OPTYKA GEOMETRYCZNA I INSTRUMENTALNA

Podobne dokumenty
1100-1BO15, rok akademicki 2016/17

Polaryzatory/analizatory

BADANIE WYMUSZONEJ AKTYWNOŚCI OPTYCZNEJ

Wykład 17: Optyka falowa cz.2.

Metody Optyczne w Technice. Wykład 8 Polarymetria

Laboratorium techniki laserowej. Ćwiczenie 5. Modulator PLZT

Ćwiczenie 363. Polaryzacja światła sprawdzanie prawa Malusa. Początkowa wartość kąta 0..

Ćwiczenie 373. Wyznaczanie stężenia roztworu cukru za pomocą polarymetru. Długość rurki, l [dm] Zdolność skręcająca a. Stężenie roztworu II d.

WYDZIAŁ.. LABORATORIUM FIZYCZNE

Repeta z wykładu nr 8. Detekcja światła. Przypomnienie. Efekt fotoelektryczny

Rekapitulacja. Detekcja światła. Rekapitulacja. Rekapitulacja

Ćwiczenie Nr 6 Skręcenie płaszczyzny polaryzacji

Fala EM w izotropowym ośrodku absorbującym

Własności optyczne materii. Jak zachowuje się światło w zetknięciu z materią?

LASERY I ICH ZASTOSOWANIE

OPTYKA. Leszek Błaszkieiwcz

Podstawy Fizyki III Optyka z elementami fizyki współczesnej. wykład 19, Mateusz Winkowski, Łukasz Zinkiewicz

Skręcenie płaszczyzny polaryzacji światła w cieczach (PF13)

Podstawy Fizyki IV Optyka z elementami fizyki współczesnej. wykład 19, Radosław Chrapkiewicz, Filip Ozimek

SPEKTROFOTOMETRIA UV-Vis. - długość fali [nm, m], - częstość drgań [Hz; 1 Hz = 1 cykl/s]

Ćwiczenie nr 6. Zjawiska elektrooptyczne Sprawdzanie prawa Malusa, badanie komórki Pockelsa i Kerra

Badanie właściwości optycznych roztworów.

XL OLIMPIADA FIZYCZNA ETAP I Zadanie doświadczalne

Fala elektromagnetyczna o określonej częstotliwości ma inną długość fali w ośrodku niż w próżni. Jako przykłady policzmy:

Katedra Fizyki Ciała Stałego Uniwersytetu Łódzkiego. Ćwiczenie 1 Badanie efektu Faraday a w monokryształach o strukturze granatu

Fotoelementy. Symbole graficzne półprzewodnikowych elementów optoelektronicznych: a) fotoogniwo b) fotorezystor

Dr Piotr Sitarek. Instytut Fizyki, Politechnika Wrocławska

Elementy optyki relatywistycznej

POLARYZACJA ŚWIATŁA. Uporządkowanie kierunku drgań pola elektrycznego E w poprzecznej fali elektromagnetycznej (E B). światło niespolaryzowane

SPRAWDZANIE PRAWA MALUSA

Problemy optyki falowej. Teoretyczne podstawy zjawisk dyfrakcji, interferencji i polaryzacji światła.

ĆWICZENIE Nr 4 LABORATORIUM FIZYKI KRYSZTAŁÓW STAŁYCH. Badanie krawędzi absorpcji podstawowej w kryształach półprzewodników POLITECHNIKA ŁÓDZKA

POMIAR NATURALNEJ AKTYWNOŚCI OPTYCZNEJ

Światło fala, czy strumień cząstek?

Fotodetektory. Fotodetektor to przyrząd, który mierzy strumień fotonów bądź moc optyczną przetwarzając energię fotonów na inny użyteczny sygnał

1 Detektor CCD. aparaty cyfrowe kamery VIDEO spektroskopia mikrofotografia astrofizyka inne

Badanie schematu rozpadu jodu 128 I

Falowa natura światła

Podczerwień bliska: cm -1 (0,7-2,5 µm) Podczerwień właściwa: cm -1 (2,5-14,3 µm) Podczerwień daleka: cm -1 (14,3-50 µm)

Agata Saternus piątek Dwójłomność kryształów, dwójłomność światłowodów, dwójłomność próżni (z ang. vacuum birefringence)

OZNACZANIE ŻELAZA METODĄ SPEKTROFOTOMETRII UV/VIS

OPTYKA GEOMETRYCZNA I INSTRUMENTALNA

WYZNACZANIE STAŁEJ PLANCKA Z POMIARU CHARAKTERYSTYK PRĄDOWO-NAPIĘCIOWYCH DIOD ELEKTROLUMINESCENCYJNYCH. Irena Jankowska-Sumara, Magdalena Krupska

Grafika komputerowa. Model oświetlenia. emisja światła przez źródła światła. interakcja światła z powierzchnią. absorbcja światła przez sensor

Fizyka elektryczność i magnetyzm

IA. Fotodioda. Cel ćwiczenia: Pomiar charakterystyk prądowo - napięciowych fotodiody.

Ćwiczenie nr 34. Badanie elementów optoelektronicznych

Wydział Elektroniki Mikrosystemów i Fotoniki Politechniki Wrocławskiej STUDIA DZIENNE. Wpływ oświetlenia na półprzewodnik oraz na złącze p-n

Wykład VII Detektory I

ZJAWISKA FOTOELEKTRYCZNE

Metody spektroskopowe:

Badanie schematu rozpadu jodu 128 J

Repeta z wykładu nr 10. Detekcja światła. Kondensator MOS. Plan na dzisiaj. fotopowielacz, część 2 MCP (detektor wielokanałowy) streak camera

Ćwiczenie O 13 -O 16 BADANIE ABSORPCJI ŚWIATŁA W MATERII Instrukcja dla studenta

Ćwiczenie nr 13 POLARYZACJA ŚWIATŁA: SPRAWDZANIE PRAWA MALUSA

1100-1BO15, rok akademicki 2017/18

I. PROMIENIOWANIE CIEPLNE

OPTYKA KWANTOWA Wykład dla 5. roku Fizyki

Zakres wykładu. Detekcja światła. Zakres wykładu. Zakres wykładu

1100-1BO15, rok akademicki 2016/17

PL B1. POLITECHNIKA WROCŁAWSKA, Wrocław, PL BUP 02/08. PIOTR KURZYNOWSKI, Wrocław, PL JAN MASAJADA, Nadolice Wielkie, PL

Repeta z wykładu nr 6. Detekcja światła. Plan na dzisiaj. Metal-półprzewodnik

Podstawy fizyki wykład 8

Narodowe Centrum Badań Jądrowych Dział Edukacji i Szkoleń ul. Andrzeja Sołtana 7, Otwock-Świerk. Imię i nazwisko:... Imię i nazwisko:...

LASERY I ICH ZASTOSOWANIE

Prawa optyki geometrycznej

Wykład 24. Oddziaływanie promieniowania elektromagnetycznego z materią. Polaryzacja światła.

Promieniowanie rentgenowskie. Podstawowe pojęcia krystalograficzne

Interferencja jest to zjawisko nakładania się fal prowadzące do zwiększania lub zmniejszania amplitudy fali wypadkowej. Interferencja zachodzi dla

ELEMENTY OPTYKI Fale elektromagnetyczne Promieniowanie świetlne Odbicie światła Załamanie światła Dyspersja światła Polaryzacja światła Dwójłomność

METODYKA POMIARÓW WIDM FLUORESCENCJI (WF) NA MPF-3 (PERKIN-HITACHI)

Ćwiczenie 30. Zagadnienia: spektroskopia absorpcyjna w zakresie UV-VIS, prawa absorpcji, budowa i. Wstęp

n n 1 2 = exp( ε ε ) 1 / kt = exp( hν / kt) (23) 2 to wzór (22) przejdzie w następującą równość: ρ (ν) = B B A / B 2 1 hν exp( ) 1 kt (24)

J6 - Pomiar absorpcji promieniowania γ

Optyka instrumentalna

ĆWICZENIE 47 POLARYZACJA. Wstęp.

Techniki analityczne. Podział technik analitycznych. Metody spektroskopowe. Spektroskopia elektronowa

Polaryzacja chromatyczna

Wykład 16: Optyka falowa

Fotometria CCD 3. Kamera CCD. Kalibracja obrazów CCD

Rozładowanie promieniowaniem nadfioletowym elektroskopu naładowanego ujemnie, do którego przymocowana jest płytka cynkowa

WFiIS. Wstęp teoretyczny:

Elementy optoelektroniczne. Przygotował: Witold Skowroński

Ćwiczenie 1. Zagadnienia: spektroskopia absorpcyjna, prawa absorpcji, budowa i działanie. Wstęp. Część teoretyczna.

Optyczna spektroskopia oscylacyjna. w badaniach powierzchni

Stanowisko do pomiaru fotoprzewodnictwa

BADANIE ZEWNĘTRZNEGO ZJAWISKA FOTOELEKTRYCZNEGO

IM-4 BADANIE ABSORPCJI ŚWIATŁA W MATERIAŁACH PÓŁPRZEWODNIKOWYCH

Podstawy Fizyki IV Optyka z elementami fizyki współczesnej. wykład 18, Radosław Chrapkiewicz, Filip Ozimek

Detektor CCD. aparaty cyfrowe kamery VIDEO spektroskopia mikrofotografia astrofizyka inne

OPTYKA FALOWA. W zjawiskach takich jak interferencja, dyfrakcja i polaryzacja światło wykazuje naturę

Współczesne metody badań instrumentalnych

Ć W I C Z E N I E N R O-11

Absorpcja promieni rentgenowskich 2 godz.

Tworzenie obrazu w aparatach cyfrowych

LASERY I ICH ZASTOSOWANIE W MEDYCYNIE

Urządzenia półprzewodnikowe

Wykład 16: Optyka falowa

Transkrypt:

1100-1BO15, rok akademicki 2018/19 OPTYKA GEOMETRYCZNA I INSTRUMENTALNA dr hab. Rafał Kasztelanic Wykład 13

Absorpcja pochłanianie promieniowania Każde medium absorbuje (pochłania) promieniowanie elektromagnetyczne. Absorpcja zachodzi w wyniku różnych procesów fizycznych, zwykle zwiększając energię wewnętrzną absorbenta. Jeśli przez ośrodek o grubości dx przechodzi wiązka światła monochromatycznego, to strumień świetlny Φ zmniejsza się o wielkość proporcjonalną do pierwotnego strumienia i grubości dx: dφ = kφdx. W wyniku rozwiązania powyższego równania dostajemy: 0 e kx k jest współczynnikiem absorpcji zależnym od właściwości ośrodka. 2

Absorbancja Prawo Lamberta-Beera opisuje pochłanianie promieniowania elektromagnetycznego przy przechodzeniu przez częściowo absorbujący i rozpraszający ośrodek Natężenie światła wiązki przechodzącej przez substancję ulega zmniejszeniu nie tylko w wyniku absorpcji, lecz również na skutek rozpraszania światła. Absorbancja jest wprost proporcjonalna do stężenia c i grubości warstwy l roztworu, przez który przechodzi promieniowanie: I 1 = I 0 e αcl α stała proporcjonalności dla roztworu o stężeniu masowym w g dm 3 T transmitancja: T I I 1 0 e lc A absorbancja: A log I I 1 0 log T 3 Spełnione przy oświetleniu światłem monochromatycznym

Absorbancja Prawo Lamberta-Beera Absorbancja: A = αcl α stała proporcjonalności dla roztworu o stężeniu masowym w g dm 3 c stężenie substancji w roztworze l grubość warstwy absorbującej (droga jaką pokonuje promieniowanie przechodząc przez roztwór) Gdy stężenie dane jest w molach: A = εcl ε stała proporcjonalności dla roztworu o stężeniu molowym w mol dm 3 Ogólnie: A = kcl k stała proporcjonalności (współczynnik pochłaniania promieniowania, często nazywany współczynnikiem absorpcji) Prawo addytywności absorbancji Jeżeli w roztworze jest więcej substancji, które absorbują promieniowanie przy wybranej długości fali, to absorbancja tego roztworu jest równa sumie absorbancji jego poszczególnych składników: A = A1 + A2 + A3 + + An 4

Absorbcja w oku 5

Absorbcja w oku 6 http://www.microscopyu.com/articles/fluorescence/lasersafety.html

Dwółomność Zdolność ośrodków optycznych do podwójnego załamywania światła (także rozdwojenia promienia świetlnego). Zjawisko dwójłomności odkrył w 1669 roku Rasmus Bartholin a wyjaśnił Augustin J. Fresnel w pierwszej połowie XIX w wieku. Dwójłomność wykazuje wiele substancji krystalicznych, a także wszystkie ciekłe kryształy. Przykładami substancji dwójłomnych mogą być kryształy rutylu i kalcytu. Miarą dwójłomności jest różnica między współczynnikiem załamania promienia nadzwyczajnego n e, a współczynnikiem załamania promienia zwyczajnego n o. n n e n 0 7 wikipedia.org

Dwółomność o promień zwyczajny (ordinary) e promień nadzwyczajny (extraordinary) Zjawisko to wynika z faktu, że substancja jest anizotropowa, co oznacza, że współczynniki przenikalności elektrycznej ε i wynikająca z niego prędkość światła, a co za tym idzie współczynnik załamania światła, w krysztale zależą od kierunku drgań pola elektrycznego fali elektromagnetycznej (polaryzacji fali). W krysztale takim istnieje oś optyczna. Jest to kierunek, w którym biegnące światło nie rozdziela się na dwa promienie, ponieważ prędkość światła poruszającego się w tym kierunku nie zależy od kierunku polaryzacji. Kierunek tej osi nie zależy od kształtu kryształu. Istnieją kryształy jednoi dwuosiowe. 8 wikipedia.org

Dwółomność W krysztale jednoosiowym prawo Snella spełnia promień zwyczajny. Promień nadzwyczajny może się ugiąć nawet przy padaniu pod kątem 0 0. W krysztale dwuosiowym oba promienie nie spełniają prawa Snella. 9 wikipedia.org

Dwółomność - półfalówka Przepuszcza całe padające na nią światło zmieniając tylko stan jego polaryzacji. Nie polaryzuje światła niespolaryzowanego. Światło spolaryzowane liniowo zamienia na światło spolaryzowane liniowo w kierunku, który jest odbiciem polaryzacji światła padającego względem jednej z osi (szybkiej). Zmienia światło spolaryzowane kołowo prawoskrętnie na światło spolaryzowane kołowo lewoskrętnie i odwrotnie. 0 n n d n s d e 10 wikipedia.org

Dwółomność - ćwierćfalówka Przepuszcza całe padające na nią światło zmienia tylko stan jego polaryzacji. Nie polaryzuje światła niespolaryzowanego. Światło spolaryzowane liniowo zamienia na światło spolaryzowane eliptycznie zależnie od kąta polaryzacji względem osi szybkiej płytki i tak w szczególności: gdy oś płytki (szybka lub wolna) pokrywa się z kierunkiem polaryzacji światła, nie zmienia polaryzacji, gdy płaszczyzna polaryzacji światła tworzy kąt 45 z osią płytki, to światło zmienia polaryzację na kołową, zmienia światło spolaryzowane kołowo na światło spolaryzowane liniowo. 11 wikipedia.org

Dwółomność wymuszona komórka Pockelsa komórka Kerra n r 63 3 n o E z n 3 2 R R n E 0.5 12 11 0 z 12 wikipedia.org

Dwółomność wymuszona 13 wikipedia.org

Dwółomność pryzmat Nicola Pryzmat polaryzujący utworzony z romboedrycznego kryształu szpatu islandzkiego (kalcyt CaCO3), odpowiednio oszlifowanego, przeciętego na dwie części i sklejonego balsamem kanadyjskim. Oś optyczna (na schemacie odcinek OP) jest równoległa do powierzchni na którą pada promień. Promień światła po wejściu do kryształu, rozszczepia się więc na dwa promienie spolaryzowane w kierunkach wzajemnie prostopadłych: zwyczajny. Współczynnik załamania balsamu kanadyjskiego wynosi n bk = 1,550, ma wartość pośrednia między współczynnikiem załamania dla promienia zwyczajnego n o = 1,658 i dla nadzwyczajnego n e = 1,486. Balsam jest więc dla promienia zwyczajnego optycznie rzadszy, a dla nadzwyczajnego gęstszy. Kąt przecięcia pryzmatu jest tak dobrany, aby kąt padania A na powierzchnię balsamu, był dla promienia zwyczajnego większy od kąta granicznego całkowitego wewnętrznego odbicia. 14 wikipedia.org

Detektory OKO Rodopsyna (widzenie w ciemności) Padający foton zmienia jedną konfigurację na inną (izomer), to aktywuje białko a to wyzwala sygnał komórkowy. Dzięki witaminie A proces się odwraca. Jest to cykl widzenia. 15

Detektory FOTOPOWIELACZ Lampa próżniowa służąca jako detektor (szczególnie światła o bardzo małym natężeniu), składająca się z trzech zasadniczych elementów. Są to: Fotokatoda, z której elektrony są wybijane przez padające kwanty światła o energii hν. (zjawisko fotoelektryczne zewnętrzne). Powielacz złożony z dynod elektrony z poprzednich dynod wybijają elektrony wtórne z kolejnych (emisja wtórna). Pomiędzy dynody jest przyłożone wysokie napięcie (powyżej 100 V), co powoduje kaskadowy przyrost liczby elektronów wybijanych z kolejnych dynod. W typowych lampach jedna dynoda daje kilkukrotne powielenie, a liczba stopni powielających wynosi od kilku do kilkunastu. Anoda na nią trafiają elektrony w ostatnim etapie. Fotopowielacze osiągają bardzo duże czułości (1000 A/lm) przy znikomych szumach, stosunek sygnału do szumu (SNR signal to noise ratio) jest znacznie lepszy niż w przypadku urządzeń półprzewodnikowych. Czas reakcji fotopowielacza są rzędu dziesiątek nanosekund. Fotopowielacze znajdują zastosowanie w aparaturze pomiarowej, np. spektrometrach i innych urządzeniach pracujących w słabych warunkach oświetleniowych. 16

Detektory FOTOPOWIELACZ wzmocnienie 17 http://micro.magnet.fsu.edu/primer/flash/photomultiplier/

Detektory FOTODIODA Fotodiody to zwykle złącza p-n. Fotony padające na złącze są absorbowane (zjawisko fotoelektryczne wewnętrzne), dzięki czemu powstaje para elektron-dziura: elektron zostaje przeniesiony do pasma przewodnictwa i jest przyciągany przez dodatni ładunek na granicy obszaru typu n, zaś dziury dyfundują do obszaru typu p. Prąd przewodzenia złącza p-n rośnie wraz ze wzrostem natężenia padającego światła. Aby działać jako fotodioda, złącze musi być spolaryzowane zaporowo. 18

Detektory Zalety i wady typowej fotodiody w stosunku do fotopowielacza Zalety Dobra liniowość prądu wyjściowego w funkcji natężenia padającego światła. Odpowiedź widmowa w zakresie 190 1100 nm (krzem), możliwe także dłuższe fale ma bazie innych materiałów. Niskie szumy. Odporna na obciążenie mechaniczne. Niski koszt produkcji. Niewielki rozmiar. Długi czas życia. Wysoka wydajność kwantowa, typowo 80%. Nie jest wymagane wysokie napięcie. Wady Mała powierzchnia robocza. Brak lub niewielkie wzmocnienie. Znacznie niższa czułość. Możliwość zliczania fotonów tylko w specjalnych konstrukcjach. Długi czas reakcji. 19

Detektory CCD Kamera CCD (charge couple device) jest cyfrowym detektorem światła. Na dwu wymiarowej powierzchni umieszczona jest tablica elementów światłoczułych. Elementy te czułe są tylko na natężenie światła padającego. W celu uzyskania obrazu kolorowego stosuje się odpowiednie filtry. Wyróżniamy dwa rodzaje takich układów. W przypadku gdy do dyspozycji mamy trzy panele CCD każdy z nich widzi obraz w innym kolorze. W przypadku gdy mamy do dyspozycji tylko pojedynczą kamerę 50% pikseli rejestruje kolor zielony a po 25% pikseli kolory czerwony i niebieski (kodowanie) Pierwszy egzemplarz CCD został zbudowany w 1969 roku, przez dwóch naukowców, laureatów Nagrody Nobla: Willarda S. Boyle'a i George E. Smitha z Bell Telephone Laboratories 20

Detektory CCD W czasie naświetlania matrycy CCD na każdym z elementów gromadzi się ładunek. W chwili zamknięcia migawki ładunek po kolei spływa do układu mierzącego jego wielkość (rejestr przesuwny). Najpierw mierzone są ładunki z pierwszej kolumny (od lewej) i od pierwszego piksela w tej kolumnie (od dołu). Po spłynięciu ładunku z pierwszej kolumny przechodzi się do pomiaru ładunku w drugiej itd. W chwili gdy cały ładunek ze wszystkich elementów zostanie zmierzony możliwe jest ponowne otworzenie migawki i zrobienie kolejnego zdjęcia. 21

Detektory CMOS Complementary Metal Oxide Semiconductor Active Pixel Sensor macierz elementów światłoczułych (detektorów), z których każdy jest wyposażony we własny układ wzmacniający. Odczytywanie odbywa się jednocześnie dla wszystkich pikseli. Pomysł na budowę powstał w tym samym czasie, co matryce CCD (Noble w 1968, Chamberlain w 1969, Weimer et al. in 1969 ), jednak ze względu na trudności z otrzymaniem wzmacniaczy o powtarzalnych parametrach dla każdego piksela spowodowały czasową dominację matryc CCD. 22

Detektory CMOS nowe konstrukcje 23