Fizika | Fénytan, Optika » Feszültségoptika

FESZÜLTSÉGOPTIKA Elméleti összefoglalás A feszültségoptika (polarizációs optika) egy speciális anyagvizsgálati módszer. Átlátszó anyagokban, ha azokban valamilyen okból anizotrópok vagy ilyen tartomány van bennük, az áthaladó polarizált fény rezgési síkja megváltozik, és ebb l következtethetünk az anyag szerkezetére, hibáira, feszültségállapotára. (Szükség esetén nem átlátszó anyagok feszültségeinek vizsgálata is megoldható, a felületére felvitt vékony kett stör rétegr l visszavert fény elemzésével.) Izotrop-anizotrop anyag Ha bármely fizikai tulajdonság függ a vizsgálat irányától, az anyag anizotrop. Jelen esetben a törésmutató irányfüggését használjuk fel a vizsgálatokhoz, de ez természetesen együtt jár más tulajdonságok anizotrópiájával. Izotropok a szabályos, köbös kristályok és a rendezetlen halmazok: folyadékok, üvegek, polimerek, krisztallit szerkezet anyagok. Anizotropok a (nem szabályos

rendbe tartozó) egykristályos anyagok, feszültséges üvegek és m anyagok, de gyakorlatilag minden olyan m anyag, amelyben a polimerláncok valamennyire rendez dhettek. Ennek oka lehet kristályosodás, fröccsöntés, fólia- vagy szálhúzás Az optikai anizotrópián alapul a folyadékkristályos kijelz k m ködése. Polarizált fény Olyan fénysugár, amelyben a hullám egy adott síkban rezeg. (Az elektromágneses hullámokban E és B vektorok egymásra mer leges síkban rezegnek, megállapodás szerint a polarizáció síkja az E rezgési síkja.) 1. ábra a A fény transzverzális elektromágneses hullám b Líneárisan poláros fény 1 El állítható különböz polársz r kkel (pl. Nicol prizmával, dikroikus sz r kkel), de részben polarizált a visszavert, vagy a légkör finom porszemcséin szóródott napsugár is. A viszonylag olcsó m anyag polársz r kben egy kett stör anyag (pl. jódkinin-szulfát) apró kristályait ágyazzák be rendezetten egy polimer

filmbe. Gyakorlatilag teljesen polarizált a visszavert sugár, ha az un. Brewster szögben érkezik, azaz, ha a visszavert és a megtört sugár épp 90°-ot zárnak be egymással. 2. ábra Poláros fény el állítása Nicol-prizmával ill visszaver déssel Kett störés: Ha egy anizotrop anyag határára fénysugár érkezik, az kett störést szenved, felbomlik egy rendes és egy rendellenes fénysugárra. A két fénysugár polarizációja is mer leges lesz egymásra A két törésmutatót itt ε-nak (rendes) ill. ω-nak nevezzük (Ilyen a Nicol-prizma is: egy kalcit kristályt az ábra szerint kettéhasítanak, majd egy speciális gyantával összeragasztanak. Így a rendes sugár erre a határfelületre a teljes visszaver dés határszögénél nagyobb szögben érkezik, és az oldallapon lép ki, a rendellenes pedig csak párhuzamosan eltolva, de az eredeti irányban távozik. Ha az anizotrop anyagba lineárisan poláros fény lép be, az anyagban szintén felbomlik, az

anizotrópia iránnyal párhuzamos és arra mer leges polarizációs síkú sugarakra. Az anizotrópia irányt megszabhatják: kristálytani feszültségek, tengelyek, húzó-nyomó polimereknél megmunkálási irány. a 3. ábra A polarizált fény felbomlása a f törésmutatók irányába 2 Retardáció: A két egymásra mer leges polarizációjú fénysugár az anyagban a két különböz törésmutató miatt eltér sebességgel halad, így az egyik lemarad a másikhoz képest R = (ε − ω)⋅ d A lemaradást gyakran a hullámhossz többszöröseként adják meg. Elliptikusan poláros fény Az anizotrop anyagban kettébomlott és egymáshoz képest fáziskülönbségben lev fénysugarak kilépve újra a leveg re interferálnak és ismét egy sugárként terjednek tovább. különböz A két fázisú mer leges, rezgés interferenciájának eredménye általában egy forgó vektor, amelynek végpontja egy 4. ábra A cirkuláris és az elliptikusan poláros

fény ellipszist ír le. Ezt nevezzük elliptikusan poláros fénynek. Abban az esetben, ha a retardáció valamely hullámhossznak törtrésze, az ellipszisnek is valamelyik speciális esete valósul meg: Ha R = λ/4 cirkulárisan poláros fény R = λ/2 lineárisan poláros, 90°-os elforgatással R=λ lineárisan poláros, változatlan rezgési síkkal Polariszkóp A két keresztezett állású polársz r (polarizátor és analizátor) közé helyezzük a vizsgálandó mintát. Ahol anizotrop az anyag, kialakul a retardáció, a kilép elliptikusan poláros fény mindenféle rezgési síkot tartalmaz, így olyant is, amilyen az analizátor áteresztési iránya. Tehát ahol feszültség van az üvegben, áramlás utáni rendez dés m anyagokban, stb., ott megvilágosodik a minta. A polariszkópok egyik fajtájában monokromatikus (csak egy hullámhosszon sugárzó) fényforrást használnak. Ezekben az anizotrópia helyén világos foltokat látunk, minél nagyobb R, annál

világosabbat. A retardáció attól is függ, hogy mekkora szöget zár be a feszültség iránya a polarizációs síkkal. Egytengely nyomó- húzó feszültségek esetében akkor maximális a hatás, ha a feszültség iránya 3 45°-os a polarizáció irányára (3. ábra) Ha a σ iránya megegyezik akár a polarizátor, akár az analizátor áteresztési síkjával, nem lesz kett störés, a látómez sötét marad. Ha egy mintát körbeforgatunk, ugyanaz a hely 5. ábra Polariszkóp felépítése négyszer fog kivilágosodni: 45°, 135°, 225°, és 315°-nál, ill. négyszer elsötétedni: 0°, 90°, 180° és 270°-nál. (A jobb tájékozódás érdekében érdemes a látómez felosztása úgy, hogy a polarizátor, vagy az analizátor iránya legyen 0°.) Ugyancsak nem lesz világos látómez ott, ahol R épp λ, mert ott újra lineárisan poláros fény lép ki az anyagból és ezt az analizátor nem engedi át. Az egyszer bb polariszkópokban általában egy

normál izzólámpa van, amely fehér fényt sugároz. Ez esetben viszont nehezebb a látott kép értelmezése Addig változatlan a helyzet, amíg R < 400nm-nél. Ha a retardáció ennél nagyobb, a fehér fényben (400nm < λ <700nm) lesz egy olyan komponens, amelynek hullámhossza pont a retardációval megegyezik. Mint láttuk, ez esetben újra lineárisan poláros fény lép ki a mintából, amely nem jut át a keresztezett állású analizátoron. A többi elliptikus marad, és minél távolabb van a kioltott hullámhossztól, annál nagyobb része jut át az analizátoron (annál „kövérebb” az ellipszis). Így a kioltott szín kiegészít színét fogjuk látni. A különböz feszültségek különböz retardációt okoznak, így a feszültség mértékével már nem a fényintenzitás lesz arányos, hanem a különböz színek. A retardációkat és a hozzájuk tartozó színeket láthatjuk a következ két táblázatban: R (nm) kioltott látható R (nm)

kioltott látható 0 minden sötét 590 sárga (I) kék (I) 300 egy szín sem minden 660 piros (I) zöld (I) 440 kék (I) sárga (I) 880 kék (II) sárga (II) 540 zöld (I) piros (I) 1080 zöld (II) piros (II) 4 rend retardáció (nm) 0 I 40 100 160 220 235 260 270 275 280 305 330 430 505 535 550 565 II 575 590 665 730 750 825 szín rend fekete vasszürke levendulaszürke szürkéskék szürke zöldesfehér csaknem tiszta fehér sárgásfehér halvány szalmasárga szalmasárga világossárga élénksárga barnássárga vöröses narancs vörös mélyvörös bíbor ibolyakék indigókék égszínkék zöldeskék zöld világoszöld II III IV retardáció (nm) 845 865 910 950 1000 1100 1130 1150 1260 1335 1375 1425 1495 1535 1620 1650 1680 1710 1745 1810 1930 2010 2050 szín zöldessárga sárgászöld tiszta sárga narancs élénk narancsvörös sötét ibolyavörös világos ibolyakék indigókék zöldeskék tengerzöld ragyogózöld

zöldessárga húsvörös kárminvörös fáradt bíbor szürkésibolya szürkéskék fáradt tengerzöld kékeszöld világoszöld enyhe zöldeskék szürkésfehér húsvörös 6. ábra Michel - Levy féle színskála 5 A zárójelben a színrendet jelöltük, ha a retardáció nagyobb, mint 2x- 3x- 400 nm, a színsor újra kezd dik, de egyre telítetlenebb, világosabb színekkel. A retardáció, az anyagvastagság és az észlelhet színek együtt láthatók az un Michel-Levy féle színtáblázatban. (A hibátlan szính ség igen komoly nyomdatechnikai feladat, akár a képerny , akár a nyomtató beállítása módosíthatja az egyes színek helyét, ezért ezt az ábrát tekintsük csak illusztrációnak) Ha azt akarjuk, hogy már kis R estén is a jobban megkülönböztethet színkülönbségeket lássuk intenzitás-különbségek helyett, egy retardációs lemezt érdemes a két polársz r közé helyeznünk. Szemünk akkor észleli legérzékenyebben a

színkülönbségeket, ha az R = 550 nm Kioltódik a látható spektrum közepér l a zöld szín, amely következtében az egész látómez bíborvörös lesz. Így a mintánk és a segédlemez ered retardációját láthatjuk Ahol a vizsgálandó anyagunk a retardáció értékét növeli, a színek a kék-zöld tartomány felé tolódnak el, ahol csökkenti, ott a sárga tartomány felé. Amennyiben egy adott irányú húzófeszültség növeli a törésmutató-különbséget, azaz növeli a retardációt, az ugyanolyan irányú nyomófeszültség éppen csökkenti azt. 90°-kal elforgatva minden az ellenkez jére vált. Ez azt is jelenti, hogy valami el zetes feltevésünknek kell lenni a vizsgált mintákról, hiszen ugyanazt a színt (retardációt) mutathatja egy nyomó és egy rá mer leges húzófeszültség is. Egyszerre szemléltethet ez a kép, ha pl. egy üvegbotot a tengely irányából nézünk A h lési feszültségek koncentrikusan kívül nyomók, belül húzók, így

ugyanaz a feszültség negyedkörönként ellenkez retardációt; sárga, vagy kék irányú színeltolódást eredményez. Kb –45o-nál maximális a színkontraszt. Ebben az irányban a nyomófeszültségek növelik, a húzófeszültségek csökkentik a retardációt. Nincs retardáció, a bot iránya valamelyik sz r polarizációs síkjával megegyezik. Válasszuk a fels metszéspontot a 0onak. Az els höz képest kb. 90o-kal elforgatva szerepcsere történik, a nyomófeszültségek csökkentik, a húzófeszültségek növelik a retardációt. 6 A retardáció meghatározása A közölt táblázat alapján közelít leg meg lehet mondani az egyes színekhez tartozó retardációt. Pontosabb adatok kaphatók összehasonlító, vagy kompenzációs módszerrel. A színes ábrák mindkét módszerrel értékelhet k, a monokromatikus fény megvilágításkor csak a kompenzációs módszerrel tudunk R-et mérni. Az összehasonlításos módszer lényege, hogy legyen sok olyan

mintánk. amelynek pontosan tudjuk a retardációját (irányra vigyázni kell!), és meg kell keresnünk azokat, amelyek a vizsgálandó mintánk egyes pontjaihoz legjobban hasonlítanak. A kompenzáció lényege, hogy az ismert retardációjú kompenzátorral megpróbáljuk a mintánk okozta R-t nullává csökkenteni, így ott újra sötét lesz a látómez . Ehhez változtatható R-jú, pl kett s ék alakú kompenzátort használnak. Az összehasonlításnál a minta és a standard elem egymás mellett van, a kompenzációnál egymás után helyezzük el a fény útjába a mintát és a kompenzátort. Üvegfeszültségek meghatározása Az üveg törékenységét az okozza, hogy a h kezelés, vagy mechanikai hatásra kialakuló feszültségeket, els sorban a húzót, az üveg nehezen viseli el, és nincsenek olyan bels fázishatárok (krisztallithatárok), amelyeken ezek a feszültségek feloldódhatnának, a repedések megállnának. Vizsgálatuk is emiatt fontos Viszonylag

egyszer a számolás, ha egytengely nyomó vagy húzófeszültségeket vizsgálunk. R=dcσ Ekkor: ahol: σ: a feszültség értéke (N/cm2) c értéke: R: a retardáció (nm) lágy üvegekre 0,25 d: az üvegtárgy vastagsága (cm) ólomüvegre; 0,3 c: a feszültségoptikai nm cm keményüvegekre: 0,4 állandó N cm 2 A síkbeli feszültségrendszerek leírhatók úgy, hogy a test minden pontjában ható feszültséget két egymásra mer leges un. f feszültségre (σ1 és σ2) bontjuk Ez esetben a retardáció a két f feszültség különbségének eredménye. Ha σ1 és σ2 mer legesek a fényútra, R = d (σ σ 1 - σ2) c 7 Ellen rz kérdések: Mi a fénypolarizáció, hogy állítható el poláros fény? Hogy jön létre kett störés? Mi történik, ha egy lineárisan poláros fény lép kett stör közegbe? Milyen a cirkulárisan-, elliptikusan poláros fény? Milyen képet látunk a polariszkópban a kett stör helyeken, ha fehér fény

megvilágítást alkalmazunk? Mi az 550 nm-es csillámlemez szerepe? Mik a színrendek? Hogy mérhetjük a retardációt? Mit tudhatunk meg az üvegek mechanikai feszültségeir l polarizációs optikai vizsgálatokkal? Látunk-e elszínez dést, ha egy ablaküveget felületére mer legesen vizsgálunk a polariszkópban. És, ha élb l nézzük? Miért? Feladatok: 1) Színek és retardációk összepárosítása: A cellux ragasztó hordozó-fóliája kett stör tulajdonságú. Gyártmánytól függ en 100 – 400nm retardációjú Tárgylemezre ragasztottunk olyan „lépcs ket”, amelyekben mindíg csak egyféle ragasztó van. Ha az 1 szint retardációja x, a másodiké 2x és így tovább. Így 3 – 5 mérésb l állapíthatjuk meg egy R értékét, ugyanakkor kapunk 3 – 5 színmintát, amiknek tudjuk a retardációját. Ezeket kés bb összehasonlításra használhatjuk. A táblázat színei csak akkor igazak, ha a polariszkópban nincs benn az R = 550 nm-es csillám. 2)

.Üvegbot segítségével a polarizátor f irányainak meghatározása. Ezt mindegyik készüléknél meg kell ismételni. Kés bb minden rajznál meg kell adni a minta helyzetét, a polarizátor irányához képest. 3) Az üveg és m anyag minták végignézése, értelmezése. 4) Egy mintalap kiválasztása, az azon található tárgyak részletes elemzése, lerajzolás, kiszínezés, retardáció meghatározása több nézetb l, több pontban, feszültségek értelmezése, számítása minél több pontban. 8 A mintákról M anyagok: polisztirol: az egyik legelterjedtebben használt polimer. Legtöbbször fröccsöntéssel készítik, így a formában történt kih léskor belefagyott rendez dés okozza az anizotrópiát. (vonalzó, CD, magnókazetta doboz) plexi: önmagában anizotróp, nem mutat semmi retardációt. Ezzel szemben nagy a feszültségoptikai állandója, kis mechanikai feszültségre nagy kett störést produkál. Emiatt jól használható modellanyag.

Különböz , akár nagyon bonyolult szerkezeteket elkészítve bel le, a terhelés hatására kialakuló feszültségeket lehet vele kit n en szemléltetni. Üvegek: Edzett – temperált üveglapok: az edzéskor az üveget felmelegítik a Tg közelébe, majd hirtelen leveg ráfújással h tik. A felületen így igen nagy nyomófeszültség keletkezik, amely jelent sen növeli a szilárdságot. A fúvókák körül kialakult feszültségképet látjuk néha egy – egy autó üvegén, ha épp jó szögben (Brewster) ver dik vissza róla a fény. A temperálás épp az ellenkez m velet, a Tg közeléb l minél lassabban kell leh teni az üveget, hogy legyen id h mérséklet-különbségek kiegyenlít désére. A mi mintáinkat el ször edzették, majd mindegyiket különböz mértékben temperálták. Próbáljuk sorba rakni ket, a feszültség nagysága szerint. Lámpák, fém – üveg kötések: Autó-halogén lámpa (régebben) kvarcüvegb l készült búrájába két nagyon

vékony molibdén fólia vezette be az áramot. αkvarc =0,5·10-61/oC, αMo=5,1·10-6 1/oC A feszültségek a fólia deformálódásával oldódnak fel. A lapított részben gyors h téssel nyomófeszültséget hoznak létre. Xenon lámpa Nagy átmér j (2 – 5 mm) W bevezet t kell a kvarcüveg búra két végén beforrasztani. αW=3,5·10-61/oC Ez közvetlen kötéssel megvalósíthatatlan Különleges geometriai kialakítással 4 – 5 átmeneti h tágulású közüveggel lehet a feszültségeket úgy megosztani, hogy a lámpa a használat nagy igénybevételeit is kibírja (bekapcsoláskor többszáz fokos h sokk, igen nagy nyomás). A képen a közüveg gy rük láthatók Lefelé csökken a h tágulás, minden 9 határfelület kvarc fel li oldalán nyomófeszültség marad az üvegben. Ebben a helyzetben ez sárga szín . Természetesen a kötés másik oldalán húzófeszültség van, kék színnel A jobb oldalon egy teljes lámpa, alatta pedig két fázis a gyártás

menetéb l. (A képen látható nagy színes körív az üvegcsésze oldala felülnézetb l. Magyarázzuk meg a színeit! Miért nem színes a pohár feneke?) Kompakt fénycs A lámpák alapmodulja egy U alakban hajlított cs , ebb l építenek össze szükség szerint kett t, hármat, négyet. A hajlítást egyenes cs b l egy gép végzi. Ez csak félkész termék, még nem tör dnek a feszültségek temperálásával. Ezért igen nagy h lési feszültségeket láthatunk (fels két kép). Alattuk ugyanezek a csövek úgy, hogy a két nem látható cs véget egy kicsit összenyomtuk, úgyhogy a h lési mellett még mechanikai feszültség is jelen van. Hasonlítsuk össze, értelmezzük a két ábra-párt! A középen látható sárga kereszt a polársz r k áteresztési irányát mutatja. 10 Mérést végezte: Jegyz könyv Gyakorlatvezet : (név, Mérés ideje: neptun kód, laborcsoport Érdemjegy: 11 Mérést végezte: Jegyz könyv Gyakorlatvezet :

(név, Mérés ideje: neptun kód, laborcsoport Érdemjegy: 12