Fotonika. Plan: Wykład 9: Interferencja w układach warstwowych

Podobne dokumenty
Podstawy Fizyki III Optyka z elementami fizyki współczesnej. wykład 12, Mateusz Winkowski, Łukasz Zinkiewicz

Podstawy Fizyki IV Optyka z elementami fizyki współczesnej. wykład 12, Radosław Chrapkiewicz, Filip Ozimek

Podstawy Fizyki IV Optyka z elementami fizyki współczesnej. wykład 6, Radosław Chrapkiewicz, Filip Ozimek

Wykłady 10: Kryształy fotoniczne, fale Blocha, fotoniczna przerwa wzbroniona, zwierciadła Bragga i odbicie omnidirectional

Wykład 12: prowadzenie światła

Wykład 6: Reprezentacja informacji w układzie optycznym; układy liniowe w optyce; podstawy teorii dyfrakcji

Podstawy Fizyki III Optyka z elementami fizyki współczesnej. wykład 18, Mateusz Winkowski, Łukasz Zinkiewicz

Fotonika. Plan: Wykład 3: Polaryzacja światła

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

Wykład 17: Optyka falowa cz.2.

INTERFERENCJA WIELOPROMIENIOWA

Wykład 16: Optyka falowa

Wykład 16: Optyka falowa

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

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

WSTĘP DO OPTYKI FOURIEROWSKIEJ

Wykład III. Interferencja fal świetlnych i zasada Huygensa-Fresnela

Fizyka elektryczność i magnetyzm

Optyka. Wykład VII Krzysztof Golec-Biernat. Prawa odbicia i załamania. Uniwersytet Rzeszowski, 22 listopada 2017

Fotonika. Plan: Wykład 11: Kryształy fotoniczne

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

KATEDRA TELEKOMUNIKACJI I FOTONIKI

Fotonika. Wykład (30h): R. Kotyński Wtorki 15:15-17:00, s. 1.40

Elektrodynamika Część 8 Fale elektromagnetyczne Ryszard Tanaś Zakład Optyki Nieliniowej, UAM

Zjawisko interferencji fal

Wykład 13: Elementy plazmoniki: fale powierzchniowe na granicy metali i dielektryków, nadrozdzielczość

Fotonika. Wykład (30h): Rafał Kotyński, wtorki 15:15-17:00, s. 1.40

Wykład 17: Optyka falowa cz.1.

Fizyka Laserów wykład 5. Czesław Radzewicz

falowego widoczne w zmianach amplitudy i natęŝenia fal) w którym zachodzi

Równania Maxwella. roth t

Falowa natura światła

Wykład FIZYKA II. 8. Optyka falowa

Oscylator wprowadza lokalne odkształcenie s ośrodka propagujące się zgodnie z równaniem. S 0 amplituda odkształcenia. f [Hz] - częstotliwość.

CIENKIE WARSTWY prof. dr hab. inż. Krzysztof Patorski

Laboratorium Fizyki Cienkich Warstw. Ćwiczenie nr.11

Zjawisko interferencji fal

Zjawisko interferencji fal

Metody Optyczne w Technice. Wykład 5 Interferometria laserowa

Wstęp do Optyki i Fizyki Materii Skondensowanej

- Strumień mocy, który wpływa do obszaru ograniczonego powierzchnią A ( z minusem wpływa z plusem wypływa)

Metody Obliczeniowe Mikrooptyki i Fotoniki

Wykład FIZYKA I. 11. Fale mechaniczne. Dr hab. inż. Władysław Artur Woźniak

LABORATORIUM POMIARY W AKUSTYCE. ĆWICZENIE NR 4 Pomiar współczynników pochłaniania i odbicia dźwięku oraz impedancji akustycznej metodą fali stojącej

TECHNIKI OBSERWACYJNE ORAZ METODY REDUKCJI DANYCH

Oscylator wprowadza lokalne odkształcenie s ośrodka propagujące się zgodnie z równaniem. S 0 amplituda odkształcenia. f [Hz] -częstotliwość.

IM21 SPEKTROSKOPIA ODBICIOWA ŚWIATŁA BIAŁEGO

ZADANIE 111 DOŚWIADCZENIE YOUNGA Z UŻYCIEM MIKROFAL

Ruch falowy. Fala zaburzenie wywoane w jednym punkcie ośrodka, które rozchodzi się w każdym dopuszczalnym kierunku.

Równanie Fresnela. napisał Michał Wierzbicki

Optyka. Optyka falowa (fizyczna) Optyka geometryczna Optyka nieliniowa Koherencja światła

Fotonika kurs magisterski grupa R41 semestr VII Specjalność: Inżynieria fotoniczna. Egzamin ustny: trzy zagadnienia do objaśnienia

BADANIE INTERFERENCJI MIKROFAL PRZY UŻYCIU INTERFEROMETRU MICHELSONA

Metody Optyczne w Technice. Wykład 8 Polarymetria

Polaryzatory/analizatory

Wykład I Krzysztof Golec-Biernat Optyka 1 / 16

Elektrodynamika. Część 8. Fale elektromagnetyczne. Ryszard Tanaś. Zakład Optyki Nieliniowej, UAM

Wykład 6: Reprezentacja informacji w układzie optycznym; układy liniowe w optyce; podstawy teorii dyfrakcji

Wstęp do Optyki i Fizyki Materii Skondensowanej


3. Materiały do manipulacji wiązkami świetlnymi

FIZYKA 2. Janusz Andrzejewski

Wykład FIZYKA II. 7. Optyka geometryczna. Dr hab. inż. Władysław Artur Woźniak

Fale elektromagnetyczne. Obrazy.

Podstawy Fizyki IV Optyka z elementami fizyki współczesnej. wykład 8, Radosław Chrapkiewicz, Filip Ozimek

BADANIE INTERFEROMETRU YOUNGA

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

Prędkość fazowa i grupowa fali elektromagnetycznej w falowodzie

Photovoltaics

LASERY I ICH ZASTOSOWANIE

13. Optyka Interferencja w cienkich warstwach. λ λ

LASERY I ICH ZASTOSOWANIE

Podpis prowadzącego SPRAWOZDANIE

Podstawy fizyki wykład 8

Promieniowanie dipolowe

Fizyka dla Informatyki Stosowanej

Podstawy fizyki sezon 2 8. Fale elektromagnetyczne

Zadania z Elektrodynamiki

Propagacja w przestrzeni swobodnej (dyfrakcja)

Arkusz 6. Elementy geometrii analitycznej w przestrzeni

Drgania układu o wielu stopniach swobody

Zadania na zaliczenie ćwiczeń z Elektrodynamiki

WYDZIAŁ.. LABORATORIUM FIZYCZNE

PROPAGACJA PROMIENIOWANIA PRZEZ UKŁAD OPTYCZNY W UJĘCIU FALOWYM. TRANSFORMACJE FAZOWE I SYGNAŁOWE

Metody Obliczeniowe Mikrooptyki i Fotoniki. Podstawy metody różnic skończonych Podstawy metody FDTD

9. Optyka Interferencja w cienkich warstwach. λ λ

LASERY I ICH ZASTOSOWANIE W MEDYCYNIE

przenikalność atmosfery ziemskiej typ promieniowania długość fali [m] ciało o skali zbliżonej do długości fal częstotliwość [Hz]

= arc tg - eliptyczność. Polaryzacja światła. Prawo Snelliusa daje kąt. Co z amplitudą i polaryzacją? Drgania i fale II rok Fizyka BC

Ćwiczenie: "Zagadnienia optyki"

Różne reżimy dyfrakcji

Propagacja wielodrogowa sygnału radiowego

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

Dr Piotr Sitarek. Instytut Fizyki, Politechnika Wrocławska

Optyka falowa. dr inż. Ireneusz Owczarek CMF PŁ 2012/13

POMIAR PRĘDKOŚCI DŹWIĘKU METODĄ REZONANSU I METODĄ SKŁADANIA DRGAŃ WZAJEMNIE PROSTOPADŁYCH

Interferencja. Dyfrakcja.

Elementy optyki relatywistycznej

Wyznaczanie wartości współczynnika załamania

Transkrypt:

Fotonika Wykład 9: Interferencja w układach warstwowych Plan: metody macierzowe - macierze przejścia i rozpraszania Proste układy warstwowe powłoki antyrefleksyjne interferometr Fabry-Pérot tunelowanie optyczne mody dielektrycznego falowodu planarnego

Układ warstwowy Rozważmy układ składający się z N nieskończonych jednorodnych i izotropowych warstw o płaskich i równoległych granicach. Na układ pada z zewnątrz monochromatyczna fala płaska o polaryzacji TE bądź TM. Interesuje nas współczynnik transmisji i odbicia całej struktury. λ 0 1 n n+1 N I x1 y x n, n xn n 1, n 1 xn Spostrzeżenie wewnątrz każdej warstwy mogą wystąpić jedynie 2 fale płaskie różniące się znakiem składowej wektora falowego kx

Układ warstwowy Rozpatrzmy pojedynczy element układu warstwowego - warstwę ośrodka jednorodnego, albo granicę pomiędzy dwoma ośrodkami: U U 2+ + 1 M U 2 U 1 [ ] [ ][ ] U 2+ U 2 A B U 1+ = C D U1 M= [ ] A B C D Macierz transmisji (przejścia) Uwaga: - podobnie możemy opisać działanie każdej części układu (wielu warstw), lub całego układu. - taki opis wymaga założenia liniowości układu

Wypadkowa macierz przejścia U + U2 + 1 M U 2 U 1 [ ] [ ][ ] + U2 U 2 M1 + A B U1 = C D U1 M2 M= Macierz transmisji (przejścia) M3 Macierz wypadkowa całego układu: M = M N M N 1 M 1 [ ] A B C D M4

Macierz rozpraszania U + U2 + 1 S U 2 U1 [ ] [ ][ ] U 2+ = t 12 r 21 U 1+ r 12 t 21 U 2 U 1 Macierz rozpraszania: [ t 12 r 21 S= r 12 t 21 ] - elementy macierzy rozpraszania odpowiadają współczynnikom odbicia i transmisji (można je wyznaczyć przy pomocy wzorów Fresnela, lub przy wykorzystaniu funkcji przenoszenia dla propagacji) - reguła składania dla macierzy rozpraszania nie odpowiada mnożeniu macierzy

Relacja między macierzami przejścia i rozpraszania [ ] [ t 12 r 21 1 AD BC S= = C r 12 t 21 D M= [ ] [ B 1 ] 1 t 12 t 21 r 12 r 21 r 21 A B = C D t 21 r 12 1 ]

Przykład: macierze dla propagacji i dla granicy warstw Ψ( x)=u + ( x)+ U (x) Macierz S dla propagacji: S= [ exp (i ϕ) 0 0 exp (i ϕ) [ 1 r r r 1+ r =U =U ik xd U 2+ =U + ( x 0 + d )=U 1+ e i k U 2 =U ( x 0 + d )=U 1 e + ( x0) ( x0 ) Macierz M dla propagacji: ] M= Macierz S dla granicy warstw: S= U U + 1 1 [ exp (i ϕ) 0 0 exp( i ϕ) Dla padania prostopadłego: ϕ=k d =n k 0 d Dla padania skośnego: ϕ=k x d ] Macierz M dla granicy warstw: ] M= Hz Ze wzorów Fresnela dla wybranej polaryzacji: r Hz r TM = Ez (znaki jak na slajdzie 37 /wykł 4 dla r r TM,lub r r TE ) Hz ϵ 1 k T, x ϵ 2 k I, x ϵ1 k T, x + ϵ2 k I, x Hz t TM =1 r TM [ ] 1 1 r 1+r r 1 Ez r TE = Ez μ 1 k T, x μ 2 k I, x μ1 k T, x +μ 2 k I, x Ez t TE =1 r TE x d

Układ 3 warstw r' r n0 S1 = S 2= [ [ n1 d ϕ=k x d =k 0 d n1 n2 =k 0 d n21 (k y / k 0 )2 ][ ][ t 12 r 21 1 r r = r 1+ r r 12 t 21 t 23 r 32 1 r ' = r ' r 23 t 32 r ] r' 1+ r ' r' t 12 t 23 exp (i ϕ) dla padania ukośnego współczynnik odbicia od pierwszej granicy ośrodków (n0 do n1) współczynnik odbicia od drugiej granicy ośrodków (n1 do n2). Dla n0 = n2 mamy r=-r'. ] Zmodyfikowane wzory Airy: (1 r ' ) (1 r ) exp(i ϕ) 1 r 21 r 23 exp(2 i ϕ) 1+r r ' exp (2 i ϕ) t t r exp(2 i ϕ) r +r ' exp(2 i ϕ) r 13 =r 12 + 12 21 23 = 1 r 21 r 23 exp (2 i ϕ) 1+ r r ' exp(2 i ϕ) t 13= dla padania prostopadłego = (Wyrażenia na dwa pozostałe współczynniki otrzymujemy zamieniając miejscami indeksy 1 i 3 oraz odpowiednio zmieniając kolejność i znaki współczynników odbicia Fresnela) Dla n0 = n2 : 2 t 13= (1 r ) exp(i ϕ) 2 1 r exp(2 i ϕ) r (1 exp(2 i ϕ)) r 13= 2 1 r exp (2 i ϕ)

Przykład: powłoka antyrefleksyjna r n0 r' n1 d n2 r 13= r + r ' exp (2 i ϕ) =0 1+ r r ' exp(2 i ϕ) r + r ' exp (2 i ϕ)=0 Przykładowe rozwiązanie: r =r ' exp (2 i ϕ)= 1

Przykład: powłoka antyodbiciowa r n0 r' n1 d n2 r 13= r + r ' exp (2 i ϕ) =0 1+ r r ' exp(2 i ϕ) r + r ' exp (2 i ϕ)=0 Przykładowe rozwiązanie: r =r ' exp (2 i ϕ)= 1 n 1= n 0 n 2 n 0 < n1 < n 2 Współczynnik załamania Dla granicy powietrza i szkła wykorzystuje się np. MgF2, TiO2 ϕ=2 π n 1 d / λ=π /2+ m π d = λ (1+ 2 m) 4 n1

Przykład: powłoka antyrefleksyjna http://optics.mellesgriot.com/opguide http://hyperphysics.phy-astr.gsu.edu/hbase/hframe.html http://www.us.schott.com/optics_devices /english/products/coating.html

Przykład: powłoka antyrefleksyjna Prostopadłe padanie światła n 0 =1 n 2 =1.5 Brak powłoki n 1 =n 0 ( R= R n 2 n0 n2 +n 0 ) 2 n1 =1.1 n 1= n 0 n 2

Przykład: powłoka antyodbiciowa TE R Ukośne padanie światła (pi/4) TM TM R - przy padaniu ukośnym powstają odbicia od powłoki - dla polaryzacji TM, dla której występuje kąt Brewstera, odbicia są niższe

Przykład: warstwa dielektryka (interferometr Fabry-Pérot) -Nazwy interferometr Fabry-Perot używa się gdy układ pozwala na zmianę odległości d pomiędzy powierzchniami odbijającymi. W przeciwnym wypadku mówi się o płytce (etalonie) FP, tym niemniej opis matematyczny w obu sytuacjach jest taki sam. r n0 r' n1 d r = r ' n0 t 13= Natężeniowy współczynnik transmisji: (1 r 2 ) exp (i ϕ) 2 1 r exp(2 i ϕ) r (1 exp(2 i ϕ)) r 13= 2 1 r exp (2 i ϕ) 2 2 1 r T = t 13 = 4 2 1 r 2 Re(r exp (2 i ϕ)) 2 2 ω n1 d Periodyczność: 2 ϕ=2 k 0 n 1 d cos θ= cos θ=m 2 π c

Przykład: warstwa dielektryka (interferometr Fabry-Pérot) Cienka powierzchnia: (np. bańka mydlana ) 2 d cosθ=m λ / n1 Kąt padania [rad]

Przykład: warstwa dielektryka (interferometr Fabry-Pérot)

Przykład: warstwa powietrza - warunki całkowitego wewnętrznego odbicia (tunelowanie) r r' n0 n0 d n y x n0> n 2 r =1 k y 0

Przykład: warstwa powietrza - warunki całkowitego wewnętrznego odbicia (tunelowanie) r r' n0 n0 d n n0> n 2 r =1 r =exp(i ρ),ρ R i ϕ=i k x d = d k 2y k 20 n 2 = κ d< 0 y x

Przykład: warstwa powietrza - warunki całkowitego wewnętrznego odbicia (tunelowanie) r r' n0 n0 d n n0> n t 13= 2 r =1 (1 r 2 ) exp (i ϕ) 2 1 r exp(2 i ϕ) r (1 exp( 2 i ϕ)) r 13= 2 1 r exp (2 i ϕ) r =exp(i ρ),ρ R i ϕ=i k x d = d k 2y k 20 n 2 = κ d< 0 x y 2 2 (1 r ) exp( κ d ) T = t 13 = 1 r 2 exp( 2 κ d ) 2 2

Przykład: warstwa powietrza - warunki całkowitego wewnętrznego odbicia (tunelowanie) H z TM d =+, λ =0.5μ m I =0.245 H z TM d =λ=0.5 μ m I =0.245

Przykład: warstwa powietrza - warunki całkowitego wewnętrznego odbicia (tunelowanie) d =, =0.5 um współczynnik odbicia d = =0.5um