Elektromanyetik radyasyon

Transkript

1 Optik özellikler

2 Optik özellikler Elektromanyetik radyasyonun tabiatı ve katı maddelerle etkileşiminin temel prensipleri Metalik ve metalik olmayan malzemelerin emme, yansıma, kırılma, geçirme kabiliyetleri çerçevesinde optik davranışları malzemelerin neden karakteristik renkleri vardır? neden bazı malzemeler saydam, diğerleri opaktır? Uygulamalar Luminesans foto iletkenlik ışık amplifikasyonu (lazerler) komünikasyonda fiberoptik

3 Elektromanyetik radyasyon Işık elektromanyetik bir radyasyondur. ısı, radar, radyo dalgaları, x-ışınları, -ışınları da elektro-manyetik radyasyon türleridir. Radyasyonun elektromanyetik spektrumu dalga boyu m (<angstrom) olan ışınlarından x- ışınlarına, ultraviyole, görünür, kızıl ötesi ve dalga boyu 10 5 m (>km) olan radyo dalgalarına kadar geniş bir aralıkta (10 17 )değişir.

4 Elektromanyetik radyasyon Elektromanyetik dalgalar enerjiyi boşlukta ilerleyen elektrik ve manyetik alanlarda saklayarak iletirler. elektrik alanı manyetik alan Işık = elektromanyetik dalga elektrik alanı manyetik alan

5 Işık: Einstein ve Planck 1905 Einstein fotoelektrik etkisine bakarak ışığın dalga ve parçacık özelliklerini ilişkilendirdi. Planck ilk quantum hipotezini öne sürerek kara madde black body radyasyon problemini çözdü: ışık foton adı verilen enerji kümelerinden oluşur. E = h

6 Işık: Einstein ve Planck Işık hem parçacık hem de dalga özellikleri taşır. Işıma minimum enerji biriminin katları şeklinde gerçekleşir. Bu minimum enerji birimine foton denir. Işık enerjisi dağılmaz ve parçacık gibi ilerler.

7 Elektromanyetik radyasyon Elektromanyetik radyasyonun hızı (c), frekansı ( ) ve dalga boyuna ( ) bağlıdır: : frekans (Hz) : dalgaboyu Hız: dalganın boyu x birim zamanda tekrar sayısı Çoğu zaman elektromanyetik radyasyonu quantummekanik perspektiften değerlendirmek daha kolaydır. Radyasyon, foton adını verdiğimiz enerji paketleri veya grupları gibi düşünülebilir.

8 Elektromanyetik radyasyon Bir fotonun enerjisi, E: h: Planck sabiti: 6.63 x J.s c: ışık hızı: 3.0 x 10 8 m/s Optik olayları atomik seviyede ele aldığımızda ışığın parçacıklardan oluştuğu kabulü işleri kolaylaştırır. foton enerjisi radyasyonun frekansı ile doğru, dalga boyu ile ters orantılıdır.

9 elektromanyetik radyasyon Bütün elektromanyetik radyasyon vakumu ayni hızda geçer: Bu hız ışık hızıdır (c): 3 x 10 8 m/s. Işık hızı (c) vakumun elektriksel geçirgenliğine ( 0 ) ve manyetik geçirgenliğine ( 0 ) bağlıdır. Dolayısı ile elektromanyetik sabit c ile bu elektriksel ve manyetik sabitler arasında bir ilişki vardır.

10 elektromanyetik radyasyon Görünür ışık, spektrumun oldukça dar bir bölgesinde yer alır. Dalga boyları 0.4 m ile 0.7 m arasında değişir. Algılanan renk dalga boyu tarafından belirlenir; örneğin, 0.4 m dalga boyundaki radyasyon mor renkli iken, 0.5 ve 0.65 m dalga boylarında yeşil ve kırmızı renkler algılanır. Beyaz ışık tüm renklerin karışımıdır. İnsan gözünün hassas olduğu tek radyasyon görünür radyasyondur.

11 elektromanyetik spektrum Artan foton enerjisi (ev) Kısa dalgaboyları Uzun dalgaboyları renk & Enerji Menekşe ~ mavi ~ yeşil ~ sarı ~ portakal ~ kırmızı ~ 3.17 ev 2.73 ev 2.52 ev 2.15 ev 2.08 ev 1.62 ev

12 verimlilik, 100% Görünür ışık İnsan gözü tarafından fark edilebilen ışığın dalga boyu λ~400nm-700nm aralığındadır. Bu ışığa görünür ışık denir. 3.1eV 1.8eV İnsan gözü farklı bir çok renkteki ışığı ayırt edebilir. Her renk farklı bir verimlilikle algılanır. İnsan gözünün spektral hassasiyeti 400nm 500nm 600nm 700nm

13 Görünür spektrum dalgaboyu, (nm) 3.1 E f (ev) 1.8

14 Işık ve malzemeler arasındaki etkileşim Gelen ışık Yarı saydam malzeme : Kırılma 2 : geçirme 3a : yansıma 3b : içerde yansıma 4 : saçılma 3a 3b 2 Dağılma: farklı renkler farklı eğilebilir!

15 Işığın katılarla etkileşimi gelen ışık ya yansıtılır, ya emilir ya da geçirilir: Katı maddenin yüzeyine düşen ışık demetinin şiddeti (I 0 ) geçen (I T ), emilen (I A ) ve yansıyan (I R ) demetlerin şiddetlerinin toplamına eşit olmalıdır: yansıma: I R emilir: I A I o I T I A I R W/m 2 gelen: I 0 geçen: I T

16 Işığın katılarla etkileşimi gelen ışığın, geçen (T), emilen (A) ve yansıtılan (R) oranları toplamı 1 e eşit olmalıdır. T + A + R = 1 T: geçirgenlik (I T /I 0 ) A: emilebilirlik (I A /I 0 ) R: yansıtabilirlik (I R /I 0 ) Çünkü, gelen ışık ya ortam tarafından emilir (A) ya da ortam tarafından yansıtılır (R). Kalan ışık (1-A+R= T) ortamdan karşıya geçer.

17 Işığın katılarla etkileşimi

18 Işığın katılarla etkileşimi Gelen ışığı az bir emilme ve yansıtma ile büyük ölçüde geçirebilen malzemelere saydam denir ve bu malzemelerden karşı tarafı görebiliriz. Işığın içinde dağıldığı ve dağınık bir şekilde geçtiği malzemelere yarı saydam malzeme denir. Bu malzemelerden diğer taraftaki maddeleri ayırt etmek, net bir şekilde görmek güçtür. Işığın geçmesine izin vermeyen malzemelere opak malzeme denir.

19 Işığın katılarla etkileşimi Metaller (iletkenler) görünür spektrumun tamamında opaktır. Diğer bir ifadeyle tüm ışık radyasyonu ya emilir ya da yansıtılır. oysa elektriksel olarak yalıtkan malzemeler saydam hale getirilebilirler. Bazı yarı iletken malzemeler saydam bazıları ise opaktır.

20 Atomik ve elektronik etkileşimler Katı maddelerin içinde gerçekleşen optik olaylar atomların, iyonların ve elektronların elektromanyetik radyasyon ile etkileşimi ile ilgilidir. Bu etkileşimlerden en önemli ikisi, elektronik polarizasyon ve elektron enerji geçişleridir.

21 Elektronik polarizasyon Elektromanyetik dalganın bir bileşeni hızla titreşen-değişen elektrik alanıdır. Görünür frekans aralıklarında elektrik alanı her bir atomun çevresindeki elektron bulutu ile etkileşir. Bu etkileşim ya elektronik polarizasyona yol açar ya da elektron bulutunun yerini elektrik alan bileşenin yönü her değiştiğinde değiştirir.

22 elektronik polarizasyon Işık dalgasının elektrik alan bileşeni bir atomun etrafındaki elektron bulutunu çekirdeğe göre bir miktar eğer. + Elektronik polarizasyonun 2 sonucu emilme ve ışığın kırılmasıdır.

23 elektron geçişleri Atomlar için enerji durumları bellitanımlanmış olduğundan, enerji seviyeleri arasında sadece belirli büyüklükte enerji farkları ( E s ) vardır. Sadece mümkün olan E s değerlerine tekabül eden frekansların fotonları elektron geçişleri tarafından emilebilirler. Her bir elektron hareketlenmesinde (transfer) olayında bir fotonun bütün enerjisi emilir.

24 elektron geçişleri Elektromanyetik radyasyonun emilmesi ve salınması bir enerji seviyesinden diğerine elektron geçişleri içerir. E 2 enerji seviyesindeki bir elektron bir foton enerji alarak daha yüksek boş bir enerji seviyesine (E 4 ) hareketlenebilir. Elektronun tecrübe ettiği enerji değişimi elektromanyetik radyasyonun frekansına bağlıdır:

25 Enerji elektron geçişleri 42 frekansta foton Elektron hareketlenmesi E 42 = E 4 -E 2 = h 42 bir elektron bir enerji seviyesinden diğerine hareketlenirken foton emilmesi Fotonun enerjisi (hv 42 ) iki enerji seviyesi arasındaki enerji farkına (E 4 -E 2 ) eşit olmalıdır.

26 elektron geçişleri Seviye atlamış bir elektron bu yüksek enerji seviyesinde sonsuza kadar kalamaz, kısa süre sonra ilk enerji konumuna geri döner ve dönerken bir elektromanyetik radyasyon açığa çıkar. elektron geçişlerinde enerjinin korunması gereklidir. Katı maddelerin elektromanyetik radyasyonun emilme ve salınma sı ile ilgili optik özellikleri malzemelerin elektron bant yapıları ve elektron geçişlerinin prensipleri çerçevesinde gerçekleşir.

27 Metallerin optik özellikleri Valens enerji bandı elektronlarla sadece kısmi olarak doludur. Görünür aralık içindeki frekanslarda gelen radyasyon, e-ları Fermi enerjisi üstündeki boş enerji seviyelerine hareketlendirdiği için metaller opaktır. Gelen radyasyon madde tarafından emilir. Emilmenin tamamı çok ince, genellikle 0.1 mikrondan daha ince bir yüzey tabakasında gerçekleşir ; bu nedenle ancak 0.1 mikrondan daha ince metalik filmler görünür ışığı geçirebilirler.

28 emilme elektron transferi ile foton emilmesi e- enerjisi I o Planck sabiti (6.63 x J/s) h ışığın frekansı Boş enerji seviyeleri E = h kadar enerji gerekir! (foton enerjisi) Dolu enerji seviyeleri metallerin çok sayıda enerji seviyesi vardır. yüzeye yakın elektronlar görünür ışığı emer.

29 emilme Elektron geçişlerine izin veren çeşitli boş elektron seviyeleri nedeniyle görünür ışığın tüm frekansları metaller tarafından emilir. Hatta, metaller frekans spektrumunun alt ucunda yer alan elektromanyetik radyasyonun tamamına, radyo dalgalarından ultraviyole radyasyonun yarısına kadar, opaktır. Metaller yüksek frekanstaki yüksek enerjili x- ve -ışını radyasyonunu geçirir, yani x- ve -ışınlarına saydamdır.

30 emilme Metallerin elektron yapısı sayesinde ışığın hemen tüm frekansları yüzeyden 0.1 m derinlikte emilir. Bundan daha ince olan metal filmleri ışığı geçirir. Bazı malzemeler için geçirim derinlikleri (I/I 0 =1/e): su: 32 cm cam: 29 cm grafit: 0.6 µm altın: 0.15µm

31 yansıtma elektron geri dönüşleri foton açığa çıkarır. e- enerjisi I R Malzeme yüzeyinden salınan foton Boş konumlar iletken elektron E Dolu konumlar yansıtabilirlik = I R /I 0 = 0.90 ile 0.95 arasındadır. yansıtılan ışık gelen ile ayni frekanstadır. metaller yansıtıcı-parlaktır!

32 yansıtma Metallerin yüzeyindeki atomlarda hareketlenen e- lar eski konumlarına geri dönerken foton verirler. Emilen radyasyonun büyük bir kısmı yüzeyden ayni dalga boyundaki ışık olarak yayılır ve yansıtılan ışık olarak görünür. Yansıtılan fotonlar frekans ve sayı yönünden gelen ışınınki ile, e-ların orijinal konumlarına dönerken açığa çıkan enerji gelen enerji ile yaklaşık aynıdır. Dolayısı ile metaller ışığı çok iyi yansıtırlar; bir çok metal için bu %95 seviyesinde..

33 yansıtma Metaller opak ve yüksek ölçüde yansıtıcı olduklarından, algılanan renk yansıtılan radyasyonun dalga boyu (dağılımı) tarafından belirlenir. Beyaz ışığa maruz kaldığında parlak gümüşi görünümü metalin görünür spektrumun tamamında büyük ölçüde yansıtıcı olduğuna işaret eder. (Al, Ag) Kısa dalga boyuna sahip hafif fotonların bir kısım enerjisi görünür ışık olarak yansıtılmadığı için Bakır kızıl portakal ve altın sarı renkte görünür. Metaller hem opak hem de yansıtıcıdır. Kalan enerji ısı olarak kaybolur.

34 yansıtma yansıtma Altın ve alüminyum için yansıtma spektrumu: Alüminyumun spektrumu oldukça düzdür. Gelen ışığın hemen hemen tamamını yansıtırlar. altın mavi ve yeşil renkleri absorbe eder. çok miktarda kırmızı dalga boyları yansıtır. mavi dalgaboyu m kırmızı

35 Non-metallerin optik özellikleri Elektron enerji bant yapıları nedeniyle, metalik olmayan malzemeler görünür ışığa saydam olabilirler. Bu nedenle, yansıtma emilmeye ilave olarak kırılma ve geçirme metaller Metalik olmayan malzemeler

36 kırılma beyaz ışık bir cam prizmadan geçerken bileşen renklerine ayrılır. c19cof01 Işık cama girer ve çıkarken farklı miktarlarda sapar ve renkler ayrılır.

37 Kırılma

38 kırılma Saydam malzemelerin içine giren ışığın hızında bir azalma olur. Buna bağlı olarak ışık arayüzeyde eğilir. Bu olaya kırılma denir. Bir malzemenin kırılma endeksi (n) ışığın vakumdaki hızı (c) ile malzeme içindeki hızının ( ) oranına eşittir. n (kırılma endeksi: eğilmenin derecesi) ışığın dalga boyuna bağlıdır.

39 Kırılma endeksi malzemede ışık hızı vakumda ışık hızı dielektrik sabiti manyetik geçirgenlik 0 = vakumda 0 = vakumda r : bağıl dielektrik (yalıtkanlık) sabiti r : bağıl manyetik geçirgenlik

40 Kırılma endeksi bir çok madde sadece hafif manyetik olduğu için, ( r 1) saydam malzemelerde kırılma endeksi (n) ile bağıl dielektrik sabiti ( r ) arasında bir ilişki vardır.

41 Kırılma endeksi Kırılma olayı yüksek frekanslardaki görünür ışık için elektronik polarizasyonla ilişkilidir. Bu sayede dielektrik sabitinin elektronik bileşeni kırılma endeksi ile hesaplanabilir. geçen ışık elektron bulutlarını deformasyona uğratır. + + ışık geçerken!

42 Kırılma endeksi Bir madde içinde elektromanyetik radyasyonun gecikmesi elektronik polarizasyondan kaynaklandığı için maddenin atomları veya iyonlarının büyüklüğü bu etkinin şiddetini yakından etkiler. Genel olarak atom/iyon büyüdükçe, elektronik polarizasyon ve kırılma endeksi artar. Tipik bir soda-kireç camının kırılma endeksi yaklaşık 1.5 tur. Cama iri Ba ve Pb iyonları (BaO ve PbO şeklinde) ilave edildiğinde kırılma endeksi ciddi şekilde artar.

43 Kırılma endeksi Örneğin yüksek miktarda Pb içeren (90 ağ% PbO) camın kırılma endeksi yaklaşık 2.1 dir. Kübik kristal yapılı seramikler ve camlar için, kırılma endeksi izotropiktir. Kübik olmayan kristaller ise, anizotropik bir n değerine sahiptir. Kırılma endeksi iyon yoğunluğu en yüksek olan yönlerde en yüksektir.

44 Kırılma-özet ışık bir malzemeden geçerken vakumda olduğundan daha yavaştır. kırılma endeksi, n = Işığın vakumdaki hızı Işığın malzemedeki hızı malzemeye büyük ağır iyonların (Pb gibi) ilave edilmesi ışığın hızını düşürür. bu durumda ışık bükülebilir. Material Lead glass Silica glass Soda-lime glass Quartz Plexiglas Polypropylene kat edilen mesafe arttıkça geçen ışığın şiddeti azalır; kalın parçalar daha az saydamdır. n

45 Kırılma endeksi Bazı Saydam malzemelerin kırılma endeksleri malzeme Kırılma endeksi seramikler polimerler

46 yansıtma Işık farklı kırılma endekslerine sahip bir maddeden diğerine geçerken, her 2 madde de saydam olsa bile ışığın bir kısmı bu 2 madde arasındaki ara yüzeyde dağılır. Yansıtabilirlik (R) gelen ışığın ara yüzeyde yansıtılan oranını temsil eder. I 0 ve I R gelen ve yansıtılan ışığın şiddetidir.

47 yansıtma Gelen ışık arayüzeye dik ise, n 1 ve n 2 iki ortamın kırılma endeksleri Işık vakumdan veya havadan bir katıya (s) geçiyor ise, havanın kırılma endeksi «1» olduğu için Havadan elmasa giren ışık için; n elmas: 2.41 R

48 yansıtma Gelen ışık ara yüzeye dik değil ise, R geliş açısına bağlıdır. n (düşük) n (yüksek) ' 1 n n sin sin : 0 c c ise tam yansıan i i c 1 (TIR) geliş açısı i i kırılma açısı kritik açı c

49 yansıtma Yüzeye dik gelen ışın eğilmez. Dik gelmeyen ışık için yansıma ve geçme oranları Fresnel denklemleri ile hesaplanır. Daha düşük kırılma endeksine sahip (n 2 <n 1 ) bir malzemeye gelen ışığın tamamı yansıtılır. n 2 > c : geliş açısı kritik açıdan büyükse tüm ışık yansıtılır. Eğilmediği halde kısmen yansıma olur. Kritik açı c Yüksek endeksli malzeme Işık kaynağı

50 yansıtma katının kırılma endeksi büyüdükçe yansıma artar. Tipik silika camları için, yansıtabilirlik yaklaşık 0.5 ( %50) kadardır. Bir katının kırılma endeksi gelen ışığın dalga boyuna bağlı olduğu gibi, yansıtabilirlik de dalga boyu ile değişir. Lens ve diğer optik enstrümanların yansıma kayıpları, yansıtıcı yüzeyleri MgF 2 gibi dielektrik bir malzemeden çok ince bir film ile kaplanarak en aza indirilebilir.

51 emilme Metalik olmayan malzemeler görünür ışığa opak veya saydam olabilirler. Saydam iseler, çoğunlukla renkli görünürler. Işık bu malzemelerde geçirgenlik davranışını da etkileyen 2 temel mekanizma ile emilir. Bunlardan biri elektronik polarizasyondur. Elektronik polarizasyonla emilme sadece madde atomlarının gevşeme frekansları yakınlarındaki düşük frekanslarda önemlidir. Diğer mekanizma valens bandı ile iletken bandı arasındaki elektron geçişlerini içerir. Bu mekanizma malzemenin elektron enerjisi bant yapısına bağlıdır.

52 emilme Elektron geçişini başlatacak minimum foton enerjisi E C - E V = E gap = h h > E gap ise elektronlar iletkenlik bandına hareketlenebilirler. E gap İletkenlik bandı, E C Serbest elektronlar boşluklar h = E photon Valens bandı, E V

53 emilme Bir foton ışık emilmesi valens bandından bir elektronun bant aralığını aşıp iletim bandında bir boş pozisyona hareketlenmesi ile gerçekleşebilir. Böylece iletim bandında serbest bir elektron ve valens bandında bir boşluk yaratılmış olur. Bu sıçrama için gerekli enerji E emilen foton frekansı ile ilişkilidir. foton enerjisi bant enerji aralığından (Eg) daha büyük ise elektron geçişi ve emilme olabilir.

54 emilme Emilen foton İletim bandı valens bandı Bant aralığında empürite seviyesi var ise, bant aralık enerjisinden daha düşük enerjiye sahip fotonlar, bu ara konumlardaki elektronları iletken bandına veya boşlukları valens bandına hareketlendirerek emilebilir. örnek: renkli elmaslar

55 emilme emilme dalga boyu üzerinden aşağıdaki gibi ifade edilir: Görünür ışık için minimum dalga boyu 0.4m dir. c = 3x10 8 m/s ve h = 4.13x10-15 ev s olduğu için görünür ışığın emilmesi ile ilgili maksimum bant aralığı enerjisi, E g (max)

56 emilme h > E gap ise emilme ile elektron hareketlenmesi Elektron enerjisi Görünür spektrum Mavi ışık: h =3.1 ev Kırmızı ışık: h =1.7 ev Gelen foton enerjisi hn I o Boş enerji seviyeleri E gap Dolu enerji seviyeleri E gap < 1.8 ev, ise tam emilme; renk siyah (Si, GaAs) E gap > 3.1 ev, ise emilme yok; renksiz (elmas) 1.8 ev < Egap < 3.1 ev ise, kısmi emilme; malzeme renkli

57 Emilme-kısmi örnek: Ge tarafından emilen en küçük dalga boyu nedir? E g = 0.67 ev c hc E g Siiçin E 34 8 (6.62x10 J s)(3 x 10 m/s) 19 (0.67eV)(1.60x10 J/eV) g 1.1eV 1.13 m c 1.85 m Eğer donör ve alıcı seviyeleri de varsa bu emilme olayı için diğer frekanslara da şans tanır.

58 emilme yarı iletken veya yalıtkan malzemelerde bant aralığında yeterli sayıda empürite seviyesi yoksa, bant aralığında uygun enerji seviyelerinde quantum konumları olmadığı için, E g den daha düşük enerjili fotonlar emilemez. Yalıtkanların ve geniş bant aralıklı yarı iletkenlerin saydam, Si ve GaAs gibi dar bant aralıklı yarı iletkenlerin ise opak olmaları bu yüzdendir.

59 emilme Bant aralığı enerjisi 3.1 ev dan daha büyük (görünür spektrum sınırı) metalik olmayan malzemeler tarafından görünür ışık emilemez, malzemeden geçer! h c (4.13 x ev.s)(3x10 8 m/s) (min) = = = 0.4 m E g (max) 3.1 ev Çok saf olduklarında bu malzemeler, saydam veya renksiz görüneceklerdir.

60 emilme Diğer yandan, görünür ışık için (max) 0.7 m Görünür ışığın emilebilmesi için, E g (min), 1.8 ev dan daha düşük bant aralığına sahip yarı iletken malzemelerde görünür ışığın tamamı valens banttan iletken bandına elektron sıçrayışları ile emilir. Bant aralığı enerjisi 1.8 ile 3.1 ev arasında olan malzemelerde görünür ışığın sadece bir kısmı malzeme tarafından emilir. opak renkli

61 emilme Bant aralığı enerjisi (Eg) değerine bağlı olarak belirli bir dalga boyunda her metalik olmayan malzeme opak olur. Örneğin, bant aralığı enerjisi 5.6 ev olan elmas 0.22 m dan daha küçük dalga boyuna sahip tüm radyasyona opaktır. Geniş bant aralığına sahip yalıtkan katılar için ışık radyasyonu ile etkileşim valens-iletken bant e- geçişlerinden farklı mekanizmalarla da olabilir.

62 valens bandı valens bandı İletim bandı İletim bandı emilme Elmas: bant aralığı enerjisi 5.6 ev Elektron geçişi mümkün: emilme olur opak Elektron geçişi olmaz: emilme yok! saydam 5.6 ev = 0.22 m 5.6 ev = 0.22 m E foton = 6 ev; <0.22 m E foton = 5 ev; >0.22 m

63 valens bandı Bant aralığı İletim bandı emilme Eğer impürite ve elektriksel olarak aktif hatalar var ise, bant aralığı içinde e- seviyeleri (donör ve alıcı seviyeleri) oluşabilir. Bu seviyeler bant aralığında merkeze yakın konumlanırlar. Belirli dalga boyundaki Işık radyasyonu bu seviyeler arasındaki e- geçişleri sonucunda emilirler. Empürite seviyesi Foton emilme

64 emilme-salınım bant aralığındaki empürite seviyeleri üzerinden çok adımlı elektron geçişleri olabilir. İletim bandındaki elektron önce empürite seviyesine sonra empürite seviyesinden valens bandına düşebilir. Bu durumda 2 aşamalı salınım olur. İlki fonon (ısı) İkinci: foton (ışık) salınımı

65 emilme Emilen radyasyonun şiddeti (intensity) ortamın karakterine ve kat edilen mesafeye bağlıdır. Emilmeden geçen radyasyonun şiddeti (I T ) mesafe (x) ile sürekli azalır: I 0 : gelen radyasyonun şiddeti : emilme katsayısı (mm -1 ) (malzeme karakteristik değeri ve gelen radyasyonun dalga boyu ile değişir.) x: ortamın derinliği (mm) Yüksek değerine sahip malzemeler yüksek emme kapasitesi sahiptir.

66 Emilme-problem 200 mm kalınlığındaki camdan yansıtılmadan geçen ışığın oranı 0.98 dir. Bu malzemenin emilme katsayısını hesaplayın. Yukarıdaki denklemdeki değerini bulmalıyız. Her 2 tarafın logaritmasını alırsak, ln (I T /I 0 ) = x = 1/x. ln (I T /I 0 ) = 1/200 mm ln (0.98) = 1.01 x 10-4 mm -1

67 geçirme Emme, yansıma ve geçirme olayları saydam bir katıdan ışığın geçmesi olayına uygulanabilir. l kalınlığında, emme katsayısına sahip bir numunenin ön yüzüne gelen I 0 şiddetindeki bir ışığın numunenin arka yüzeyine geçen şiddeti: R: yansıma oranı Burada arka ve ön yüzler dışındaki ortamın ayni olduğu varsayılmıştır.

68 geçirme Gelen ışık yansıyan ışık I R =I 0 R geçen ışık I T =I 0 (1-R) 2 e- l ışığın saydam bir ortamdan geçişi: ön ve arka yüzlerde yansıma ve ortam içinde emilme var!

69 geçirme Saydam bir malzemeden ışığın geçme oranı emme ve yansıma olaylarında yaşanan kayıplara bağlıdır. Yansıtabilirlik (R) emilebilirlik (A) ve geçirebilirlik (T) toplamı 1 dir. R, A, ve T ayni zamanda ışığın dalga boyuna bağlıdır. Yeşil cam için spektrumun görünür bölgesinde; 0.4 m dalga boyuna sahip ışık için, geçen, emilen ve yansıtılan ışık oraları sırası ile 0.9, 0.05 ve 0.05 dir. Fakat 0.55 m dalga boyu için, bu oranlar yaklaşık 0.50, 0.48, and 0.02 dir.

70 Radyasyon enerjisi oranı geçirme yansıyan emilen %2 %48 Geçen ve görünen %50 dalgaboyu ( m) 0.4 m dalga boyu ile yeşil camdan geçen, emilen ve yansıyan ışığın oranlarının değişimi.

71 geçirme Saydam malzemeler malzeme tarafından emilen belirli dalga boyu aralıkları nedeniyle renkli görünürler. Ortaya çıkan renk geçmesine izin verilen dalga boylarının bileşimi sonucudur. Emilme görünür dalga boylarının tamamı için homojen ise malzeme bize renksiz görünür. Örnek olarak yüksek saflıktaki inorganik camları ve yüksek saflıkta tek kristal elmas ve safiri gösterebiliriz.

72 geçirme Genellikle, emilme olayları e- hareketlenmesi ile gerçekleşir. Mesela, görünür ışık enerjisi kadar ( ev) bant aralığına sahip yarı iletkenlerde. Dolayısı ile görünür ışığın Eg den daha yüksek enerjiye sahip kısmı valens bandı-iletim bandı elektron geçişleri ile tercihli olarak emilir. Emilen radyasyonun bir kısmı e-lar düşük enerjili ilk konumlarına dönerken tekrar geri verilir. Bu ışımanın emilme olayı ile ayni frekansta gerçekleşmesi zorunludur. Dolayısı ile malzemenin rengi hem geçen hem de geri verilen ışınların frekans dağılımına bağlıdır.

73 geçirme Yalıtkan seramiklerde belirli empüriteler enerji bant aralığında e- seviyeleri oluştururlar. empürite atomlarının bu enerji seviyelerinden e- düşmesi ile enerji aralığından daha düşük enerjiye sahip fotonlar salınabilir. Malzemenin rengi yine geçen ışığın içinde bulunan dalgaboyu dağılımının fonksiyonudur.

74 Yalıtkanlarda opaklık ve yarı saydamlık Al-oksit örneklerinda yapısal özelliklerle optik geçirme özelliklerinde değişim: Tek kristal (safir): saydam Yoğun-gözeneksiz çok kristal: yarı saydam %5 kadar gözenek içeren çok kristal: opak

75 Metalik olmayan malzemelerde renk malzeme rengi malzemeden geçen ve, elektron geçişleri ile malzeme tarafından verilen Işıkların frekanslarının toplamı tarafından belirlenir. örnek: Cadmiyum Sulfit (CdS) Egap = 2.4 ev, görünür ışığın yüksek enerjili (E>2.4eV) kısmı (mavi, menekşe) emilir: (3.1 ev >E > 2.4eV) Görünür ışığın emilmeyen kısmı (1.8 ev<e<2.4 ev) Kırmızı/sarı/portakal malzemeden geçer ve malzemeye rengini verir.

76 Metalik olmayan malzemelerde renk Yüksek saflıkta tek kristal alüminyum oksit veya safir renksizdir. Parlak kırmızı renkteki yakut %0.5 ile 2 kadar Cr 2 O 3 katılmış safirdir. Cr 3+ iyonları Al 2 O 3 kristal yapısında Al 3+ iyonlarının yerini alırken safirin geniş bant aralığında empürite seviyeleri oluşturur. Işık radyasyonu valens-iletim bandı elektron geçişleri tarafından emilirken, emilen radyasyonun bir kısmı da, bu empürite seviyelerine ve bu seviyelerden elektron hareketlenmeleri ile belirli dalga boylarında tekrar salınırlar.

77 Metalik olmayan malzemelerde renk Safir için görünür spektrumda dalga boyuna göre geçirim aşağı yukarı sabit olup bu malzemenin renksizliğini açıklar. Oysa yakut için şiddetli emilme pikleri görülmektedir. Bunlardan biri mavi-menekşe bölgesinde (yaklaşık 0.4 m da) diğeri sarı-yeşil ışık bölgesindedir (0.6 m da). Emilmeyen yani geçen ışık tekrar salınan ışıkla karıştığında yakutun derin kırmızı rengi ortaya çıkar.

78 Metalik olmayan malzemelerde renk Safir: Al2O3 + at%0.5-2 Cr2O3 Cr2O3 bant aralığını değiştirir. Egap > 3.1eV : Safir renksiz: Rubi: tek kristal Al 2 O 3 Mavi, sarı/yeşil emilir. Kırmızı geçer. Rubi kırmızı görünür.

79 Metalik olmayan malzemelerde renk İnorganik camlar cam henüz sıvı halde iken içine geçiş elementleri veya nadir toprak iyonları ilave edilerek renklendirilir. İyonlar ve cama verdikleri renklerden örnekler: Cu 2+ : mavi-yeşil Co 2+ : mavi-menekşe Cr 3+ : yeşil Mn 2+ : sarı Mn 3+ : mor Bu renkli camlar ayni zamanda seramik objelerde sır ve dekoratif kaplama olarak da kullanılır.

80 silisyum neden siyah ve parlaktır? Silis neden siyahtır? Silisyumun enerji aralığı: E gap =1.2eV Görünür ışık foton enerjisi: E vis ~ eV E vis > E gap Bu durumda görünür ışığın tamamı silis tarafından absorbe edilir ve Silis siyah görünür. Silis neden parlaktır? Siliste iletken bandında çok sayıda elektron olduğu için ciddi miktarda foton absorpsiyonu olur. Bu elektronlar yerleşik değildir ve fotonlarda saçılıma neden olurlar.

81 GaP neden sarı renklidir? GaP un enerji aralığı: E gap = 2.26 ev Bu enerjiye denk gelen foton dalga boyu: = 549 nm. Bu durumda enerjisi (E = h > 2.26 ev) 2.26 ev dan yüksek olan yeşil, mavi ve menekşe renkli fotonlar absorbe olurlar. enerjisi (E = h < 2.26 ev) 2.26 ev dan düşük olan sarı, portakal ve kırmızı renkli fotonlar ise geçerler. İnsan gözünün sarı renge hassasiyeti kırmızıya olduğundan daha yüksektir. Bu nedenle GaP bize sarı-portakal renkli görünür.

82 Yarı iletkenlerin renkleri E vis = 1.8eV 3.1eV foton enerjisi görünür ışığın enerjisinden küçük ise; Fotonlar yutulacaktır. E vis >E gap Foton enerjisi görünür ışığın enerjisinden büyük ise; Fotonlar geçecektir. E vis <E gap Foton enerjisi enerji aralığında (E gap ) kalıyorsa, E gap den daha büyük enerjisi olan fotonlar yutulacaktır. Biz geçmesine izin verilen ışığın rengini görürüz. Bütün renklerin geçebiliyorsa, renk beyazdır.

83 Yalıtkanlarda opaklık ve yarı saydamlık Doğal olarak saydam olan yalıtkan malzemelerin yarı saydamlık-opaklık derecesi büyük ölçüde iç yansıtma ve geçirme karakteristiklerine bağlıdır. Doğal olarak saydam olan bir çok yalıtkan malzeme iç yansıma ve iç kırılma özellikleri sayesinde yarı saydam ve hatta opak yapılabilir. Geçen bir ışın demetinin yönünde sapma olur ve çoklu saçılma olayları neticesinde «difüze» görünür. Saçılma olayları ışın demetinin arka yüze varmasını engelleyecek kadar çok olduğunda opaklık ortaya çıkar.

84 Yalıtkanlarda opaklık ve yarı saydamlık Bu iç saçılmaların birkaç nedeni olabilir: kırılma endeksi anizotropik olan Polikristal malzemeler yarı-saydam görünür. Tane sınırlarında hem yansıma hem de kırılma meydana gelir ve ışın demetinin sapmasına yol açar. Bu durum farklı kristallografik yönlenmelerde olan komşu tanelerin kırılma endekslerindeki küçük farklılıklardan ileri gelir.

85 Yalıtkanlarda opaklık ve yarı saydamlık Fazlardan birinin diğeri içinde çok ince şekilde dağıldığı 2 fazlı malzemelerde de ışık saçılması olur. İki fazın kırılma endeksleri farklı olduğunda ışın demeti saçılması faz sınırlarında olur. Fark arttıkça saçılma da artar.

86 Yalıtkanlarda opaklık ve yarı saydamlık Hem kristal hem de kalıntı amorf fazlar içeren cam seramikler, kristallerin boyutları görünür ışığın dalga boyundan küçük ve iki fazın kırılma endeksleri çok yakın (bileşim ayarlaması ile sağlanabilir) ise saydam görünecektir. İmalat sırasında bir çok seramik parça çok ince dağılmış gözenekler içerebilir. Bu gözenekler ışığı etkin şekilde saçılıma uğratırlar.

87 Yalıtkanlarda opaklık ve yarı saydamlık Katkısız polimerlerde yarı saydamlığın derecesi kristallik derecesinden etkilenir. Görünür ışığın bir miktar saçılması, kırılma endeksleri farklı olduğu için, kristal ve amorf yapılı bölgeler arasında yaşanır. Büyük ölçüde kristalin olan polimerlerde saçılma şiddetlidir ve bu durum yarı saydamlığa ve hatta bazı durumlarda opaklığa yol açar. Büyük ölçüde amorf olan polimerler tamamen saydamdır.

88 Yalıtkanlarda opaklık ve yarı saydamlık Al-oksit örneklerinda yapısal özelliklerle optik geçirme özelliklerinde değişim: Tek kristal (safir): saydam Yoğun-gözeneksiz çok kristal: yarı saydam %5 kadar gözenek içeren çok kristal: opak

89 Cam neden saydamdır? Cam çok geniş bir enerji aralığına (E gap >> 5eV) sahip bir yalıtkandır. Elektronlar için bu kadar geniş bir aralığı aşmak güçtür. E gap >> E (visible light) Her renge ait fotonlar geçer ve hiçbir emilme-alıkonma olmaz. cam bu yüzden saydamdır.

90 renkler Bileşimdeki küçük değişiklikler görünüşte ciddi farklılıklara yol açar. Örneğin yüksek saflıkta Al 2 O 3 tek kristali renksizdir % kadar Cr 2 O 3 ilave edersek malzeme kırmızı görünür. Cr Al atomlarının yerine geçer ve safirin bant aralığında empürite konumları yaratır. Bu konumlar yeşil ve mavi dalgaboyunda şiddetli absorbsiyona neden olarak sadece kırmızı dalgaboyunun geçmesine izin verir.

91 Yarı şeffaflık Işık malzeme girdikten sonra bile malzeme içinde saçılmaya bağlı olarak tekrar yansımaya uğrayabilir. Geçen ışık bile malzeme içindeki saçılma sonucunda şiddetini-bilgilerini kaybedebilir. Işık dağılır ve bir görüntü bulanık hale gelebilir. Aşırı durumlarda malzeme aşırı iç saçılma sonucunda opak olabilir. Saçılma değişik nedenlerden kaynaklanabilir: Çok kristalli malzemelerde tane sınırları Seramiklerde ince gözenekler Malzemelerdeki farklı fazlar

92 Optik özelliklerin uygulamaları Lüminesans ışıldama Floresans Fosforesans Fotolüminesans Katodo lüminesans Elektro-floresans (LED ve OLED) Foto iletkenlik Lazerler Optik fiberler

93 aynalar

94 ışıldama ışıldama bir malzemenin ışık salması Malzeme bir frekansta ışık emer, daha düşük farklı bir frekansta ışığı geri verir. İletim bandı E g empürite seviyeleri E emission Alıcı seviyesi Ara empürite seviyeleri ne kadar kararlıdır? Çok kararlı ise (uzun ömürlü = >10-8 s) = fosforesans Daha az kararlı ise (kısa ömürlü) (<10-8 s) = floresans Valens bandı örnek: koyu renkli oyuncakların aydınlıkta parlaması: fosforesans

95 ışıldama Energy of electron Gelen radyasyon incident radiation unfilled states Egap filled states electron transition Elektron occurs geçişi emitted light Salınan ışık Ters elektron geçişi Örnek: Ex: floresans ampüller ampüller cam Kaplama Eu katkılı - alümina Beyaz ışık fosforesans ve floresans

96 ışıldama Bir elektron daha yüksek bir enerji seviyesine hareketlendiğinde enerji emilir; bu elektron eski konumuna döndüğünde görünür ışık salınır. Bu olaya ışıldama (lüminesans) denir. Emilen enerji ultraviyole ışık gibi yüksek enerjili elektromanyetik radyasyon olarak temin edilir ve valens-iletim bandı arasında elektron geçişlerine yol açar. Diğer enerji kaynakları yüksek enerjili elektronlar, ısı, mekanik veya kimyasal enerji olabilir.

97 ışıldama Işıldama olayı emilme ve salınma arasında geçen zamana göre sınıflandırılır. Eğer ışıldama 1 saniyeden çok daha kısa süreler içinde gerçekleşirse, floresans; daha uzun süreler geçmiş ise fosforesans adı verilir. Bu özellikleri gösteren malzemeler, bazı sülfitler, oksitler, tungstatlar ve birkaç organik maddedir. Saf maddeler bu özelliklere sahip değildir. Bu özelliğin ortaya çıkması için kasıtlı olarak empürite ilavesi yapmak gerekir.

98 Işıldama Işıldamanın birkaç ticari uygulaması vardır. Floresans lambalar, içinde özel olarak hazırlanmış tungstat ve silikatlar bulunan cam bir muhafazadan ibarettir. ultraviole ışık cam tüp içindeki civa parıldama deşarjı ile temin edilir ve kaplamanın ışıldamasına yol açar ve böylece beyaz ışık salar. Televizyon ekranındaki görüntüler ışıldamanın ürünüdür. Ekranın iç yüzü ekrandan bir elektron demeti geçtiğinde ışıldayan bir malzeme ile kaplanır. X-ışınlarının belirlenmesinde de bu olaydan yararlanmak mümkündür. Belirli fosforlar başka türlü görünür olmayan bir radyasyon demetine girdiğinde görünür ışık yayarlar veya parlarlar.

99 Işıldama Yaygın türleri; gelen orijinal radyasyondan farklı dalga boyunda ışık (floresan ışık) Elektrik alanı (LED) Elektronlar (katot ışını tüpündeki elektron tabancası) olmasına bağlı olarak, foto-, elektro-, ve katod-ışıma olarak adlandırılır. Bunların dışında kimyasal reaksiyonlara bağlı olarak kemo-ışıma vardır!

100 fosforesans ve floresans ışıldama ayrıca fosforesans ve floresans şeklinde de görülür Floresans ve fosforesans spin gerektiren veya gerektirmeyen elektron geçişleri ile ayırt edilir. Dolayısı ile floresans spin gerekmediği için daha hızlı bir prosestir: s fosforesans s kadar sürer. Enerji diyagramı aşağıdaki gibi olur: E 2 gelen E 1 fluor. flip flip phosp. phosp. E 3

101 fosforesans ve floresans Enerji seviyeleri esasen enerji aralıkları ise: Fonon salınımı sıçrama başına ~10-12 s floresans, ~10-5 s floresans ile açığa çıkan ışık gelen ışıktan daha uzun dalga boyundadır. Enerjisi daha küçük olduğu için fosforesan ışık floresan ışıktan tipik olarak daha uzun dalga boyunda olduğu için

102 fosforesans ve floresans Floresan ışıklarda, plazma UV ışık meydana getirir ve tüp iç duvarlarındaki floresan kaplama bunu görünür ışığa dönüştürür. Bu ışıklar görünür titreşimdedir (60Hz) -1 > 10-5 s Garip bir biçimde, Bunu yapan malzemeler fosfor olarak adlandırılırlar Beyaz bir ışık elde etmek için her biri farklı dalga boyunda ışıldayan fosforların bir karışımını kullanmak gerekir. TV tüpleri farklı renkler elde etmek için farklı elementlerle doplanmış malzemeleri kullanılırlar : Cu + ile doplanmış ZnS yeşil verir. ZnS:Ag mavi verir. YVO 4 :Eu kırmızı verir.

103 fotolüminesans Hg uv elektrot elektrot Elektrodlar arasında oluşan ark ampül içindeki civayı daha yüksek bir enerji seviyesine çıkarır. Elektronlar eski konumlarına geri dönerken UV ışık verirler. (güneşlenme lambaları). Ampülün iç yüzeyi UV ışınlarını emen fakat görünür ışığı veren bir malzeme (%20 F - un Cl - ile yer değiştirdiği Ca 10 F 2 P 6 O 24 ) ile kaplanır. Renk bu malzeme metal katyonları ile doplanarak ayarlanır: Sb 3+ mavi Mn 2+ portakal-kırmızı

104 katodoluminesans TV cihazlarında kullanılır. Fosforu elektron bombardımanına tut. Fosforu böylece yüksek enerji seviyesine yükselt. Bu elektronlar önceki konumlarına dönerken foton verirler (görünür). ZnS (Ag + & Cl - ) (Zn, Cd) S + (Cu + +Al 3+ ) Y 2 O 2 S + 3% Eu mavi yeşil kırmızı Not: açığa çıkan ışık faz ve yön itibarı ile rastgeledir (koheran-uyumlu değildir!)

105 Işık salan diyodlar (LED) Bir p-n tip bağlantı diyoduna yüksek şiddette düz alan gerilimi uygulandığında görünür ışık salınır. Elektrik enerjisinin ışık enerjisine dönüşmesi olayına elektro-ışıldama denir. Elektro-ışıldama gösteren cihazlara da ışık-salan diyod (LED) adı verilir.

106 LED Düz alan gerilimi bağlantının n-tipi tarafındaki e-ları bağlantıya doğru çeker ve bu e-ların bir kısmı p-tipi tarafına geçer. n-tip tarafından p-tip tarafına e- enjeksiyonu e- + boşluk = enerji Işık fotonu salınması

107 LED Elementel yarı iletkenler, bant aralığı yapılarının çok detaylı olması sebebiyle, LED ler için uygun değildir. Bu amaçla GaAs, InP gibi III-V yarı iletken bileşikleri ve bu bileşikleri içeren bazı alaşımlar kullanılır. Salınan radyasyonun dalga boyu (rengi) yarı iletkenin bant aralığına bağlıdır. Mesela, GaAs-InP sistemi ile kırmızı, portakal ve sarı renkler mümkündür. (Ga,In)N yarı iletken alaşımları kullanılarak mavi ve yeşil LED ler de geliştirilmiştir. Sonuçta, LED ler kullanılarak diğer renklerle donatılmış çok renkli ekranların elde edilmesi mümkündür.

108 LED Yarı iletken LED ler için önemli uygulamalar: dijital saatler, ışıklı saat ekranları, optik fareler, film tarayıcıları. Televizyon ve DVD oynatıcıları için elektronik uzaktan kumandalarda da infrared ışık salan LED ler kullanılır. Bu ışık demeti alıcıdaki detektörler tarafından tanınan kodlanmış sinyaller gönderir. LED ler ışık kaynağı olarak da kullanılmaktadır (örnek: trafik lambaları). Sıradan ışığa göre çok daha verimli olup, çok az ısınır ve çok daha uzun ömürlüdür (yanacak bir filaman olmadığı için).

109 Organik LED ler (OLED) Yeni ve gelişmiş optik cihazlar yapmak için yeni malzemeler Organik ışıma yayan diyodlar (OLEDs) Beyaz ışık yarı iletken kaynakları Yeni yarı iletkenler Malzeme bilimciler lazerlerden yararlanıyorlar Solar hücreler

110 Fotoiletkenlik Yarı iletken malzemelerin iletkenliği serbest elektron ve boşluk sayısına bağlıdır. Fotonlarla etkileşim sonucunda ışığın emilmesi ile ilave elektrik yük taşıyıcıları oluşabilir. İletkenliğin bu şekilde artmasına foto iletkenlik denir. Dolayısı ile foto iletken bir malzeme aydınlatıldığında iletkenliği artar.

111 Foto iletkenlik Yarı iletken Gelen ışık Işık yokken çok az akım geçiyor! Işık gelince akım artıyor! örnek: fotodetektör (Kadmiyum sülfit)

112 Fotoiletkenlik Ortaya çıkan akımın kuvveti doğrudan gelen ışık radyasyonunun şiddetine veya fotonların foto iletken malzemeye vurma hızına bağlıdır. Görünür ışık radyasyonu fotoiletken malzemede elektron geçişlerine neden olmalıdır. Işık ölçerlerde CdS yaygın olarak kullanılır. Güneş ışığı solar hücrelerde doğrudan elektrik enerjisine dönüştürülebilir. Bu hücrelerde de yarı iletkenler kullanılır. Bu cihazların çalışma prensibi ışık salan diyodlarınkinin tersidir.

113 LASER ışığı Şu ana kadar konu edilen ışık emisyonu (ışıma) spontanedir-kendiliğinden Rastgele spontane ışıma elektron geçişlerinin önemli bir bölümünü ziyan eder. Koheran olmayan ışık sapar-saçılır, yayılır! Düzenli ve bir arada tutamayız! Bütün ışığı bir faz içinde nasıl toplar ve kuvvetlendiririz? (koheran yaparız!)

114 LASER ışığı Light (ışık) Amplification by (yükseltme) Stimulated (uyarılmış) Emission of (ışıma) Radiation (radyasyon) Laser ışığı Laser: uyarılmış radyasyon salınımı ile ışık güçlendirme. Lazerlerde bir dış uyarıcı ile başlatılan elektron geçişleri ile koheran ışık yaratılır.

115 lazerler Uyarılmış emisyon diğer fotonların varlığı ile cesaretlendirilmiş elektron geçişlerini ifade eder. Bu nedenle yarı kararlı elektron konumları-enerji seviyeleri oluşturarak, spontane ışımaya yol açan elektron geçişlerini en aza indiririz. Buna «population inversion» diyoruz. Verdiğimizden daha fazla foton aldığımız için bu bir optik yükseltme sürecidir. Bu uyarılmış ışıma sayesinde lazer radyasyonu uyumlu, yoğun ve kuvvetlidir. Holografi ve benzeri uygulamalarda onu yararlı kılan da onun bu yoğun olma özelliğidir.

116 Population Inversion Bir lazer malzemesinin enerji seviyeleri: Elektron hareketlenmesi Uyarılmış seviye Spontane düşme Fonon salınımı Yarı kararlı seviye uyarılmış salınım Fig , Callister 7e. Lazer foton salınımı

117 lazerler Lazer radyasyonu elde etmek için population inversion elde etmek, ışımayı başlatacak sayıda foton üretmek gerekir. Bu koşullardan ilki, lazer maddesinde yarı kararlı konumları xenon flaş lambasından elde edilen elektronlarla doldurarak, İkincisi ise, elde edilen fotonları iki ucu ayna vasfı kazandırılmış bir yakut çubuğu içinde ileri geri hareketlendirerek sağlanır. yakut lazerinin dalga boyu nm dir.

118 lazerler Lazerlerin birkaç değişik türü olmakla birlikte, çalışma prensibi katı hal yakut lazeri üzerinden anlatılabilir. Yakut safire %0.05 kadar Cr +3 iyonu ilave edilerek elde edilmiş Al 2 O 3 (safir) tek kristalidir. Bu iyonlar yakuta karakteristik kırmızı rengini verir. Daha da önemlisi lazerin çalışması için gerekli olan elektron seviyelerini temin ederler. Yakut lazeri uçları düz, paralel olan ve iyice parlatılan çubuk şeklindedir. Her iki uç da biri tamamen yansıtacak diğeri ise yarı geçirgen olacak şekilde gümüşle kaplanır.

119 lazerler Koheran ışıma elde etmek için iki uçtaki aynalar arasında seyahat eden ışığın dönüşte kendisi ile ayni fazda olması sağlanmalıdır. Bu nedenle aynalar arasındaki uzaklık 2L = N olmalıdır. N sabit, lazerin dalga boyu ve L lazer maddesi uzunluğudur. Yarı illetken lazerleri de ayni prensibe göre çalışır. Tek fark «population inversion» titizlikle tasarlanmış bir bant yapısı kullanmak suretiyle elektriksel olarak elde edilir.

120 lazerler Ag kaplı Kısmen Ag kaplı Uyarılma öncesinde Cr 3+ iyonları Bazı Cr 3+ iyonlarındaki elektronlar xenon flaş ışığı ile daha yüksek enerji seviyelerine hareketlenir. Xenon flaş ışığının fotonları bu yüksek enerjili ve dolayısı ile yarı kararlı durumda olan elektronlarla etkileşerek onların eski konumlarına dönmesini ve ışınım oluşmasını sağlarlar. Gümüş kaplı yüzeyden yansıyan fotonlar yakut kristali boyunca hareket ederken başka salınımları başlatırlar Bir foton ilki ile ayni faz içinde olan bir diğer foton ışınımı başlatır. = uyarılmış Nihayet tüpün kısmen gümüş kaplanmış ucundan Koherans ve yoğun bir ışınım çıkar.

121 LASER ışığı üretimi Lazer malzemesini yüksek enerji seviyesine çıkart! (mesela koheran olmayan bir xenon lamba ile!) xenon lambası Yakut lazeri ve xenon lambası Yakut çubuk Koheran ışık Bunun enerjisinin Güç kaynağı azalmasına izin verirsek koherans elde edemeyiz..

122 lazerler Yakut bir xenon flaşı tarafından aydınlatılır. Bu aydınlatma olayından önce bütün Cr 3+ iyonları en düşük enerjili konumdadırlar. xenon lambasından gelen 0.56 m dalga boyundaki fotonlar Cr 3+ iyonlarındaki elektronları daha yüksek enerjili seviyelere hareketlendirir. Bu elektronlar 2 farklı yoldan eski konumlarına dönerler: bazıları doğrudan düşerler; Diğer elektronlar yarı kararlı bir ara seviyeye dönerler ve burada kendiliğinden salma öncesinde 3 ms kadar kalabilirler. Elektronik süreçler yönünden 3 ms çok uzun bir süredir ve bu yarı kararlı konumların bir çoğunun dolu olacağı anlamına gelir.

123 Yarı iletken lazerler GaAs gibi yarı iletken malzemeler de lazer olarak kullanılabilirler. Bunlar compakt disk çalarlarda ve modern telekomünikasyon ekipmanlarında kullanılır. Bu yarı iletken malzemelerde bant aralığı enerjisi (Eg) ile ilgili dalga boyu görünür ışığa denk olmalıdır. 0.4 ile 0.7 m arasında olmalıdır. Malzemeye uygulanan gerilim valens Bandındaki elektronları harekete geçirir ve iletim bandına taşır. Bu sırada valens bandında boşluklar oluşur. Daha sonra hareketlenen elektronlardan bir kaçı ve boşluklar kendiliğinden birleşir. Her bir birleşme olayında bir ışık fotonu salınır. Bu şekilde oluşan her bir foton diğer elektron-boşluk çiftleşmelerine ve ayni dalga boyunda olup birbirleri ile ayni fazda olan diğer fotonların oluşmasına yol açar. Böylece monokromatik koheran bir ışık demeti meydana gelir.

124 Yarı iletken lazerler Yakut lazerinde olduğu gibi, yarı iletken lazerin bir ucu tamamen yansıtıcı karakterdedir. Bu sayede ışın demeti tekrar malzeme içine döner ve yeni birleşmeler olur. Lazerin diğer ucu yarı yansıtıcı karakterde olup ışının bir kısmının kaçmasına izin verir. Bu tip bir lazerle sabit gerilim uygulaması ile boşluk ve hareketli elektronlar tedariği sürdükçe sürekli bir ışın demeti elde edilir. Yarı iletken lazerler ısı alıcı ve metal iletken arasına yerleştirilmiş farklı bileşimde birkaç tabaka yarı iletken malzemeden oluşur. Tabakaların bileşimi hem hareketli elektronları hem de boşlukları ve de lazer demetini merkezdeki GaAs tabakasında tutacak şekilde seçilir.

125 yarı iletken lazeri Bitişme noktalarına kuvvetli ileri gerilim uygulanınca, Bant aralığı üzerinden elektronlar pompalayarak elektron-boşluk çiftleri yaratarak uyarılmış durum oluşturur. elektron + boşluk nötr + h Uyarılmış konum İlk konum Işık fotonu GaAs yarı-iletken lazrinin tabakalı kesit yapısı: uyarılmış elektronlar, boşluklar, lazer ışını bitişik n ve p-tipi GaAlAs tabakaları tarafından GaAs tabakasında tutulur.

126 Yarı iletken lazerler (a) Hareketlendirilmiş bir elektron bir boşlukla birleşir ve bir foton ışık salınımı gerçekleşir. (b) Foton salınımı diğer bir elektronun boşlukla birleşmesini ve diğer bir fotonun salınmasını sağlar. (c) Ayni dalgaboyunda ve birbirleri ile fazda olan bu 2 foton gümüş kaplı yüzey tarafından yarı iletken lazer içine yansıtılır.

127 Yarı iletken lazerler d-e)yarı iletkeni geçerken yeni elektron-boşluk birleşmeleri olur ve bu süreç tekrarlandıkça monokromatik ve koheran lazer demeti elde edilir. f) Bu lazerin bir kısmı kısmen gümüş kaplı uçtan dışarı çıkar.

128 lazerler Lazerler için aralarında gaz ve cam da bulunan diğer maddeler de kullanılır. Lazer uygulamaları çeşitlidir. Lazer ışınları fokuslanarak bölgesel ısıtma yapılabilir. Bazı tıbbi operasyonlarda kesme işlerinde, metallerin kesilmesi, kaynatılması, talaşlı imalatında kullanılır. Optik komünikasyon sistemlerinde ışık kaynağı olarak yararlanılabilir Lazer demeti çok koheran olduğu için çok hassas mesafe ölçümlerinde kullanılabilir.

129 lazerler Lazerlerin karakteristik özellikleri ve uygulama alanları

130 LASER

131 Sürekli dalga (CW) lazeri Lazer radyasyonu elde etmek için CO 2 veya yttrium- aluminum-garret (YAG) gibi malzemeler de kullanılabilir. Lazer tüpünde dalga oluşturulur. İki uçtaki aynaların mesafesi seçilerek frekans ayarlanır. CW lazerlerinin kullanım alanları Kaynak Delme Kesme: hassas ahşap oyma işleri; göz ameliyatları Yüzey işlemleri Yüzeyde iz-yazı oluşturma-seramiklerde Fotolitografi-Excimer lazeri

132 Total iç yansıma geçen ışık Gelen ışık yansıyan ışık Total iç yansıma i < c i = c i > c Yoğun bir ortamda hareket eden bir ışık dalgası daha az yoğun bir ortama çarpıyor. Geliş açısı ( i ) ile refraktif endekslerin oranı ile belirlenen c ilişkisine bağlı olarak ışık dalgası geçebilir veya yansıtılabilir.

133 TIR ın mekanizması ve uygulamaları Yüzeye dik gelen ışın eğilmez. Dik gelmeyen ışık için Fresnel denklemleri ile hesaplanabilir.yansıma ve geçme katsayıları Daha düşük kırılma endeksine sahip bir malzemeye gelen ışığın tamamı yansıtılır. > c : geliş açısı kritik açıdan büyükse tüm ışık yansıtılır. Eğilmediği halde kısmen yansıma olur. Işık kaynağı Kritik açı c Yüksek endeksli malzeme Fiber optik kablolar için ne tür malzemeler uygundur? Kılıf düşük n malzemesi

134 polimerler seramikler Saydam Malzeme kırılma endesk değerleri malzeme Kırılma endeski Silika camı Borosilikat camı (pyrex) 1.47 Soda camı 1.51 Kuvars (SiO 2 ) 1.55 Yoğun optik cam 1.65 Spinel (MgAl 2 O 4 ) 1.72 Periklas (MgO) 1.74 Korundum (Al 2 O 3 ) 1.76 politetrafloretan 1.35 Poli(metilmetakrilat) 1.49 polipropilen 1.49 polietilen 1.51 polistren 1.60 c19tf01

135 TIR ın mekanizması ve uygulamaları Komünikasyonda fiberoptik

136 Komünikasyonda optik fiberler Günümüzde telekomünikasyon bakır teller yerine fiber optik üzerinden gerçekleşmektedir. Metalik bir telden sinyal iletimi elektronik iken optik saydam fiberler kullanıldığında sinyal iletimi fotoniktir; yani elektromanyetik veya ışık radyasyonunun fotonlarını kullanır. Fiber optik sistemlerinin kullanımı iletimin hızını, iletilen bilgi miktarını ve iletim uzaklıklarını arttırırken, hata oranını azaltmıştır.

137 Komünikasyonda optik fiberler fiberoptikte elektromanyetik etkileşim yoktur. Bilgi transferinde hızlanma ile fiber optik teknolojisi telekomünikasyonda çığır açmıştır: Optik fiberler 1 saniyede en popüler TV dizisinin 3 bölümü kadar bilgiyi iletebilir. İki küçük optik fiber ayni anda telefon görüşmesini mümkün kılar. 3 g optik fiberin gördüğü işi görmek için 1 ton (10 6 g) bakır gerekir.

138 Elektronik biçimdeki bilgi (mesela bir telefon görüşmesi) önce dijital hale getirilmelidir. Elektrik sinyali elektrikoptik dönüştürücüsünde fotonik sinyale dönüştürülür. Dönüştürücü monokromatik ve koheran ışık yayan yarı iletken bir lazerdir. Dalgaboyu normal olarak elektromanyetik spektrumun infrared bölgesinde olan 0.78 ile 1.6 m kadardır. Bu dalga boylarında emilme kayıpları düşüktür. Komünikasyonda optik fiberler şifreleme Elektrikoptik dönüştürme Fiberoptik kablo tekrarlayıcı optikelektrik dönüştürme Şifre çözücü Gelen sinyal Giden sinyal

139 Komünikasyonda optik fiberler Bu fotonik sinyaller fiber optik kabloya yüklenir ve alıcıya kadar bu kabloda taşınır. Uzun iletimler için tekrarlayıcılar gerekebilir. Bu cihazlar sinyali büyüten ve tekrarlayan cihazlardır. Nihayet alıcıda fotonik sinyal elektronik sinyale dönüştürülür ve dekodlama uygulanır. şifreleme Elektrikoptik dönüştürme Fiberoptik kablo tekrarlayıcı optikelektrik dönüştürme Şifre çözücü Gelen sinyal Giden sinyal

140 şiddet şiddet Komünikasyonda optik fiberler süre süre Optik komünikasyonda dijital kodlama sistemi Yüksek güçte foton: 1 Düşük güçte foton: 0

141 Komünikasyonda optik fiberler Bu komünikasyon sisteminin 60 m kalbi optik fiberdir. Işık sinyallerini güç kaybı olmadan ve çok az bir distorsiyonla uzun mesafeler taşımalıdır. Fiber çekirdek, kılıf d<125 m ve kaplamadan oluşmaktadır. Sinyal çekirdekten geçerken, kılıf ışık demetlerini çekirdekte kalmaya zorlar. Dış kaplama çekirdeği ve kılıfını aşınma ve dış basınçlardan korur. Fiber malzemesi olarak yüksek saflıkta silika camı kullanılır.

142 Optik fiberler

143 Optik fiberler Işık merkezde taşınır; ve ışığın tamamen iç yansımaya uğraması merkez ve kaplamanın kırılma endeksleri arasındaki fark ile gerçekleştirilir. Seçeneklerden biri adım-endeks tasarımıdır: kılıfın kırılma endeksi çekirdeğinkinden biraz daha düşüktür. n Bu tasarımda esas sorun farklı ışınlar farklı kulvarları takip eder, farklı mesafeler kat ederler.

144 Optik fiberler değişik ışık demetleri ayni anda hareket ettikleri halde farklı yollar izleyip farklı uzaklıklar kat ettikleri için alıcıya farklı zamanlarda ulaşırlar. Dolayısı ile girişteki sinyal transfer sırasında genişler: signal signal in Bu durum dijital komünikasyonun bilgi hızını sınırlar. t out t

145 Optik fiberler Böyle bir genişleme kademeli endeks tasarımı kullanarak büyük ölçüde önlenir: silika camına B 2 O 3 veya GeO 2 gibi katkıların kesitte parabolik doplanması ile kırılma endeksinin kesitte parabolik olarak değişmesi sağlanır. Böylece, dışarda seyahat eden dalgalar daha düşük kırılma endeksli malzemede hareket ediyor olurlar. n

146 fiberoptik Böylece fiber dış kısımlarındaki ışık daha uzun fakat daha hızlı seyahat eder. Sonuçta, çekirdeğin dış kısımlarında seyahat eden ışık demetleri daha düşük endeksli malzemede daha hızlı hareket eder ve uzun mesafeye karşın hedefe merkezdeki ile yaklaşık ayni zamanda ulaşır.

147 Optik Fiber Profilleri adım-endeksli Optik Fiber dereceli-endeksli Optik Fiber

148 Optik fiberler Merkezde saçılmaya yol açan her şey en aza indirilmelidir. Cu, Fe, V milyarda kısım seviyelerinde kontrol edilir. H 2 O ve OH miktarları da çok düşük olmalıdır. Fiber çapındaki değişiklikler de saçılmaya neden olur. Bu değişkenlik 1 km fiber boyunda bugün <1µm Farklı dalga boylarının dağılımı önlemek için ışık kaynağı olarak lazerler kullanılır.

149 fiberoptik Işık demetini emen, saçan her türlü empürite ve hata elimine edilmelidir. Maksimum kesintisiz fiber uzunluğunu belirlediği için kablodaki kayıp önemlidir. Cu, Fe ve V özellikle zararlıdır. Miktarları milyarda kısım seviyesinde azaltılır. Benzer şekilde su ve hidroksil miktarları aşırı düşüktür. Fiber kesit alanı homojenliği ve çekirdeğin yuvarlaklığı kritiktir. Toleranslar 1 km de mikrometre seviyesindedir. Ayrıca camdaki kabarcıklar ve yüzey hatalarına izin yoktur. Bugün, 10 km üstünde silika camından fiberde kayıplar 25 mm; alelade pencere camındaki ile ayni!

150 Rayleigh saçılması Yüksek saflıktaki malzemelerde saçılma yine olabilir. Önemli katkı Rayleigh saçılmasından gelir Rayleigh saçılması cam eriyiğinde Brownian hareketi sonucunda var olan ve katılaşma sonunda yapıda alıkonan bölgesel küçük yoğunluk-bileşim değişikliklerinden, buna bağlı olarak kırılma endeksinde bölgesel küçük ve gelişigüzel farklılıklardan kaynaklanır. Kristal yapılarda yapısal hatalar atomların ısıl hareketliliği de Rayleigh saçılmasına yol açar.

151 Rayleigh saçılması Gökyüzünün mavi renkli olması da Rayleigh saçılmasından ötürüdür. Bu durum Rayleigh saçılmasının dalga boyuna bağlı olmasından kaynaklanır. Saçılma l -4 ile değişir l kırmızı ~ 2l mavi olduğundan mavi ışık kırmızı ışıktan 16 kat daha fazla saçılır. Bu mekanizma iletişimde kullanılan optik fiberlerde kayıpları kontrol ettiği için teknolojik yönden çok önemlidir.

152 Rayleigh saçılması Dalgaboyundan küçük dielektrik parçacık Gelen ışık dalgası Geçen ışık dalgası saçılan ışık dalgası Rayleigh saçılması ışık dalga boyundan çok daha küçük bir dielektrik parça veya bölgenin polarizasyonu sonucudur. Alan parçacığı polarize ederek dipol titreşimlerine neden olur. Ve bir çok yönde EM dalgaları çıkararak ışığın bir kısmı geldiği yönden dağılır.