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)

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

(

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

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 !!!

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

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

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 !





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

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

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 B
(inaczej niż w dielektrykach)

oscylacje swob. elektronów



z „częstością plazmową”

2

0

2

2

p

L

m

ne















silna absorpcja, silne oscylacje swob. elektronów

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



L

i z

oscylacjami elektronów)





(minimum plazmowe)

„metaliczny” odblask i kolory

metali

współcz. odbicia









brak odbicia,

R=0