HANDOUT. Vorlesung: Glasanwendungen. Überblick optische Eigenschaften

Transkript

1 Materialwissenschaft und Werkstofftechnik an der Universität des Saarlandes HANDOUT Vorlesung: Glasanwendungen Überblick optische Eigenschaften Leitsatz: Die Ausbreitung von Licht durch ein Medium wird durch den komplexen Brechungsindex quantitativ beschrieben. Der Realanteil des Brechungsindex bestimmt die Geschwindigkeit des Lichts im Medium und der Imaginärteil den Extinktionskoeffizienten. Das Beersche Gesetz zeigt, dass die Intensität von Licht in einem Medium exponentiell fällt. Der komplexe Brechungsindex hängt mit der komplexen Dielektrizitätskonstanten zusammen. Mikroskopische Modelle von optischen Materialien berechnen normalerweise ε anstatt von n, und die messbaren opt. Koeffizienten werden aus dem Real- und Imaginärteil von n bestimmt." Quelle: GlAn-2, S. 21

2 Glasanwendungen Überblick optische Eigenschaften Ziele Optische Phänomene als Funktion spezifischer Festkörpereigenschaften und -merkmale klassifizieren und mit Hilfe verschiedener Koeffizienten quantifizieren können. ð Optische Phänomene einteilen können ð Optische Koeffizienten herleiten können ð Optische Werkstoffe einteilen und beschreiben können ð Charakteristika der Optik von Festkörpern begründen können Inhalte Optische Phänomene Reflexion, Transmission, Extinktion, Absorption, Lumineszenz Die Maxwellschen Gleichungen Elektromag. Spektrum, Maxwell-Gln., Ausbreitung EM-Wellen, Wellengleichungen Optische Koeffizienten Phasengeschwindigkeit und Brechungsindex, Dispersionsrelation, komplexer Brechungsindex, Absorptionskoeffizient, Reflektivität, optische Dichte Einführung in die optischen Werkstoffe Kristalline Isolatoren und Halbleiter, Gläser, Metalle, Molekulare Materialien, dotierte Gläser und Isolatoren Charakteristika der Optik von Festkörpern Kristallsymmetrie, elektronische Bänder, vibronische Bänder, Zustandsdichte, delokalisierte Zustände und kollektive Anregungen

3 "Roter Faden" der Vorlesung Glasanwendungen Lerntfafel 1 Optische Phänomen Reflexion, Propagation und Transmission eines Lichstrahles an einem optischen Medium [GlAn-2, S. 1] Phänomene, die bei der Ausbreitung eines Lichtstrahles in einem optischen Medium auftreten können. Brechung verursacht eine Reduktion der Geschwindigkeit der Welle, während Absorption zu einer Abschwächung führt. Lumineszenz kann Absorption begleiten, wenn die angeregten Atome mittels spontaner Emission emittieren. [GlAn-2, S. 2]

4 Brechungsgesetz nach Snellius Lumineszenz in einem Atom (schematisch): Das Atom geht in einen angeregten Zustand durch die Absorption eines Photons über, relaxiert in einem Zwischenzustand, bevor die Reemission eines Photons erfolgt und es in den Grundzustand zurückfällt [GlAn-2, S. 4]

5 Lerntfafel 2 Die Maxwellschen Gleichungen Elektromagnetisches Spektrum

6 Wellengleichung einer dispersionsfreien Welle Wellengleichung einer dispersionsbehafteten Welle Die Maxwellschen Gleichungen Elektrische Suszeptibilität und relative Dielektrizitätskonstante in isotropen und anisotropen Medien

7 Elektromagnetische Wellen in isotropen, isolierenden Medien Elektromagnetische Wellen in isotropen, isolierenden Medien Vektoren einer EM-Welle in einem isotropen Medium

8 Lerntfafel 3 Optische Koeffizienten Phasengeschwindigkeit und Brechungsindex Ebene Wellen und Dispersionsrelation Optische Koeffizienten: Zusammenfassung

9 Der komplexe Brechungsindex (Brechung und Absorption) Zusammenhang zwischen den elektrischen und den optischen Konstanten Die komplexe dielektrische Konstante

10 Berechnung der optischen Konstanten Berechnung der opt. Konstanten; Absorptions- und Extinktionskoeffizient Berechnung der opt. Konstanten: Absorptionskoeffizient und Reflektivität

11 Berechnung der opt. Konstanten: Optische Dichte und Opazität Lerntfafel 4 Einführung in die optischen Werkstoffe Transmissionsspektrum von Saphir einer Dicke von 3 mm (oben) und Transmissionsspektrum von CdSe einer Dicke von 1,67 mm [GlAn-2, S. 9] Reflektivität von Ag von IR bis UV-Bereich [GlAn-2, S. 12]

12 Absorptionsspektrum des Polymers FB (Poly(9,9-dioctylfluoren) [GlAn-2, S. 14] Transmissionspektrum von Rubin (Al 2 O 3 with 0.05 % Cr 3+ ) im Vergleich zu Saphir. Die Dicken der beiden Kristalle betragen 6,1 mm bzw. 3,0 mm

13 Lerntfafel 5 Charakteristik der Optik von Festkörpern Aufspaltung der magnetischen Niveaus eines freuen Atoms durch den Kristallfeldeffekt. In freien Atomen sind die magentischen Niveaus entartet. Durch Anlagen eines Magnetfeldes werden sie aufgespalten (Zeeman-Effekt). In einem Kristall können die magentischen Niveaus auch ohne äußeres Magnetfeld aufgespalten werden. [GlAn-2, S. 17] Schematische Darstellung der Formation elektronischer Bänder durch Kondensation freier Atome in einem Festkörper. Wenn die Atome dicht zusammengebracht werden. so dass sie einen Festkörper bilden, beginnen sich ihre äußeren Orbitale zu überlappen. [GlAn-2, S. 18 ]