מבוא לאלקטרו-אופטיקה

מבוא לאלקטרואופטיקה עבירות (c) שכנר1

- ניחות8פרק מבוא לאלקטרו-אופטיקה

Infrared System Engineering, Richard D. Hudson

סיבות לניחות 1

חוק בר-למברט 2

(dB)הסקלה ההנדסית 3

ניחות באטמוספרה 4בליעה 4.1

פיזור 4.2

ניחות בסיבים אופטיים 5בליעה

פיזור

אופטיקה אטמוספרית 6

שיעורי בית

ף ד שק

עיס

דפלה

42


הקשר בין בליעה והעברה

נתייחס ל:

קרינה היוצאת מהמקור ,או •נתעלם מהקרינה המוחזרת•

A( )l + T( )l = 1

A( )l = 1 - T( )l

A =IaI0

T =ItI0

R =IrI0

I0 מדומה. בהזנחת החזרה

סיבות לניחות 1


גורמים לניחות:

פיזור: הסטה מהכיוון המקורי - 2

בליעה - 1

+Z

בפקטרוסקופיה זיהינו את החומרים. ניתן גם לכמת


פיזורבליעהגורמים לניחות:

c1

IT,L

IT,L = 80 W/ cm2

I0I0 = 100 W/cm2

קרינה נפלטת ומפוזרת

קרינה נפלטת ומפוזרת

לקרינה מפוזרת נפלטת כיוון אקראי השונה מהכיוון של הקרינה הפוגעת

נשארבתווך


תלות הניחות בדרך

c1

L

c1

L

IT,L

IT,L = 80 W/ cm2

I0I0 = 100 W/cm2

c1

L

I0100 W/cm2

IT,2L

IT,2L = ?

חוק בר-למברט 2


Beer-Lambert חוקלדרך

dII

= - aLdL

IL = I0 e-aLL

80 = 100 e-

aL1

L = 1 cmנניח ש-

0.8 = e-aL1

lan(0.8) = -aL = - 0.2231 cm-1

dIdL

= - aLI

x = 100 e-

aL2

= 100 e-(0.2231)2 = 64


תלות הבליעה בריכוז

c2 = 2 c1

L

I0

c1

L

I0 IT,c

IT,2c

IT,c = 80 W/ cm2I0 = 100 W/cm2

100 W/cm2 IT,2c = ?


Beer-Lambert לריכוזחוק dIdc = - acI

dII

= - acdc

Ic = I0 e-acc

80 = 100 e-

acc

c1 = 1 g/cm3נניח ש-

0.8 = e-ac1

lan(0.8) = -ac1 = - 0.2231 cm3/g


תרגיל: בספקטרומטר, עבור אורך גל שבו חומר מסוים בולע, מודדים:

c ריכוז בתא ,המדידה

[ g/liter]

אות[V]

06

15

מטרתהמדידה

כיול המערכת

ac מדידת

מדידת ריכוז הנעלם

x4


Ic = I0 eהמשך לתרגיל-acc

I0מתוך השורה הראשונה של הטבלה מקבלים את

6V = I0 e-ac0 6V = I0

ac-מתוך השורה השניה של הטבלה מקבלים את

5V = 6 e-

ac1

5/6 = e-

acln (0.833) = -0.1823 = -ac ac = 0.1823

liter/g


Ic = I0 eהמשך לתרגיל-acc

ac = 0.182 liter/g

6V = I0 4 = 6 e-0.182

xln(0.667) = - 0.182 x

x = 2.2 g/l

? האם זה הגיוני

c ריכוז בתא ,המדידה

[ g/liter]

אות[V]

0615x4

אות הנעלם קטן מאות הכיול

ריכוז הנעלם גבוה מהכיול


הסקלה ההנדסית

dBלניחות, ה-

Attenuation = 1T

=Pin

Pout

(Attenuation) dB/Km =

10 x log (eaLL)

L ]Km[

= 10 log (eaLL)

(Attenuation)dB = 10 x log

Pin

Pout

! יחידות

T = ItIi

Pout Pin

= e-aLL =

(dB)הסקלה ההנדסית 3


- ניחות 4באטמוספרה

:האטמוספרה

תערובת דינמית של של גזים :הרכב היחסי והצפיפות משתנים עם

הגובה מעל פני הים הטמפרטורה מזהמים קירבה לים

Hudson מ-115עמוד

http://www.coseti.org/atmosphe.htmבליעה 4.1


יבשההרכב האטמוספרה Constituent % by Volume IR

absorption

Nitrogen, N2 78.084 No ?

Oxygen, O2 20.946 No ?

Argon, Ar 0.934 No

Carbon Dioxide, CO2 0.032 Yes

Neon, Ne 1,82 x 10-3 No

Helium, He 5.24 x 10-4 No

Methane, CH4 2.0 x 10-4 Yes

IRרק מולקולות א-סימטריות בולעות ב-?מדוע אין בליעה של חנקן וחמצן


התפלגות האוזון לפי הגובהhttp://www-imk.fzk.de/asf/boden/

שכבת האוזון


מים באטמוספרהמופעים באטמוספרה בשלושת מצבי הצבירה – גז, נוזל, מוצק

גובה המים הנוצר מאיסוף אדי המים שממסלול [ mm Km-1]האופטי

Precipitable water הבליעה של שכבת מים השווה לגובה של גדולה בהרבה. מדוע?

”Precipitable Water“מבחינת העבירות קובע הגודל

1 Km

It,V

5mm

It,LIt,L>>It,V

התרחבות פסי בליעה


שלושה מושגים בלחות אטמוספרית

saturated air[ g/m3] אוויר רווי - 1

Maximum Mass of water that a cubic meter of air can hold. Temperature

dependent

]H2O[s

Mass of water in a[ g/m3] -לחות מוחלטת2cubic meter of air

]H2O[m

H2O[m/]H2O[s) x[) = .R.H]%[ - לחות יחסית3100


בליעה באטמוספרה

CO2O C O

אינפרה-אדום

O C OSymmetrical strech: no IR absoption

O C OAntisymmetrical strech:

l = 4.256 mm

O C OBending, degenerate

l = 14.986 mm

CO2הריכוז של ה-

10יורד בגורם ק"מ 16כל פעם שעולים


אינפרה-אדוםבליעה באטמוספרה

H2 OSymmetrical strech, = l 2.738 mm

OH

H

Antisymmetrical strechl = 2.663 mm

OH

H

Bending, degenerate

l = 6.270 mm

OH

H

ריכוז המים יורד בגורם עשר כל

Km 5פעם שעולים


בליעה באטמוספרה

אולטרה סגול

O2 O O N2 N NO3 O

O

O

Solar Energy Renewable Energy Course Schechner

21

העבירות האטמוספרית וקרינת השמשWl

http://en.wikipedia.org/wiki/Solar_radiation


Wavelength, mm

ק"מ מעל פני הים2עבירות אטמוספרית עבור טווח של

Infrared System Engineering, Richard D. Hudson, p.115

8-13חלון

3-5חלון 17 mm precipitable water

Vis

O2

N2

O3

UV

ה"חלונות"


הכן טבלה במכילה כל פסי הבליעה של האטמוספרה, דאג לציין : מיקרון.15 עד 0 מ- מולקולת הגז הבולעת• מספר הגל•?)stretch or bend סוג הוויברציה (• הרמוניה•

12שיעור בית חובה: תרגיל

# Bandl ]mm[

n]cm-1[

AbsorbingMolecule/atom

Stretch/bend

Harmony

1

2 N.R.השווה עם מספרי הגל של הפרק "אוסילטור הרמוני




Wavelength, mm

Bending, degenerate

l = 6.270 mm

O

H

H

Antisymmetrical strech

l = 2.663 mm

O

H

H

Symmetrical strech, = l 2.738 mm

O

H

H

אחראיות של פסי הבליעה


Wavelength, mm



O C OAntisymmetrical strech:

l = 4.256 mm

O C OBending, degenerate

l = 14.986 mm


Rayleighפיזורים באטמוספרה -

אדומים מפוזרים יותר מההכחוליםהפוטונים

חלקיק מפזראלומת פוטוניםa בעל פולריזביליות

מקור lבעלי אורך גל קרינה

I0

)cos1(R

N8II 2

24

24

0

q

I

R

d<l d/10 ~l

הספק הפיזור בכיוון האלומה הואפי שתיים מההספק בניצב

פיזור 4.2


Rayleighפיזורים באטמוספרה -

http://hyperphysics.phy-astr.gsu.edu/Hbase/atmos/blusky.html#c4

אדומים מפוזרים יותר מההכחוליםהפוטונים

d<l

שמש


Mieפיזור אטמוספרי של

lלא תלוי ב-

עננים, ערפל

d>l

שלגחלב


Mie לבין פיזורי Rayleighהשוואה בין פיזורי

שמש


גורמים לניחות פנימית בסיבים אופטיים

– פיזור 3Rayleigh

(הרמוניה) Si – O - וויברציה של הקשר 1

(הרמוניה) OH - וויברציה של הקשר 2

= l (2.738/2) mm

= l (9.0/3) mm

שינויים קטנים בצפיפות של הזכוכית

ניחות בסיבים אופטיים 5


ניחות טיפוסית של סיב אופטי (סיליקה)

- וויברציה 1של הקשר

Si – O

OH -וויברציה של הקשר 2

– פיזור3Rayleig

h

= l (2.738/2) mm

lfundamental/3 = 3 mm

Wilson p. 396

III1530-1620 nm

II1200 – 1320 nm

I

820 –880 nm


משותף לעבירות בסיב ובאטמוספרה

OHבליעה של הקשר

3640 3610 Strech O - H

ההרמוניה הראשונה OHשל הקשר

= l 2.738 mm

= l 1.369 mm

בסיב, מוסתרת ע"י ההרמוניה השניה Si-Oשל הקשר


Raileighפיזורי

CR =1.895 x 10-28 ]m3[

CR = C’R n8

aR = CR

l4]m-1[

Raileighמקדם הבלתי-תלוי במקדם השבירה

בסיב אופטי

תופעה אוניברסלית: בכל תווך יש פיזורי רליי

בכל תווך


תרגיל

באורך גלRayleigh חשב את הניחות בגלל פיזורי

l = 0.63 mmוהשווה עם התוצאות של הגרף המופיע ב-

Wilson and Hawkes

(Attenuation)R dB/Km =

10 x log (eaRL)

L ]Km[

l4 = (0.63 x 10-6)4 = 1575 x 10-28

CR =1.895 x 10-28 ]m3[

aR = CRl4

]m-1[


המשך תרגיל

(Attenuation)R dB/Km =

10 x log (eaRL) L ]Km[

aR,m= 1.895 x 10-28

0.1575 x 10-24]m-1[.2 x 10-3 1= ]m-1[

eaR = e1.2 = 3.32 10 log(3.32) = 5.2

= 5.2

aR,Km= .2 1 ]Km-1[

aR = CR

l4]m-1[

l4 = (0.63 x 10-6)4 = 0.1575 x 10-24


בקו תקשורת של סיב אופטי מורכב סיב מסוג כלשהו. מטר מורכב משדר. בקצה 1בדוגמה של הסיב שאורכה . בדוגמה נוספת של הסיב, V 5השני נמדדו בעזרת גלאי

. הרעש הפנימי 4V ק"מ, נמדד אות של 1שאורכה mVשל מערכת הגלאי (כשהוא נמדד בוולטים) הוא

. בקו השתמשו באותו הגלאי ובאותו המשדר. הנח 5ש-:

ההרכב הכימי של הסיב אינו משתנה עם הטווחתופעות הנפיצה (פיזור קרומטי) זניחות

חשב את הטווח המרבי שניתן להגיע בעזרת הסיב עם רוצים לעבוד ביחס אות\רעש

S/N = 8

5תרגיל


aשלב ראשון: מציאת 5פתרון לתרגיל

IL = I0 e-aLL

4 = 5 e-a1

4/5 = e-alan 0.8 = - a

a = 0.223 Km-1

שלב שני: מציאת האות בטווח המרבי

S/N = 8

N = 5 mV

SLmax = 40 mV

שלב שלישי: מציאת הטווח המרבי

40x10-3 = 5 e-0.223(Lmax)

ln 0.008 = -0.233 (Lmax)

Lmax = 21.6 Km


תרגיל 9

של מידע המועבר bitחשב את מספר הפוטונים העשויים להיות בתוך בסיב אופטי. הנח ש:

ns 2 נמשך bit השידור של ה-•mW 1 ההספק של הלייזר הוא •mm 1.55 לכל הפוטונים אותו אורך גל •dB/Km 15 הניחות של הסיב היא •

.Km 12חשב את מספר הפוטונים ברגע השידור וכאשר הפולס עבר

eV ב-שלב א': חישוב האנרגיה של הפולס

Epulse = P Dt = 1 mW x 2 ns = 2 x 10-12 J = 1.25 x 107 eV

שלב ב': חישוב האנרגיה של הפוטון הבודד

Ephoton = h n = hc/ l = 1.227x10-6/1.55x 10-6 = 0.79 eV

P

t


9המשך תרגיל התחלתישלב ג': חישוב מספר הפוטונים בפולס

nphoton,0 = Epulse/Ephoton = 1.25x107 / 0.79 = 1.58 x 107 photons

שלב ד': חישובaL

(Attenuation) dB/Km =

10 x log10 (eaLL)

L ]Km[

Km15 dB/Km = 10 x log10 1עבור (eaL) 15/10 = log10 (eaL) aL = 3.45 Km-1

ק"מ12מספר הפוטונים אחרי חישוב שלב ה':

nphoton,12 Km = nphoton,0 exp(-aLL)= 1.58x107 exp(-3.45x12) = 1.58x107 x 1.5x10-18 = 2.43 x10-11 photons

ק"מ12לא מגיעים פוטונים לטווח של


אפקט החממהאופטיקה אטמוספרית

Wl

, l mm

קרינת כדור הארץ

0.5

קרינת השמש T = 5900 0Kקרינת השמש

קרינת כה"א )Albedo (T = 300 0K

9.66

CO2פסי בליעה של ה-

4.25 14.99

חלק מהחום הנצבר על פני כדור הארץ לא משודר לחלל


אופטיקה אטמוספריתבעיית האוזון

UV light + O2 --> O + O

2O + 2O2 --> 2O3 290-320 nanometers

CCl3F + h (n UV) CCl2F · + Cl· radicals

Cl· + O3 ClO + O2

ClO Cl·+ O·

הרדיקל ממשיך להרוס מולקולות של אוזון


תופעת Raman

היא תוצאהRayleighהקרינה המפוזרת לפי של התנגשות אלסטית. לקרינה המפוזרת יש

אותו תדירות כמו לקרינה הפוגעת.

נפלט עם אורך גל שונה מזה של 107פוטון אחד מתוך ,אבלהפוטון הפוגע. מתוכם, לפוטונים אחדים יש יותר אנרגיה

ולאחרים יש פחות אנרגיה

I

, n h , n cm-1

DE

Rayleighפיזור

nIncident = nRayleigh

nRaman = nRayleigh ± Dn

לנ"ס


DE .תלוי בחומר המפזר DE שווה בשני הכיוונים

מיליון התנגשויות, הפוטון והחלקיק10 מתוך 1ב-DEמעבירים אנרגיה,

I

, n h , n cm-1

Rayleighפיזור

DE

מההתנגשויות יש הסטה 107יש התנגשות בין הפוטון והחומר. ב- של הפוטון בלבד, הוא ממשיך עם אותה האנרגיה.

DE

Stokesקווי

Anti-Stokesקווי

ΔE/kT)exp(I

I

StokesAnti

Stokes

היחס הוא פונקציה שלהטמפרטורה לפי בולצמן


ההסברהתיאורתי

לדעתי אין צורך בהגדרות חדשות.

מתיר קיום של "אורביטלה" Schrödingerמשוואת (הסתברות גבוהה להמצאות אלקטרון) במרחקים

מוגדרים מהגרעין/נים.

הפוטון נבלע תוך העלאת האלקטרון לרמה מאוד גובה, אבל נשאר תחת ההשפעה של שדה הגרעין. האלקטרון

נשאר זמן קצר ביותר באחת מהרמות המוגדרות ע"י המכניקה הקוונטית

ברוב המקרים האלקטרון חוזר לרמה המקורית. Rayleighפליטה באותה תדירות לכל כיוון. זה הפיזור של

במקורות מציינים שבעקבות ההתנגשות"האלקטרון עולה לרמה "ווירטואלית

כמעט עקירה


Ev=i - 1

Ev= i + 1

Ev=i

≈

time

Ev>> i

Raileigh Stokes Anti-stokes


דוגמה

l1קרן לייזר

l1 = lRayleigh

l1מסנן לסלק

lRaman

dispersiveמכלולל נפיצה –

גלאי

תיאור המערכת


- התופעה חלשה מאוד ביחס לפיזורי ריילאי1חייבים במקור קרינה חזק מאוד

מאוד צרDl – חייבים להשתמש במקור אור עם 2

לייזרלכן, כמקור אור משתמשים ב

מפעילים גלאי לקרינה הניצבת לכיוון הקרן, על מנת לקלוט קרינה מפוזרת

חשוב: קשרים מולקולריים שלא בולעים באינפרא-אדום,

Ramanכי אין בהן דיפול מובנה, פעילים ב-


IRהחזרה, בליעה ומקדם שבירה של מים ב-

מתוך

Wolfe and Zissis, The Infra-Red Handbook, pp. 3-105

לאיזה אורך הגל יש מהירות מרבית בתחום ?

איזה עבירות יש לקרינה בעלת אורך הגל האיטי ביותר?

לנ"ס

מבוא לאלקטרואופטיקה עבירות (c) שכנר49)nלמים פסי בליעה )l

מדידות מחושב לפי החזרי פרנל


http://www.coseti.org/atmosphe.htm

?איזה מולקולה בולעת?סוג התנודה

? מולקולה?התנודה

מבוא לאלקטרו-אופטיקה

Documents