background image

 

1

Optyczne metody badań 
materiałów

3. Badania struktury poziomów energetycznych
    – oddziaływania światła z materią (liniowe i nieliniowe) 
    – optyczne własności materiałów

a) metody badania własności transmisyjnych
b) metody badania własności odbiciowych 
c) metody badania rozproszenia światła 

1. Badania makroskopowe (geometria, odkształcenia) 
    – techniki interferometryczne, holografia, elastometria

2. Badania mikroskopowe 
    – badania str. krystalicznej stopów metalurgicznych
    – anizotropia optyczna, mikroskopia polaryzacyjna
    – mikroskopia skaningowa bliskiego pola (NFOM)
    – tomografia optyczna

4. Materiały optyczne
    – materiały laserowe i fotoniczne 

(optoelektronika, optyka nieliniowa, fotonika) 

background image

 

2

Optyczne własności materiałów

prawo Lamberta-Beera: 

L

e

I

L

I

0

)

(

L

• Absorpcja

• Rozproszenie światła

• Odbicie światła   I

R

=I

0

R

• Transmisja

zależy od odbicia i absorpcji 
np. przez próbkę z dwiema 
odbijającymi powierzchniami 
(ten sam współczynnik 

R

 ):

L

T

e

R

I

I

2

0

)

1

(

background image

 

3

Mechanizm oddziaływania światła z 
materią

pole magnetyczne

pole elektryczne

światło = fala EM

elektron

D

-indukowany moment 

elektr.:

E

D

W

 

 

oddz. atomu z polem 

oddz. atomu z polem 

E

E

 (model 

klasyczny):

E

D

z

E

background image

 

4

•fazy emisji

•kierunki emisji

•częstości emisji

Absorpcja i emisja 
fotonów

• Absorpcja

• Emisja spontaniczna

 spontaniczna

•przypadkowe momenty
 (fazy) emisji

•różne kierunki

•rozmyte częstości

• Emisja wymuszona

 wymuszona

Skorelowane z fotonami 
wymuszającymi !!!

background image

 

5

Zespolony współczynnik 
załamania



i

m

N

e

r

2

2

0

2

0

2

1

)

(

i

n

2

2

0

0

0

0

2

2

)

(

1

)

(





m

N

e

n

n(

1



0

–/2 /2

związki Kramersa-Kroniga:

'

'

)

'

(

'

1

'

'

)

'

(

1

)

(

)

(

)

(

)

(

2

2

2

2

2

1

1

2

1

d

d

i

r

wiążą ni 

2

2

0

2

0

0

2

2

)

(

2

2

1

)

(





m

N

e

(



0





0

–/2 /2

background image

 

6

zmiana fazy fali

zmiana amplitudy fali

absorpcja, prawo Lamberta-Beera 

 

z

fala padająca

 

c

z

t

i

i

e

E

t

z

E

0

)

,

(

fala w ośrodku





c

z

c

z

n

t

i

t

e

E

t

z

E

1

0

)

,

(

 

c

z

t

i

c

z

n

i

t

e

E

e

t

z

E

0

1

)

,

(

 

c

z

t

i

c

z

n

i

c

z

t

e

E

e

e

t

z

E

0

)

1

(

)

,

(

zależność prędkości fal, dyspersja, załamanie światła 

i

n

Współczynniki absorpcji i załamania

background image

 

7

       

ħ

-ogranicz. zdoln. 
 
 rozdz. 
(szer.instr.) 

-ogr. czułość  
 (droga opt.)

I

0

T

np. widmo 
Fraunhoffera 

np. widmo 
Fraunhoffera 

klasyczna metodyka:

L

e

I

I

T

)

(

det

0

spektroskop/ 

monochromato

r

detektor

próbka

źródło –   
lampa  
spektr.

Pomiar 

wymaga przezroczystego ośrodka !

background image

 

8

T

0

Lasery w spektroskopii klasycznej

Lasery w spektroskopii klasycznej

T

detektor

próbka

lampa  
spektr.

spektroskop/ 

monochromator

• monochromatyczność 

 

   zwiększ.  zdolności 
rozdz.   
   (

instr

 

 

doppler

)

  
detektor

próbka

laser 
przestraj.

• kolimacja wiązki 
świetlnej 

 zwiększ. 

  czułości (drogi opt.)

(liniowej              ) 

E

D

...

.

)

(

3

2

0

E

E

E

D

np

E

E

E

D

oddziaływania nieliniowe:

2. Inne zalety wiązek laserowych 



nieliniowa spektroskopia laserowa

1.

 Udoskonalenie klasycznych metod dzięki 

    kolimacji i monochromatyczności wiązek laserowych

background image

 

9

n

1

   n

2

Widma odbiciowe

granica 2 ośrodków (n

1

 i n

2

)

I

0

I

r

I

t

2

2

1

2

1

0

n

n

n

n

I

I

r

gdy 



 

np. w powietrzu/próżni, gdy n

1

=1

2

2

2

0

1

1

n

n

I

I

r

(materiały nieprzezroczyste)

2

0

1

1

I

I

R

r

background image

 

10

Odbicie od metali

• duża koncentracja swobodnych elektronów 

i

n

 zespolona stała dielektryczna i 

 z dużym 

 propagacja w głąb metalu silnie osłabiana, 

 różnica faz między polami E i 
                       (inaczej niż w dielektrykach)

oscylacje swob. elektronów 

 

 z „częstością plazmową”

2

0

2

2

p

L

m

ne

 

silna absorpcja, silne oscylacje swob. elektronów

background image

 

11



p

0.8  

 

 1                                           2







2

1

p

L

1) dla 



p

 , 

jest rzeczywiste, 

2) dla 





 

1 tzn. 

1

min

L

L

p

2

0

1

1

I

I

R

r

R



p

1

.5

0

0.8  

 

 1                                   

        2

0

1

2

3

4

5

0

0.5

1

1

0

1

5

0

y

Au

Ag

Al

R

1

.5

0

0           1         

  

2           3           4           5

ħ

[eV]

3) dla 



p

 ,



jest urojone, 

fala zanika wykładniczo i cała energia
jest w odbiciu

(kompensacja prądów związanych z 

i z 

oscylacjami elektronów)   

       (minimum plazmowe)

„metaliczny” odblask i kolory 

metali

współcz. odbicia

brak odbicia, 

R=0


Document Outline