Optische Eigenschaften von Werkstoffen

Präsentation zum Thema: "Optische Eigenschaften von Werkstoffen"—  Präsentation transkript:

1 Optische Eigenschaften von Werkstoffen
Brechungsindex … Reflexion … Refraktion (Snell Gesetz) … Brechungsindex Schwächung (Absorption)

2 Die Maxwellschen Gleichungen
E … elektrische Feldstärke H … magnetische Feldstärke D … dielektrische Verschiebung B … magnetische Induktion j … Stromdichte  … Ladungsdichte  … elektrische Leitfähigkeit  … Dielektrische Konstante  … relative Permeabilität

3 Die Maxwellschen Gleichungen
… keine freie Ladung … Wellengleichung

4 Die Wellengleichung

5 Brechung und Absorption
k … wave vector  … angular frequency c … velocity of light n … index of refraction  … electrical conductivity Complex permittivity: permittivity and losses Complex index of refraction: refraction and absorption

6 Amplitude and intensity of the propagating wave

7 Relationship between dielectric and optical constants

8 Insulator … non conducting … no absorption, no losses
… the index of refraction is a real quantity

9 Eindringtiefe … von der Frequenz (Wellenlänge) und von der Dämpfung abhängig

10 Eindringtiefe und Dämpfung (Beispiele)
W  ze k  

11 Reflexion und Transmission
1 t 2 Gleiche Amplitude und gleiche Phase der Welle im Punkte „0“ Reflexion: Transmission: (Snell Gesetz)

12 Elektrisches und magnetisches Feld
Die Vektoren des elektrischen und des magnetischen Feldes sind senkrecht zu der Richtung der fortlaufenden Welle I i r R E s T H Die Originalwelle:

13 Elektrisches und magnetisches Feld
Die durchgelassene (transmittierte) Welle: Die reflektierte Welle:

14 Fresnel Gleichungen … folgen aus der Randbedingung: Tangentialkomponenten von E und H müssen an der Grenzfläche (Oberfläche) stetig (kontinuierlich) sein.

15 Fresnel Koeffizienten
Snell

16 Brechungsindex (Experimentelle Beispiele)

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18 Transmission und Reflexion
Der Brewster Winkel – vollständige Polarisation der reflektierten elektromagnetischen Welle (Polarisation des Lichtes) Vakuum  Glas (n=1,5)

19 Transmission und Reflexion
Vakuum  Germanium (n=5,3)

20 Optische Reflexion Totalreflexion Glas (n=1,5)  Vakuum

21 Totalreflexion n2 c n1 Glas (n = 1,5): c = 41,8°
Wasser (n = 2): c = 30°

22 Transmission und Reflexion mit komplexem Brechungsindex

23 Transmission und Reflexion beim senkrechten Einfall
Grenzfläche Werkstoff – Vakuum:

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25 Transmission und Reflexion mit komplexem Brechungsindex
Kupfer n = 0.14 k = 3.35 R = 95.6 %

26 Transmission und Reflexion mit komplexem Brechungsindex
Natrium n = 0.048 k = 1.86 R = 95.8 %

27 Transmission und Reflexion mit komplexem Brechungsindex
Gallium n = 3.69 k = 5.43 R = 71.3 %

28 Transmission und Reflexion mit komplexem Brechungsindex
Kobalt n = 2.0 k = 4.0 R = 68.0 %

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30 Reflexion beim komplexen Brechungsindex
Einfluss der Absorption (Schwächung, Dämpfung) auf die Reflexion

31 Reflexion beim komplexen Brechungsindex
Die totale Reflexion verschwindet

32 Reflexionsvermögen als Funktion des Brechungsindexes und der Dämpfung
Das Reflexionsvermögen (die Reflektivität) steigt sowohl mit dem Brechungsindex als auch mit der Dämpfung

33 Abhängigkeit des Brechungsindexes von der Wellenlänge
Farbe der Werkstoffe

34 Reflexion und Transmission eines dünnen Films
Fresnel Koeffizienten an den Grenzflächen: Phasenverschiebung:

35 Reflexion und Transmission eines dünnen Films
Eine konstante Wellenlänge (monochromatische Strahlung) Dicke des Films ist 10x die Wellenlänge

36 Reflexion und Transmission eines dünnen Films
Eine konstante Wellenlänge (monochromatische Strahlung) Dicke des Films ist 2x die Wellenlänge

37 Reflexion und Transmission eines dünnen Films
Eine konstante Wellenlänge (monochromatische Strahlung) Dicke des Films ist 40x die Wellenlänge

38 Reflexion und Transmission eines dünnen Films
Verschiedene Wellenlängen (polychromatische Strahlung) Dicke des Films ist 1,2 m Verschiedene „Farben“ werden unterschiedlich stark reflektiert oder durchgelassen.