Metody Optyczne w Technice Wyład 9 Optya nieliniowa
Fala eletromagnetyczna J t D H t B B D rot rot div div J M H H B D
Nieliniowa odpowiedź ośroda olaryzacja ośroda to moment dipolowy na jednostę objętości j j ij i i r d V D
olaryzacja ośroda 6 7 3 3 3...... m V m V cm W I at
Symetrie Natężenie pola el. i polaryzacja ośroda to wetory więc podatność musi mieć formę macierzy 3D (tensora) W przypadu ośroda z centrum symetrii
rocesy parametryczne t Acost ~ A cos t A cost A cos t cos t W ośrodu poza falą o częstości ω pojawia się pole stałe ω= (tzw. prostowanie optyczne) oraz pole o częstości razy więszej ω=ω (tzw. druga harmoniczna)
Mieszanie częstości t A A t A A t A t A A A t t A t A t cos cos cos cos cos cos
Dopasowanie fazowe 3 3 3 3 3 ~ ~ ~ r r r r e e e r e r A A e A e A e r i r r i r i r i r t i r t i r t i
Dopasowanie fazowe Jeśli dopasowanie fazowe nie jest spełnione I 3 3 z L iz e ~ z e z L ~ L sinc Droga spójności wynosi L c
Generacja. harmonicznej n c n n Istnieje dyspersja chromatyczna materiałów, tzn. współczynni załamania zależy od dł. fali
Generacja. harmonicznej Kryształ dwójłomny romień zwyczajny n o romień nadzwyczajny n e Typ I o+o -> e Typ II o+e -> e
fet ocelsa cos cos n n n t A A t A A A n
fety nieliniowe 3. rzędu Mieszanie 4 fal Generacja 3. harmonicznej fet Kerra Samomodulacja fazy Solitony optyczne Superontinuum Ultrarótie impulsy
Mieszanie 4 fal 3 * ω, ω, ω3, ω+ ω+ ω3, ω+ ω- ω3, 3ω (trzecia harmoniczna) ω+ ω- ω= ω (efet Kerra) 3
Samoognisowanie W wyniu samomodulacji fazy impuls świetlny ulega poszerzeniu spetralnemu (zwężeniu czasowemu) W wyniu dyspercji chromatycznej impuls świetlny ulega poszerzeniu czasowemu (różne częstości podróżują z różną prędością) Jeśli oba procesy równoważą się powstaje soliton optyczy impuls światła, tóry nie zmienia swojego ształtu
Solitony owstanie solitonu zależy od mocy sygnału (wzrost wartości podatności nieliniowej 3. rzędu) solitony biegnące równolegle przyciągają się
Superontinuum Wprowadzenie do ośroda nieliniowego bardzo rótiego impulsu światła (o bardzo szeroim widmie) powoduje jeszcze więsze poszerzenie widma W efecie można otrzymać impuls o pratycznie ciągłym widmie w bardzo szeroim zaresie - superontinuum
rzełączanie optyczne Z możliwośći zmieny współczynnia załamania światła za pomocą pola eletrycznego (ef. ocelsa) lub natężenia fali eletromagnetycznej (ef. Kerra) wynia możliwość przełączania optycznego Zmienny współczynni załamania pozwala ierować wiązę światła do różnych anałów w zależności od mocy sygnału sterującego
przerwa
Stany supienia Ciało stałe Cząsteczi sztywno trzymają się dzięi wiązaniom moleularnym, ośrode regularny anizotropowy Ciecz Na sute podgrzewania wiązania moleularną są zrywane i cząsteczi mogą poruszać się względem siebie choć nadal trzymają się razem, ośrode izotropowy Gaz Dalszy wzrost temperatury zwięsza prędości cząstecze sprawiając że wiązania stają się zaniedbywalne lazma W bardzo dużych temperaturach eletrony odrywają się od atomów tworząc silnie zjonizowane cząsti. lazma jest więc naładowana, co umożliwia utrzymywanie jej w polu M
Ciełe ryształy Ciełe ryształy stanowią fazę pomiędzy ciałem stałym a cieczą (tzw. mezofaza) Są one cieczami ale wyazują pewien stopień uporządowania Nie wszystie substancje wyazują fazę ciełorystaliczną, a jedynie te, tóre mają cząsti w sztąłcie pręciów, dysów lub płyte
Ciełe ryształy Faza ciełe rystaliczna najczęściej powstaje przez schłodzenie cieczy lub podgrzanie ciała stałego rzy podgrzewaniu ciełego ryształu po osiągnięciu puntu topnienia przechodzi on w ciecz zwaną fazą izotropową Dzięi swojej budowie ciełe ryształy wyazują właściwości anizotropowe i nieliniowe Istnieje ila rodzajów uporządowania moleuł w ciełych ryształach
Nematyi Istnieje uporządowanie daleozasięgowe w ramach ustawienia moleuł równolegle do siebie Kierune ustawienia nazywamy diretorem Diretor wyznacza ierune osi optycznej ciełego ryształu od wpływem pola eletrycznego moleuły mogą się obracać (reorientacja). roces ten odbywa się wspólnie dla całych obszarów materiału.
Cholesteryi W tej fazie moleuły organizują się w długie spirale Kierune diretora podobnie ja moleuły obraca się wzdłuż ośroda. owoduje to obracanie się osi optycznej materiału Ores obrotu osi wynosi połowę sou obrotu moleuł (+n i n to to samo) Ilość domieszi chiralnej w nematyu wpływa na wielość sou
Cholesteryi (nematyi chiralne)
Cholesteryi Jeśli so helisy jest porównywalny z długością fali światła występuje seletywne odbicie W dodatu z powodu rozszerzalności termicznej odbijana długość fali zależy od temperatury
Smetyi
Smetyi Smetyi charateryzuje uporzędowanie orientacji moleuł a taże uporządowanie ich pozycji Cząsteczi tworzą silnie związane warstwy. Oddziaływania miedzywarstwowe są dużo słabsze.
Smetyi chiralne
Blue phase (B) Występuje w bardzo wąsim zaresie temperatur dla nematyów chiralnych Moleuły są jednocześnie sręcone w dóch wymiarach
Właściwości optyczne LC Dwójłomność Kierune diretora wyznacza oś optyczną ośroda
Właściwości optyczne LC rzełączanie eletrooptyczne
fet Frederisa Jeśli pole eletryczne dążące do obrócenia moleuł jest prostopadłe o diretora, efet reorientacyjny zachodzi nagle dla wartości pola powyżej pewnego progu Zjawiso to nazywamy efetem Frederisa Dla innych ierunów pola reorientacja jest bezprogowa, zaś jej stopnień zależy od wartości pola
Mechanizmy nieliniowości w LC Nieliniowość reorientacyjna od wpływem fali świetlnej oświetlającej omórę moleuły ulegają przeorientowaniu stawiając się wzdłuż drgań pola Na orientację moleuł ma taże silny wpływ oddziaływanie ze ścianami naczynia (waruni brzegowe) Nieliniowość drugiego rzędu Charater nieloalny Zależy od polaryzacji fali fet ulega nasyceniu po obróceniu moleuł rowadzi do bardzo dużych wartości dwójłomności
Nieliniowość termiczna Wiąza fali świetlnej przechodząc przez cieły ryształ ulega częściowej absorpcji zwięszając loalnie temperaturę i zmieniając stopień uporządowania oraz gęstość ciełego ryształu. Wpływa to na wartość współczynnia załamania światła
Ciełorystaliczne światłowody fotoniczne Obecnie bada się światłowody fotoniczne wypełnione ciełymi ryształami Kontrolowana dwójłomność Właściwości czujniowe Kontrola właściwości optycznych Optya zintegrowana (przełącznii, ułady logiczne)