Επιστήμη των Υλικών Ενότητα Ε: Χρώμα Κεφάλαιο Ε-5: Άλλα οπτικά φαινόμενα Όνομα Καθηγητή: Αικατερίνη Πομόνη Τμήμα Φυσικής

Άδειες Χρήσης Το παρόν εκπαιδευτικό υλικό υπόκειται σε άδειες χρήσης Creative Commons. Για εκπαιδευτικό υλικό, όπως εικόνες, που υπόκειται σε άλλου τύπου άδειας χρήσης, η άδεια χρήσης αναφέρεται ρητώς. 2

Χρηματοδότηση Το παρόν εκπαιδευτικό υλικό έχει αναπτυχθεί στα πλαίσια του εκπαιδευτικού έργου του διδάσκοντα. Το έργο «Ανοικτά Ακαδημαϊκά Μαθήματα στο Πανεπιστήμιο Πατρών» έχει χρηματοδοτήσει μόνο την αναδιαμόρφωση του εκπαιδευτικού υλικού. Το έργο υλοποιείται στο πλαίσιο του Επιχειρησιακού Προγράμματος «Εκπαίδευση και Δια Βίου Μάθηση» και συγχρηματοδοτείται από την Ευρωπαϊκή Ένωση (Ευρωπαϊκό Κοινωνικό Ταμείο) και από εθνικούς πόρους. 3

Σκοποί ενότητας 4 Αναφορά σε ενδιαφέρουσες οπτικές ιδιότητες, όπως η οπτική ενεργότητα και η διπλοθλαστικότητα, που δεν συμπεριλαμβάνουν κατ’ ανάγκη το χρώμα.

Περιεχόμενα ενότητας 5 Οπτική Ενεργότητα Χειρόμορφοι (Chiral) κρύσταλλοι Οθόνες ΥΚ φαινομένου πεδίου (FE- LCD) Διπλοθλαστικότητα Πρίσμα Nicol Φαινόμενο Kerr Πλακίδια καθυστέρησης φάσεως

ΧΡΩΜΑ ΕΠΙΣΤΗΜΗ ΤΩΝ ΥΛΙΚΩΝ ΧΡΩΜΑ ΑΛΛΑ ΟΠΤΙΚΑ ΦΑΙΝΟΜΕΝΑ

Αν και το χρώμα είναι ένα αισθητικά ευχάριστο οπτικό φαινόμενο, με πολλές χρήσεις, υπάρχουν και άλλες ενδιαφέρουσες οπτικές ιδιότητες των υλικών οι οποίες δεν συμπεριλαμβάνουν κατ’ ανάγκη το χρώμα Θα αναφέρουμε την Οπτική Ενεργότητα, τη Διπλοθλαστικότητα και τη Μη Γραμμική Οπτική

Στο φυσικό φως το ηλεκτρικό του πεδίο μπορεί να ταλαντώνεται σε όλες τις διευθύνσεις που είναι κάθετες στη διεύθυνση διάδοσης του. Όταν το φυσικό φως περάσει μέσα από ένα φίλτρο -τον πολωτή- το εξερχόμενο ηλεκτρικό πεδίο μπορεί να ταλαντώνεται σε μια μόνο διεύθυνση και το φως που προκύπτει είναι γραμμικά πολωμένο.

Οπτική ενεργότητα: η ιδιότητα μερικών υλικών να περιστρέφουν τη διεύθυνση ταλάντωσης του πολωμένου φωτός chiral (χειρόμορφοι) ονομάζονται μόρια ή κρύσταλλοι οι οποίοι έχουν την ιδιότητα αυτή Το μόριο bromochlorofluoromethane και το κατοπτρικό του είδωλο

Ο όρος chiral γενικά χρησιμοποιείται για να περιγράψει ένα αντικείμενο που δεν ταυτίζεται με το είδωλό του. Το ανθρώπινο χέρι είναι ίσως το πιο αντιπροσωπευτικό παράδειγμα. Το αριστερό χέρι δεν αποτελεί το είδωλο του δεξιού χεριού. Αυτό γίνεται εμφανές αν κάποιος προσπαθήσει να φορέσει ένα αριστερό γάντι στο δεξί του χέρι.

Ο βαθμός ενεργότητας των υλικών εξαρτάται από το συγκεκριμένο υλικό αλλά και από τη κατάσταση της ύλης: συνολική chilar δόμηση ή chilarity των συστατικών του μορίων -χαλαζίας (quartz): 1mm πάχους του μπορεί να περιστρέψει το επίπεδο ταλάντωσης κατά 20 ο περίπου -Οι χοληστερικοί ΥΚ (επονομαζόμενοι και ελικοειδείς νηματικοί ΥΚ) αποτελούνται από επίπεδα chiral μορίων, τα οποία έχουν τέτοια διάταξη, ώστε κάθε επίπεδο να έχει διαφορετικό προσανατολισμό

Η οπτική ενεργότητα των χοληστερικών ΥΚ είναι από τις μεγαλύτερες γνωστές μέχρι σήμερα: 50 περίπου πλήρεις περιστροφές (50Χ360 ο = ο ) για διαδρομή 1 mm(!) Επίπεδη χοληστερική διάταξη ΥΚ χωρίς ηλεκτρικό πεδίο

G: γυάλινα πλακίδια, ανάμεσα τους χοληστερικός υγροκρύσταλλος E 1, Ε 2 : διαφανή αγώγιμα ηλεκτρόδια P 1, P 2 : πολωτές διασταυρωμένοι I: εικόνα OFF Χωρίς ηλ.πεδίο, το φως περνά από τον πολωτή P 2 και στη συνέχεια από τον υγρό κρύσταλλο που στρέφει το επίπεδό του κατά 90 ο. Έτσι περνά από τον διασταυρωμένο πολωτή P 1 και φωτίζει την εικόνα I. Πηγή: wikimedia by Panja-Sanwikimedia

Όταν εφαρμοστεί ηλ. πεδίο μεταξύ των ηλεκτροδίων, τα μόρια του υγρού κρυστάλλου προσανατολίζονται παράλληλα σ’ αυτό και χάνουν την ιδιότητα να στρέφουν το επίπεδο του φωτός. Το φως φθάνοντας στο διασταυρωμένο πολωτή δεν μπορεί να περάσει και η εικόνα δεν φωτίζεται. Πηγή: wikimedia by Panja-Sanwikimedia

Οθόνες ΥΚ φαινομένου πεδίου (FE-LCD) κάθε ψηφίο του εικονιζόμενου αριθμού αποτελείται από επτά ζεύγη παράλληλων, διαφανών και αγώγιμων ηλεκτροδίων

κάθε ζεύγος περιέχει, υπό μορφή σάντουιτς, ένα στρώμα χοληστερικού ΥΚ Η ενεργοποίηση ή απενεργοποίηση του κάθε τμήματος του ψηφίου προκαλείται από την εφαρμογή ενός ηλεκτρικού πεδίου: η ανεξάρτητη ενεργοποίηση ή απενεργοποίηση των επτά ζευγών επιτρέπει την απεικόνιση των ψηφίων από 0 έως 9 Απαραίτητη προϋπόθεση για την απεικόνιση αυτή είναι η ύπαρξη γραμμικά πολωμένου φωτός

Συγκρίνοντας τις LCD με τις διατάξεις των LED διαπιστώνουμε ότι σε άλλες εφαρμογές πλεονεκτούν οι μεν και σε άλλες οι δε: Οι LCD π.χ. καταναλώνουν ελάχιστη ενέργεια σε σχέση με την, ούτως ή άλλως, μικρή κατανάλωση των LED, αλλά δεν είναι ορατές στο σκοτάδι, επειδή απαιτούν εξωτερικό φως

Διπλοθλαστικότητα (birefringence ή και double refraction) Εμφανίζεται σε μη ισότροπα υλικά (π.χ. οι υγροί κρύσταλλοι και μη κυβικά στερεά σώματα, συνήθως κρύσταλλοι στους οποίους οι δυνάμεις μεταξύ των ατόμων δεν είναι ίσες κατά μήκος όλων των αξόνων) Εκδηλώνεται με τη διάσπαση του προσπίπτοντος μη πολωμένου φωτός σε δύο πολωμένες δέσμες που κατά την έξοδό τους είναι παράλληλες αιτία: διαφορετική ταχύτητα διάδοσης του φωτός (διαφορετικός n) στις διάφορες κατευθύνσεις

Πηγή: wikipedia,wikipedia Οπτικός άξονας

Η ακτίνα που πολώνεται κάθετα στον οπτικό άξονα ονομάζεται τακτική-o ακτίνα με δείκτη διάθλασης n T, ενώ η πολωμένη παράλληλα με αυτόν ονομάζεται έκτακτη-e ακτίνα με δείκτη διάθλασης n Ε. Η τακτική έχει την ίδια ταχύτητα διάδοσης σε όλες τις κρυσταλλογραφικές διευθύνσεις, ενώ η έκτακτη παρουσιάζει διαφορετικές τιμές ανάλογα με τη διεύθυνση. Κατά τη διεύθυνση του οπτικού άξονα έκτακτη και τακτική έχουν ίσες ταχύτητες διάδοσης.

Το μέγεθος της διπλοθλαστικότητας προσδιορίζεται από τη σχέση Δn = n E - n T Διπλοθλαστικά υλικά είναι πολλά πλαστικά Το κοινό σελοφάν επίσης είναι ένα φθηνό διπλοθλαστικό υλικό

Ένα από τα πρώτα υλικά στα οποία παρατηρήθηκε και μελετήθηκε το φαινόμενο της διπλοθλαστικότητας είναι ο ασβεστίτης (CaCO 3 ) Διπλή διάθλαση του φωτός από ένα κρύσταλλο ασβεστίτη Πηγή: wikipedia,wikipedia

Πρίσμα Nicol (πολωτής) Οι θέσεις εξόδου της τακτικής και της έκτακτης είναι πολύ κοντά. Για το διαχωρισμό τους χρησιμοποιούνται δυο κομμάτια ασβεστίτη που συγκολλούνται με λεπτό στρώμα βάλσαμου του Καναδά n Ε <n β <n Τ Πηγή: wikimedia,wikimedia

Επειδή n β <n Τ η τακτική όταν προσπέσει υπό γωνία μεγαλύτερη της ορικής υφίσταται ολική ανάκλαση και απομακρύνεται Επειδή n β >n Ε η έκτακτη εισέρχεται στο βάλσαμο του Καναδά και στη συνέχεια στον κρύσταλλο και όταν εξέλθει είναι γραμμικά πολωμένη

Μη Γραμμική Οπτική είναι ο κλάδος της Οπτικής ο οποίος περιγράφει τη συμπεριφορά του φωτός σε μη γραμμικά μέσα, δηλαδή σε μέσα στα οποία βασικά μεγέθη τους δεν ανταποκρίνονται γραμμικά στη συνιστώσα Ε του ηλεκτρικού πεδίου του φωτός Τέτοια μεγέθη είναι η πόλωση Ρ, ο δείκτης διάθλασης n, κλπ Αυτή η μη γραμμικότητα παρατηρείται συνήθως σε μεγάλες εντάσεις φωτός, όπως αυτές που παράγονται από παλμικά laser

ΠΑΡΑΔΕΙΓΜΑΤΑ Χαρακτηριστικό παράδειγμα είναι το φαινόμενο Kerr, ή ηλεκτρο-οπτικό φαινόμενο δευτέρου βαθμού (quadratic electro-optic effect- QEO effect) σύμφωνα με το οποίο η μεταβολή του δείκτη διάθλασης είναι ανάλογη του τετραγώνου του πλάτους Ε του εφαρμοζόμενου ηλεκτρικού πεδίου Υπό την επίδραση του Ε το υλικό γίνεται διπλοθλαστικό με δ.δ. διαφορετικούς για φως πολωμένο παράλληλα ή κάθετα με το Ε

Η διαφορά στο δ.δ. (μέγεθος διπλοθλαστικότητας) είναι τότε Δn = λ K E 2 όπου λ είναι το μήκος κύματος του φωτός, Κ η σταθερά Kerr και Ε η ένταση του ηλεκτρικού πεδίου Ορισμένα υγρά όπως η νιτροτολουένη (C 7 H 7 NO 2 ) και η νιτροβενζίνη (C 6 H 5 NO 2 ) έχουν πολύ μεγάλες σταθερές Kerr και εάν κλεισθούν σε μία γυάλινη κυψέλη δημιουργούν το κύτταρο Kerr.

Αν τοποθετηθούν μέσα στο υγρό δυο μεταλλικές παράλληλες πλάκες και εφαρμοστεί σ’ αυτές κάποια τάση, όταν προσπέσει γραμμικά πολωμένο φως στο κύτταρο, το υλικό γίνεται διπλοθλαστικό με διαφορετικούς δείκτες διάθλασης και το φως χωρίζεται σε δυο συνιστώσες, μια παράλληλη στο ηλ.πεδίο και μια κάθετη σ’ αυτό.

Επομένως το εξερχόμενο φως θα είναι ελλειπτικά πολωμένο σαν σύνθεση δυο καθέτων μεταξύ τους γραμμικά πολωμένων κυμάτων με διαφορετικούς n. Η διαφορά φάσης Φ μεταξύ των δυο συνιστωσών δίνεται από τη σχέση: Φ=ΚsΕ 2 Όπου s ο δρόμος μέσα στο ηλ.πεδίο.

Αν το προσπίπτον φως είναι φυσικό και χρησιμοποιηθεί πολωτής στην είσοδο και αναλύτης στην έξοδο διασταυρωμένοι, πριν την εφαρμογή του ηλ.πεδίου δεν θα προκύψει φως στην έξοδο. Αν εφαρμοστεί τάση στο κύτταρο Kerr το εξερχόμενο φως δεν θα αποσβέννυται στον αναλύτη. Πηγή: wikipedia,wikipedia

Πλακίδια καθυστέρησης φάσεως Πλακίδιο καθυστέρησης φάσεως (ΠΚΦ) είναι μία οπτική διάταξη που μεταβάλλει την κατάσταση πόλωσης ενός φωτεινού κύματος που διαδίδεται μέσα απ ’ αυτό Τα ΠΚΦ είναι στην ουσία διπλοθλαστικοί κρύσταλλοι με προσεκτικά επιλεγμένα πάχη Οι κρύσταλλοι κόβονται έτσι ώστε ο οπτικός άξονας, να είναι παράλληλος και με τις επιφάνειες του πλακιδίου

Πλακίδιο καθυστέρησης φάσεως λ/2 Πηγή: wikipedia,wikipedia

Το γραμμικά πολωμένο φως μπορεί να αναλυθεί σε συνιστώσα παράλληλη και κάθετη στον οπτικό άξονα. Η κάθετη (μπλε) διαδίδεται πιο γρήγορα από την παράλληλη (πράσινη). Στην ειδική περίπτωση που το πάχος του πλακιδίου d είναι τέτοιο ώστε η διαφορά δρόμου να είναι λ / 2 (n T -n E )d=λ/2 τότε η διαφορά φάσης μεταξύ έκτακτης και τακτικής θα είναι 180 ο.

Αν Αν (n T -n E )d=λ/4 (n T -n E )d=λ/4 η διαφορά φάσης μεταξύ έκτακτης και τακτικής θα είναι 90 ο. Πηγή: wikipedia,wikipedia

Συνέπειες του διασκεδασμού Εξ αιτίας του φαινομένου του διασκεδασμού, δηλ. της εξάρτησης του δείκτου διαθλάσεως και της ταχύτητας διάδοσης του φωτός από το μήκος κύματος, ένα απλό πλακίδιο καθυστέρησης φάσεως, θα προκαλέσει διαφορά φάσεως η οποία εξαρτάται από το μήκος κύματος του φωτός Συνεπώς τα πλακίδια καθυστέρησης φάσεως κατασκευάζονται για συγκεκριμένες περιοχές μηκών κύματος

Τα πλακίδια καθυστέρησης φάσεως μπορούν να γίνουν «αχρωματικά» ή «αποχρωματικά» συνδυάζοντας υλικά που εμφανίζουν διαφορετικό διασκεδασμό, όπως γίνεται με τους φακούς των οπτικών οργάνων. Αξονικό χρωματικό σφάλμα: Διαφορετικά μήκη κύματος διαθλώνται με διαφορετική γωνία και έχουν διαφορετικό σημείο εστίασης Πηγή: wikipedia by Bob Mellish,wikipedia

Αχρωματικός φακός Συνδυασμός δυο στοιχείων διαφορετικού δείκτη διάθλασης που φέρνουν συνήθως το κόκκινο και το μπλε στο ίδιο σημείο εστίασης Αποχρωματικός φακός Συνδυασμός τριών στοιχείων διαφορετικού δείκτη διάθλασης που φέρνουν συνήθως το κόκκινο, το μπλε και το πράσινο στο ίδιο σημείο εστίασης Πηγή: wikimedia,wikimedia Πηγή: wikipedia by DrBob,wikipedia

Ουράνιο τόξο Το ουράνιο τόξο οφείλεται στη γεωμετρία των σταγόνων της βροχής. Οι προσπίπτουσες ακτίνες του φωτός εισέρχονται στη σταγόνα και διαθλώνται στο εσωτερικό της. Ανακλώμενες από την πίσω επιφάνεια της σταγόνας διαθλώνται ξανά και εξέρχονται για να φθάσουν τελικά στο μάτι μας. Το ιώδες αφήνει τις σταγόνες περίπου στις 40.6° και το κόκκινο στις 42.4° και επομένως το κόκκινο προέρχεται από σταγόνες που βρίσκονται στον ουρανό υψηλότερα σε σχέση με το μάτι μας. Πηγή:webexhibits.org- free licensewebexhibits.org- free license

Εάν συμβεί διπλή εσωτερική ανάκλαση πριν το φως αφήσει τη σταγόνα σχηματίζεται ένα δευτερεύον ουράνιο τόξο πάνω από το αρχικό. από τον ορίζοντα. Καθώς ο ήλιος πλησιάζει τον ορίζοντα, το μέγεθος του ορατού τόξου αυξάνεται, φθάνοντας σε πλήρες ημικύκλιο λίγο πριν το ηλιοβασίλεμα. Η γωνία πρόσπτωσης του φωτός επηρεάζει το ουράνιο τόξο. Όταν ο ήλιος είναι υψηλότερα από τις 42° το ουράνιο τόξο μετακινείται κάτω Πηγή:webexhibits.org- free licensewebexhibits.org- free license

Ηλιοβασίλεμα Όταν το φως εισέρχεται στην ατμόσφαιρα, αυτή το αναλύει, όπως το πρίσμα, στα διάφορα μήκη κύματος και εμείς βλέπουμε επάλληλες με διαφορετικά χρώματα εικόνες του δίσκου του ήλιου που η χαμηλότερη είναι κόκκινη και η υψηλότερη μπλε προς ιώδες. Στο ηλιοβασίλεμα, οι ακτίνες διανύουν τη μεγαλύτερη διαδρομή τους μέσα από την ατμόσφαιρα της γης μέχρι να φθάσουν στον παρατηρητή. Το φως ταξιδεύει μέσα από την ατμόσφαιρα κοντά στο έδαφος όπου εκεί αυτή είναι πιο πυκνή. Το κόκκινο, το πορτοκαλί και το κίτρινο διαθλώνται ελάχιστα.

Οι μη σκεδασθείσες ακτίνες αποτελούνται κυρίως από μεγάλα μήκη κύματος, το κόκκινο, το πορτοκαλί και το κίτρινο και δίνουν το γνωστό κατά τη δύση κοκκινωπό χρώμα. Πράσινες αναλαμπές Πολύ σπάνια κατά το ηλιοβασίλεμα μπορεί να παρατηρηθεί μια πράσινη αναλαμπή που διαρκεί μόνο λίγα δευτερόλεπτα και μόνο αν ο παρατηρητής μπορεί να δει κάτω από τον ορίζοντα, π.χ. στο νερό. Αυτό οφείλεται στο ότι το ιώδες, το μπλε και το πράσινο είναι αυτά που σκεδάζονται περισσότερο. Επειδή το ιώδες και το μπλε σκεδάζονται περισσότερο από το πράσινο, το πράσινο είναι αυτό που φθάνει στον παρατηρητή.

Πηγή: wikipedia by Mbzrwikipedia

Σκέδαση από πολύ μικρά σωματίδια ≤λ/10 Σκέδαση Rayleigh Σκεδάζονται εντονότερα οι ιώδεις και ο ουρανός φαίνεται γαλάζιος.

Σημείωμα χρήσης έργων τρίτων Το υλικό της παρουσίασης προέρχεται από τις προσωπικές σημειώσεις και το υλικό παρουσιάσεων του μαθήματος όπως δημιουργήθηκαν από την Αν. Καθηγήτρια κ. Αικατερίνη Πομόνη. Οι εικόνες, τα σχήματα και οι φωτογραφίες είναι δημιουργήματα της συγγραφέως, εκτός αν αναγράφεται διαφορετικά στις αντίστοιχες παραπομπές. Οι ιστότοποι προέλευσης όσων αναφέρονται ήταν ενεργοί κατά την 21η Ιουλίου 2015 οπότε και καταχωρήθηκαν οι παραπομπές.

Σημείωμα αναφοράς Copyright Πανεπιστήμιο Πατρών, Αικατερίνη Πομόνη. «Επιστήμη των Υλικών. Ενότητα Ε-5». Έκδοση: 1.0. Πάτρα Διαθέσιμο από τη δικτυακή διεύθυνση: /PHY1947/ /PHY1947/

46 Σημείωμα αδειοδότησης Το παρόν υλικό διατίθεται με τους όρους της άδειας χρήσης Creative Commons Αναφορά, Μη Εμπορική Χρήση, Παρόμοια Διανομή 4.0 [1] ή μεταγενέστερη, Διεθνής Έκδοση. Εξαιρούνται τα αυτοτελή έργα τρίτων π.χ. φωτογραφίες, διαγράμματα κ.λ.π., τα οποία εμπεριέχονται σε αυτό και τα οποία αναφέρονται μαζί με τους όρους χρήσης τους στο «Σημείωμα Χρήσης Έργων Τρίτων». [1] Ως Μη Εμπορική ορίζεται η χρήση: που δεν περιλαμβάνει άμεσο ή έμμεσο οικονομικό όφελος από την χρήση του έργου, για το διανομέα του έργου και αδειοδόχο που δεν περιλαμβάνει οικονομική συναλλαγή ως προϋπόθεση για τη χρήση ή πρόσβαση στο έργο που δεν προσπορίζει στο διανομέα του έργου και αδειοδόχο έμμεσο οικονομικό όφελος (π.χ. διαφημίσεις) από την προβολή του έργου σε διαδικτυακό τόπο Ο δικαιούχος μπορεί να παρέχει στον αδειοδόχο ξεχωριστή άδεια να χρησιμοποιεί το έργο για εμπορική χρήση, εφόσον αυτό του ζητηθεί.

Οποιαδήποτε αναπαραγωγή ή διασκευή του υλικού θα πρέπει να συμπεριλαμβάνει: το Σημείωμα Αναφοράς το Σημείωμα Αδειοδότησης τη δήλωση Διατήρησης Σημειωμάτων το Σημείωμα Χρήσης Έργων Τρίτων (εφ’ όσον υπάρχει). Τέλος Ενότητας Διατήρηση σημειωμάτων