Elektrik-Elektronik Mühendisliği için Malzeme Bilgisi

1. Elektrik-Elektronik Mühendisliği için Malzeme Bilgisi Malzemelerin Optik Özellikleri

2. Bölüm VI: Malzemelerin Optik Özellikleri • Elektromanyetik Dalgalar • Elektromanyetik Spektrum • Görünür Işık Dalgaları • Elektromanyetik Dalgalar ve Malzemelerin Etkileşmesi • Foton • Fonon • Malzemelerin Optik Özellikleri • Yansıma • Kırılma • Emme • Metallerin optik özellikleri • Seramiklerin optik özellikleri • Kovalent malzemelerin optik özellikleri • Laserler • Optik fiberler

3. Malzemelerin Optik Özellikleri • Optik özellik: Bir malzemenin özellikle görünür bölgedeki elektromanyetik dalgaya karşı verdiği cevaptır. • Bu nedenle öncelikle ilk olarak elektromanyetik dalganın tanımlanması gerekmektedir.

4. Elektromanyetik Dalgalar • Elektromanyetik dalgalar, birbirine dik elektrik ve manyetik alan bileşeni bulunan ve bu iki alanın oluşturduğu düzleme dik doğrultuda yayılan, yayılmaları için ortam gerekmeyen, boşlukta c ışık hızı ile yayılan dalgalardır. (c = 3*108 m/sn) • Kozmik, gama, x, morötesi, görünür bölge, kızılötesi, mikrodalga, TV, radyo dalgaları elektromanyetik dalgalardır.  E: Elektrik alan (V/m) H: Manyetik alan (A/m) λ : Dalga boyu

5. Elektromanyetik Dalgalar • Dalgaboyu (l): İki tepe noktası arasındaki mesafedir. • Frekans (v): Bir saniyede belirli bir noktadan geçen dalga sayısıdır Frekans azalır Dalgaboyu artar v1 < v2 < v3 l1 > l2 > l3 Birim: 1/s birim: uzunluk (m)

6. Elektromanyetik spektrum

7. Görünür Işık Dalgaları • Görünen ışık dalgaları, frekansları 1014-1015 Hz arasında olan elektromanyetik dalgalardır. • Bu durumda görünen ışık dalgalarının, dalga boyu 0.4 µm – 0.7 µm arasında değişmektedir. • Yandaki şekilde görüldüğü gibi en uzun dalga boylu kızıl ışık (λ =0.7 µm) bir uçta, en kısa dalga boylu mor ışık (λ =0.4 µm ) diğer uçtadır.

8. Görünür Işık Dalgaları • Görünür bölgedeki renk dalgalarının tümü bir arada bulunursa görünen ışığın rengi beyaz olur. • Kızıl ışığın altında gözle görülemeyen düşük enerjili kızıl altı (infrared) ışınları, • Mor ışığın ötesinde gözle görülemeyen yüksek enerjili morötesi (ultraviolet) ışınları bulunur.

9. Elektromanyetik Dalgalar ve Malzemelerin Etkileşmesi • İki tür etkileşme gerçekleşir: • 1) Gelen dalga ile etkileşme sonucu oluşan değişmeler: • Bunlar yansıma, kırılma ve emilme şeklinde olabilir. Opak malzemeler ışık dalgalarını geçirmez kısmen yansıtır ve kısmen emer. Saydam malzemeler ışığı önemli ölçüde geçirirler ve kısmen emerler.

10. Elektromanyetik Dalgalar ve Malzemelerin Etkileşmesi • 2) Malzemeye çarpan fotonların çevreye karakteristik radyasyon dalgaları yayması: • Renklenme, lüminesans, lazer ışınları bu tür etkileşme sonucu oluşur.

11. Fotonlar • Elektromanyetik dalgaların belirli enerjileri vardır. Bu enerjiler foton denilen küçük parçacıklar tarafından yayılır. • Fotonların enerjileri dalga boyuna veya frekansa bağlı olarak aşağıdaki gibi değişir: • Burada h:Planc sabitidir. (h=6.62* 10-34)

12. Fotonlar • Bir elektrona çarpan fotonun enerjisi, atomun çevresindeki karakteristik enerji düzeyleri farkına eşitse (h∙v=E2-E0) elektron aktive edilerek bir üst enerji seviyesine yükseltilir. • Yüksek enerji düzeyinde kararsız konumda olan elektron tekrar temel düzeye geri döner ve dönerken belirli bir enerji yayar.(h ∙ v=E2-E0)

13. Fotonlar • Yüksek enerji düzeyinde kararsız konumda olan elektron tekrar temel düzeye geri döner ve dönerken belirli bir enerji yayar. • Bu dönüş koşullara bağlı olarak bir aşamada yada birkaç aşamada olabilir. • ( h ∙ v1=E2-E1)ve ( h ∙ v2=E1-E0)

14. Fonon Oluşumu • Elektronların kademeli dönüşlerinde bazı kademeler radrasyon, yani foton yaymadan atlanabilir. • Bu durumda enerji foton yerine fonon oluşumu yolu ile ısıl enerji halinde yayılır.

15. Malzemelerin Optik Özellikleri • Bir malzemeye çarpan elektromanyetik dalgalar (gelen dalga) üç farklı duruma maruz kalır. • a) Yansıma • b) Kırılma • c) Emme

16. A) Yansıma • Yansıma: Malzemelerin yüzeyine çarpan ışık dalgalarının geriye doğru yayılmasıdır. • Yansıma oranı R: Yansıyan ışığın şiddetinin malzemenin yüzeyine gelen ışığın şiddetine oranıdır. • Yüzeyleri düzgün olan metallerde yansıma oranı çok yüksek olup %100’e yakındır.

17. A) Yansıma • R yansıma oranı nkırılma indisine bağlıdır. • Kırılma indisi arttıkça yansıma oranı da artmaktadır. • Camın kırılma indisi 1.51, yansıma oranı = % 5 • Elmas’ın kırılma indisi 2.417, yansıma oranı = % 17’dir.

18. B) Kırılma • Kırılma: Saydam bir malzemenin üzerine gelen dalganın bir kısmı yansır, bir kısmı da kırılarak kütle içinde ilerler. Gelen ve kırılan dalgaların hızları farklı farklı olur. • Kırılma indisi (n): Işığın boşlukta yayılma hızı c’nin malzeme içinde yayılma hızına oranıdır. • Burada: n1: birinci ortamın kırılma indisi n2: ikinci ortamın kırılma indisi v1: birinci ortamda ışığın hızı v2: ikinci ortamda ışığın hızı ɵ1: gelen dalganın ortamın normali ile yaptığı açı ɵ2: kırılan dalganın ortamın normali ile yaptığı açı

19. B) Kırılma

20. C) Emme • Işık dalgaları malzeme içinden geçerken kısmen enerjileri emilir ve kütle içinde ilerledikçe şiddeti azalır. • Işığın şiddeti mesafeye ve malzemenin zayıflama katsayısına bağlı olarak azalır. • α : ışığı emme katsayısı, zayıflama sabiti

21. C) Yansıma+Kırılma+Emme • Cismin yüzeyine I0 şiddetinde gelen ışığın I0Rkadarı geri yansır ve içeriyeI=(1-R)I0kadarı girer. • Ortamdan çıkmadan önce yine IR kadarı daha yansır ve geri (1-R)I kadarı kalır. Sonunda cisimden çıkan ışığın şiddeti:

22. Malzemelerin Optik Özellikleri • Metallerin optik özellikleri 3 farklı grupta incelenebilir: • 1) Metallerin optik özellikleri • 2) Seramiklerin optik özellikleri • 3) Kovalent malzemelerin optik özellikleri

23. 1) Metallerin Optik Özellikleri • Metallerde yansıma katsayısı (R) ve emme katsayısı (α) büyüktür. • Bu nedenle metaller ışığı kuvvetle emip yansıtırlar. • Kuvvetli emme ve yansıtma özelliğine sahip metallerin tümü opaktır ve ışığı geçirmezler. • Güneş ışığı metallere çarpınca fonon halinde yayılmalar olur. Metallerin güneş radrasyonu etkisinde aşırı ısınmalarının nedeni budur.

24. 1) Metallerin Optik Özellikleri • Metallerde görülen renklenme görünen ışık dalgaları spektrumunun seçimli emilmesinden kaynaklanır. • Altın (Au) yeşilin üstündeki fotonları emer, onun altındaki ışık dalgalarını yansıtır, dolayısıyla sarı-kırmızı görünür. • Gümüş (Ag) ise görünen bölgedeki tüm fotonları yansıtır, ancak morötesi ışınları emer, bu nedenle rengi beyazdır.

25. 2) Seramiklerin Optik Özellikleri • İyonik bağlı seramik türü malzemelerde elektronlar ana atomlara kuvvetle bağlıdır. Dolu valans bandı ile boş iletim bandı arasında 6-8 eV’luk enerji aralığı vardır. • Saf seramikler görünen ışık dalgalarına karşı saydamdırlar.

26. 3) Kovalent Malzemelerin Optik Özellikleri • Kovalent bağlı malzemeler ile iyonik bağlıların optik özellikleri benzerdir. Band yapısına bağlı olarak saydam veya opak olabilirler. • Elmas ve SiO2 görünen ışık fotonlarını geçirirler. • Yarı iletkenlerin büyük bir çoğunluğu görünen ışık dalgalarını emerler.

27. Malzemelerin Optik Özellikleri • Fotoiletim (Fotoiletkenlik): Elektrik devresine bağlı bir yarıiletken ışık etkisinde iletkenlik sağlayabilir. Işık fotonlarından enerji alarak iletim bandına yükselen elektronlar serbest hale gelir ve uygulanan gerilim doğrultusunda hareket ederek elektriksel yük taşılar. Buna fotoiletim denir. • Fotoiletimde uyarıcı görünen ışık fotonları olduğu gibi, kızılaltı ve morötesi ışınları da olabilir.

28. Lüminesans • Yüksek enerji düzeyine aktive edilen elektron temel düzeye geri dönerken yaydığı radrasyon görünen ışık bölgesinde olursa buna lüminesans olayı denir. • Fotolüminesans: Uyarıcı enerji kaynağı ışık fotonlarıdır. (Örnek:Trafik levhaları) • Elektrolüminesans: Uyarıcı enerji kaynağı elektron demeti veya elektriksel alandır. • Kemolüminesans: Uyarıcı enerji kaynağı kimyasal reaksiyondur. • Ödev: Floresans ve fosforesans nedir?

29. Laser (Light Amplification by the Stimulated Emission of Radiation) • Uyarılma sonucu elde edilen radyasyondan kaynaklanan ışığın kuvvetlendirilmesi anlamını taşımaktadır.

30. Laser • Eğer verilen bir enerji sayesinde ortamdaki atomların çoğunun dış elektronlarının yüksek yörüngelerde olması sağlanabiliyorsa, bu ortam LASER ışığını üretmeye uygundur denir. • Çünkü birçok laser çeşidinde katı-sıvı-gaz ortamlardaki atomların dış elektronları dışarıdan verilen bir enerji ile (ışık, elektrik deşarjı veya radyo dalgaları gibi) üst yörüngeye çıkarılır. • Sonra elektronun kendiliğinden alt yörüngeye inmesinden kaynaklanan bir foton, komşu atomdaki elektronu uyararak onun dış yörüngeden inmesini ve kendisiyle aynı frekansta ve aynı fazda ikinci bir foton yayınlamasını sağlar. Bu iki foton daha sonra yine komşu iki atoma giderek onların da aynı yöntemle benzer fotonların oluşmasına neden olurlar. (Zincir reaksiyonu) Zincirleme reaksiyon ile laser ışığının güçlendirilmesi.

31. Laser Işığının Oluşumu

32. Laser Işığının Özellikleri • LASER ışıkları monokromatiktir, yani tek renkli ve tek dalga boyludur. • Laser ışığı dağılmadan düz gider:Laserin tek bir çizgi gibi yayılmadan gitmesi yüzünden başka aletlerle, uzaktan erişilmesi güç olan yerlere erişilmesi mümkün olur. c ) Koherent olması;Laser genliği, frekansı(TEK FREKANS-TEK RENK)ve zamansal dağılımı aynı olan bir ışık dalgasıdır. Bu da Laserin kohorentlik özelliğinigösterir.

33. Laser Işığının Özellikleri Ödev: Laser çeşitleri ve medikal uygulamaları?

34. Optik Fiberler • Fiber, ışık kaynağından gelen sinyallerin (ışık) hedefteki kaynağa iletilmesidir. Bu ışık sinyaliyle  modüle edilmiş  bilgiler cam yüzey üzerinde taşınırlar. Fiber’i kaplayan kablolar ise ışığı taşıyan camın kırılmasına ve sinyal kaybına karşı bir koruma görevi üstlenirler. Fiber’ler ortalama  insan saçı boyutlarındadır. Kırılma ve Sinyal kayıplarına karşı çok iyi korunmuş ve yapılandırılmıştırlar.

35. Optik Fiber’in İç Yapısı Optik fiber en az iki bölgeden oluşur. Günümüzde kullanılan fiber’ler  en az üç bölgeden oluşmaktadır. Bunlar; 1-     Core (Çekirdek) : Core merkez bölgedir ve ışığın yolculuk ettiği bölge burasıdır. 2-     Clad (Kabuk): Clad ise ışığın yalnız hareket etmesini ve dış ortama sızmamasını sağlar. Kısacası yolculuk eden ışığı çevresel etkenlerden korur veya yalıtımını sağlar. İkinci görevi ise fiber’ın boyutunu arttırır ve böylelikle fiber’ın dayanıklılığını ve kullanım kolaylığını arttırır. 3-     Coating( Kaplama) : Coating veya bir diğer adıyla buffer coating en dış yüzeydir ve kimyasal ve mekanik zararlardan koruyan en dış tabakadır. 1 2 3 1 2 3

36. Optik Fiber Teknolojileri Günümüzde ışığın hızını kullanarak bilgileri hızlı bir şekilde gönderip alma işlemleri sayesinde kablolu iletişimde çok büyük ilerlemeler kaydedilmiştir. Özellikle Internet’te ve Geniş alan ağlarda kullanılan bu teknoloji sayesinde bilgiler daha hızlı ve kayıpsız olarak kaynaktan hedefe gönderilebilmektedir. Kablo kopmaları ve diğer arızalarda tamiri çok zor olan bu teknolojide özel ölçüm aletleri ve mühendislik kullanılmaktadır.