Presentation Transcript

1. KUTUPLANMA(POLARİZASYON) NESRULLAH EDİZER 030214008

2. KUTUPLANMA(POLARİZASYON) Bir elektromagnetik dalganın elektrik alan vektörünün doğrultusudur.Polarize görüntü mozaiği ışık hareket eden bir dalga veya titreşimdir.Yani ışık kendi doğrultusunda giderken aşağı yukarı,sağa sola hareket eder. Polarize eden ,yani kutuplaştıran filtreler ise ışığın sadece bir yönde titreşen dalgalarının geçmesine izin verir.Işığın böyle tek yönlü titreştirilmesine polarizasyon (kutuplaştırma) adı verilir.Elektromagnetik dalgalar yatay, düşey, dairesel ve eliptik polarizasyonlu olabilirler yani kutuplaştırılabilirler.

3. Işığın polarize olması doğal bir özelliğidir, ancak mikroskopide bu özellik yapay olarak arttırılır. Bir ışık demeti değişik frekanslarda dalgalar içerir ve bunlar arasında olası faz ilişkileri ve her düzlemde titreşim görülebilir. Işık dalgalarının titreşimi yalnızca bir düzlemde kısıtlanırsa buna polarize edilmiş düzlem denir.

4. KUTUPLANMA ÇEŞİTLERİ 1- Doğrusal Kutuplanma ( Düzlemsel Kutuplanma ) Burda dalgalar ölçüleceği gözlem düzlemine doğru ilerlerler .Bu düzlemde ,tek bir E bileşkesinin ,eğik bir doğru boyunca zamanla harmonik olarak titreştiği düşünülebilir.E alanı bir dalga ekseni boyunca bir dalga boyu yol aldığında tam bir titreşim devri yapar .Bu toplama işleminin aynı şekilde terside yapılabilir ,yani bir düzlem kutuplu dalga birbirine dik iki bileşene ayrılabilir . 2- Dairesel KutuplanmaDairesel kutuplanmada elektrik vektörü ,dalga yol alırken ilerleme ekseni çevresinde döner .Kendine doğru gelen dalgaya bakan ( kaynağa doğru bakan ) bir gözlemciye ,E bileşke elektrik alan vektörünün saat göstergelerinin dönüş yönünde w açısal frekansıyla döndüğü görülür .Böyle bir dalgaya sağ dairesel kutuplu veya genellikle sağ dairesel ışık denir .Tersi oluyorsa genlik değişmemek üzere E saat göstergelerinin dönme yönünün tersine döner ve dalgaya sol dairesel kutuplu denir . 3- Eliptik Kutuplanma Matematiksel anlatım bakımından ,doğrusal ve dairesel kutuplu ışık ,eliptik kutuplu ışığın veya daha kısa ifadeyle eliptik ışığın özel halleri olarak düşünülebilir .Bunun anlamı E bileşke elektrik alan vektörünün genelde hem dönmesi hem de büyüklüğünün değişmesidir.

5. Acaba polarize adı nereden gelmiştir.Bu fiziksel olaya 1808 yılında ilk olarak bir ad verildiği zaman ,bunu bulan Fransız mühendis Malus , ışığın niteliği hakkında yanlış bir teoriye saplanmıştı.O ışığın bir mıknatıs kutupları(polleri) olan parçacıklardan oluştuğunu sanıyor bir kristalden çıkan ışığın bütün kutuplarının bir doğrultuda sıralanmış olduğunu zannediyordu.Bunun sonradan yanlış olduğu anlaşıldı ,fakat artık ad o kadar esaslı yerleşmişti ki ,bir daha değiştirilemedi.

6. Polarize Olmamış Yarı Polarize Olmuş Elektrik alan içerisinde etkiye uğramamış Tamamen Polarize Olmuş

7. IŞIĞIN KUTUPLANMASI(POLARİZASYONU) Işığın kutuplanması enine dalga olayının bir ispatıdır. Maxwell teorisinden biliyoruz ki ışık elektromanyetik bir dalgadır ve elektrik ve magnetik vektörleri yayılma istikametine dik olarak titreşirler.

8. Elektromagnetik dalganın yayılımının elektrik ve magnetik vektör alanlarının durumu aşağıdaki şekilden daha iyi anlaşılabilir.

9. Işık dikey olarak 2 tip polarizasyona sahiptir X-Z ekseni boyunca alçalıp yükselen sinüsoyidal eğri Z ekseni boyunca burayı merkez alarak x-y eksen- lerinde spiral yapan eğri Y-Z eksenleri boyunca al- çalıp yükselen sinüsoyidal eğri

10. Polarize olmamış ışıktan polarize ışık elde etmenin 4 yolu vardır. • Seçici soğurma ile polarizasyon • Yansıma ile polarizasyon • Çift kırılma ile polarizasyon • Saçılma ile polarizasyon • Optikçe aktiflik yolu ile polarizasyon

11. SEÇİCİ SOĞURMA İLE POLARİZASYON Dağınık gelen ışığı geçirme özelliğine sahip olan polaroid yönelmiş olan ışığı seçici soğurma yöntemi ile polarize eder. POLAROID:Elektrik alan vektörü sadece bir doğrultuda titreşim yapmakta olan ışığı geçirme özelliğine sahip bir maddeye iki renkli(dichroic)madde denir.1938 debilim adamı Land bu maddeye polaroid adını vermiştir. Kutuplanmış ışık Polarize olmamış ışık Polarizatör Analizatör

12. Seçici soğurma ile polarizasyon yönteminde polarize olmuş ışığın şiddeti geçen genliğin karesi ile değiştiğinden geçen ışığınşiddetinin I=Io*COS²θşeklinde değiştiği sonucuna varırız ifadedeki Io, analizöre gelen polarize dalganın şiddetidir. Bu ifadeye Malus yasası denir. “Malus kanununa” göre, kutuplanmış ışığın şiddetinde azalma görülür.

13. YANSIMA İLE POLARİZASYON Yansıma yöntemi ile de kutuplanmış ışık elde edilebilir. Kutuplanmamış bir ışık demeti bir yüzeyden yansıdığınıda, yansıyan ışık ,geliş açısına bağlı olarak, ya tamamen kutuplanır ya kısmen kutuplanır veya kutuplanmaz. Eğer gelme açısı 0 veya 90 derece ise, yansımış demet kutuplanmış değildir. Fakat, geliş açısının ara değerleri için yansımış ışık bir ölçüde kutuplanır. Gerçekte sadece özel bir geliş açısı için yansımış ışık tamamen kutuplanır.

14. Yandaki şekilden üsteki bağıntıyı elde ederiz. Yansıyan ve kırılan ışınların birbirine dik olma şartını sağlıyan gelme açısına “Brewster açısı” denir. Bu açının tanjantı, kıran ortamın kırılma indisine eşittir.

15. ÇİFT KIRILMA İLE KUTUPLANMA • Kristallerin çoğu “çift kırıcı” özelliği gösterirler. Çift kırıcılık, ışığı iki demet haline getirmektedir. Bunun sebebiyse ışığın bu kristaller içindeki her doğrultuda aynı hızla yayılmamasıdır. İkiye ayrılan ışığın her iki kısmı da kutuplanır. Gelme düzlemine, dik olarak kutuplanmış ışına normal ışın, paralel olarak kutuplanmış ışına ise extra normal ışın denir. İnce turmalin kristali levhaları bu ışınlardan birini soğurarak (emerek) diğerini geçirir. Böylece kutuplanmış ışın elde edilmiş olur. Çift kırıcı kristallerde, iki demetin birleştiği bir doğrultu bulunur. Bu doğrultuya “optik eksen” denir.

17. KUTUPLANDIRICI CİHAZLAR Işığı çizgisel kutuplanmış ışığa çevirmek için kutuplandırıcı cihazlar kullanılır. Bunlar; 1-Nicol prizması 2-Glen-foucault prizması 3- çift kırıcı prizmalar 4- Volleston prizması 5- Roşen prizması 6- İslandiya spatı 7- Camdan yapılmış prizma 8- Turmalin 9- Poleroidler

18. Kullanım Alanı: Genellikle boyanmamış hücrelerin incelenmesinde kullanılmakla birlikte boyanmış yapılar için de kullanılabilir.

19. Günümüzde tabiî kristaller yerine, çift kırıcı ve bir demeti soğurucu (emici) plastik kutuplayıcılar kullanılmaktadır. Polaraid kutuplayıcı, Herapath isimli fizikçi tarafından 1928 yılında yapıldı, o tarihten sonra Nicol prizmaların yerine kullanıldı. Polaraid, nitroselüloz üzerine iyodokinin sülfat eriyiği sürülüp gerdirilerek elde edilir. Daha sonra iki cam arasına sıkıştırılır. Polaraid güneş gözlükleri, sadece düşey yönde kutuplanmış ışınları geçirerek gözü şiddetli ışıktan korurlar. Ayrıca, yine ışığın şiddetini azaltmak maksadı ile oto camlarında da kullanılırlar. Işığın kutuplanma özelliğinden faydalanılarak polarimetreler ve fotoesneklikle gerilim analizi çalışmaları yapılmaktadır.

21. SAÇILMA İLE POLARİZASYON Işık, gaz gibi bir parcacıklar sistemine girdiğinde, ortamdaki elektronlar ışığın bir kısmını soğurup sonra tekrar yayarlar, ışığın ortam tarafından soğurulması ve tekrar yayınlanmasına saçılma denir. Bu, dünyadaki bir gözlemciye tepeden ulaşan güneş ışığının kısmen polarize oluş nedenidir.

22. KUTUPLANMAMIŞ IŞIK Hava Molekülü Gözlemci

23. OPTİKÇE AKTİFLİK Kutuplanmış ışığın birçok önemli uygulamaları optikce aktiflik özellik sergileyen belirli maddelerin kullanılmasını gerektirir. Bir madde geçen ışığın polarizasyon düzlemini döndürüyorsa optikçe aktiftir denir. Bir maddenin optikçe aktifliği maddeyi oluşturan moleküllerin biçimindeki simetrisizlikten kaynaklanır. Polarimetre: Maddelerin optikçe aktifliklerini ölçen cihazdır. Optikçe aktiflik, kutuplanmış, (polarılmış) ışığın, kutuplanma düzlemini değiştirmek demektir. Kuvarts, şeker eriyiği ve bazı yağlar optikçe aktiftirler (Organik maddelerin çoğu optikçe aktiftirler). Polarimetre molekül boyutlarının tayininde, konsantrasyon miktarının (derişikliğin) tayininde ve gıda maddelerinin kontrollerinde kullanılır.

24. FİBERLERDE KUTUPLANMA Silindirik optik fiberler genellikle giriş ışığının kutuplanma durumunun birkaç metreden daha fazla koruyamazlar ve bu yüzden optik fiber iletimi ihtiva eden çoğu uygulamalar için optik kaynağın bir tür şiddet modülasyonu kullanılır. Bu yüzden optik işaret fiber içindeki ışık dalgasının fazına veya optik kutuplanmasına duyarlı olmayan bir fotodiyot tarafından algılanır. Bununla birlikte son zamanlarda önemli uzaklıklar boyunca giriş ışığının kutuplanma durumunun korunması gerektiren sistemler ve uygulamalar araştırılmıştır ve amaca uygun fiberler dizayn edilmiştir. Bu fiberler tek modludurlar ve kutuplanma durumunun korunması, modal çift kırıcılık olarak bilinen bir olay vasıtası ile tanımlanır.Fotodiyot:Tıkama yönündeki akımı ışıkla kontrol edilen bir yarıiletken elemanıdır.Üzerlerine düşen ışık miktarı artıkça kaçak akımların artması prensibine dayanarak yapılmışlardır.Yani ters yönde polarlandıkları zaman üzerlerine düşen ışıkla orantılı olarak kaçak akımları değişen diyotlardır.

25. Fiber veya Komponent Polarizasyonun Yayılımı (İhmal Edilebilir Eşleşme) Yavaş Eksen Yavaş Eksen Hızlı Eksen Hızlı Eksen

26. MODALÇİFTKIRICILIK(Birefringence) • Öz ekseni etrafında nöminal dairesel simetriye sahip tek modlu fiberler, ortogonal kutuplanmalı iki dejenere modun yayınımına izin verirler. Bu yüzden bu tür fiberler iki modludur. HEX ve HEy . Burada prensip eksenleri olan x ve y , fiber kesitinin simetri elemanları ile belirlenir. Böylece fiber , bu iki ortogonal kutuplu modlar için etkin kırılma indislerindeki ve bundan dolayı faz hızlarındaki farklılık yüzünden çift kıran bir ortam olarak davranır. Bu yüzden modlar , fiber kesitinin anizotropisi tarafından tayin edilen farklı βx ve βy yaınım sabitlerine sahip olurlar. Fiber kesiti, z yönündeki fiber uzunluğundan bağımsız olduğu zaman, fiber için modal kırıcılık: Bf=(βx-βy)÷2π/λ=nx-ny Faz hızlarındaki fark, fiberin, z yönündeki fiber uzunluğu L ye bağlı olan ve Φ(z)= (βx-βy)L ile verilen bir Φ(z) lineer geciktirmesi sergilemesine sebep olur.Burada ,iki mod bileşeninin faz koherensinin korunduğu kabul edilmiştir. İki mod bileşeninin faz koherensi bunların geçiş zamanları arasında fark (Δt), kaynağın koherans zamanı (1/ Δf) den az olduğu zaman elde edilir. Çift- kırıcı koherensin Lbc= c÷Bfδf=λ²÷Bfδλ olmak üzere bir Lbc uzunluğu boyunca korunduğu gözlenmiştir. Işık fiber içerisinde yayılarak ilerler, polarize olmuşbu ışık dalgalarının yayılma hızının değişimi kullanılan malzemenin yapısına bağlı olarak değişir

27. Fiberin içindeki çiftkırıcılık Hızlı Eksen PSP Yavaş Eksen Prensipte varolduğu düşünülen Polarizasyon

28. y Tek modluoptik bir fiberde vuru uzunluğu a) Φ(z)’ ye göre kutuplanma durumları b) fiber içinde vuru uzunluğu boyunca ışık şiddeti dağılımı. z x Φ(z)=0 y Φ(z)=π/2 x y Φ(z)=π x y Lb Φ(z)=3π/2 x y x Φ(z)=2π (a) (b)

29. X eksenine göre 45º lik lineer kutuplanmaya sahip olarak gelen ışık, Φ=π/2 de dairesel ve Φ=π de tekrar lineer kutuplanma durumuna kavuşur.bu işlem Φ=3π/2 de bir diğer dairesel kutuplanma durumundan geçerek devam eder. Bu sürece karşılık gelen karakteristik uzunluk Lb vuru uzunluğu olarak bilinir ve Lb=λ÷Bf ile verilir. Tipik tek modlu fiberler birkaç cm lik vuru uzunluklarına sahiptirler ve uygun, görünür bölgede ışıma yapan bir kaynak kullanarak bu etki Rayleigh saçılması yoluyla bir fiber içerisinden doğrudan gözlenebilir. Rayleigh saçılması:Optik fiberlerdeki genel kaybın %96’sını oluşturan bir mekanizmadır ve ışığın dalga boyuna oranla küçük ölçekte oluşan ,rastgele yapılı homojensizlikerden kaynaklanır ve atmosferdeki saçılma dalga boyunun 4. kuvveti ters orantılı olduğundan en çok saçılma kısa dalga boylarında gerçekleşir ve bu olaydan dolayı biz gökyüzünü mavi renkte görüyoruz.

30. İdeal olmayan bir fiberde gerilme veya fiberin geometrisinde ve kompozisyonundaki değişimler gibi, fiber uzunluğu boyunca var olan çeşitli olumsuzluklar enerjinin bir kutuplanma durumundan diğerine aktarılmasına yol açar. Fiberin imalatı ve kablolanması sırasında kolayca oluşabildiğinden bu olumsuzluklardan kurtulmak zordur. Olumsuzluklar vuru uzunluğuna karşı gelen ve Λ = λ÷Bf ile tanımlanan bir Λ periyoduna sahip olduğu zaman bir kutuplanma durumundan diğerine enerji transferi en büyük değerindedir. Ancak olumsuzlukların periyodu, Λc kesim periyodundan (1mm civarında) daha az olduğu zaman, çapraz kutuplanma etkisi en aza indirilebilir. Böylece, kutuplanma-korumalı fiberler aşağıdaki iki duruma göre tasarlanabilir. • Yüksek çift-kırma : Lb=λ÷Bf uygun olarak Lb vuru uzunluğunu 1mm civarında veya daha aşağı düşürerek modal çift-kırılmanın en büyük yapılması sağlanır. • Düşük çift-kırma : Λ periyodlu kutuplanma çiftlenim olumsuzluklarının yapılmasıdır ki, bu durum Λc’ yi artırarak ve böylelikte daha fazla olan büyük vuru uzunlukları elde ederek başarılabilir.

31. Fiberin içindeki ışığın polarizasyonunu etkileyen durumlar • Fiberin kristal yapısının bozukluğu, • Index of Refraction: Kırılma indeksi • Fiberin fiziksel olarak ezilmesi, bükülmesi, zorlanması • Fiberin dairesel diskler olarak bölündüğünde aynı çapı sağlayamaması • Hızlı ve yavaş eksenler

32. Işık ile ilgili terimler • Amplitüd, enerji gücü, ışık şiddeti ya da parlaklığı anlamındadır. • Dalga boyu, iki dalganın tepe noktaları arasındaki mesafedir ve ışığın rengini belirler. Dalga boyu nanometre ile ifade edilir. • Frekans, saniyede yayınlanan dalga sayısıdır. Aynı kaynaktan çıkan eşit frekanslı dalgalara koherent denir. Farklı kaynaktan çıkan ya da farklı frekanstaki dalgalara ise non-koherent denir.

33. Polarizasyon Mikroskobu • Polarizasyon mikroskobu incelenen cisimlerin optik anizotropik özelliğinden yararlanarak görüntülenmesi için kullanılır. Yapıların sahip olduğu birefrejans özelliğinden yararlanır. • Bu amaçla mikroskop; spesimenin altında yerleşik bir polarizer ve objektiften sonra bir analizer ile yapılandırılmıştır.

34. Kristal yapılar, • Fibröz yapılar (doğal ya da artifisyel) • Pigment birikimleri • Proteinler, • Kemik yapı, • Amiloid birikimleri, BİREFREJANS gösterir.

36. KAYNAKLAR • • OPTİK EUGENE HECHT ( 1999 Basımı) • FİZİK II FREDERICK J. KELLER – W. EDWARD GETTYS – MALCOLM J.SKOVE • FİZİK II RAYMOND A. SERWAY – ROBERT J. BEİCHNER ( 5. BASKI ) Palme Yayıncılık, Ankara 2002. s:1235-1236 • POLARMA maddesi, Gelişim Hachette, Cilt IX, 1993, s.3284 • POLARMA maddesi, Meydan Larousse, Cilt XVI, s.167. • POLARİMETRE maddesi, Meydan Larousse, Cilt XVI, s.166. • Optik GOCA, Niftali, (çev. C. Çakır), Kültür Eğitim Vakfı Yayınları, Erzurum 1997, s: 269 • TÜBİTAK BİLİM TEKNİK DERGİSİ • ONLİNEFİZİK.COM.TR • Fotech firmasının ürün müdürü ORKUN SARLAK • Doc. Dr. İLKİN ÇAVUŞOĞLU • FİBER OPTİK(GÖZDEN GEÇİRİLMİŞ İKİNCİ BASKI) • PROF.DR.SEDAT ÖZSOY