Optikai alapfogalmak Fény: transzverzális elektromágneses hullám n = c vákuum /c közeg Az elektromágneses spektrum Az anyag és a fény kölcsönhatása Visszaverődés Visszaverődés, reflexió Törés, kettőstörés, polarizáció Elnyelés, abszorpció, szórás Fénykibocsátás, fotoeffektus Fotokémiai reakciók Elektrooptikai, magnetooptikai hatás Fresnel törvény merőleges beesésnél: (minden közeg határfelületén, iránytól független) Szögfüggés: Brewster szög: polarizációs sík szerinti szétválás: a párhuzamos megtörik (R párh =0), a merőleges visszaverődik (n 1 n 2 ) 2 R= (n1 + n 2 ) 2
Reflexió módosítása dielektrikum-rétegekkel Antireflexiós (AR) bevonat: Átlagos üvegfelületről (n = 1,5), R 4% Rétegvastagság: n 1 d = /4 Két visszavert sugár gyengítő interferencia Teljes kioltás, ha: Függ: hullámhossz beesési szög Egyrétegű bevonat: R 1% Többrétegű bevonatok Szélesebb -tartomány Szabályozható áteresztés, visszaverés, pl: interferenciaszűrő Dielektrikum tükrök: visszaverés irányában erősítő interferencia Felváltva nagy és kis törésmutatójú rétegrendszer, λ/2, λ/4 rétegek, Fehér fényre: R 99%, csak egy -ra: R 99,999% pl. lézerek, rétegszám: 31-35 Alkalmazások: Fénytörés Interferenciaszűrők Hidegtükrök (infrát nem veri vissza) pl. vetítőlámpa Lencsék tükrözésmentes bevonata Egyirányú tükrök Kirakatüveg Réteganyagok: Kis n: MgF 2, kriolit Nagy n: ZrO 2, TiO 2, ZnS A legjobban tükröző fémek reflexiós spektruma Schnellius-Descartestörvény: n =sin /sin =c 1 /c 2 A törésmutató függ a hullámhossztól Diszperzió Fény felbontása hullámhossz szerint, spektroszkópia, ékszerek csillogása Optikai adatátvitelben a jelsebesség függ a -tól, a jel kiszélesedik, csökken az átviteli kapacitás Anyagdiszperzió [ps/nm/km] Kettőstörés, polarizáció Lencsék, lencserendszerek kromatikus hiba: fehér fényt használva minden hullámhosszra máshol van az éles kép Korrekció: kétféle optikai üvegcsalád: korona és flint : Abbe-szám Anizotrópia: az anyagi tulajdonságok pl. n,, D függenek a vizsgálati iránytól Izotróp anyagok: gázok, folyadékok, polikristályos anyagok, szimmetrikus rácsú egykristályos anyagok Anizotróp: nem szabályos rendszerű 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
Polisztirol láncmolekulák rendeződése a fröccsöntő szerszámban Két megtört fénysugár polarizációja egymásra merőleges A polarizáció síkja megegyezik a főtengelyek irányával. Kettőstörést / anizotrópiát okozhat: Mechanikai feszültség Makromolekulák rendeződése Elektromos, mágneses tér Alkalmazás: Anyagvizsgálat, fényerő-szabályozás, reflexiócsökkentés (pl foto), LCD kijelző, optikai jelmodulálás Egy meteorit kőzetszemcse polarizációs mikroszkópi képe Fényelnyelés Foton energiája megfelel egy elektron energia-átmenetnek Fekete, fehér, átlátszó, színes anyagok: a látható spektrumból mást-mást nyelnek el Hőmérsékleti sugárzás: (fizika) Stephan-Boltzmann törv: S = T 4 S: össz. kisugárzott teljesítmény Fénykibocsátás Lumineszcencia Pl. fénycső, katódsugárcső Laser A hőmérsékleti 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: gerj em Félvezető jellegű anyagok foszforeszcens világítási mechanizmusa Fluoreszcens: spin váltás nélkül egyszerűbb mechanizmus, rövidebb utánvilágítás Foszforeszcens: a spin megforduláshoz 3. szereplő, hosszabb utánvilágítás micro.magnet.fsu.edu
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:, fázis, (esetenként a polarizáció) nagyon pontosan megegyezik. Nagy energiasűrűség Az aktív tartomány két végén dielektrikum tükör. Zárt végen R > 99,5%, a kilépő oldalon ~ 50%. Pulzáló fény. A He Ne lézer működése A félvezető lézerek működése Elektro-optikai hatás Kerr effektus A különböző 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.
Transzverzális elektrooptikai moduláció Felső: két elemes konfiguráció, pl. ADP típusú anyagokhoz. Alsó:egy elemes konfiguráció, pl. lítium-tantalát típusú anyagokhoz. Pockels effektus ~ E Elektro-Optikai Anyagok Anyag Rövidítés Képlet Ammonium dihydrogen Potassium dihydrogen Potassium dideuterium Lithium niobate Lithium tantalate Áteresztési tartomány ( 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 ( m) 1.51, 1.47 1.51, 1.47 at 0.55 1.49, 1.46 2.23, 2.16 2.14, 2.143 LiTaO 3 0.4-1.1 Optika to Gröller 1000BMF Kandó MTI at 1.00 Magneto-optikai hatás 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