пустышка. Отчет защищен с оценкой преподаватель канд тех наук, доцент
 Скачать 0.61 Mb.
|
|
ГУАП КАФЕДРА № 23 ОТЧЕТ ЗАЩИЩЕН С ОЦЕНКОЙ ПРЕПОДАВАТЕЛЬ
РАБОТУ ВЫПОЛНИЛ
Санкт-Петербург 2021 Цель работы: изучение оптических свойств упорядоченных и неупорядоченных наноструктур, ознакомление со свойствами фотонных кристаллов. 1. Теория: Оптическая спектроскопия широко применяется в химии, биологии, науках о материалах, для исследования взаимодействия света с электронной, фононной, молекулярной и другими подсистемами вещества. В химии и биологии колебательная спектроскопия используется для получения информации о структуре молекулы, процессах релаксации энергии, для количественного и качественного анализа. В физике твердого тела исследуются электронная структура, динамика кристаллической решётки, кинетические, магнитооптические, электрооптические свойства, а также оптические свойства (показатель преломления, коэффициент поглощения). Методы и задачи оптической спектроскопии наноструктур можно разделить на три группы соответственно трем группам наноструктур. К первой группе относятся упорядоченные и неупорядоченные наноструктуры с характерным размером нано образований значительно меньшим длины волны. Методы и задачи оптической спектроскопии таких структур идентичны таковым для твердого тела. Ко второй группе относятся неупорядоченные структуры с характерным размером нано образований, совпадающим по порядку величины с длиной волны. Такие наноструктуры являются непрозрачными, даже если они изготовлены из материала, прозрачного в состоянии однородного твердого тела. Для таких структур могут применяться только методы рассеяния света. К третьей группе относятся упорядоченные структуры с характерным размером нано образований совпадающим по порядку величины с длиной волны. Такие материалы носят название фотоннокристаллических. Более точное определение фотонного кристалла формулируется следующим образом: это материал, структура которого характеризуется периодическим изменением коэффициента преломления в пространственных направлениях. Для фотонных кристаллов наряду с общими используются специальные методики. В фотонных кристаллах запрещено распространение электромагнитных волн в некоторой полосе частот в одном, двух или трех пространственных измерениях. По аналогии с полупроводниками эта полоса называется запрещенной фотонной зоной (ЗФЗ). Фотонные кристаллы могут быть использованы для создания устройств управления электромагнитными волнами. Наиболее эффективное управление волнами осуществляется в режиме Брэгговской дифракции. Первый фотонный кристалл был изготовлен Яблоновичем путем сверления миллиметровых отверстий в материале с высоким показателем преломления. Этот кристалл не пропускал излучение миллиметрового диапазона и реализовывал фотонную структуру с запрещенной зоной. В настоящее время под термином «фотонный кристалл» чаще всего подразумеваю структуры, с использованием идеологии фотонных структур созданы беспороговые полупроводниковые лазеры и лазеры на основе редкоземельных ионов, высокодобротные резонаторы, оптические волноводы, спектральные фильтры и поляризаторы. 2. Описание лабораторной установки: Автоматизированный оптический спектрометр отражения и пропускания, состоящий из источника белого света, монохроматора, системы фокусировки и построения изображения, приемника излучения, синхронного детектора.  Рисунок 1 – Фотография установки 3. Ответы на вопросы: 1) Какой источник и приёмник светового излучения используется в оптическом спектрометре? Чем определяется их выбор? Ответ: Наиболее распространенными источниками излучения являются полупроводниковые светодиоды и лазерные диоды. Выбор источника излучения определяется требованиями к мощности излучателя, его спектральным и модуляционным характеристикам, сроку службы и диапазону рабочих температур. Как в светодиодах, так и в лазерных диодах генерация света обусловлена рекомбинацией электронов и дырок, результатом которой является образование фотонов. 2) Чем определяются рабочие ширины входной и выходной щелей монохроматора? Ответ: Спектрометр представляет собой систему визуализации, распределяющую множество монохроматических изображений в плоскости детектора (через входную щель). От входной щели зависят рабочие характеристики спектрометра, поскольку она задает размер светового потока, попадающего на оптическую часть. От нее зависит спектральное разрешение, другими важными факторами также являются частота штрихов дифракционной решетки и размер пикселей детектора. Оптическое разрешение и пропускная способность спектрометра полностью зависят от параметров щели. Свет попадает внутрь спектрометра через оптическое волокно или линзу, сфокусированную на с учетом настройки щели. От щели зависит угол расходимости попадающего внутрь света. Щели могут иметь разную ширину – от 5мкм до 800мкм и более, высота щели составляет 1 мм (стандартно) – 2мм. Выбор размера входной щели – важный вопрос, так как она настраивается и устанавливается в спектрометре только квалифицированным специалистом. В основном в спектрометрах применяются щели шириной 10, 25, 50, 100, 200 мкм и т.д. В системах, в которых применяются оптические волокна для подачи светового пучка, размер пакета волокон совпадает с размером входной щели. Обычно это снижает рассеяние света и повышает пропускную способность прибора. 3) Как устроена система фокусировки и формирования изображения? С какой целью она используется? Построить ход лучей в системе фокусировки и формирования изображения. Ответ:  Рисунок 2 - Кросс-корреляционная схема спектрографа Черни-Тернера Кросс-корреляционная схема состоит из двух вогнутых зеркал и одной дифракционной решетки, как показано на рис. 2. Фокусное расстояние зеркала 1 выбирается таким образом, что оно коллимирует (создает тонкий параллельно идущий поток излучения при помощи щелей, через которые он проходит) пучок света из входной щели и направляет его на дифракционную решетку. После того, как свет разложен на отдельные компоненты, зеркало 2 фокусирует рассеянный свет дифракционной решеткой в плоскость детектора. В спектрометре с вогнутой дифракционной решеткой фокусировка осуществляется на круге Роуланда. В качестве регистрирующего элемента в спектрометрах с подобной оптической схемой, как правило, используется многоэлементные фотоприемники с плоской поверхностью и, следовательно, наилучшая фокусировка может быть обеспечена не более чем в двух точках. На всей остальной покрытием поверхности фотоприемника фокусировка ухудшается, что приводит к снижению реального спектрального разрешения прибора по сравнению с теоретически возможным. 4) Каков принцип детектирования сигналов синхронным детектором? С какой целью он используется в оптическом спектрометре? Ответ: В традиционных спектрометрах (монохроматорах) вторая щель размещена в плоскости изображения и называется выходной щелью. Выходная щель имеет обычно аналогичные размеры, как и входная щель, а ширина последней является одним из факторов, ограничивающих спектральный диапазон прибора. В этой конструкции детектор размещен за выходной щелью и решетка поворачивается для сканирования спектрального изображения через щель, поэтому интенсивность света является функцией длины волны. В современных спектрометрах детекторы на линейных и ПЗС-матрицах являются следующим шагом развития спектрометров со штриховой решеткой. Поскольку случайный свет попадает на пиксели через ПЗС-матрицу, то каждый пиксель берет на себя часть спектра, который электронная система прибора может преобразовать и отобразить с помощью программного обеспечения. Это преимущество позволяет конструировать спектрометры без подвижных компонентов, что приводит к сокращению размеров и энергопотребления. Применение компактных многоэлементных детекторов – это резкое сокращение затрат, компактные размеры спектрометров, которые получили название «миниатюрные спектрометры». 5) Каким образом осуществляется управление спектрометром и считывание оптического сигнала? Ответ: Основной функцией спектрометра является регистрация и накопление спектра света, оцифровка полученного сигнала в зависимости от длины волны и последующий анализ с помощью ПК. На первом этапе свет, пройдя оптическое волокно, попадает в спектрометр, а именно, через узкую апертуру, известную как входная щель. Линза виньетирует свет на входе в спектрометр. В большинстве спектрометров рассеянный свет затем коллимируется с помощью вогнутого зеркала и направляется в дифракционную решетку. Решетка рассеивает компоненты спектра под слегка разными углами, которые затем фокусируются вторым вогнутым зеркалом на детекторе. Как только свет попадает на детектор, фотоны света преобразуются в электроны, которые затем через порт USB (или последовательный порт передачи данных) поступают в ПК. Программа производит интерполяцию сигнала в зависимости от количества пикселей в детекторе и линейной дисперсии дифракционной решетки для реализации калибровки, которая позволяет начертить график распределения по длинам волн в спектре. Затем эти данные можно использовать в многочисленных спектральных исследованиях. 6) Что такое фотонный кристалл? Какие типы фотонных кристаллов вы знаете? Какие типы наноструктур исследуются в данной работе? Ответ: Фотонные кристаллы – это материалы с упорядоченной структурой, характеризующейся периодическим изменением коэффициента преломления в масштабах, сопоставимых с длинами волн излучений в видимом и ближнем инфракрасном диапазонах. Фотонные кристаллы, благодаря периодической структуре, позволяют получить разрешенные и запрещенные зоны для энергий фотонов, подобно полупроводниковым материалам, в которых наблюдаются разрешенные и запрещенные зоны для энергий носителей заряда. Это значит, что если на кристалл падает фотон с энергией, которая соответствует запрещенной зоне данного кристалла, то он не может распространяться в фотонном кристалле и отражается. Фотонные кристаллы по характеру изменения коэффициента преломления можно разделить на три основных класса: -Одномерные фотонные кристаллы, в которых коэффициент преломления периодически изменяется в одном пространственном направлении; - Двумерные фотонные кристаллы, в которых коэффициент преломления периодически изменяется в двух пространственных направлениях; - Трехмерные фотонные кристаллы, в которых коэффициент преломления периодически изменяется в трёх пространственных направлениях При рассеянии фотонов на одно- и двумерных структурах всегда находятся такие направления распространения дифрагировавших лучей, для которых условие максимума интерференции выполнено. Для одномерного кристалла - нитей, такие направления образуют конические поверхности, а в двумерном случае - совокупность отдельных, изолированных друг от друга лучей. Трехмерный случай принципиально отличается от одномерного и двумерного тем, что условие максимума интерференции для данной длины волны света может оказаться невыполнимым ни для одного из направлений в пространстве. Распространение фотонов с такими длинами волн в трехмерном кристалле невозможно, а соответствующие им энергии образуют запрещенные зоны, так называемые стоп-зоны. В данной работе исследуются такие типы наноструктур, как: упорядоченные и неупорядоченные наноструктуры с характерным размером нанообразований значительно меньшим длины волны; неупорядоченные структуры с характерным размером нанообразований, совпадающим по порядку величины с длиной волны; упорядоченные структуры с характерным размером нанообразований совпадающим по порядку величины с длиной волны. 7) Каковы особенности спектров отражения упорядоченных структур? В чем различие спектров пропускания (отражения) фотонных кристаллов и неупорядоченных структур? Ответ: Упорядоченные структуры имеют характерный размер нанообразований совпадающим по порядку величины с длиной волны. Неупорядоченные наноструктуры являются непрозрачными, даже если они изготовлены из материала, прозрачного в состоянии однородного твёрдого тела. Для таких структур могут применяться только методы рассеяния света. В фотонных кристаллах запрещено распространение электромагнитных волн в некоторой полосе частот в одном, двух или трёх пространственных измерениях. 8) Что такое запрещенная фотонная зона? Зонная структура фотонного кристалла? Ответ: Фотонная запрещенная зона представляет собой диапазон частот ω(k) в обратном пространстве волновых векторов k, где распространение света определённой частоты (или длины волны) запрещено в фотонном кристалле во всех направлениях, при этом падающий на фотонный кристалл свет полностью отражается от него. Если же свет «возникнет» внутри фотонного кристалла, то он окажется «вмороженным» в него. Сама зона может быть неполной, так называемой стоп-зоной. Фотонная запрещённая зона трёхмерного фотонного кристалла является некоторой аналогией электронной запрещённой зоны в кристалле кремния. Следовательно, фотонная запрещённая зона «управляет» потоком света в кремниевом фотонном кристалле аналогично тому, как происходит транспорт носителей заряда в кристалле кремния. В этих двух случаях образование запрещённой зоны обуславливается стоячими волнами фотонов или электронов, соответственно. Зонная структура кристалла – энергетический спектр мод с волновыми векторами внутри первой зоны Бриллюэна. 9) Как зависят спектры отражения неупорядоченных и слабо упорядоченных структур от размера светового пятна? Ответ: Если на тело, которое неодинаково отражает свет разных длин волн (слабо упорядоченная структура) падает белый свет то после отражения соотношения между излучениями этих длин волн изменится и тело будет иметь цвет, соответствующий его физическим свойствам т.е., произойдёт частичное поглощение света. Для упорядоченных же произойдёт полное отражение света. 10) Какими параметрами можно охарактеризовать степень упорядочения структуры? Ответ: Одним из основных показателей степени структурирования, или, другими словами, степени упорядочения структуры является пикнометрическая или истинная плотность. Степень упорядоченности структуры полимеров зависит от температуры и давления, которые определяют интенсивность теплового движения макромолекул, в результате чего происходят изменения их конфигурации. Структура полимера в той мере упорядочена или аморфна, в какой это позволяет его макромолекулам, находясь в данной упаковке, принимать все необходимые при данных условиях конформации, т. е. беспрепятственно изгибаться, скручиваться и раскручиваться, вращаться. Рентгеноструктурный анализ используется для определения степени упорядоченности молекулярной структуры. Как известно, кристаллиты углеродистых веществ состоят из неупорядоченной и упорядоченной частей. Вывод Изучила оптические свойства упорядоченных и неупорядоченных нано структур, ознакомился со свойствами фотонных кристаллов. |