Optik Özellikler. Elektromanyetik radyasyon

Transkript

1 Optik Özellikler Işık malzeme üzerinde çarptığında nasıl bir etkileşme olur? Malzemelerin karakteristik renklerini ne belirler? Neden bazı malzemeler saydam ve bazıları yarısaydam veya opaktır? Lazer ışını nasıl oluşur? 1 Elektromanyetik radyasyon Geleneksel fizikte, elektromanyetik radyasyon, birbirlerine ve aynı zamanda yayınma doğrultusuna dik elektrik ve manyetik bileşenleri olan dalgalar şeklinde tanımlanabilir. Bu dalgaların belli enerjileri vardır. Malzemede bulunan elektronlar, elektriksel kutuplar ve iyonlar ile etkileşirler. 2 1

2 Optik Özellikler Işık, ısı, radar, radyo dalgaları, x-ışınları vs. elektromanyetik radyasyonun değişik formlarıdır. Bunların her biri sahip oldukları dalga boylarına göre karakterize edilirler. 3 Optik Özellikler Her elektromanyetik radyasyon boşluğu aynı hızda geçer. (3x10 8 m/s.) Bu hız, c, boşluğun elektriksel geçirgenliği ve manyetik geçirgenliği ile aşağıda ifade edilen denklemdeki şekilde alakalıdır. Dolayısıyla, elektromanyetik sabit c ile elektriksel geçirgenliği ve manyetik geçirgenlik arasında bir ilişki vardır. 4 2

3 Optik Özellikler Işığın hem partikül ve hem de dalga karakteristikleri vardır. Foton- Işığın bir kuantum birimidir. E = hν = hc λ E= Foton enerjisi λ= Radyasyonun dalga boyu ν= Radyasyonun frekansı h= Planck sabiti (6.62x10-34 J.s) c= Işığın vakumdaki hızı (3.00x10 8 m/s) 5 Işığın Katılarla Etkileşimi Gelen ışık demeti malzeme üzerinde yansır, absorbe edilir, saçılır ve/veya malzeme içinden geçer. I 0 = I T + I A + I R + I S Yansıma: I R Absorbe: I A Geçen: I T Gelen ışık: I 0 Saçılan: I S Malzemelerin optik yönden gruplaması: Saydam Yarısaydam Opak Tek kristal Polikristal yoğun yapı Polikristal boşluklu yapı 6 3

4 Atomik ve Elektronik düzeydeki Etkileşimler En önemli etkileşimlerin ikisi: Elektronik polarizasyon Elektron enerji geçişleri -Elektronik polarizasyon: Görünen dalga boylarında, malzeme içinde ilerleyen elektromanyetik dalganın (ışık) elektrik bileşeni ile her atomun etrafını saran elektron bulutu arasında bir etkileşme meydana gelir. Bu etkileşme ile, elektronların çekirdeğe göre ötelenmesi sonucunda bir elektronik polarizasyon (kutuplaşma) meydana gelir. Bu kutuplaşmanın iki sonucu: (1) Elektromanyetik rdyasyon enerjisinin bir kısmı absorbe edilebilir, (2) Işık dalgası malzeme içinden geçerken hızı yavaşlar. 7 -Elektron enerji geçişleri: Işığın emilmesi veya yayınması bir enerji düzeyinden diğerine elektron geçişleri ile alakalıdır. İzole bir atomun elektron enerji diyagramını dikkate alalım. Bir elektron mevcut bulunduğu E 2 enerji düzeyinden, boş ve daha yüksek bir E 4 enerji düzeyine foton enerjisini absorbe ederek yükselebilir. Elektronun enerji düzeyindeki değişim, radyasyon frekansına bağlıdır.: 8 4

5 Bir diğer önemli nokta ise enerji seviyesi yükseltilmiş bu elektron bu düzeyde sabit kalamaz ve geri dönmek ister. Kısa bir süre içinde, aldığı enerjiyi geri yayarak orijinal (ilk) enerji düzeyine geri döner. Bu geri dönüş farklı aşamalarda olabilir. Ancak sonuçta, enerji yutulumu (absopsiyon) ve yayınımı sırasında enerjinin korunumu yasası geçerlidir. Katı maddelerde elektromanyetik dalgaların emilmesi ve yayılması sonucu oluşan optik özellikler, malzemelerin elektron band yapıları ve buna bağlı olarak elektron enerji geçişleri ile açıklanabilir. 9 Metallerin optik özellikleri: Emilme Her iki durumda yüksek enerji seviyeleri kısmen doludur. Metaller opak malzemelerdir, çünkü malzeme üzerine etki eden görünen dalga boylarındaki ışık dalgaları elektronları fermi enerji düzeyinin üzerindeki kısmen boş enerji seviyelerine yükseltir. Sonuç olarak gelen ışık enerjisi emilir. Tüm enerji emilimi metalin yüzeyinde, yaklaşık 0.1µ bir kalınlık içinde gerçekleşir. Dolayısıyla ancak 0.1µ den daha ince metal filmler ışığı geçirebilir. 10 5

6 Işığın Emilmesi Işığın malzeme tarafından emilmesi Beer s kuralı ile ifade edilebilir. = e I T I 0 βl β = emilme katsayısı, cm -1 l = numune kalınlığı, cm I 0 = gelen ışık yoğunluğu I = geçen ışık yoğunluğu T ln I T I 0 = βl 11 Metallerde Işığın Yansıması Metal yüzeyine emilen radyasyonun büyük kısmı kısa süre içinde aynı dalga boyuna sahip görünen dalga boyunda yüzeyden yayınır. Bu yayının yüzeyde yansıyan ışık olarak görünür. Yüksek enerji düzeyinden geri dönen elektronlar foton üretirler. Metal yüzeyinden yayınan foton I R Elektronun enerjisi Boş düzeyler aktive edilmiş elektron Elektron geçişi Dolu düzeyler 12 6

7 Metallerde Işığın Yansıması Yansıma oranı= I R /I ile 0.95 arasındadır. Metal yüzeyleri parlak görünür. Emilen enerjinin hemen hemen hepsi aynı dalga boyunda yüzeyden yansır. Enerjinin az bir kısmı malzeme içinde emilebilir. Yansıyan ışığın rengi dalga boyuna bağlıdır. Örnek: Bakır ve altın ışığı mavi ve yeşil olarak emer ve yansıyan ışık altın rengindedir. 13 Metalik Olmayan Malzemelerin Optik Özellikleri: Elektron band yapılarına bağlı olark metalik olmayan malzemeler görünen dalga boyundaki ışığı geçirebilirler. Bu yüzden, yansıma ve emilme nin yanında, kırılma ve geçirme/iletme durumları da dikkate alınmalıdır. 14 7

8 Kırılma Malzeme içinden geçen ışık elektron bulutu dağılımını bozar. + Işık geçmiyor Işık geçiyor + Bozulan elektron bulutu dağılımı Işığın malzeme içinden geçiş hızı vakumda geçiş hızından daha azdır. n = Kırılma indisi c (velocity (ışığın vakumdaki of light in hızı) vacuum) v (velocity (ışığın malzeme of lightiçindeki in medium) hızı) 15 Kırılma indisinin büyüklüğü (ışığın nekadar eğildiği) ışığın dalga boyuna bağlıdır. Bu etki aşağıdaki şekilde gösterilmektedir. Her bir renk, cam prizma içinden geçerken farklı miktarlarda kılıma uğrar. Kırılma indisi sadece ışığın optik rotasını etkilemez, aynı zamanda gelen ışığın yüzeyden yansıyan miktarını da etkiler. 16 8

9 Işığı geçiren malzemeler için kırılma indisi ile dielektrik katsayı arasında aşağıdaki şekilde bir ilişki de vardır. Dielektrik sabit Relatif manyetik geçirgenlik Pek çok malzemenin çok az manyetik olduğunu düşünürsek: µ r =1 17 Işığın mazleme içindeki geçiş hızına etki eden şey elektronik etkileşmeler olduğuna göre, atom veya iyonların boyutları da bu etkinin büyüklüğüne etki edecektir. Atom/iyon boyutu büyüdükçe, elektronik kutuplaşma artacak, hız düşecek ve kırılma indisi artacaktır. Kübik yapıya sahip kristal seramiklerde ve camlarda kırılma indisinin değeri kristal doğrultusundan bağımsızdır (izotropik). Öte yandan, kübik olmayan kristallerde kırılma indisi anizotropiktir. Kırılma indisi iyonların en yoğun dizildiği doğrultularda en büyüktür. -- Cama kurşun gibi büyük iyonların katılması ışığın cam içindeki hareket hızını düşürür. -- Işık saydam bir prizma içinden geçerken eğilir, yön değiştirir. Malzeme n Cam Plastikler Elmas

10 Yansıma Işık, tamamen geçirgen ve kırılma indisleri farklı bir ortamdan diğer bir ortama geçerken, ışığın bir kısmı iki malzemenin ara yüzeyinde saçılır. Yansıma, R, gelen ışığın ara yüzeydeki yansıtılan kısmını ifade eder. Yansıyan ışığın yoğunluğu Gelen ışığın yoğunluğu 19 Yansıma Işık, vakum veya hava ortamından bir katı (s) içine geçerse, Katının kırılma indisi büyürse, yansıma da artar.. Bir katı maddenin kırılma indisinin büyüklüğü gelen ışığın dalga boyuna bağlı olduğu gibi, yansıma oranı da dalga boyu ile değişiklik gösterir

11 Tümden İç Yansıma n 2 < n 1 φ 2 n 1 n 2 = sin φ 2 sin φ 1 n 2 n 1 φ 1 = gelen açı φ 2 = kırılma açısı φ c = kritik açı φ c Φ c : φ 2 = 90 φ 1 Eğer φ 1 > φ c lşık ara yüzeyden geri yansır (iç yansıma) Fiberoptik kablolar düşük kırılma indisine sahip malzeme ile kaplanır. Bu sayede ışık tümden iç yansıma yapar ve dışarı kaçmaz. 21 Emilme Işık metalik olmayan malzemelerde iki temel mekanizma ile emilir. Bunlar bu tür malzemeler içinde ışığın geçiş karakteristiklerini etkilerler: 1- Elektronik Kutuplaşma: Bu tür emilim sadece, atomların rölaksasyon frekanslarına yakın frekans değerine sahip dalgalar için önemlidir. 2- Valans bandı-iletim bandı elektron geçişleri: Malzemenin elektron band yapısına bağlıdır: Yarıiletken ve yalıtkanların elektron band yapıları

12 Işığın emilmesi, valans band seviyesinde bulunan elektronların, iletim bandına aktarılması ile mümkün olabilir. Bu aktarım, ancak, elektronların yasak enerji aralığını atlayabilecek kadar bir enerji alması ile mümkün olabilir. 23 Yasak enerji band genişliği yaklaşık 1.8 ev değerinden daha düşük olan yarı iletkenlerde, görünen dalga boyundaki tüm ışık dalgaları, Valans bandı İletim bandı elektron geçişleri ile absorbe edilir. Bu yüzden bu tür malzemeler ışığı geçirmez ve opak malzemelerdir. Katkılama ile yasak enerji bandı içinde enerji seviyeleri yaratılabilir. (alıcı ve verici düzeyleri gibi. Bu seviyeler yasak bandın ortasında bulunur)

13 Bu sayede, bu seviyelerin de dahil olduğu, özel dalga boylarına sahip elektromanyetik dalgalar yayınabilir. Elektron tarafından emilen elektromanyetik enerji, bir süre sonra geri verilecektir. Bu farklı yollarla olabilir: 25 (1): Direkt Elektron Geçişi: 26 13

14 (2-1): Basamaklı Elektron Geçişi: 27 (2-2): Basamaklı Elektron Geçişi : Enerjinin bir kısmı fonon bir kısmı da foton olarak yayınabilir

15 Eğer hν > Eyasak ise, elektron geçişi sözkonusudur. Örnek foton enerjileri: Mavi ışık: hν = 3.1 ev Kırmızı ışık: hν = 1.8 ev Gelen foton enerjisi hν Elektron Enerjisi Boş düzeyler E yasak Dolu düzeyler Eğer Eyasak < 1.8 ev ise, tüm ışık emilir; malzeme opaktır (Si, GaAs) Eğer Eyasak > 3.1 ev ise, ışık emilmez; malzeme saydam ve renksizdir (diamond) Eğer 1.8 ev < Eyasak < 3.1 ev ise, kısmi emilme olur; malzeme renklidir. 29 Işığın Malzeme İçinden Geçişi: I o : Gelen ışık yoğunluğu l: Kalınlık R: Yansıma katsayısı β: Emme katsayısı 30 15

16 Lüminesans Luminescence malzemenin ışık yayması Malzeme ışığı bir dalga boyunda emer ve bir farklı dalga boyunda (daha düşük) geri yayar. Yasak band içinde alıcı/verici düzeyleri oluşturulur. İletim bandı Eğer elektronların geri dönüş süreleri yüksek ise (> 10-8 s) -- Fosforesans E g Ara enerji düzeyleri E yayınan kısa ise(< 10-8 s) -- Floresans Valans bandı 31 Fotolüminesans Hg atom UV ışık elektrot elektrot Elektrotlar arasındaki ark civa atomlarının elektronlarını yüksek enerji seviyelerine aktive eder. Elektronlar ilk seviyelerine dönerlerken UV ışık yayarlar. Tübün iç yüzeyindeki malzeme UV ışığı absorbe eder ve görünen ışık olarak geri yayar

17 LAZER Lazerler, eş frekanslı, eş zamanlı, paralel ışık dalgaları yayan kaynak anlamındadır. LASER Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation 33 Optik Fiberler Fiberoptik komünikasyon sistem şeması 34 17

18 Optik Fiberler Çapları 125 µm yada daha az fiberler. 60 µm kalınlığında plastik kaplama 35 Step-index Optik Fiber Optik Fiber Tasarımları Graded-index Optik Fiber Fig , Callister & Rethwisch 8e. Fig , Callister & Rethwisch 8e