Optische Systeme (8. Vorlesung)

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1 Optische Systeme (8. Vorlesug) Martia Gerke..006 Uiversität Karlsruhe (TH) Ihalte der Vorlesug 8.. Grudlage der Welleoptik. Abbildede optische Systeme 3. Optische Messtechik 3. Spektroskopie 3. Materialcharakterisierug 3.3 Koordiatemesstechik (später) 4. Biomediziische optische Systeme 5. Optische Materialbearbeitug (ächste Woche) 6. Optische Datespeicherug 7. Optische Iformatiostechik 8. Mikro- ud Naooptische Systeme

2 Charakterisierug vo Lichtquelle 8.3 Zeiche Sie das beobachtete Spektrum eier Glühlampe Leuchtstofflampe Welche Uterschiede gibt es zwische dem beobachtete Spektrum ud dem reale Spektrum? Sesor Auge, Hellempfidlichkeit Auge müsste kalibriert werde, Farbitesitäte etspreched verfälscht Edliche Schlitzbreite verbreitert Spektrum Gitter icht optimal periodisch, dadurch Messfehler CD köte Teile des Lichtes absorbiere Schmale Liie icht auflösbar Subjektive Faktore beeiflusse Messug Keie Skala im Messaufbau, Fehler durch Vergleich mit Ausdruck Edliche Ausleuchtug des Gitters Pixelgröße des Auges Kalibrierug des Messsystems! Greze des Messsystems kee! Ihalte der Vorlesug 8.4. Grudlage der Welleoptik. Abbildede optische Systeme 3. Optische Messtechik 3. Spektroskopie 3. Materialcharakterisierug 3.3 Koordiatemesstechik (später) 4. Biomediziische optische Systeme 5. Optische Materialbearbeitug (ächste Woche) 6. Optische Datespeicherug 7. Optische Iformatiostechik 8. Mikro- ud Naooptische Systeme

3 Absorptiosspektroskopie 8.5 Kozetratiosmessug uter Verwedug des Lambert-Beer sche Gesetzes Aahme: Kozetratio N 0 im sei im Nachweisvolume räumlich homoge verteilt σ ist Absorptiosquerschitt Quelle: Absorptioslaserspektroskopie 8.6 Welleläge wird mit abstimmbarem Laser durchgefahre Höhere Wellelägeauflösug möglich Quelle:

4 Beispiel: Gasaalyse 8.7 Kotiuierliches i-situ Moitorig vo CO ud O bei gepulster Brestoff- Eidüsug Quelle: Iterferezspektroskopie 8.8 Diet der Charakterisierug düer optischer Schichte d =? (λ) =?, k(λ) =? (λ) sub Spektral aufgelöste Messug der Itesität vo trasmittierter oder reflektierter Strahlug Auswertug der Iterfereze ergibt Schichtdicke ud komplexe Brechugsidex Brechzahl ud Absorptioskoeffiziet k sid abhägig vo Welleläge

5 Atireflexschichte 8.9 Ist Kohärezläge des Lichtes läger als Schichtdicke, trete Iterferezeffekte auf Atireflexschicht utzt destruktive Iterferez i Reflexio Für T=00%: R =R ud λ/-versatz Quelle: Atireflexschicht-Berechug 8.0 Berechug π-phasesprug (etspricht λ/) bei Reflexio vom optisch düere zum optisch dichtere Material Amplitudereflexioskoeffiziet (aus. Vorlesug) r θ = 0, i, i+ = i i + i+ i+ Düste Atireflexschicht für λ ud 0 : = + s s = 0 s λ λ d = m + d = m = 0; ; ;... (Ordug) 4 T=00 % ur für bestimmte Welleläge Mehrschichtige Atireflexschichte für größere Wellelägebereich

6 Ideale Atireflexschicht für Glas 8. Übergag vo Luft (=,0) zu Glas (=,5) bei 0 Ideale Atireflexschicht für λ=633 m Ar =, ud d Ar =30 m Ohe -Schicht Mit idealer -Schicht Trasmissiosgrad / % Trasmissiosgrad / % Welleläge / m Welleläge / m MgF - Atireflexschicht für Glas 8. Übergag vo Luft (=,0) zu Glas (=,5) bei 0 MgF - Atireflexschicht für λ=633 m MgF =,38 ud d MgF =5 m Bei Welleläge mit kostruktiver Iterferez i Reflexio etspricht der Trasmissiosgrad dem vo Glas Trasmissiosgrad / % Trasmissiosgrad / % Welleläge / m Welleläge / m (Stimmt icht exakt mit Realität überei, da MgF als kostat ageomme.)

7 Schichte mit höherem Idex auf Glas 8.3 Schichtaufbau: Luft (=,0) 500 m Schicht mit =,55 Glas (=,5) Rechug bei 0 Schichtaufbau: Luft (=,0) 500 m Schicht mit =,5 Glas (=,5) Rechug bei Trasmissiosgrad / % Trasmissiosgrad / % Welleläge / m Welleläge / m Iterferezspektroskopie: Bestimmug der Ordug 8.4 Sehr gut awedbar bei Trasmissiosspektre, die vo eier Absorptioskate bis i de trasparete Bereich eies Materials reiche ud klar erkebare Iterfereze zeige 0.8 Trasmissio λ λ m m Welleläge i m Zuächst Ordug eies Miimums weit weg vo der Absorptioskate bestimme mit m λ = λ ( m + ) m = λ λ λ

8 Iterferezspektroskopie: Bestimmug vo d 8.5 Dicke d für kostates aus λ ud m berechet Für Schichte mit höherem Idex als Substrat gilt: ud λ d = m λ d = m + Miima Maxima 0.8 Trasmissio Welleläge i m Brechugsidex ka über Trasmissiosgrad der Miima ebefalls berechet werde Gruppearbeit: Schichtdicke bestimme 8.6 Bereche Sie die Schichtdicke der Probe aus dem Spektrum! I welchem Wellelägebereich absorbiere die Probe?

9 Spektrum - Optische Systeme (TaO5) =,0 Spektrum - Optische Systeme (Photolack) =,5

10 Eisatzbereich der Iterferezspektroskopie 8.7 Schichte müsse ausreiched (optisch) dick sei (Richtwert d > 300 m), um eiige Iterferezextrema zu zeige Methode versagt beim Auftrete vo schmale Absorptiosbade im Bereich der Messug Methode icht geeiget für Schichte mit starker Absorptio, we deshalb die Extrema icht mehr klar erkebar sid Alterative Methode: Ellipsometrie Messug des Polarisatioszustads vo a der Oberfläche reflektierter Strahlug, auch uter Veräderug des Wikels Dielektrischer Spiegel 8.8 Basiert auf Iterferez a mehrere düe Schichte Isbesodere iteressat für Hochleistugsaweduge, da gerige Absorptio möglich Bragg-Spiegel: Periodischer Schichtaufbau Phasesprug λ/ bei 3 Reflexio vom optisch düere zum optisch dichtere Material ( Face-Chage ) d d d λ 0 = d = d 4 Kostruktive Iterferez vo + (wie bei eizeler Schicht) Kostruktive Iterferez vo +3: λ λ λ L= d + = + =λ

11 Bragg-Spiegel 8.9 GaAs-AlAs-Braggspiegel auf eiem GaAs-Substrat d GaAs = 6 m ud GaAs =3.5 d AlAs =73 m ud AlAs =.9 Reflexiosgrad bei sekrechtem Eifall aus Luft für 4, 0 ud 30 Periode Fragesammlug 8.0 Wie ka ich das Spektrum eier Lichtquelle charakterisiere? Welche Faktore limitiere die Auflösug eies Spektrometers? Was ist Absorptiosspektroskopie? Was ist Iterferezspektroskopie? Wie müsse der Brechugsidex ud die Schichtdicke für eie Atireflexschicht gewählt werde? Skizziere Sie das Trasmissiosspektrum eier MgF -Schicht (=,38) auf Glas! Bei zwei gegebee Spektre für Schichte auf Glas: Welche hat de höhere Brechugsidex? Welche hat die größere Dicke? Worauf basiert die Reflexio eies Bragg-Spiegels?