Optyczne metody badan material

1
Optyczne metody badan materialów w.2

• Resume W1
• struktura energetyczna materialów okresla ich
  wlasnosci optyczne
• a) transmisje / absorpcje
• b) odbicie (od dielektryków i metali)
• c) rozproszenie

- zespolony wspólczynnik zalamania
lasery
? wazne narzedzie
wlasnosci promieniowania laserowego
umozliwiaja - ulepszenie klasycznych pomiarów
(np. widm absorpcyjnych) - nieliniowe
oddzialywanie swiatlo-materia, -
rozwój nowych metod spektroskopii laserowej
pomiary ultraszybkiej dynamiki
(reakcje chem., biol.)
femtosec (10-15 s),
attosec (10-18 s)
2
Lasery co kazdy powinien wiedziec,
ale sie bal zapytac...
glówny mechanizm emisja wymuszona przez
wzbudzone atomy

• Emisja wymuszona

• fazy emisji
• kierunki emisji
• czestosci emisji

Skorelowane z fotonami wymuszajacymi !!!
konieczne warunki dzialania lasera

• Inwersja obsadzen stanów o wyzszej energii
  wzgledem nizszej
• (aby emisja promieniowania przewazala nad
  absorpcja)
• Rezonator laserowy pozwalajacy na zwiekszenie
  liczby
• fotonów wymuszajacych
• (aby emisja wymuszona przewazala nad
  spontaniczna)

3
Róznorodnosc laserów
rózne parametry promieniowania

• zakresy energii (dl. fal) od (X) VUV, do IR
• mozliwe rozszerzanie przez procesy
  nieliniowe
• monochromatycznosc na ogól stale dl. fali,
• ale sa tez lasery
  przestrajalne
• praca ciagla i impulsowa (ultrakrótkie impulsy
  fs i as)
• energia i moc promieniowania bardzo rózne
• moc 1 W wiazki laserowej znacznie silniejsze
  zaburzenie
• niz dla swiatla od np. 100 W zarówki
• (kolimacja, kat brylowy,
  monochromatycznosc)
• polaryzacja (na ogól tak, ale czasem nie)
• spójnosc dla wiazek ciaglych b. duza
• kolimacja ograniczona jedynie dyfrakcja

4
Popularne lasery
Laser osrodek aktywny dlugosc fali nm rodzaj emisji moc typowe zastosowania
He-Ne gaz 633 1150 3390 ciagla (CW) 1-40 mW holografia, i wiele innych (swietna jakosc wiazki)
CO2 gaz (9 600) 10 600 ciagla 5-10 000 termiczna obróbka materialów
Argonowy zjonizowany gaz 488 514,5 ciagla 5 mW-5W holografia, medycyna (chirurgia oka), laser shows
ekscymerowy gaz 193 308 351 impulsowa (P) - 20 MW (peak) obróbka materialów, medycyna
He-Cd pary metalu 325 441 ciagla 5-100 mW spektroskopia i tak jak He-Ne
Cu pary metalu 511 578 impulsowa 50 W (usredn.) holografia, medycyna, laser shows
barwnikowy ciecz 370 1000 przestrajalny ciagla/ impulsowa 10-500 mW CW 1 MW (P peak) spektroskopia, medycyna
Tiszafir cialo stale 700 1100 nm przestrajalny ciagla/ impulsowa - j.w. - spektroskopia, medycyna, ultrakrótkie impulsy
rubinowy cialo stale 694 impulsowa holografia, obróbka materialów, znaczenie histor.
NdYAG cialo stale 1064 (druga harmon. 532) impulsowa/ ciagla 2x108 W obróbka materialów, medycyna
szklo Nd cialo stale 1064 impulsowa 5x1014 W obróbka materialów
diodowy cialo stale 380 40 000 mozna przestrajac ciagla/ impulsowa 1mW-100W CD, DVD, komunikacja, drukarki, medycyna, spektroskopia, ...
5
Laserowa obróbka,
transformacja materialów

• Pole EM zwiazane z promieniowaniem lasera moze
  modyfikowac
• a) str. energetyczna materialów wlasnosci
  fiz-chem.
• b) selektywnie inicjowac reakcje chemiczne

2. Termiczne dzialanie wiazki laserowej na
materialy (musi byc
absorbowana)
3. Fotoablacja
4. Laser-Plasma Deposition (nanoszenie
materialów za pomoca plazmy laserowej)
(dwie wiazki lasera excymerowego generuja
strumienie plazmowe róznych substancji, które
sie osadzaja na plytce substratu w odpowiednich
proporcjach)
6
Badania rozpraszania swiatla
Rodzaje rozpraszania

1. Rezonansowe swiatlo rezonansowo oddzialuje z
   okreslonym przejsciem w atomach/czasteczkach
   absorpcja/reemisja

? swiatla rozpraszanego ? sw. reemitowanego
mozliwy
pomiar str. widmowej str. energetycznej
rozpraszanie elastyczne ?scatt ?exc
gdy bogatsza str. poziomów bogatsze widma
rozpraszanie Ramana ?scatt ?exc?Di
umozliwia pomiar rozszczepien Di
D1 D2
7
SRS (Stimulated Raman Scattering)
Z laserowym wzbudzeniem - rozpraszanie wymuszone
2. Rozpraszanie nierezonansowe (oscylujacy dipol)

• male czastki rozprasz. Rayleigha elastyczne

?
kolor nieba i zachodzacego slonca

• duze czastki rozpraszanie Mie Gustaw Mie

zalezne od rozmiarów czastek, slabiej zalezy od
? - kolor chmur
8
Rola interferencji i dyfrakcji
w rozpraszaniu

• w rozpraszaniu Mie, interferuja przyczynki
  swiatla rozprosz.
• przez rózne czesci czastki i daja zaleznosc od
  rozmiaru czastek

9
w rozpraszaniu na wielu malych czastkach
istotna dyfrakcja na indywidualnych czastkach
Przyklad - badania aerozoli
?
Analiza obrazów dyfr. wazna metoda pomiaru
rozmiarów obiektów i struktur
10
Elastometria
analizator
polaryzator
przezroczysty przedmiot z naprezeniami
obraz naprezen

• defektoskopia
• badanie naprezen, sprawdzanie modeli konstrukcji