WYKŁAD VIII

(1)

WYKŁAD VIII

A. Materiały optyczne: okienka i soczewki, filtry, materiały półprzepuszczalne Powłoki anty- i wysokoodbiciowe.

Światłowody (fiber optics).

B. Rodzaje laserów. Krystaliczne, gazowe i jonowe, molekularne, półprzewodnikowe (DPSS), barwnikowe, ekscimerowe.

C. Nowe materiały do wymuszonej emisji w laserach.

Generowanie drugiej harmonicznej (SHG). Kryształy nieliniowe i ich funkcje. Materiały do wytwarzania promieniowania EM różnych częstości.

D. Związki fotochromowe, termochromowe i elektrochromowe.

Przestrajalne zwierciadła wodorkowe.

(2)

1. Okienka optyczne, soczewki, obiektywy beamsplittery, półfalówki etc.

- SiO

₂

, 185-2500 nm, cena

- Szafir, 180-4500 nm, duża twardość

- CaF

₂

, 170-7800 nm, mała higroskopijność

2. Pokrycia: antyodbiciowe (MgF

₂

), średnioodbiciowe,

wysokoodbiciowe (lasery), antykondensacyjne (fotografia) zakres przepuszczalności

CsI

(3)

Material Refractive Index Transmission Range (m)

Thermal Expansion Coefficient (10^–6/K)

BK7 1.5164 (588 nm) 0.330 - 2.1 7.5

SF11 1.78472 (588nm) 0.370 - 2.5 6.8

SF14 1.76182 (588 nm) 0.420 - 2.0 8.1

Fused Silica SiO2 1.4858 (308 nm) 0.185 - 2.5 0.54

CaF2 1.399 (5.0 mm) 0.170 - 7.8 18.85

Sapphire 1.755 (1.0mm) 0.180 - 4.5 8.4

Silicon 3.4179 (10 mm) 1.200 - 7.0 4.15

Ge 4.003 (10 mm) 1.900 - 16 6.1

ZnSe 2.40 (10 mm) 0.630 - 18 7.8

ZnS 2.2 (10 mm) 0.380 - 14 6.5

LiF 1.39 (500 nm) 0.150 - 5.2 37

KBr 1.526 (10 mm) 0.280 - 22 43

CsI 1.76 (1 m) 0.30 - 70

MgF2 no=1.3836

ne=1.3957 (405nm)

0.130 - 7.0 a:13.7 b: 8.48

YVO4 no=1.9500

ne=2.1554 (1.3mm)

0.400 - 5.0 a:4.46 b:11.37 CaCO3 (Calcite) no=1.6557

ne=1.4852 (633nm)

0.210 - 2.3 a:24.39 b:5.68

Quartz no=1.5427

ne=1.5518 (633nm)

0.200 - 2.3 7.07

a-BBO (Barium Borate)

no=1.6749 ne=15555 (532nm)

0.190 - 3.5 a:4.0 c: 36

LiNbO3 no=2.2863

ne=2.2027 (633nm)

0.370 - 4.5 a:16.7 c: 2.0

UV

FIR

(4)

3. Filtry.

(a) przepuszczające & wycinające (b) szerokopasmowe &

wąskopasmowe, oraz brzegowe (edge) (c) UV, VIS, NIR, MIR, FIR (d) zwykłe i polaryzacyjne (e) klasyczne &

interferencyjne (f) półprzepuszczalne (g) notch

Szerokopasmowy (quadruple bandpass) filtr wzmocnienia kolorystyki w fotografii cyfrowej

(5)

Broad, quadruple bandpass

Filtry wąskopasmowe (gł. interferencyjne): przepuszczanie wyłącznie głównej linii laserowej, polepszanie

monochromatyzacji linii laserow diodowych

Lampy: Hg (254-577 nm), Zn (214 nm) & Cr (228 nm) – filtry linii emisyjnych.

edge

ultrasmall bandpass

(interference filter)

(6)

Filtry: edge, rejection band & notch (ten ostatni składa się z odpowiednio ustawionych 4 filtrów interferenc.)

Wycinanie: linii emisyjnych lub absorpcyjnych danego

pierwiastka (minimalizacja interferencji pierwiastków w ASA), linii laserowej (spektroskopia Ramana)

632 nm rejection band 514.5 nm notch

(7)

Zwierciadła i filtry półprzepuszczalne, beamsplitter (czasami

wykorzystany jest dichroizm)

(8)

Filtry polaryzacyjne (tendencyjna polaryzacja przez odbicie,

zniekształcenie kolorystyki i jasności obrazu)

(9)

Rodzaje laserów:

- gazowe (HeNe, HeXe) i jonowe (Ar, Kr) - molekularne (N₂, CO₂)

- diodowe (półprzewodnikowe) tzn. Diode Pump Solid State (GaAs, itp. GaN)

- krystaliczne (YAG, szafirowy, lasery pompowane) - ekscimerowe (KrF)

- barwnikowe (lasery wtórne, rozmaite barwniki).

Podział praktyczny:

- ciągłe (Ar) i impulsowe (Nd:YAG)

- długo- (ns), średnio (ps), i krótkoimpulsowe (fs) - o wysokiej i niskiej częstości repetycji

- o niskiej (MW), średniej (GW) i wysokiej mocy pojedyńczego impulsu (TW do PW)

- przestrajalne (Ti:sapph) i nie (Kr)

(10)

2026 HeXe, 10591.5 nm CO₂ (994 cm^–1)

200 nm

300 nm

400 nm 248 KrF, 266 4^thH, YAG

325 HeCd, 337.1 N₂ 500 nm

442 HeCd, 457 & 488 Ar 600 nm

514.5 Ar, 532 2^nd H, YAG 700 nm

632.8 HeNe, 647.1 & 676 Kr, 694 Ruby

1000 nm 775-875 AlGaAs, 785 Ti:sapph

2000 nm 1064 YAG, 1152.3 HeNe, 1310 InGaAsP

GaN

1167-1345 Cr:Mg₂SiO₄

(11)

Barwniki chemiczne wykorzystywane w laserach o strojeniu ciągłym

(12)

(13)

Kryształy nieliniowe (for frequency conversion):

- KTP (KH₂PO₄), ADP (NH₄H₂PO₄) i pochodna Cs, oraz ich deuterowane odpowiedniki: 2^nd & 4^th harmonic generation, NIR  VIS  UV

- CsLiB₆O₁₀ & Li₂B₄O₇, 4^th & 5^th harmonic - BaB₂O₄ & KBO₂, KB₅O₈ x 4 H₂O

- LiNbO₃ & MgO:LiNbO₃, KTiOAsO₄ & KTiOPO₄, - AgGaS₂ & ZnGeP₂ (dublowanie lasera CO₂)

Kryształy laserowe:

Nd

³⁺

:Y

³⁺

V

⁵⁺

O

₄

| Nd:YAG | Cr:Mg

₂

SiO

₄

| Cr

⁴⁺

:YAG | Ti

⁴⁺

:sapphire (Al

₂

O

₃

) | Nd

⁴⁺

:YLF (YLaF

₆

)

YAG = Yttrium Aluminium Garnet (granat) Y

₃

Al

₅

O

₁₂

także Tm i Er jako domieszki

Pumping laser (diode)

Laser crystal

Frequency multiplying

crystal

CW, 800 nm pulse, 1064 nm pulse, 532 nm,

355 nm, 266 nm

(14)

Swiatłowody (fibre optics).

-Przenoszą więcej danych od zwykłych kabli metalowych

-Są mniej podatne na zakłócenia -Są cieńsze i lżejsze, lecz łamliwe -Umożliwiają transfer danych cyfrowych, oprócz analogowych -Duże bezpieczeństwo przekazu danych

-Instalacja nie wywołuje iskier -Niska konsumowana moc -Lecz dość wysoka cena…

Detektory scyntylacyjne dla promieni X lub gamma & “imaging arrays”:

- aktywowane talem jodki NaI(Tl) & CsI(Tl) - ZnWO₄

- Bi₄Ge₃O₁₂

- aktywowane europem fluorki CaF₂(Eu)

Funkcje kryształów nieliniowych:

- Mieszanie i zwielokratnianie częstości emisji laserowych (j.w.)

- Elektro-optyczne (zmiana wsp. załamania z przyłożeniem pola elektrycznego, Bi₁₂SiO₂₀, LiInS₂)

- Akustyczno-optyczne (w tym piezoelektryki np. TeO₂ & PbMoO₄)

- Fotorefracyjne Fe: LiNbO₃, LiIO₃, Ce:BaTiO₃(memory, optical storage, information processing and holography)

- Dichroiczne YVO₄

(15)

http://www.harricksci.com/infoserver/optical%20materials.cfm

http://www.omegafilters.com/index.php?page=omegatext/prod_ftypes_pro http://www.mkt-intl.com/crystals/alphadir.htm

http://www.casix.com/

http://www.mt-berlin.com/charts/chart_01.htm#IND6 http://www.laserscience.com/

http://www.rainbowphotonics.ethz.ch/

http://www.cpocc.com/

(16)

Termochromia

- Atramenty - Okulary

- Indykatory temperatury urządzeń

-Butelki (hot-cold), kubki - Znaczniki

autentyczności produktu - Koszulki T-shirt i

bielizna…

X

(17)

Fotochromia

“smart windows, inks & glasses”, najczęściej czułość na UV ze światła słonecznego

Dość słaba odwracalność układów fotochromowych

(nieodwracalność reakcji chemicznej)

http://beloptix.com/

Fotoelektrochromia

Okna w budynkach, zmieniajace wystrój kolorystyczny pokoju, wyświetlniki (kompetycja z LCD)

(18)

Przestrajalne Zwierciadła Wodorkowe Nature 380 (1996) 231

Przejrzyste elektrody

Indium Tin Oxide (ITO) & Aluminium Zinc Oxide (AZO)

- pomiary spektroelektrochemiczne - duże Plasma Display Panels

- dość oczywisty chromizm związany ze zmianą stopnia utlenienia lub/i składu - stosunkowo łatwa i odwracalna

absorpcja/desorpcja wodoru z próbki - wyjątkowa gwałtowność zmian cech optycznych materiału w pobliżu przejścia izolator/metal (Insulator-to-Metal-Transition) - także La i inne (RE)H_x

YH

₂

 YH

₃

Metaliczny, błyszczący  żółty, przezroczysty izolator

http://www.europhysicsnews.com/full/08/article1/article1.html