Dolay s yla, elektromanyetik sabit c ile elektriksel geçirgenli i ve manyetik geçirgenlik aras nda bir ili ki vard r. 3

Transkript

1 Optik Özellikler Elektromanyetik radyasyon Ik malzeme üzerinde çarptnda nasl bir etkileme olur? Malzemelerin karakteristik renklerini ne belirler? Neden baz malzemeler saydam ve bazlar yarsaydam veya opaktr? Lazer n nasl oluur? Geleneksel fizikte, elektromanyetik radyasyon, birbirlerine ve ayn zamanda yaynma dorultusuna dik elektrik ve manyetik bileenleri olan dalgalar eklinde tanmlanabilir. Bu dalgalarn belli enerjileri vardr. Malzemede bulunan elektronlar, elektriksel kutuplar ve iyonlar ile etkileirler. 1 2 Optik Özellikler Ik, s, radar, radyo dalgalar, x-nlar vs. elektromanyetik radyasyonun deiik formlardr. Bunlarn her biri sahip olduklar dalga boylarna göre karakterize edilirler. Görünen k dalgalar, frekanslar Hz arasnda olan elektromanyetik dalgalar dr Optik Özellikler Her elektromanyetik radyasyon, boluu ayn hzda geçer. (3x10 8 m/s.) Bu hz, c, boluun elektriksel geçirgenlii ve manyetik geçirgenlii ile aada ifade edilen denklemdeki ekilde alakaldr. Dolaysyla, elektromanyetik sabit c ile elektriksel geçirgenlii ve manyetik geçirgenlik arasnda bir iliki vardr. 3 4 Optik Özellikler In hem partikül ve hem de dalga karakteristikleri vardr. Foton- In bir kuantum birimidir. In Katlarla Etkileimi Gelen k demeti malzeme üzerinde yansr, absorbe edilir, saçlr ve/veya malzeme içinden geçer. I 0 I T I A I R I S E h hc E= Foton enerjisi = Radyasyonun dalga boyu = Radyasyonun frekans h= Planck sabiti (6.62x10-34 J.s) c= In vakumdaki hz (3.00x10 8 m/s) Atomlarn çevresindeki elektronlar bir alt enerji düzeyine geçerken enerji yayar. Bu enerjinin FOTON denilen küçük parçacklar tarafndan yayld varsaylr. 5 Yansma: I R Gelen k: I 0 Malzemelerin optik yönden gruplamas: Saydam Tek kristal Yarsaydam Polikristal youn yap Absorbe: I A Geçen: I T Saçlan: I S Opak Polikristal boluklu yap 6

2 Atomik ve Elektronik düzeydeki Etkileimler En önemli etkileimlerin ikisi: Elektronik polarizasyon Elektron enerji geçileri -Elektronik polarizasyon: Görünen dalga boylarnda, malzeme içinde ilerleyen elektromanyetik dalgann (k) elektrik bileeni ile her atomun etrafn saran elektron bulutu arasnda bir etkileme meydana gelir. Bu etkileme ile, elektronlarn çekirdee göre ötelenmesi sonucunda bir elektronik polarizasyon (kutuplama) meydana gelir. -Elektron enerji geçileri: In emilmesi veya yaynmas bir enerji düzeyinden dierine elektron geçileri ile alakaldr. zole bir atomun elektron enerji diyagramn dikkate alalm. Bir elektron mevcut bulunduu E 2 enerji düzeyinden, bo ve daha yüksek bir E 4 enerji düzeyine foton enerjisini absorbe ederek yükselebilir. Elektronun enerji düzeyindeki deiim, radyasyon frekansna baldr.: Bu kutuplamann iki sonucu: (1) Elektromanyetik radyasyon enerjisinin bir ksm absorbe edilebilir, (2) Ik dalgas malzeme içinden geçerken hz yavalar. 7 8 Bir dier önemli nokta ise enerji seviyesi yükseltilmi bu elektron bu düzeyde sabit kalamaz ve geri dönmek ister. Ksa bir süre içinde, ald enerjiyi geri yayarak orijinal (ilk) enerji düzeyine geri döner. Bu geri dönü farkl aamalarda olabilir. Ancak sonuçta, enerji yutulumu (absopsiyon) ve yaynm srasnda enerjinin korunumu yasas geçerlidir. Metallerin optik özellikleri: Emilme Kat maddelerde elektromanyetik dalgalarn emilmesi ve yaylmas sonucu oluan optik özellikler, malzemelerin elektron band yaplar ve buna bal olarak elektron enerji geçileri ile açklanabilir. 9 Her iki durumda yüksek enerji seviyeleri ksmen doludur. Metaller opak malzemelerdir, çünkü malzeme üzerine etki eden görünen dalga boylarndaki k dalgalar elektronlar fermi enerji düzeyinin üzerindeki ksmen bo enerji seviyelerine yükseltir. Sonuç olarak gelen k enerjisi emilir. Emilme oran katedilen yolla orantldr Tüm enerji emilimi metalin yüzeyinde, yaklak 0.1µ bir kalnlk içinde gerçekleir. Dolaysyla ancak 0.1µ den daha ince metal filmler geçirebilir. 10 In Emilmesi In malzeme tarafndan emilmesi Beer s kural ile ifade edilebilir. I T e I 0 = emilme katsays, cm -1 = numune kalnl, cm I 0 = gelen k younluu I = geçen k younluu T I ln T I 0 11 Metallerde In Yansmas Metal yüzeyine emilen radyasyonun büyük ksm ksa süre içinde ayn dalga boyuna sahip görünen dalga boyunda yüzeyden yaynr. Bu yaynm yüzeyde yansyan k olarak görünür. Yüksek enerji düzeyinden geri dönen elektronlar foton üretirler. I R Metal yüzeyinden yaynan foton Elektronun enerjisi Bo düzeyler aktive edilmi elektron Elektron geçii Dolu düzeyler 12

3 Metallerde In Yansmas Yansma oran= I R /I ile 0.95 arasndadr. Metal yüzeyleri parlak görünür. Emilen enerjinin hemen hemen hepsi ayn dalga boyunda yüzeyden yansr. Enerjinin az bir ksm malzeme içinde emilebilir. Yansyan n rengi dalga boyuna baldr. Örnek: Bakr ve altn mavi ve yeil olarak emer ve yansyan k altn rengindedir. Metalik Olmayan Malzemelerin Optik Özellikleri: Elektron band yaplarna bal olarak metalik olmayan malzemeler görünen dalga boyundaki geçirebilirler. Bu yüzden, yansma ve emilme nin yannda, krlma ve geçirme/iletme durumlar da dikkate alnmaldr Krlma Malzeme içinden geçen k elektron bulutu dalmn bozar. I geçiren malzemeler için krlma indisi ile dielektrik katsay arasnda aadaki ekilde bir iliki de vardr. Ik geçmiyor + Ik geçiyor + Bozulan elektron bulutu dalm In malzeme içinden geçi hz vakumda geçi hzndan daha azdr. Bunlarn birine oranna krlma indisi denir n = Krlma indisi c (velocity (n vakumdaki of light in hz) vacuum) v (velocity (n malzeme of lightiçindeki in medium) hz) Dielektrik sabit Relatif manyetik geçirgenlik Pek çok malzemenin çok az manyetik olduunu düünürsek: µ r = Krlma indisinin büyüklüü(n nekadar eildii) n dalga boyuna baldr. Bu etki aadaki ekilde gösterilmektedir. Her bir renk, cam prizma içinden geçerken farkl miktarlarda krlma urar. Krlma indisi sadece n optik rotasn etkilemez, ayn zamanda gelen n yüzeyden yansyan miktarn da etkiler. In mazleme içindeki geçi hzna etki eden ey elektronik etkilemeler olduuna göre, atom veya iyonlarn boyutlar da bu etkinin büyüklüüne etki edecektir. Atom/iyon boyutu büyüdükçe, elektronik kutuplama artacak, hz düecek ve krlma indisi artacaktr. Kübik yapya sahip kristal seramiklerde ve camlarda krlma indisinin deeri kristal dorultusundan bamszdr, yani k her dorultuda ayn hzla yaylr (izotropik). Öte yandan, kübik olmayan kristallerde krlma indisi anizotropiktir. Krlma indisi iyonlarn en youn dizildii dorultularda en büyüktür. -- Cama kurun gibi büyük iyonlarn katlmas n cam içindeki hareket hzn düürür. --Ik saydam bir prizma içinden geçerken eilir, yön deitirir. Malzeme n Cam Plastikler Elmas

4 Yansma Ik, tamamen geçirgen ve krlma indisleri farkl bir ortamdan dier bir ortama geçerken, n bir ksm iki malzemenin ara yüzeyinde saçlr. Yansma, R, gelen n ara yüzeydeki yanstlan ksmn ifade eder. Yansma Ik, vakum veya hava ortamndan bir kat (s) içine geçerse, Yansyan n younluu Gelen n younluu Katnn krlma indisi büyürse, yansma da artar.. Bir kat maddenin krlma indisinin büyüklüü gelen n dalga boyuna bal olduu gibi, yansma oran da dalga boyu ile deiiklik gösterir Tümden ç Yansma Metalik Olmayan Malzemelerde Emilme n 2 n 1 n 2 < n 1 2 n 1 n 2 sin 2 sin 1 1 = gelen aç 2 = krlma açs c = kritik aç Ik metalik olmayan malzemelerde iki temel mekanizma ile emilir. Bunlar bu tür malzemeler içinde n geçi karakteristiklerini etkilerler: 1- Elektronik Kutuplama: Bu tür emilim sadece, atomlarn rölaksasyon frekanslarna yakn frekans deerine sahip dalgalar için önemlidir. c 1 c : 2 = 90 Eer 1 > c lk ara yüzeyden geri yansr (iç yansma) 2- Valans band-letim band elektron geçileri: Malzemenin elektron band yapsna baldr: Yariletken ve yaltkanlarn elektron band yaplar. Fiberoptik kablolar düük krlma indisine sahip malzeme ile kaplanr. Bu sayede k tümden iç yansma yapar ve dar kaçmaz In emilmesi, valans band seviyesinde bulunan elektronlarn, iletim bandna aktarlmas ile mümkün olabilir. Yasak enerji band genilii yaklak 1.8 ev deerinden daha düük olan yar iletkenlerde, görünen dalga boyundaki tüm k dalgalar, Valans band letim band elektron geçileri ile absorbe edilir. Bu yüzden bu tür malzemeler geçirmez ve opak malzemelerdir. Katklama ile yasak enerji band içinde enerji seviyeleri yaratlabilir. (alc ve verici düzeyleri gibi. Bu seviyeler yasak bandn ortasnda bulunur). Bu aktarm, ancak, elektronlarn yasak enerji araln atlayabilecek kadar bir enerji almas ile mümkün olabilir

5 Bu sayede, bu seviyelerin de dahil olduu, özel dalga boylarna sahip elektromanyetik dalgalar yaynabilir. (1): Direkt Elektron Geçii: Elektron tarafndan emilen elektromanyetik enerji, bir süre sonra geri verilecektir. Bu farkl yollarla olabilir: (2-1): Basamakl Elektron Geçii: (2-2): Basamakl Elektron Geçii : Enerjinin bir ksm fonon bir ksm da foton olarak yaynabilir Eer h > Eyasak ise, elektron geçii sözkonusudur. In Malzeme çinden Geçii: Örnek foton enerjileri: Mavi k: h = 3.1 ev Krmz k: h = 1.8 ev Gelen foton enerjisi h Elektron Enerjisi Bo düzeyler E yasak Dolu düzeyler Eer Eyasak < 1.8 ev ise, tüm k emilir; malzeme opaktr (Si, GaAs) Eer Eyasak > 3.1 ev ise, k emilmez; malzeme saydam ve renksizdir (diamond) Eer 1.8 ev < Eyasak < 3.1 ev ise, ksmi emilme olur; malzeme renklidir. I o : Gelen k younluu l: Kalnlk R: Yansma katsays : Emme katsays 29 30

6 Lüminesans Lüminesans malzemenin k yaymas Malzeme bir dalga boyunda emer ve bir farkl dalga boyunda (daha düük) geri yayar. Yasak band içinde alc/verici düzeyleri oluturulur. Fotolüminesans UV k Hg atom E g letim band Ara enerji düzeyleri E yaynan Oluma süresine göre ikiye ayrlr: Eer elektronlarn geri dönü süreleri yüksek ise (> 10-8 s) -- Fosforesans ksa ise(< 10-8 s) -- Floresans elektrot elektrot Elektrotlar arasndaki ark civa atomlarnn elektronlarn yüksek enerji seviyelerine aktive eder. Elektronlar ilk seviyelerine dönerlerken UV k yayarlar. Tübün iç yüzeyindeki malzeme UV absorbe eder ve görünen k olarak geri yayar. Valans band LAZER Lazerler, e frekansl, e zamanl, paralel k dalgalar yayan kaynak anlamndadr. Optik Fiberler Fiberoptik komünikasyon sistem emas LASER Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation Optik Fiberler Optik Fiber Tasarmlar Step-index Optik Fiber Çaplar 125 m yada daha az fiberler. 60 m kalnlnda plastik kaplama Graded-index Optik Fiber Fig , Callister & Rethwisch 8e. 35 Fig , Callister & Rethwisch 8e. 36