Materiałoznawstwo optyczne -wytwarzanie, właściwości, badania materiałów, z których wykonane są elementy optyczne.

Podobne dokumenty
Materiałoznawstwo optyczne

Właściwości optyczne. Oddziaływanie światła z materiałem. Widmo światła widzialnego MATERIAŁ

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

Wykład XIV: Właściwości optyczne. JERZY LIS Wydział Inżynierii Materiałowej i Ceramiki Katedra Technologii Ceramiki i Materiałów Ogniotrwałych

Materiałoznawstwo optyczne CERAMIKA OPTYCZNA

I. PROMIENIOWANIE CIEPLNE

PDF stworzony przez wersję demonstracyjną pdffactory

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

Wykład 17: Optyka falowa cz.2.

Laboratorium techniki laserowej. Ćwiczenie 5. Modulator PLZT

Polaryzatory/analizatory

WŁASNOŚCI CIAŁ STAŁYCH I CIECZY

Continental Trade Sp. z o.o

Wstęp do Optyki i Fizyki Materii Skondensowanej

Grafen materiał XXI wieku!?

Spektroskopia molekularna. Spektroskopia w podczerwieni

SPEKTROSKOPIA IR I SPEKTROSKOPIA RAMANA JAKO METODY KOMPLEMENTARNE

Spis treści. Szkło kwarcowe - dane techniczne 3. Rury kwarcowe 5. Pręty kwarcowe 7. Szkło borokrzemowe - dane techniczne 8. Rury borokrzemowe 10

Statyka Cieczy i Gazów. Temat : Podstawy teorii kinetyczno-molekularnej budowy ciał

Dźwięk. Cechy dźwięku, natura światła

Fala EM w izotropowym ośrodku absorbującym

UNIWERSYTET MARII CURIE-SKŁODOWSKIEJ W LUBLINIE

Właściwości kryształów

CIEPLNE I MECHANICZNE WŁASNOŚCI CIAŁ

SPEKTROSKOPIA IR I SPEKTROSKOPIA RAMANA JAKO METODY KOMPLEMENTARNE

Widmo fal elektromagnetycznych

Optyczna spektroskopia oscylacyjna. w badaniach powierzchni

BADANIE WYMUSZONEJ AKTYWNOŚCI OPTYCZNEJ

Nauka o Materiałach. Wykład XI. Właściwości cieplne. Jerzy Lis

Widmo promieniowania

Dobór materiałów konstrukcyjnych cz.13

Wstęp do Optyki i Fizyki Materii Skondensowanej

!!!DEL są źródłami światła niespójnego.

LASERY I ICH ZASTOSOWANIE

Technika laserowa, otrzymywanie krótkich impulsów Praca impulsowa

Zespolona funkcja dielektryczna metalu

STRUKTURA CIAŁA STAŁEGO

PIEZOELEKTRYKI I PIROELEKTRYKI. Krajewski Krzysztof

Fizyka Ciała Stałego

Kwantowe własności promieniowania, ciało doskonale czarne, zjawisko fotoelektryczne zewnętrzne.

IV. Transmisja. /~bezet

Optyka. Optyka geometryczna Optyka falowa (fizyczna) Interferencja i dyfrakcja Koherencja światła Optyka nieliniowa

Materiały Reaktorowe. Właściwości mechaniczne

Dr Piotr Sitarek. Instytut Fizyki, Politechnika Wrocławska

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

WYKŁAD 2 Podstawy spektroskopii wibracyjnej, model oscylatora harmonicznego i anharmonicznego. Częstość oscylacji a struktura molekuły Prof. dr hab.

Spektrometria w bliskiej podczerwieni - zastosowanie w cukrownictwie. Radosław Gruska Politechnika Łódzka Wydział Biotechnologii i Nauk o Żywności

LASERY I ICH ZASTOSOWANIE W MEDYCYNIE

Technologie wytwarzania. Opracował Dr inż. Stanisław Rymkiewicz KIM WM PG

Własności optyczne półprzewodników

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

Falowa natura światła

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

Optotelekomunikacja. dr inż. Piotr Stępczak 1

Kondensatory. Konstrukcja i właściwości

Podstawy fizyki kwantowej

Pomiar tłumienności światłowodów włóknistych

SZKŁO LABORATORYJNE. SZKŁO LABORATORYJNE (wg składu chemicznego): Szkło sodowo - wapniowe (laboratoryjne zwykłe)

ANALIZA SPEKTRALNA I POMIARY SPEKTROFOTOMETRYCZNE. Instrukcja wykonawcza

Ciekłe kryształy. - definicja - klasyfikacja - własności - zastosowania

Oddziaływanie promieniowania X z materią. Podstawowe mechanizmy

Elementy optyki relatywistycznej

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

Oddziaływanie cząstek z materią

ZASADY ZALICZENIA PRZEDMIOTU MBS

Podstawy Fizyki IV Optyka z elementami fizyki współczesnej. wykład 2, Radosław Chrapkiewicz, Filip Ozimek

Niezwykłe światło. ultrakrótkie impulsy laserowe. Piotr Fita

Struktura materiałów. Zakres tematyczny. Politechnika Rzeszowska - Materiały lotnicze - I LD / dr inż. Maciej Motyka.

Podstawy Fizyki IV Optyka z elementami fizyki współczesnej. wykład 2, Mateusz Winkowski, Jan Szczepanek

Podstawy fizyki wykład 8

Feynmana wykłady z fizyki. [T.] 1.2, Optyka, termodynamika, fale / R. P. Feynman, R. B. Leighton, M. Sands. wyd. 7. Warszawa, 2014.

40. Międzynarodowa Olimpiada Fizyczna Meksyk, lipca 2009 r. DWÓJŁOMNOŚĆ MIKI

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

Promieniowanie rentgenowskie. Podstawowe pojęcia krystalograficzne

GŁÓWNE CECHY ŚWIATŁA LASEROWEGO

Ciała stałe. Ciała krystaliczne. Ciała amorficzne. Bardzo często mamy do czynienia z ciałami polikrystalicznymi, rzadko monokryształami.

Spis treści. Wykaz ważniejszych oznaczeń. Przedmowa 15. Wprowadzenie Ruch falowy w ośrodku płynnym Pola akustyczne źródeł rzeczywistych

Własności optyczne półprzewodników

MATERIAŁY SUPERTWARDE

Pole elektrostatyczne

Zagadnienia do ćwiczeń laboratoryjnych z fizyki

OZNACZANIE ŻELAZA METODĄ SPEKTROFOTOMETRII UV/VIS

Metody badania kosmosu

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

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

Momentem dipolowym ładunków +q i q oddalonych o 2a (dipola) nazwamy wektor skierowany od q do +q i o wartości:

Wykład 5 Widmo rotacyjne dwuatomowego rotatora sztywnego

i elementy z półprzewodników homogenicznych część II

Spektroskop, rurki Plückera, cewka Ruhmkorffa, aparat fotogtaficzny, źródło prądu

Włókna z cieczowym rdzeniem oraz włókna plastykowe. Liquid-Core and Polymer Optical Fibers

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

Ciało doskonale czarne absorbuje całkowicie padające promieniowanie. Parametry promieniowania ciała doskonale czarnego zależą tylko jego temperatury.

4.3 Wyznaczanie prędkości dźwięku w powietrzu metodą fali biegnącej(f2)

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

Technologia światłowodów włóknistych Kable światłowodowe

Pole elektryczne w ośrodku materialnym

Stałe : h=6, Js h= 4, eVs 1eV= J nie zależy

Metody Optyczne w Technice. Wykład 8 Polarymetria

Transkrypt:

Materiałoznawstwo optyczne -wytwarzanie, właściwości, badania materiałów, z których wykonane są elementy optyczne. Podział spektralny materiałów optycznych: zakres promieniowania świetlnego: od ultrafioletu =0.0 m do dalekiej podczerwieni =00 m przez obszar widzialny =0.38 0.78 m podobnie mat. opt. ultrafiolet powietrzny (promieniowanie nie jest wyraźnie absorbowane przez atmosferę), ultrafiolet daleki (próżniowy), sięgający do zakresu promieniowania rentgenowskiego (elementy ukł. rentgenowskich mogą byd wykonywane z mat. opt. i za pomocą technologii optycznych), podczerwieo : bliska =0.75.5 m, średnia =3 5 m, daleka =7.5 4 m

Podział strukturalny szkła ( mat. amorficzny), dewitryfikatory kryształy polimery wielkocząsteczkowe ciekłe kryształy inne

szkła tlenkowe: na bazie SiO, tlenkach ołowiu, baru boru, sodu i potasu. Wyjątkowe szkło: szkło kwarcowe (czyste SiO ) (nie mylid z kwarcem - kryształem): dobre właściwości mechaniczne, chemiczne, względnie mały wsp. rozszerzalności termicznej i szeroki zakres przepuszczania od ultrafioletu do progu II okna atmosferycznego. szkła filtrowe szkła laserowe szkła odporne na promieniowanie jonizujące (tzw. szkła serii 00) fotochromowe inne szkła chalkogenkowe: na bazie (S, Se, Te)- materiał szkłotwórczy w obecności modyfikatorów (Se,Si,As,Sb,P) średnia i daleka podczerwieo najczęściej stosowane As S 3 i kompozycje Ge-As-Se szkła fluorowcowe (halidy): głównie BeF i inne z F; BeF - ważny materiał laserowy o małym wsp. zał. Wada- toksycznośd berylu, mała odpornośd na wodę i skłonnośd do krystalizacji. Zastosowanie również w światłowodach na podczerwieo (0.00 db/m dla =3.4 m) Podstawowe materiały optyczne SZKŁO struktura bezpostaciowa amorficzna, nie wykazująca prawidłowości rozmieszczenia elementów strukturalnych w obszarach większych niż nm najczęściej stosowane w tradycyjnym obszarze promieniowania i bliskiej podczerwieni

KRYSZTAŁY najdawniej stosowany mat. opt. mono- lub polikryształy o znacznych niekiedy rozmiarach zastosowania: mat. dwójłomne mat. elektrooptyczne mat. magnetooptyczne mat. akustooptyczne polaryzatory płytki fazowe modulatory deflektory

CIEKŁE KRYSZTAŁY ciała, w których występuje uporządkowanie molekuł w stanie ciekłym, w mezofazie między fazą stałą ciała krystalicznego a fazą cieczy izotropowej trzy podstawowe struktury: nematyczna smektyczna cholesteryczna dwójłomnośd, aktywnośd optyczna kilka razy większa niż w kryształach, dichroizm kołowy przepuszczalnośd, rozproszenie i odbicie światła zależne od stanu fazowego i struktury sterowanie własnościami: termiczne elektryczne magnetyczne mechaniczne chemiczne zastosowanie: głównie w systemach obrazowania optycznego (tzw. displeje)

DEWITRYFIKATORY szkło z częściową krystalizacją (faza amorficzna z drobnymi 50nm kryształami), mały wsp. rozszerzalności termicznej (efekt kompensacji) dla temperatur pokojowych można dostad =0 większa odpornośd na zmiany temperatury większa wytrzymałośd mechaniczna wady - zmniejszona przepuszczalnośd zwłaszcza w obszarze krótkofalowym zastosowanie: w dużych układach zwierciadlanych

CERAMIKA OPTYCZNA materiały polikrystaliczne formowane przez prasowanie i spiekanie substancji sproszkowanej mikroniejednorodności związane z drobnoziarnistością powodują przesunięcie krawędzi absorpcji w stronę fal dłuższych, wywołane rozproszeniami zastosowanie głównie w podczerwieni jednorodnośd mechaniczna, termiczna i optyczna lepsza, ale mniejsza odpornośd chemiczna możliwośd formowania gotowych elementów otycznych pierwsze katalogowe materiały: IRTRAN -6

TWORZYWA SZTUCZNE polimery nazywane też szkłami organicznymi parametry optyczne porównywalne z typowymi mat. opt. reprezentanci: polimetakrylan metylu polistyren żywica poliwęglanowa łatwa formowalnośd gotowych wyrobów zastosowanie w seryjnej produkcji elementów średniej klasy oraz elementów o skomplikowanych kształtach (np.asfery, szkła okularowe)

INNE światłowody i kable światłowodowe materiały do wytwarzania elementów dyfrakcyjnych materiały do wykonywania cienkich warstw, filtrów interferencyjnych i przeciwodbiciowych polaroidy kleje materiały oftalmiczne

WŁAŚCIWOŚCI MATERIAŁÓW OPTYCZNYCH Właściwości optyczne: wsp. załamania dyspersja dwójłomnośd naturalna dynamiczne zmiany wsp. zał. wywołane czynnikami mechanicznymi, termicznymi, wpływem pól elektrycznych i magnetycznych, akustycznych wsp. odbicia wsp. transmisji absorpcja charakterystyki spektralne luminescencja i efekty radiacyjne efekt fotochromowy

Właściwości mechaniczne: twardośd moduł sprężystości kruchośd Właściwości termiczne: wsp. rozszerzalności liniowej odpornośd na niskie i wysokie temperatury przewodnośd cieplna temperatura mięknienia i przemiany temperatura topnienia Właściwości elektryczne: przenikalnośd elektryczna przewodnośd odpornośd na przebicie Właściwości chemiczne: odpornośd na działanie roztworów kwaśnych, zasadowych odpornośd na działanie atmosfery, wody (np. rozpuszczalnośd w wodzie) toksycznośd

KRYTERIA WYBORU MATERIA ÓW PRZY KONSTRUKCJI UK ADÓW OPTYCZNYCH Trzy grupy właściwości: optyczne pozaoptyczne (montaż, justowanie, użytkowanie,itp.) ekonomiczno-handlowe (dostępnośd, wymiary handlowe, cena, termin dostawy) Kryteria optyczne: charakterystyki spektralne (przepuszczania i odbicia) położenie krawędzi absorpcji minimalna wartośd wsp. transmisji dopuszczalna modyfikacja charakterystyki spektralnej za pomocą czynników zewnętrznych dla materiałów przeznaczonych poza obszar widzialny: dobrze by było, aby charakteryzował się przepuszczalnością w obszarze widzialnym, ze względu na możliwośd justowania i montażu za pomocą uniwersalnych urządzeo pomiarowo-kontrolnych ewentualnoœæ korekty właściwości transmisyjnych za pomocą powłok cienkowarstwowych charakterystyki dyspersyjne wsp. zał. w obszarze roboczym dopuszczalna zmiana wsp. zał. pod wpływem czynników zewnętrznych, a także w czasie procesu technologicznego wykonywania elementu optycznego

Kryteria pozaoptyczne: twardośd, ścieralnośd sztywnośd, lekkośd kruchośd właściwości termiczne właściwości obróbcze materiału właściwości materiału przy współpracy z materiałami powłok cienkowarstwowych łatwośd łączenia elementów optycznych ze sobą i w oprawach

Współczynnik załamania - właściwośd materiału optycznego wynikająca z jego składu chemicznego, gęstości, budowy strukturalnej, określonych stanów elektronowych opisywanych polaryzowalnością; ujawnia się pod wpływem pola elektromagnetycznego przenikającego przez ośrodek optyczny - zależy od długości fali światła i w zakresie przepuszczalności maleje ze wzrostem długości fali; zakres ten ograniczony jest obszarami częstotliwości światła, dla których absorpcja gwałtownie rośnie w związku z rezonansowymi częstotliwościami własnymi przejśd elektronowych (po krótkiej stronie) lub drgao sieci krystalicznej (po stronie długofalowej Definicja n=c/v n =n /n

Związek współczynnika załamania z własnościami materii Model Lorentza: Elektrony walencyjne a światło (fala EM) Fala EM polaryzacja ośrodka (efekt zmiany położenia elektronu względem jądra atomu; elektron wraz z jądrem tworzy oscylujący dipol, który drga wokół położenia równowagi) Częstotliwość drgań dipola i fali EM jest taka sama, ale występuje między nimi opóźnienie fazowe Opóźnienie to powoduje spowolnienie rozprzestrzeniania się fali EM Polaryzacja indukowana P=ε 0 (ε-)e Trzy typy polaryzowalności dipolowa jonowa elektronowa

wielkość charakterystyczna dla każdego dipola współczynnik polaryzowalności α: P=αE znajomość α i poszczególnych zbiorów N i atomów tworzących modelowy ośrodek optyczny pozwala obliczyć przenikalność dielektryczną ε wzór Clausiusa-Mosottiego 3 wzór Lorentza-Lorenza 0 i N i i n Y Y Y N A 3V m

Dyspersja współczynnika załamania Model Lorentza-Lorenza częstotliwość światła ν a częstotliwość ν 0 drgań własnych elektronów wzór Sellmeyera dla N oscylatorów w jednostce objętości drgających z jedną częstotliwością (tylko dla ośrodków przezroczystych, dielektrycznych, nieabsorpcyjnych) i i i i i i N m e N n n 0 0 3 0 C n

równanie Cauchy ego B C n A Wzory dyspersyjne 4 równanie Sellemyera A n i i i równanie Herzbergera n A BL CL wzór katalogowy firmy Schott D E 4 ; L 0.08 n A A3 A4 A5 A0 A 4 6 8

Współczynnik dyspersji przyjęto, że będzie wyznaczany dla określonych długości fal długości fal emitowanych przez źródła promieniowania dające widmo dyskretne (pary metali, gazy, itp.) indeksy: oznaczenia literowe linii widmowych Fraunhofera charakterystycznych pierwiastków podstawowa linia: żółta linia d sodu, potem żółta linia d helu wartości graniczne: jako skrajne linie linie F i C obecnie: linia podstawowa linia e linie graniczne linie F i C (wynika to z lepszej zgodności z krzywą czułości widmowej ludzkiego oka) Współczynnik dyspersji n Dla obszaru widzialnego - liczba Abbego nd n d e n n n F C Bardzo przydatne przy konstrukcji układów optycznych n n 3 F ' e n C ' D D 0

Przepuszczalność światła: - wsp. ekstynkcji, ( t kz ) prościej: E E0e kz e i natężenie światła wsp. pochłaniania zatem pochłanianie nie zależy od intensywności światła, co jest słuszne dla szerokiego zakresu spektralnego i relatywnie małych gestości energii absorbancja A: wsp. przepuszczania - stosunek natężenia światła po przejściu przez ośrodek do natężenia światła padającego (straty we wnętrzu materiału oraz oraz fresnelowskie odbicia na granicach ośrodka) i - współczynnik przepuszczania wewnętrznego przykład - płytka o grubości z :

gęstośd optyczna D log 0 tłumiennośd A [db/km] katalogowe szkła : 500-000dB/km, szkło kwarcowe do światłowodów - mniej niż db/km. 0.dB/km oznacza osłabienie sygnału wejściowego o połowę na długości 5km mechanizmy strat: w obszarze krótkofalowym: elektronowe przejścia międzypasmowe w obszarze przepuszczania: absorpcja wynikająca z przejśd elektronowych nie w pełni obsadzonych powłok wewnętrznych w atomach, absorpcja na jonach OH - związana z rezonansowymi częstotliwościami drgao cząsteczek wody, rozproszenie Rayleigha na fluktuacjach gęstości i składu chemicznego ośrodka w przypadku gdy zaburzenie ma wymiar mniejszy niż, rozproszenie Mie na większych cząstkach w obszarze długofalowym: absorpcja wywołana oddziaływaniem promieniowania z termicznie wzbudzonymi oscylacyjnymi modami sieci strukturalnej, prowadząca do powstania fononów

Nieoptyczne własności mat. opt. właściwości mechaniczne twardośd : skala Mohsa: odpornośd na zarysowanie porównywana z odpowiednią odpornością jednego z 0 minerałów ułożonych w porządku wzrastającej twardości od (talk) do 0 (diament) skala Knoopa : stosunek siły do powierzchni odcisku diamentowej piramidki w kształcie ostrosłupa o podstawie rombu, podawana w kg/mm, przykład zapisu - twardośd 50 przy użytej sile pomiarowej 0.98N i czasie trwania próby 0s: 50 HK 0./0; HK mniejsze niż 00 - b. miękkie, trudne do polerowania, większe niż 750- zdecydowanie twarde metoda Martensa: siła potrzebna do uzyskania rysy o szerokości 0 m wykonywanej diamentowym stożkiem o określonych rozmiarach; symbol H r porównawcze metody: stosunek objętości zeszlifowanego szkła odniesienia do objętości szkła badanego

sprężystośd: dla materiałów izotropowych - moduł Younga E - moduł sprężystości Kirchoffa G - współczynnik Poisona : gdzie: - naprężenie wzdłużne, w - odkształcenie wzdłużne, - odkształcenie poprzeczne E w szkłach optycznych 40-40GPa dla materiałów anizotropowych: tensory kruchośd, łupliwośd: zdolnośd kryształów do pękania pod wpływem uderzenia lub nacisku na wzdłuż płaszczyzn łupliwości, w mineralogii: łupliwośd doskonała (NaCl), dokładna, wyraźna (kwarc), jednopłaszczyznowa (mika), wielopłaszczyznowa (np. kostkowa NaCl); równolegle do płaszczyzn łupliwości leży kierunek najmniejszej twardości; miara - naprężenie potrzebne do powiększenia pęknięcia w odniesieniu do MgF - Al O 3 (3) diament (), Si (0.95), Ge 0.66) CaF (0.5)

właściwości termiczne rozszerzalnośd cieplna istotne znaczenie przy konstrukcji układów pracujących w zmiennych warunkach atmosferycznych przewodnośd cieplna: - jednostka: W/m K szkło o wyższej przewodności - bardziej wytrzymałe na nagłe zmiany temperatury, mała przewodnośd cieplna- zdolnośd do hartowania szkła (naprężenia termiczne) znaczenie w procesie produkcji szkła odpornośd termiczna: największa różnica temperatur, jaką może wytrzymad przedmiot bez pękania