Оптичні ефекти що лежать в основі роботи оптичних та електрооптичних пристроїв

1. Лекція 3. Оптичні ефекти що лежать в основі роботи оптичних та електрооптичних пристроїв

Оптичні ефекти пов’язані з хвильовою природою світла
Ефекти пов’язані з корпускулярною природою світла

2. Загальні зауваження

Е
H
Оптика
v
Фізична
Класична
(хвильова)
Геометрична
Квантова
(корпускулярна
Інтерференція, дифракція, дисперсія, поляризація – ці явища пояснюють хвильову
природу світла.
Зовнішній фотоефект, Комптон-ефект, лінійчасті спектри, постулати РезерфордаБора – підтверджують корпускулярну природу світла.
Після 50х років появляються оптичні квантові генератори (лазери), мазери, голографія.
Появляються: Інтегральна оптика
Оптоелектроніка
Лінійна
Волоконна оптика
Оптика
Розвиваються: Оптика кристалів
Нелінійна
Металооптика
Оптика тонких плівок
Оптика фотонних матеріалів
Оптика верхніх шарів атмосфери тощо

3.

Будь-яка речовина характеризується певними властивостями (механічними, тепловими,
електричними, магнітними) і константами.
Кожна речовина (матеріал, оптичне середовище) має і оптичні властивості і оптичні
константи.
Показник заломлення (n):
n=( )1/2=c/v
та - діелектрична та магнітна проникність середовища (матеріалу),
c, v – швидкості світла у вакуумі та речовині.
Коефіцієнт відбивання (R):
R=Wвідбита/Wпадаюча
R = 0 – абсолютно чорне тіло, для металів R 1
Коефіцієнт поглинання (K) та коефіцієнт пропускання (T)
Якщо n, R, K, T не залежать від енергії падаючого світла то оптика називається лінійною.
Якщо оптичні константи залежать від енергії (інтенсивності) то такі явища відносяться
до нелінійної оптики.
ω
2ω, 3ω, 4ω …
Перевипромінювання в
результаті нелінійних
ефектів

4.

Оптичні ефекти пов’язані з хвильовою природою світла
Електрооптичний ефект – зміна показника заломлення деяких матеріалів під дією
електричного поля.
Матеріали, які володіють такими властивостями називають електрооптичними.
Електрооптичні ефекти є двох видів:
1) Ефект Поккельса
2) Ефект Керра
При ефекті Покельса показник заломлення змінюється пропорційно прикладеному
електричному полю (спостерігається в кристалах KDP(KH2PO4), DKDP(KD2PO4),
LiNbO3 та ін.).
В кристалічних матеріалах, які мають п’єзоелектричні властивості. Під дією
зовнішнього електричного поля виникає двопроменезаломлення. Різниця показників
заломлення звичайного і незвичайного коливання пропорційна першій степені
напруженості електричного поля:
∆=l(no-ne) ~ E
Цей ефект називається лінійним електрооптичним ефектом (ефектом Покельса).
В оптичному зв’язку частіше використовують ефект Поккельса із-за хорошої лінійності
і низького значення робочої напруги. На основі цього ефекту працюють модулятори
світла.
При эфекті Керра показник заломлення змінюється пропорційно квадрату прикладеної
напруги електричного поля (нітрогліцерин, сірководень).

5.

П
+
Рідкий д/е
ізотропний
А
Якщо прикласти електричне
поле – виникає анізотропія.
–
Ел. поле
∆=l(no-ne) = BlλE2,
B – коефіцієнт Керра.
Електрооптичні ефекти застосовують також для виготовлення швидкісних оптичних
затворів (час спрацювання – одиниці нс) – затвори Керра; для виготовлення оптичних
відхиляючих систем; в оптичній пам’яті, трьохмірних модуляторах; в оптичних
бістабільних елементах.
Є інші зовнішні фактори, які викликають анізотропію:
1) Електричне поле (викликає поляризацію) – розглянули
2) Механічні напруги (фотопружність) (стискаємо пластинку змінюються
міжатомні відстані виникає анізотропія змінюється n. ( =F/(lh); ∆=l(no-ne)
3) Магнітне поле (виникає намагніченість).
Фотопружний ефект виражається в зміні показника заломлення під впливом пружної
деформації.
Виникнення двопроменезаломлення в результаті фотопружності (механ. напруг) лежить
в основі акустооптичного ефекту.
Акустооптичний ефект – явище дифракції, заломлення, відбивання або розсіювання

6.

світла на періодичних неоднорідностях середовища (зонах з різними значеннями
показника заломлення), викликаних пружними деформаціями при проходженні
ультразвука. При цьому періодичне чергування неоднорідностей середовища працює як
дифракційна гратка, яка змінює напрямок світлового променя. Акустооптичні ефекти
бувають двох видів. 1) При низькій частоті ультразвука і малій ширині фронту
ультразвукової хвилі (2πλL/(nΛ2) <1) [де λ – довжина світлової хвилі, n – показник
заломлення середовища, Λ – довжина ультразвуковох хвилі в середовищу, L – довжина
взаємодії (ширина фронту).
Акустооптичну взаємодію широко використовують в техніці: це акустооптичні
дифракційні дефлектори (відхиляючі системи), акустооптичні розгортаючі пристрої,
акустооптичні фільтри, аналізатори спектра радіосигнала, акустооптичні модулятори.
При опроміненні речовини інтенсивним світлом (тобто світлом з великою амплітудою)
виникають нелінійні оптичні ефекти: поряд із звичайною поляризацією речовини
спостерігається нелінійна поляризація другого порядку (пропорційна квадрату
напруженості електричного поля), яка викликає подвоєння частоти випромінюваня,
складання двох частот випромінювань, параметричне випромінювання та ін. явища.
Може виникнути нелінійна поляризація третього порядку, яка викликає потроєння
частоти, спотворення показника заломлення, вимушене раманівське розсіювання та ін.
При проходженні лінійно поляризованої хвилі вздовж оптичної осі деяких кристалів (або
розчинів) спостерігається обертання площини поляризації. Це явище називається
обертанням площини поляризації, а матеріали – оптично активними.

7.

П
пластинка
S
d
А
E1
φ
E2
I=I1[cos2β-δ]
закон Малюса
без пласт. δ=0
φ=[α0]d
Обертання площини поляризації - один з проявів магнітооптичного ефекту.
Магнітооптичний ефект – зміна оптичних властивостей речовин (відбивання,
пропускання, поляризації світла та ін.) в залежності від його намагніченості або від сили
прикладеного до них магнітного поля. Відповідні речовини – магнітооптичні матеріали
(феромагнетики і ферити).
Серед магнітооптичних ефектів стосовно відбивання або пропускання розрізняють ефект
Фарадея і ефект Керра.
Ефект Фарадея – обертання площини поляризації світла при проходженні через
речовину, яка знаходиться в магнітному полі. На основі нього можна створити оптичний
модулятор або використати для створення оптичних ізоляторів що пропускають світло
тільки в одному напрямку. Магнітооптичний ефект Керра використовують для
зчитування інформації із пам’яті на оптичних дисках.
П’єзоелектричний ефект полягає в електричній поляризації деяких кристалів –
п’єзоелектриків при їх стисненні або розтягуванні в певних напрямках.

8.

Зворотній п’єзоефект полягає в тому що під дією прикладеного електричного поля в
п’єзоелектрику виникають механічні деформації – і як наслідок – подвійне
променезаломлення. Зворотній п’єзоефект використовують в п’єзоперетворювачах, що
перетворюють електричні коливання в акустичні.
Ефект Зеємана – розщеплення спектральних ліній атомної системи під дією магнітного
поля.
Ефект Штарка – розщеплення спектральних ліній в електричному полі.
Ефект Доплера – зміна частоти світлових хвиль при русі джерела і приймача світла
відносно один одного (використовують також в системах вимірювання швидкостей).
Голографія
Голографія – метод запису і послідуючого відновлення структури світлових хвиль, які
йдуть від об’єкту, що базується на явищах інтерференції та дифракції когерентних
світлових пучків.
Рівняння ЕМХ:
E=E0cos(ωt-kr+φ0)
E0 – амплітуда; (ωt-kr+φ0) – фаза хвилі.
На фото – фіксується амплітуда, але не фаза.
Фазу може фіксувати явище інтерференції.
Запишемо 2 хвилі:
E1=E01cos(ωt-kr+φ0)=E01cos(ωt+α1)
E2=E02cos(ωt+α2)

9.

Тоді в результаті накладання:
Eрез = E1+E2 = E01cos(ωt+α1)+E02cos(ωt+α1) = E0cos[ωt+(α2-α1)],
де E02 = E012+E022+2(E012+E022)cos(α2-α1)
Інтенсивність: I = I1+I2+2(I1I2)1/2cos(α2-α1)
2(I1I2)1/2cos(α2-α1) – інтерференційний вираз (дає фіксацію фази)
Л
І
ІІ
Ф
Л – лазер, О – об’єкт, Ф - фотопластинка;
І, ІІ – когерентні пучки:
І – опорний, ІІ – предметний.
На фотоплівці фіксується інтерференційна
картина (чергування максимумів і мінімумів) результат інтерференції 2-х пучків (що і є
голограма):
Е
Ф
∆х
О
БФ
Запис голограми
БФ – біпризма Френеля, Е – екран.

10.

При записі голограми фотопластинка освітлюється 2-ма когерентними хвилями:
предментою і опорною. В результаті їх інтерференції на пластинці записується складний
хвильовий узор. Густина почорніння фотошару в кожній точці пропорційна
інтенсивності результуючого коливання. В місцях накладання коливань з однаковою
фазою – амплітуда результуючого коливання максимальна, а місцях де протилежні фази
– мінімальна. Експонуючи і проявляючи фотопластинку ми фіксуємо картину
інтерференції предметного і опорного коливань, тобто отримуєм голограму, яка містить
всю інформацію про амплітуду і фазу предметної хвилі. Голограма – гратка з
косинусоїдальним розподілом пропускання (на голограмі побачим тільки кільця).
Для відновлення зображення треба освітити голограму опорним пучком. Кожна
маленька ділянка голограми є не що інще як синусоїдальна гратка, яка розкладає пучок
на три коливання: 0-го, +1-го и -1-го порядку, що розповсюджуються під кутом θk
Кут θk визначається з умови появи дифракційних максимумів:
dsinθk=±λ, де d – постійна гратки.
І
Г
d
-1
уявне зобр.
Відтворення голограми
0
+1
Г – голограма
Записана голограма є не що
інше як дифракційна гратка.
Зображення – сцкупність
веливої кількості точок
Голограма точки в сферичній
хвилі – чергування світлих і
темних кілець (як зонна
пластинка)

11.

Цифрова голограма – голограмма, отримана розрахунковим способом з використанням
комп’ютера. Із використанням цифрової голограми можна отримати хвильовий фронт
який “йде” від фізично не існуючого об’єкту. Можна так наглядно представити
результати моделювання якоїсь конструкції. Створений цифровою голограмою фронт
можна використовувати в якості інтерференційного еталону складної оптичної поверхні
при контролі процесу її виготовлення. Важлива область застовування голограм також –
виготовлення спеціальних фільтрів із заданою функцієюдля просторової фільтрації
зображень. Якщо товщина шару реєструючого середовища значно більша періоду
інтерференційної картини, яка записується то отримаємо трьохмірну або товстошарову
голограму. Голограма також може бути не статичною, а динамічною тобто відображати
динаміку якогось процесу (наприклад росту кристалу).

12.

Ефекти пов’язані з корпускулярною природою світла
Генерація та випромінювання світла
Кожне тіло має відбиваючу здатність, поглинальну здатність, випромінювальну здатність
Види випромінювання:
1) Теплове випромінювання
2) Холодне випромінювання (люмінесценція: хемі-, фото-, електро-, трібо-)
3) Лазерне випромінювання
4) Випромінювання Вавилова-Черенкова (рухомих зарядів з v>vф)
Випромінювання може бути:
інтегральне: 0
або 0 λ
квазі-монохроматичне: ... +d або λ … λ+dλ
Свічення тіл, обумовлене їх нагріванням (за рахунок внутрішньої енергії), називається
тепловим. Воно існує при будь-яких температурах і єдине із випромінювань яке є
рівноважним.
Люмінесценція – це нерівноважне випромінювання збуджених частинок, яке
визначається як надлишок над температурним випромінюванням в певній спектральній
ділянці і має тривалість більшу, ніж період електромагнітних хвиль.
Випромінювання Вавілова Черенкова – випромінювання електронів атомів і молекул,
збуджених наданням енергії рухомим носієм.
Лазерне випромінювання (light amplification by stimulated emission of radiation) –
підсилене випромінювання за рахунок вимушеного випромінювання..

13.

Е2
Е1
h 20 хаотичні
(спонтанні)
h 10
переходи
h 10=Е1-Е0
h 20=Е2-Е0
Е0
вимушені
переходи
При інжекції електрона в зону провідності напівпровідника цей електрон через деякий
час (час життя на рівні) рекомбінує з діркою у валентній зоні і переходить із зони
провідності у валентну зону із випромінюванням фотона. Цей процес називається
спонтанним (або рекомбінаційним) випромінюванням світла, я час необхідний для
випромінювання світла, називається часом рекомбінації (часом життя спонтанного
випромінювання). Таке випромінювання виникає в світлодіодах. Спонтанне оптичне
випромінювання виникає при переході будь-якого електрону з одного енергетичного
рівня на інший. Але так як час переходу всіх електронів не співпадає (не
синхронізоване), то відбувається накладання випромінювання, і виникають оптичні
хвилі з неоднаковою амплідудою і фазою, і внаслідок і не однорідність по частоті.
Спонтанне випромінювання має низьку монохроматичність, широкою діаграмою
напрямленості, низькою інтенсивністю і є некогерентним.
Е1 h
10
Ейнштейн ввів поняття вимушеного (індукованого) переходу
Е0
Перехід під дією кванта світла називається вимушеним
(вимушене випромінювання монохроматичне, синфазне, однакові напрями, поляризація)

14.

Для підсилення (лазери) треба щоб коеф. поглинання K<0 (від’ємне поглинання).
В стані теплової рівноваги електрони знаходяться на нижніх рівнях у валентній зоні.
При їх збудженні (якому-небудь) можна здійснити інверсію стану, інверсну заселеність
(збільшити число електронів на верхніх рівнях). Таке середовище називається активним.
З такого стану під дією випромінювання з енергією Eg електрони переходять на нижні
рівні, а їх енергія перейде у випромінювання с довжиною хвилі і фазою збуджуючого
випромінювання, підсилюючи його.
Суть вимушеного випромінювання полягає в тому, що якщо на електрон в зоні
провідності попадає квант світла частоти 0, то виникає випромінювання з частотою 0 і
напрямком падаючого світла. Падаючий і випромінений фотони мають однакові
квантово-мехінічні характеристики. При вимушеному випромінюванні відбувається
підсилення випромінювання середовищем (лавиноподібне збільшення потоку фотонів).
Вимушене випромінювання характеризується високою монохроматичністю,
вузьконаправленістю, високою інтенсивністю і є когерентним. Для одержання
індукованого випромінювання потрібні активне середовище, система накачки і система
підсилення.
Поглинання світла і фотоефект
При попаданні випромінювання всередину речовини відбувається також і його
поглинання. Поглинання призводить до збільшення енергії електронів речовини і зміні
їх стану. В металах відбувається в основному збільшення кінетичної енергії вільних
електронів (електронів провідності), в напівпровідниках і діелектриках в багатьох
випадках спостерігається перехід електронів в інший енергетичний стан.

15.

Розрізняють зовнішній, внутрішній і вентильний фотоефект.
Внутрішнім фотоефектом називається випусканням (вилітання) електронів під дією
світла.
Ейнштейн висунув квантову теорію фотоефекту. Світло не тільки випускається, але і
розповсюджується і поглинається квантами. Кожен квант поглинається одним
електроном. Ейнштейн отримав співвідношення, яке кількісно описує всі закономірності
фотоефекту:
h =A+(mVмакс.2)/2
Якщо частота зменшується, то швидкість стає меншою, і накінець, при V= 0:
h ч=А,
де А – робота виходу електронів з металу, ч – називають червоною межею фотоефекту.
Найбільша довжина хвилі при якій фотоефект припиняється називається червоною
межею.
В напівпровідниках і діелектриках спостерігається внутрішній фотоефект, який
полягає в перерозподілі електронів по енергетичним рівням. Якщо енергія фотона
більше ширини забороненої зони ΔЕ, то електрон переходить в зону провідності, на його
місці виникає «дірка» і, таким чином, виникає пара носіїв заряду. Для внутрішнього фото
фотоефекту справедливе співвідношення h ΔЕ.
Вентильний фотоефект є різновидністю внутрішнього і спостерігається в області p-n
переходу напівпровідникових діодів.
шар провідника
колектор
h А
К
К
h
Фотопомножувач:
А
Г
(підсилення 105-107)
дінод