Wymagane wiadomości

1.Odbicie – W optyce geometrycznej zjawisko odbicia światła rządzi się dobrze znanymi prawami matematycznymi, które głoszą, że kąt padania i kąt odbicia padającej wiązki światła od płaszczyzny odbijającej W są równe oraz, że promień padający, odbity oraz linia (normalna) prostopadła do płaszczyzny W leżą w jednej płaszczyźnie. Prawo to zaobserwowane doświadczalnie można także wyprowadzić z całkowicie teoretycznych rozważań na podstawie zasady Fermata, która głosi, że promień świetlny biegnąc pomiędzy dwoma punktami przestrzeni zawsze wybiera taką drogę aby

wymagany czas był najkrótszy. można "przełączyć". Załamanie – to zakrzywienie promieni świetlnych przy przechodzeniu z jednego ośrodka (materiału) do innego. Ogólnie: kiedy światło przechodzi z ośrodka o wyższej gęstości do drugiego o niższej załamuje się od normalnej (prostopadłej do powierzchni w miejscu przechodzenia), zaś kiedy przechodzi z ośrodka o niższej gęstości do drugiego o wyższej załamuje się do normalnej. Promień załamywany nazywamy promieniem padającym, a kąt który tworzy z normalną nazywamy kątem padania. Po załamaniu promień nazywamy promieniem załamanym, a kąt który tworzy z normalną, kątem załamania. Promień padający, załamany i normalna leżą w tej samej płaszczyźnie (to zdanie to pierwsze prawo załamania). Interesujące jest to, że jeśli kąt padania jest równy 0 stopni (promień padający jest równoległy do normalnej), nie jest załamywany (nie zmienia kierunku). Absorpcja – proces pochłaniania energii fali elektromagnetycznej przez substancję. Natężenie światła wiązki przechodzącej przez substancję ulega zmniejszeniu nie tylko w wyniku absorpcji, lecz również na skutek rozpraszania światła. O ile jednak promieniowanie rozproszone opuszcza ciało, to część zaabsorbowana zanika powodując wzrost energii wewnętrznej tego ciała. W wyniku absorpcji światła przechodzącego przez substancje (np. gaz) z widma światła padającego zostają usunięte fotony o określonej częstotliwości. Na tej podstawie można stwierdzić, przez jakie substancje przechodziło światło. Zjawisko to wykorzystuje się do badania składu chemicznego mieszanin związków chemicznych, gazów otaczających gwiazdy, obłoków gazowych we Wszechświecie. Transmisja – ( przepuszczalność) . Natężenie fali elektromagnetycznej (w %) przechodzącej przez materiał wynosi: I = I_o + I_a + I_t

gdzie:

I – natężenie fali padającej,

I_o – natężenie fali odbitej,

I_a – natężenie fali zaabsorbowanej,

I_t – natężenie fali przechodzącej.

Współczynnik załamania światła – współczynnik załamania ośrodka jest miarą zmiany prędkości rozchodzenia się fali w danym ośrodku w stosunku do prędkości w innym ośrodku (pewnym ośrodku odniesienia). Dokładniej jest on równy stosunkowi prędkości fazowej fali w ośrodku odniesienia do prędkości fazowej fali w danym ośrodku

gdzie:

v₁ – prędkość fali w ośrodku, w którym fala rozchodzi się na początku,

v₂ – prędkość fali w ośrodku, w którym rozchodzi się po załamaniu.

Współczynnik załamania, jak sugeruje nazwa, istotny jest w zjawisku załamania, gdy fala rozchodząca się w ośrodku odniesienia pada na granicę z danym ośrodkiem i dalej rozchodzi się w tym ośrodku. Współczynnik ten wiąże się bezpośrednio z kątem padania i kątem załamania. Całkowite odbicie wewnętrzne – całkowite wewnętrzne odbicie to zjawisko fizyczne zachodzące dla fal (najbardziej znane dla światła) występujące na granicy ośrodków o różnych współczynnikach załamania. Polega ono na tym, że światło padające na granicę od strony ośrodka o wyższym współczynniku załamania pod kątem większym niż kąt graniczny, nie przechodzi do drugiego ośrodka, lecz ulega całkowitemu odbiciu. Światło padające na granicę ośrodków O₁ i O₂ pod kątem mniejszym od granicznego zostaje częściowo odbite a częściowo przechodzi do drugiego ośrodka (jest załamane). Jeżeli n₁ to współczynnik załamania ośrodka O₁, a n₂ współczynnik załamania ośrodka O₂ i n₁>n₂ wtedy kąt padania α jest mniejszy niż kąt załamania β. Przy pewnym kącie padania α_gr, zwanym granicznym, kąt załamania β jest równy 90º. Dla kątów padania większych niż α_gr (zakreskowany zakres kątów na ilustracji) światło przestaje przechodzić przez granicę ośrodków i ulega całkowitemu odbiciu wewnętrznemu.

Współczynnik absorpcji światła (mechanizm absorpcji fotonów) – W procesie absorpcji światło zachowuje się jak strumień cząstek elementarnych i może być pochłaniane tylko w określonych porcjach, których wielkość zależy od częstotliwości światła. Kwant światła, czyli foton niosący tę określoną porcję energii może oddziaływać z elektronem walencyjnym w atomie substancji ośrodka. Jeżeli energia fotonu równa jest różnicy energii pomiędzy dowolnym stanem wzbudzonym elektronu a stanem podstawowym, wówczas foton zostanie pochłonięty (następuje absorpcja fotonu). Gdy energia fotonu jest inna, wówczas albo przechodzi on przez substancję bez przeszkód, albo jest rozpraszany. Na skutek absorpcji fotonu atom przechodzi w stan wzbudzenia o wyższej energii. Wzbudzone atomy powracają do stanu podstawowego emitując foton o takiej samej lub mniejszej energii. Zmniejszenie energii emitowanego fotonu w porównaniu z energią fotonu absorbowanego nosi nazwę luminescencji. Układ poziomów energetycznych elektronów w atomach, czas życia stanów wzbudzonych i sam proces absorpcji wynika z praw mechaniki kwantowej.

METALE – dla metali przy braku przerwy energetycznej możliwe jest pochłanianie kwantów energii promieniowania praktycznie w całym zakresie promieniowania widzialnego . Metale są więc nieprzeźroczyste dla światła widzialnego . Niektóre metale mogą mieć barwę wskutek selektywnego odbicia światła (złoto, miedź)

PÓŁPRZEWODNIKI – W typowych półprzewodnikach szerokość przerwy energetycznej wynosi 1 – 4 eV co odpowiada długości światła widzialnego. Półprzewodniki są więc nieprzeźroczyste dla światła widzialnego natomiast przeźroczyste dla podczerwieni.

IZOLATORY – czyste (stechiometryczne) kryształy jonowe i kowalencyjne posiadają wielkość przerwy energetycznej >10 eV co czyni je przeźroczystymi dla światła widzialnego. W polikryształach następuje absorpcja światła na tych elementach mikrostruktury (ziarna, pory), które posiadają wymiary większe od długości światła (0,4 – 0,7 μm)

Podział widma promieniowania elektromagnetycznego –

Wrażenie barwy – selektywna absorpcja lub odbicie światła powodująca wyeliminowanie części promieniowania prowadzi do odczucia barwy (oko ludzkie) , Mechanizmy powstawania barwy wiążą się z występowaniem w izolatorze centrów barwnych. Są to występujące w materiale lokalne dodatkowe poziomy energetyczne, które mogą absorbować światło w zakresie widzialnym. Zagadnienia te są bardzo ważne praktycznie dla pigmentów, szkła, szkliw ceramicznych, kryształów do laserów itp..

Centra barwne (typy):

I. Domieszki metali grup przejściowych – jony metali grup przejściowych (ziem rzadkie ze względu na nieobsadzone wewnętrzne orbity mogą absorbować promieniowanie w zakresie widzialnym stając się podstawowym sposobem barwienia szkła i kryształów. Długość absorbowanego promieniowania może być modyfikowana w zależności od otoczenia (koordynacji) w jakiej jony znajdują się w strukturze.

II. Defekty punktowe w kryształach – Defekty punktowe w kombinacji z defektami elektronowymi mogą stanowić dodatkowe poziomy energetyczne, które pochłaniając selektywnie promieniowanie widzialne barwią kryształy.

2. Proces rekombinacji i centra rekombinacji (Fotoprzewodnictwo) – jest to zmiana przewodnictwa elektrycznego materiału pod wpływem promieniowania świetlnego. Ma ono miejsce gdy energia fotonów promieniowania świetlnego padającego na półprzewodnik jest większa niż szerokość pasma zabronionego następuje przechodzenie elektronów do pasma przewodnictwa i zwiększenie się konduktywności półprzewodnika. Największa długość fali promieniowania wywołującego efekt fotoprzewodnictwa nazywa się długość progową fali i jest zależna od szerokości pasma zabronionego półprzewodnika.

3. Modele zjawiska luminescencji – luminescencja, tzw. zimne świecenie, jarzenie – zjawisko emisji fal świetlnych przez ciała, wywołane inną przyczyną niż rozgrzanie ich do odpowiednio wysokiej temperatury.

Zasada działania lasera – Laser to generator promieniowania, wykorzystujący zjawisko emisji wymuszonej. Nazwa jest akronimem od Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation — wzmocnienie światła poprzez wymuszoną emisję promieniowania. Promieniowanie lasera ma charakterystyczne właściwości, trudne lub wręcz niemożliwe do osiągnięcia w innych typach źródeł promieniowania. Zasadniczymi częściami lasera są: ośrodek czynny, rezonator optyczny, układ pompujący. Układ pompujący dostarcza energię do ośrodka czynnego, w ośrodku czynnym w odpowiednich warunkach zachodzi akcja laserowa, czyli kwantowe wzmacnianie (powielanie) fotonów, a układ optyczny umożliwia wybranie odpowiednich fotonów. Foton przemieszcza elektron z poziomu E_k na poziom wzbudzony E_n – tzw. krótkożyciowy. Następnie elektron przechodzi w wyniku przejścia bezpromienistego na niższy poziom Em metastabilny. Jeżeli energia fotonu wymuszającego wynosi ħ_ω=E_m – E_k to zostaje wymuszone wypromieniowanie drugiego fotonu koherentnego a elektron przenosi się na poziom podstawowy.