... konulu sunumlar: "Elektrik-Elektronik Mühendisliği için Malzeme Bilgisi Malzemelerin Optik Özellikleri."— Sunum transkripti:
1
Elektrik-Elektronik Mühendisliği için Malzeme Bilgisi Malzemelerin Optik Özellikleri
2
Bölüm VI: Malzemelerin Optik Özellikleri Elektromanyetik Dalgalar Elektromanyetik Spektrum Görünür Işık Dalgaları Elektromanyetik Dalgalar ve Malzemelerin Etkileşmesi Foton Fonon Malzemelerin Optik Özellikleri Yansıma Kırılma Emme Metallerin optik özellikleri Seramiklerin optik özellikleri Kovalent malzemelerin optik özellikleri Laserler Optik fiberler
3
Malzemelerin Optik Özellikleri Optik özellik: Bir malzemenin özellikle görünür bölgedeki elektromanyetik dalgaya karşı verdi ğ i cevaptır. Bu nedenle öncelikle ilk olarak elektromanyetik dalganın tanımlanması gerekmektedir.
4
Elektromanyetik Dalgalar Elektromanyetik dalgalar, birbirine dik elektrik ve manyetik alan bileşeni bulunan ve bu iki alanın oluşturdu ğ u düzleme dik do ğ rultuda yayılan, yayılmaları için ortam gerekmeyen, boşlukta c ışık hızı ile yayılan dalgalardır. (c = 3*10 8 m/sn) Kozmik, gama, x, morötesi, görünür bölge, kızılötesi, mikrodalga, TV, radyo dalgaları elektromanyetik dalgalardır. E: Elektrik alan (V/m) H: Manyetik alan (A/m) λ : Dalga boyu
5
Dalgaboyu ( ): İ ki tepe noktası arasındaki mesafedir. Frekans ( v ): Bir saniyede belirli bir noktadan geçen dalga sayısıdır Dalgaboyu artar 1 > 2 > 3 birim: uzunluk (m) Frekans azalır v 1 < v 2 < v 3 Birim: 1/s Elektromanyetik Dalgalar
6
Elektromanyetik spektrum
7
Görünür Işık Dalgaları Görünen ışık dalgaları, frekansları Hz arasında olan elektromanyetik dalgalardır. Bu durumda görünen ışık dalgalarının, dalga boyu 0.4 µm – 0.7 µm arasında de ğ işmektedir. Yandaki şekilde görüldü ğ ü gibi en uzun dalga boylu kızıl ışık ( λ =0.7 µm) bir uçta, en kısa dalga boylu mor ışık ( λ =0.4 µm ) di ğ er uçtadır.
8
Görünür Işık Dalgaları Görünür bölgedeki renk dalgalarının tümü bir arada bulunursa görünen ışı ğ ın rengi beyaz olur. Kızıl ışı ğ ın altında gözle görülemeyen düşük enerjili kızıl altı (infrared) ışınları, Mor ışı ğ ın ötesinde gözle görülemeyen yüksek enerjili morötesi (ultraviolet) ışınları bulunur.
9
Elektromanyetik Dalgalar ve Malzemelerin Etkileşmesi İ ki tür etkileşme gerçekleşir: 1) Gelen dalga ile etkileşme sonucu oluşan de ğ işmeler: Bunlar yansıma, kırılma ve emilme şeklinde olabilir. Opak malzemeler ışık dalgalarını geçirmez kısmen yansıtır ve kısmen emer. Saydam malzemeler ışı ğ ı önemli ölçüde geçirirler ve kısmen emerler.
10
Elektromanyetik Dalgalar ve Malzemelerin Etkileşmesi 2) Malzemeye çarpan fotonların çevreye karakteristik radyasyon dalgaları yayması: Renklenme, lüminesans, lazer ışınları bu tür etkileşme sonucu oluşur.
11
Fotonlar Elektromanyetik dalgaların belirli enerjileri vardır. Bu enerjiler foton denilen küçük parçacıklar tarafından yayılır. Fotonların enerjileri dalga boyuna veya frekansa ba ğ lı olarak aşa ğ ıdaki gibi de ğ işir: Burada h: Planc sabitidir. (h=6.62* )
12
Fotonlar Bir elektrona çarpan fotonun enerjisi, atomun çevresindeki karakteristik enerji düzeyleri farkına eşitse ( h∙v=E 2 -E 0 ) elektron aktive edilerek bir üst enerji seviyesine yükseltilir. Yüksek enerji düzeyinde kararsız konumda olan elektron tekrar temel düzeye geri döner ve dönerken belirli bir enerji yayar. ( h ∙ v=E 2 -E 0 )
13
Fotonlar Yüksek enerji düzeyinde kararsız konumda olan elektron tekrar temel düzeye geri döner ve dönerken belirli bir enerji yayar. Bu dönüş koşullara ba ğ lı olarak bir aşamada yada birkaç aşamada olabilir. ( h ∙ v 1 =E 2 -E 1 ) ve ( h ∙ v 2 =E 1 -E 0 )
14
Fonon Oluşumu Elektronların kademeli dönüşlerinde bazı kademeler radrasyon, yani foton yaymadan atlanabilir. Bu durumda enerji foton yerine fonon oluşumu yolu ile ısıl enerji halinde yayılır.
15
Malzemelerin Optik Özellikleri Bir malzemeye çarpan elektromanyetik dalgalar (gelen dalga) üç farklı duruma maruz kalır. a) Yansıma b) Kırılma c) Emme
16
A) Yansıma Yansıma: Malzemelerin yüzeyine çarpan ışık dalgalarının geriye do ğ ru yayılmasıdır. Yansıma oranı R: Yansıyan ışı ğ ın şiddetinin malzemenin yüzeyine gelen ışı ğ ın şiddetine oranıdır. Yüzeyleri düzgün olan metallerde yansıma oranı çok yüksek olup %100’e yakındır.
17
A) Yansıma R yansıma oranı n kırılma indisine ba ğ lıdır. Kırılma indisi arttıkça yansıma oranı da artmaktadır. Camın kırılma indisi 1.51, yansıma oranı = % 5 Elmas’ın kırılma indisi 2.417, yansıma oranı = % 17’dir.
18
B) Kırılma Kırılma: Saydam bir malzemenin üzerine gelen dalganın bir kısmı yansır, bir kısmı da kırılarak kütle içinde ilerler. Gelen ve kırılan dalgaların hızları farklı farklı olur. Kırılma indisi (n): Işı ğ ın boşlukta yayılma hızı c’nin malzeme içinde yayılma hızına oranıdır. Burada: n 1 : birinci ortamın kırılma indisi n 2 : ikinci ortamın kırılma indisi v 1 : birinci ortamda ışı ğ ın hızı v 2 : ikinci ortamda ışı ğ ın hızı ɵ 1 : gelen dalganın ortamın normali ile yaptı ğ ı açı ɵ 2 : kırılan dalganın ortamın normali ile yaptı ğ ı açı
19
B) Kırılma
20
C) Emme Işık dalgaları malzeme içinden geçerken kısmen enerjileri emilir ve kütle içinde ilerledikçe şiddeti azalır. Işı ğ ın şiddeti mesafeye ve malzemenin zayıflama katsayısına ba ğ lı olarak azalır. α : ışı ğ ı emme katsayısı, zayıflama sabiti
21
C) Yansıma+Kırılma+Emme Cismin yüzeyine I 0 şiddetinde gelen ışı ğ ın I 0 R kadarı geri yansır ve içeriye I=(1-R)I 0 kadarı girer. Ortamdan çıkmadan önce yine IR kadarı daha yansır ve geri (1-R)I kadarı kalır. Sonunda cisimden çıkan ışı ğ ın şiddeti:
22
Malzemelerin Optik Özellikleri Metallerin optik özellikleri 3 farklı grupta incelenebilir: 1) Metallerin optik özellikleri 2) Seramiklerin optik özellikleri 3) Kovalent malzemelerin optik özellikleri
23
1) Metallerin Optik Özellikleri Metallerde yansıma katsayısı (R) ve emme katsayısı ( α ) büyüktür. Bu nedenle metaller ışı ğ ı kuvvetle emip yansıtırlar. Kuvvetli emme ve yansıtma özelli ğ ine sahip metallerin tümü opaktır ve ışı ğ ı geçirmezler. Güneş ışı ğ ı metallere çarpınca fonon halinde yayılmalar olur. Metallerin güneş radrasyonu etkisinde aşırı ısınmalarının nedeni budur.
24
1) Metallerin Optik Özellikleri Metallerde görülen renklenme görünen ışık dalgaları spektrumunun seçimli emilmesinden kaynaklanır. Altın (Au) yeşilin üstündeki fotonları emer, onun altındaki ışık dalgalarını yansıtır, dolayısıyla sarı- kırmızı görünür. Gümüş (Ag) ise görünen bölgedeki tüm fotonları yansıtır, ancak morötesi ışınları emer, bu nedenle rengi beyazdır.
25
2) Seramiklerin Optik Özellikleri İ yonik ba ğ lı seramik türü malzemelerde elektronlar ana atomlara kuvvetle ba ğ lıdır. Dolu valans bandı ile boş iletim bandı arasında 6-8 eV’luk enerji aralı ğ ı vardır. Saf seramikler görünen ışık dalgalarına karşı saydamdırlar.
26
3) Kovalent Malzemelerin Optik Özellikleri Kovalent ba ğ lı malzemeler ile iyonik ba ğ lıların optik özellikleri benzerdir. Band yapısına ba ğ lı olarak saydam veya opak olabilirler. Elmas ve Si O 2 görünen ışık fotonlarını geçirirler. Yarı iletkenlerin büyük bir ço ğ unlu ğ u görünen ışık dalgalarını emerler.
27
Malzemelerin Optik Özellikleri Fotoiletim (Fotoiletkenlik): Elektrik devresine ba ğ lı bir yarıiletken ışık etkisinde iletkenlik sa ğ layabilir. Işık fotonlarından enerji alarak iletim bandına yükselen elektronlar serbest hale gelir ve uygulanan gerilim do ğ rultusunda hareket ederek elektriksel yük taşılar. Buna fotoiletim denir. Fotoiletimde uyarıcı görünen ışık fotonları oldu ğ u gibi, kızılaltı ve morötesi ışınları da olabilir.
28
Lüminesans Yüksek enerji düzeyine aktive edilen elektron temel düzeye geri dönerken yaydı ğ ı radrasyon görünen ışık bölgesinde olursa buna lüminesans olayı denir. Fotolüminesans: Uyarıcı enerji kayna ğ ı ışık fotonlarıdır. (Örnek:Trafik levhaları) Elektrolüminesans: Uyarıcı enerji kayna ğ ı elektron demeti veya elektriksel alandır. Kemolüminesans: Uyarıcı enerji kayna ğ ı kimyasal reaksiyondur. Ödev: Floresans ve fosforesans nedir?
29
Laser ( L ight A mplification by the S timulated E mission of R adiation) Uyarılma sonucu elde edilen radyasyondan kaynaklanan ışı ğ ın kuvvetlendirilmesi anlamını taşımaktadır.
30
E ğ er verilen bir enerji sayesinde ortamdaki atomların ço ğ unun dış elektronlarının yüksek yörüngelerde olması sa ğ lanabiliyorsa, bu ortam LASER ışı ğ ını üretmeye uygundur denir. Çünkü birçok laser çeşidinde katı-sıvı-gaz ortamlardaki atomların dış elektronları dışarıdan verilen bir enerji ile (ışık, elektrik deşarjı veya radyo dalgaları gibi) üst yörüngeye çıkarılır. Sonra elektronun kendili ğ inden alt yörüngeye inmesinden kaynaklanan bir foton, komşu atomdaki elektronu uyararak onun dış yörüngeden inmesini ve kendisiyle aynı frekansta ve aynı fazda ikinci bir foton yayınlamasını sa ğ lar. Bu iki foton daha sonra yine komşu iki atoma giderek onların da aynı yöntemle benzer fotonların oluşmasına neden olurlar. (Zincir reaksiyonu) Zincirleme reaksiyon ile laser ışığının güçlendirilmesi. Laser
31
Laser Işığının Oluşumu
32
Laser Işığının Özellikleri a)LASER ışıkları monokromatiktir, yani tek renkli ve tek dalga boyludur. b)Laser ışığı dağılmadan düz gider: Laserin tek bir çizgi gibi yayılmadan gitmesi yüzünden başka aletlerle, uzaktan erişilmesi güç olan yerlere erişilmesi mümkün olur. c ) Koherent olması; Laser genliği, frekansı (TEK FREKANS-TEK RENK) ve zamansal dağılımı aynı olan bir ışık dalgasıdır. Bu da Laserin kohorentlik özelliğini gösterir.
33
LASER TİPİ: DALGA BOYU (nm): RENGİ: Argon 488 – 514,5 Mavi-yeşil Helyum-Neon632,5Kırmızı Krypton647,1Kırmızı Neodmiyum:YAG1064 Yakın kızılötesi KTP532Yeşil CO 2 10,6 μm Uzak kızılötesi Dye (Boya) Görünen renkler Diyot Çokyakın kızılötesi Holmiyum: YAG 2100 Orta kızılötesi Erbium: YAG 2940 Orta kızılötesi Excimer193,248,308,350Morötesi Laser Işığının Özellikleri Ödev: Laser çeşitleri ve medikal uygulamaları?
34
Optik Fiberler Fiber, ışık kayna ğ ından gelen sinyallerin (ışık) hedefteki kayna ğ a iletilmesidir. Bu ışık sinyaliyle modüle edilmiş bilgiler cam yüzey üzerinde taşınırlar. Fiber’i kaplayan kablolar ise ışı ğ ı taşıyan camın kırılmasına ve sinyal kaybına karşı bir koruma görevi üstlenirler. Fiber’ler ortalama insan saçı boyutlarındadır. Kırılma ve Sinyal kayıplarına karşı çok iyi korunmuş ve yapılandırılmıştırlar.
35
Optik Fiber’in İç Yapısı Optik fiber en az iki bölgeden oluşur. Günümüzde kullanılan fiber’ler en az üç bölgeden oluşmaktadır. Bunlar; 1- Core (Çekirdek) : Core merkez bölgedir ve ışığın yolculuk ettiği bölge burasıdır. 2- Clad (Kabuk): Clad ise ışığın yalnız hareket etmesini ve dış ortama sızmamasını sağlar. Kısacası yolculuk eden ışığı çevresel etkenlerden korur veya yalıtımını sağlar. İkinci görevi ise fiber’ın boyutunu arttırır ve böylelikle fiber’ın dayanıklılığını ve kullanım kolaylığını arttırır. 3- Coating( Kaplama) : Coating veya bir diğer adıyla buffer coating en dış yüzeydir ve kimyasal ve mekanik zararlardan koruyan en dış tabakadır
36
Optik Fiber Teknolojileri Günümüzde ışığın hızını kullanarak bilgileri hızlı bir şekilde gönderip alma işlemleri sayesinde kablolu iletişimde çok büyük ilerlemeler kaydedilmiştir. Özellikle Internet’te ve Geniş alan ağlarda kullanılan bu teknoloji sayesinde bilgiler daha hızlı ve kayıpsız olarak kaynaktan hedefe gönderilebilmektedir. Kablo kopmaları ve diğer arızalarda tamiri çok zor olan bu teknolojide özel ölçüm aletleri ve mühendislik kullanılmaktadır.