Optikai alapfogalmak Fény: transzverzális elektromágneses hullám n = c vákuum /c közeg Az elektromágneses spektrum Az anyag és s a fény f kölcsk lcsönhatása Visszaverıdés Visszaverıdés, reflexió Törés, kettıstörés, polarizáció Elnyelés, abszorpció, szórás Fénykibocsátás, fotoeffektus Fotokémiai reakciók Elektrooptikai, magnetooptikai hatás Fresnel törvény merıleges beesésnél: (minden közeg határfelületén, iránytól független) Szögfüggés: Brewster szög: polarizációs sík szerinti szétválás: a párhuzamos megtörik (R párh =0), a merıleges visszaverıdik (n 1 n 2 ) 2 R= (n 1 + n 2 ) 2 1
Reflexió módosítása sa dielektrikum-rétegekkel tegekkel Antireflexiós (AR) bevonat: Átlagos üvegfelületrıl (n = 1,5), R 4% Rétegvastagság: n 1 d = λ/4 Két visszavert sugár gyengítı interferencia Teljes kioltás, ha: Függ: hullámhossz beesési szög Egyrétegő bevonat: R 1% Többrétegő bevonatok Szélesebb λ-tartomány Szabályozható áteresztés, visszaverés, pl: interferenciaszőrı Dielektrikum tükrt krök: k: visszaverés irányában erısítı interferencia Felváltva nagy és kis törésmutatójú rétegrendszer, λ/2, λ/4 rétegek, Fehér fényre: R 99%, csak egy λ -ra: R 99,999% pl. lézerek, rétegszám: 31-35 Alkalmazások: Fénytörés Interferenciaszőrık Hidegtükrök (infrát nem veri vissza) pl. vetítılámpa Lencsék tükrözésmentes bevonata Egyirányú tükrök Kirakatüveg Réteganyagok: Kis n: MgF 2, kriolit Nagy n: ZrO 2, TiO 2, ZnS A legjobban tükrözı fémek reflexiós spektruma Schnellius-Descartestörvény: n =sinα /sinβ =c 1 /c 2 A törésmutató függ a hullámhossztól Diszperzió Fény felbontása hullámhossz szerint, spektroszkópia, ékszerek csillogása Optikai adatátvitelben a jelsebesség függ a λ -tól, a jel kiszélesedik, csökken az átviteli kapacitás Anyagdiszperzió [ps/nm/km] Kettıst störés, s, polarizáci ció Lencsék, lencserendszerek kromatikus hiba: fehér fényt használva minden hullámhosszra máshol van az éles kép Korrekció: kétféle optikai üvegcsalád: korona és flint ν: Abbe-szám Anizotrópia: az anyagi tulajdonságok pl. n, ρ, D függenek a vizsgálati iránytól Izotróp anyagok: gázok, folyadékok, polikristályos anyagok, szimmetrikus rácsú egykristályos anyagok Anizotróp: nem szabályos rendszerő egykristályos anyagok, folyadékkristályok Anizotróp anyagokban kristálytani tengelyek irányában más más törésmutató n o (rendes, ordinárius), n eo (rendellenes, extraordinárius) SiO 2, kvarc: 1,544 1,553 TiO 2, rutil: 2,616 2,903 2
Polisztirol láncmolekulák rendezıdése a fröccsöntı szerszámban Két megtört fénysugár polarizációja egymásra merıleges A polarizáció síkja megegyezik a fıtengelyek irányával. Kettıstörést / anizotrópiát okozhat: Mechanikai feszültség Makromolekulák rendezıdése Elektromos, mágneses tér Alkalmazás: Anyagvizsgálat, fényerı-szabályozás, reflexiócsökkentés (pl foto), LCD kijelzı, optikai jelmodulálás Egy meteorit kızetszemcse polarizációs mikroszkópi képe Fényelnyelés Foton energiája megfelel egy elektron energia-átmenetnek Fekete, fehér, átlátszó, színes anyagok: a látható spektrumból mást-mást nyelnek el Hımérsékleti sugárzás: (fizika) Stephan-Boltzmann törv: S = σt 4 S: össz. kisugárzott teljesítmény Fénykibocsátás Lumineszcencia Pl. fénycsı, katódsugárcsı Laser A hımérsékleti sugárzás spektrális eloszlása Lumineszcencia Fluoreszcencia, foszforeszcencia 1. Gerjesztés (energiafelvétel) UV, katódsugárzás, RTG, radioaktív, el. tér, stb 2. Energia tárolás µs ms s utánvilágítás vagy nem sugárzásos energia-leadás 3. Foton kibocsátás Stokes törv.: E gerj > E em vagy fotolum: λ gerj < λ em Félvezetı jellegő anyagok foszforeszcens világítási mechanizmusa Fluoreszcens: spin váltás nélkül egyszerőbb mechanizmus, rövidebb utánvilágítás Foszforeszcens: a spin megforduláshoz 3. szereplı, hosszabb utánvilágítás micro.magnet.fsu.edu 3
Laser Feltétlek: 1.Metastabil energiaszint (pumpálás = elektronok gerjesztése a metastabil szintre) 2.Populáció inverzió (több elektron van gerjesztett állapotban, mint alapon) 3.Stimulált emisszió A rekombináció egy másik foton hatására következik be. 4.Optikai rezonátor Koherens nyaláb: λ, fázis, (esetenként a polarizáció) nagyon pontosan megegyezik. Nagy energiasőrőség Az aktív tartomány két végén dielektrikum tükör. Zárt végen R > 99,5%, a kilépı oldalon ~ 50%. Pulzáló fény. A He Ne lézer mőködése A félvezetf lvezetı lézerek mőködésem Kerr effektus A különbözı fényforrások jellegzetes emissziós spektruma Elektro-optikai modulátor sémája. A fény polarizációs síkjának elfordítása elektromos térrel Ebben az elrendezésben az alkalmazott villamos tér párhuzamos a fény terjedésével. 2 E δ = K π l 2 d 2 4
Transzverzális elektrooptikai moduláció Felsı: két elemes konfiguráció, pl. ADP típusú anyagokhoz. Alsó:egy elemes konfiguráció, pl. lítium-tantalát típusú anyagokhoz. Pockels effektus δ ~ E Elektro-Optikai Anyagok Anyag Rövidítés Képlet Ammonium dihydrogen phosphate Potassium dihydrogen phosphate Potassium dideuterium phosphate Lithium niobate Lithium tantalate Áteresztési tartomány (µ m) Sávszélesség (MHz) ADP NH 4 H 2 PO 4 0.3-1.2 to 500 KDP KH 2 PO 4 0.25-1.7 > 100 KD*P KD 2 PO 4 0.3-1.1 to 350 LN LiNbO 3 0.5-2 to 8000 n o,n e adott hullámhosszon (µm) 1.51, 1.47 at 1.06 1.51, 1.47 at 0.55 1.49, 1.46 at 1.06 2.23, 2.16 at 1.06 2.14, 2.143 LiTaO 3 0.4-1.1 Optika to Gröller 1000BMF Kandó at MTI 1.00 Faraday hatás A polarizációs sík változtatása mágneses térrel θ = V l B V: Verdet áll: ~ 10-4 ívpec/tesla m Magnetooptikai Kerr effektus Alkalmazás adattárolásban Anyagok: Bizmuttal adalékolt yttrium-vas gránát (Bi:YIG), nitrobenzol Mágneses tulajdonságok Alapfogalmak B = µ 0 µ rel H B: Indukció (T) H: Térerısség (A/m) µ 0 : vákuum permeabilitása = 4 10-7 Vs/Am µ rel : relatív permeabilitás, anyagi jellemzı B = µ 0 H + M, ill. M = χ H M: mágnesezettség χ: mágn. szuszceptibilitás, anyagi jellemzı µ rel = 1 + χ 5
Alaptípusok: Paramágneses: µ rel > 1 χ > 0 Diamágneses: µ rel < 1 χ < 0 Ferromágneses: µ rel >> 1 χ >> 0 (µ rel ~ χ ) Atomi szintő értelmezés Elektron mágneses momentuma: Pályamenti mozgás, Spin Bohr-magneton: a mágneses dipólmomentum egysége: µ B = eh/4πm e = 9,27 10-24 Am 2 Pálymenti mozgás hozzájárulása: m µ B, ahol m az elektron mágneses kvantumszáma ( 0, ±1, ±2..) Spin hozzájárulása: ± µ B Eredı mágneses momentum: az elektronok momentumainak vektori eredıje. Telített héjon, párosított spínő elektronok egymás hatását kioltják. Csak a külsı pályán levı, párosítatlan spinő számít. Az atommag hozzájárulása elhanyagolható Diamágneses anyagok: χ ~ -10-5, Alkalmazás ritka Szupravezetık: ideális diamágneses viselkedés: χ = -1 Ferromágneses jellemzık Paramágneses anyagok: χ ~ 1 100 10-5 Alkalmazás: mágneses szétválasztás, mérés (pl O 2 ) Ferromágneses anyagok: Fe, Co, Ni, Gd, Fe 2 O 3, CrO 2, ötvözetek, stb. Szerkezeti tulajdonság is: elemi dipólusok erısek, egymást is irányítják Rendezett tartományok, A domének átfordulása ferromágneses domének anyagok elsı mágnesezése során Hiszterézis Domén szerkezet 10-2 10-5 cm Weiss 1907, kimutatás Bitter 1931 Curie-hımérséklet Magnetostrikció: a doménszerkezet átalakulásával méretváltozás (+ -), mechanikai feszültség Jellegzetes mágnesezési görbe A doménfalak mozgása Fe egykristályban, növekvı térerısség hatására Lágy és kemény mágnes ideális mágnesezési görbéje Lágymágnesekgnesek Nagy telítési indukció Kis hiszterézis Kis H c (< 300A/m), nagy fajlagos ellenállás Alkalmazás: Elektromágneses indukción alapuló: transzformátor, motor, generátor Elektromechanikus eszközök: emelık, relék, mágneskapcsolók Mágneses árnyékolók 6
Anyagok: Fe: nagy hiszterézis és örvényáram veszteség Fe-Si (1 4%) C és O szennyezés káros Erısáramú alk Ni Fe (80 : 20) permalloy, Ni,Fe, Mn,Mo: supermalloy Fémüvegek, nanokristályos ötvözetek Ferritek: MnFe 2 O 4 -ZnFe 2 O 4, NiFe 2 O 4 - ZnFe 2 O 4 Gránátok: 3M 2 O 3 5Fe 2 O 3 M: Y, Sm, Eu, Gd Állandó mágnesek Nagy H c, B r, nagy energiaszorzat (BH max ) W = 1/2H B V Nagy hiszterézis Kicsi krisztallitok, benne már nincs doménfal, átmágnesezés nehezebb Anyagok: acél ötvözetek (Cr, Ni, Co, W, Ti, Al) Ferritek: MOFe 2 O 3, MO6Fe 2 O 3 M: Ba, Sr, Co Ritkaföldfém-Co ötvözetek: RCo 5, R 2 Co 17 R: Sm, Pr, Nd, La,Ce, Tb, Eu, Gd Alkalmazások Mágneses információ tárolás: merevlemez, floppy, magnó, videó Híradástechnika: hangszóró, mikrofon Mérımőszerek, galvanométer 7