa) G E ( ν ) Materiałozawstwo optycze

52 Nieoptycze właściwości materiałów optyczych Właściwości termicze: rozszerzalość ciepla, przewodość ciepla, ciepło właściwe, odporość termicza, charakterystycze temperatury. Materiałozawstwo optycze

53 Nieoptycze właściwości materiałów optyczych Właściwości elektrycze: przewodość elektrycza i rezystywość, przeikalość elektrycza, stratość, przebicie elektrycze. Właściwości chemicze: rozpuszczalość w wodzie, odporość a wpływy atmosferycze, odporość a działaie kwasów, odporość a działaie zasad. Materiałozawstwo optycze

54 Optycza jakość materiałów optyczych Materiałozawstwo optycze

55 Zagadieia do kolokwium I Defiicje i pojęcia: - współczyik załamaia (absoluty, względy), - współczyik dyspersji, liczba Abbbego, względa dyspersja częściowa, szkła zwyczaje i adzwyczaje, dyspersja ormala współczyika załamaia, - współczyik załamaia zwyczajy i adzwyczajy w ośrodku jedoosiowym, dwójłomość główa, - stała piezooptycza, stała elastooptycza, - fotorefrakcja ieliiowa, współczyik ieliiowości, - stała termooptycza, szkła atermale, - współczyik ekstykcji, pochłaiaie, absorbacja, tłumieość, współczyik przepuszczaia, gęstość optycza, - ieoptycze właściwości materiałów optyczych, - wady materiałów optyczych, Materiałozawstwo optycze

56 Zagadieia do kolokwium I Relacje i prawidłowości - związek współczyika załamaia z właściwościami materii, - związek między średią dyspersją częściową a liczbą Abbego, - współczyik załamaia materiałów optyczych o dwójłomości liiowej (reprezetacja graficza i metodyka wyzaczaia), - zależość stałej termooptyczej od długości fali i temperatury, - zmiaa współczyika załamaia w obszarze absorpcji, - cząsteczkowy mechaizm strat światła, - zmiay przepuszczalości materiałów optyczych pod wpływem czyików zewętrzych. Pytaia problemowe obejmujące zbiorczo powyższe zagadieia, p. Jak zmieią się optycze właściwości materiału izotropowego wskutek zaczącej zmiay temperatury? Dyspersja współczyika załamaia. Jakie zjawiska towarzyszą przejściu przez materiał optyczy wiązki promieiowaia laserowego o dużej gęstości mocy? Materiałozawstwo optycze