1)Falowa i kwantowa natura światła- energia fotonu, koherencje, czas i długość drogi 
koherencji.

Dualizm korpuskularno-falowy – cecha obiektów kwantowych (np. fotonów, czy elektronów) 
polegająca na przejawianiu, w zależności od sytuacji, właściwości falowych (dyfrakcja, 
interferencja) lub korpuskularnych (dobrze określona lokalizacja, pęd).

Dualizm korpuskularno-falowy jest ściśle związany z 

falami de Broglie'a

:

gdzie h jest stałą Plancka, łączy wielkości falowe (

długość fali

 λ) z korpuskularnymi (pęd p).

Najbardziej znanym dowodem na dualną naturę światła jest EFEKT COMPTONA, czyli

zjawisko rozpraszania  promieniowania elektromagnetycznego o dużej częstotliwości, na 
swobodnych lub słabo związanych elektronach (którego energia wiązania w atomie, cząsteczce lub 
sieci krystaliczne jest znacznie niższa, niż energia padającego fotonu), w wyniku którego następuje 
zwiększenie długości fali promieniowania. 

Energia E fotonu fali monochromatycznej jest 
proporcjonalna do jej częstotliwości v, przy czym 
współczynnik proporcjonalności nazywa się stałą Plancka h:

λ

c

h

hv

E

=

=

 , gdzie  h = 6,625 

.

 10

-34 

 J

. 

S, c-prędkość światła, λ- długość fali.

Zależność energii fotonu od pędu E=pc.

KOHERENCJA ŚWIATŁA- jest definiowana jako opóźnienie, przy którym widzialność prążka 
interferencyjnego spada o 

.

Długość 

koherencji:

materiał

C

C

FWHM

MAX

FWHM

MAX

C

c

l

l

=

∆

=

∆

=

τ

λ

λ

λ

λ

π

2

2

624

,

0

2

ln

2

2

Czas koherencji:

gdzie λ jest centralną długość fali źródła i Δλ jest szerokość spektralną źródła.

2. Problemy naukowe i techniczne fotoniki i nanofotoniki, nanoskopowe materiały optyczne, 
zastosowania – przykłady

Problemy naukowe fotoniki:

•

Wiązka gaussowska-wiązka laserowa, której rozkład intensywności zachowuje się jak 

rozkład Gaussa

•

Nieliniowa spektroskopia – widmo intensywności zależy od natężenia światła np. 

SERS(Powierzchniowo wzmocniona spektroskopia ramanowska)

•

Nieliniowa optyka-opisuje procesy zależące od intensywności światła, dł. impulsu, 

polaryzacji

•

Splątanie fotonów

Problemy techniczne fotoniki

Lasery:

•

Materiały laserowe

•

Lasery półprzewodnikowe

•

Kropki kwantowe

Konwencjonalne urządzenia optyczne:

•

Źródła światła

•

Soczewki, filtry, lustra, światłowody

•

Optyka zintegrowana

Urządzenia pomiarowe(detektory):

•

Kamera CCD(Charge Coupled Device)

•

Boxcary

•

Korelatory

Urządzenia optyki nieliniowej:

•

SHG(Second Harmonic Generation), THG(Third Harmonic Generation)

•

OPO,OPA(optyczny generator parametryczny ze wzmacniaczem światła)

•

Q-switch- przełączniki dobroci

•

Modulatory

•

Nieliniowe lustra

Zastosowania materiałów fotonicznych

Nowe nieliniowe urządzenia:

•

Lustra z koniugacją fazową

•

Filtry przestrzenne

•

Mikrostrukturowane światłowody

Laserowa spektroskopia:

•

Analityka

•

Zdalna sensoryka

•

Spektroskopia spalania

Źródła promieni X:

•

Litografia

•

Mikroskopia X

Modyfikacja materiałów:

•

Wiercenie, cięcie, spajanie, znacznikowanie

•

Litografia

Medycyna laserowa:

•

Oczy, Prace dentystyczne, Skóra, organy kamienie, rak

Biotechnologia:

•

Bio-chips

•

Wysoko rozdzielona mikroskopia

•

Biosensory

Chemia laserowa:

•

Fotofizyka

•

Fotochemia

•

Femtochemia

•

Biotechniki

Komunikacja:

•

Pamięć optyczna

•

Przełączniki optyczne

•

Nowe transmisje, nowe displeje 

Nanoskopowe materiały optyczne:

•

Struktury kwantowe

•

Nanocząstki

•

Nanokompozyty

•

Kryształy fotoniczne

3. Materiały wytwarzane z pomocą światła- przykłady:

•

Fulereny, nanorurki

•

Kryształy fotoniczne

•

Urządzenia elektroniki i mechaniki molekularnej

•

Światłowody polimerowe

•

Wyświetlacze ciekłokrystaliczne

•

Polimerowe diody elektro-luminescencyjne OLED (PPV)

•

Układy hybrydowe

•

Komputery optyczne

•

3D pamięci optyczne

•

Holografia w czasie rzeczywistym

5. Cząsteczki i atomy - tensor polaryzowalności, rodzaje polaryzacji materii, wzór Debye'a - 
omówienie

•

•

Oddziaływanie światła z materią traktujemy, jako indukowanie momentu dipolowego polem 

elektrycznym. Moment dipolowy jest dobrze określony, kiedy układ ładunków jest 
elektrycznie obojętny. Rzeczywistości ładunek elektronów jest rozmyty i określony może 
być za pomocą gęstości elektronowej.

•

Oddziaływanie pola na dipole elektryczne i magnetyczne

•

H

E

M

M

×

=

×

=

µ

τ

µ

τ

•

Polaryzowalność

 

  – podatność chmury elektronowej na odkształcenia, spowodowane 

zmiennym polem elektrycznym

•

Pojęcie dipola indukowanego i zapis tensorowy

 

 

•

•

E

ind

⋅

=

α

µ

     

∑

=

j

j

ij

ind

i

E

α

µ

,

•









































=





















z

y

x

zz

zy

zx

yz

yy

yx

xz

xy

xx

ind

z

ind

y

ind

x

E

E

E

α

α

α

α

α

α

α

α

α

µ

µ

µ

,

,

,

•

Polaryzacja elektronowa

 

  – pod wpływem pola elektrycznego, elektrony przesuwają się 

względem jądra.

•

Polaryzacja jonowa

 

  – jony mają różną masę a ten sam ładunek, dlatego różnie się 

przesuwają

•

Polaryzacja orientacyjna

 

  – mechaniczny obrót molekuły na kierunek pola. <czynnik 

temperaturowy sprzeciwia się temu>

•

Polaryzacja molowa i wzór Debye’a 

 

 

•

Wyrażenie na polaryzowalność  molową jest sumą polaryzacji molowej indukowanej i 

orientacyjnej.

•

•









+

+

=

⋅

+

−

=

∏

+

∏

=

∏

kT

N

M

a

e

or

ind

3

3

2

1

2

0

0

µ

α

α

ε

ρ

ε

ε

 [m

3

/mol]

•

•

Π

ind

 – molowa polaryzowalność indukowana

•

Π

or

 – molowa polaryzowalność orientacyjna

•

ε

0 

– przenikalność magnetyczna(elektryczna) próżni

•

ε – przenikalność magnetyczna(elektryczna)

•

ρ - gęstość

•

μ – moment dipolowy

•

α

e

 – polaryzowalność elektronowa

•

α

a

 – polaryzowalność atomowa

6.Dyspersja polaryzowalności materiałów i dyspersja przenikalności elektrycznej.

Ponieważ mechanizmy polaryzacji zależą od czasu i występują w nich opóźnienia ("nie 

nadążają" za polem) przenikalność elektryczna w funkcji częstotliwości przyłożonego pola staje się 
skomplikowaną funkcją zespoloną. Zależność przenikalności od częstotliwości pola nazywa się 
dyspersją dielektryczną. 

Zespolony charakter przenikalności elektrycznej:

'

"

r

r

r

j

ε

ε

ε

=

−

                             2)      

"

'

tan

r

r

ε

δ

ε

=

Tangens strat opisuje – opisuje tłumienie fali

Er prim  – kojarzony współczynnik załamania światła

Er bis – wartość urojona kojarzona z absorpcją

Równanie Maxwella:   

2

n

ε

=

Schemat dyspersji polaryzowalności:  

'

"

( )

( )

( )

i

α ν

α

ν

α

ν

=

+

'

"

( )

( )

( )

i

α ν

α

ν

α

ν

=

+

Siły występujące w polaryzacji elektronowej, atomowej i jonowej mają charakter sprężysty, 

zależność przenikalności dielektrycznej od częstotliwości będzie więc w nich miała 
charakter rezonansowy. Zmiany uporządkowania dipoli w czasie mają charakter 
relaksacyjny.

Wszystkie mechanizmy polaryzacji wymagają przyspieszania mas, konieczne jest zatem wykonanie 

pracy, czyli dostarczenie energii, która rozpraszana jest w dielektryku w postaci ciepła. 
Straty energii zmiennego pola elektrycznego w dielektryku noszą nazwę strat 
dielektrycznych. Wystąpią one nawet w idealnym (to znaczy zupełnie nie przewodzącym 
prądu elektrycznego) dielektryku.

Pytanie 7 : właściwości optyczne materiałów – anizotropia współczynników załamania 

światła , dwójłomność liniowa, dwójłómność kołowa, absorpcja.

Właściwości optyczne opisuje się za pomocą : 

-współczynnika załamania, absorpcji  i odbicia ( wielkości te są od siebie wzajemnie zależene i 
as również zwiazne z wlasnosciami elektrycznymi i dielektrycznymi)

Wspólczynnik załamania 

n=c/v współczynnik załamania światła wynika z własności dielektrycznych materiału

n = √(μrεr) (≈ √εr w większości materiałów)

n= 





 Wspólczynnik adsorpcji

Natężenie przechodzącego światła maleje esponencjalnie z odległością. I= Ioexp(-αz)

gdzie α jest wspólczynniekiem adsorpcji

α= 

2 n

, ,

w

c

współczynnik odbicia 

R=



n−1
n2



2

 

Światło rozchodząc się w materiale oddziałuje z elektronami w atomach. Każdy promień o 
takim samym kierunku drgań pola elektrycznego będzie z danym materiałem oddziaływać 
identycznie. To oznacza, że ważny jest kierunek drgań pola elektrycznego, a nie kierunek 
rozchodzenia się światła. Więcej: światło rozchodzące się w tym samym kierunku, ale inaczej

spolaryzowane będzie inaczej oddziaływać z materiałem.

Właściwości optyczne i dielektryczne nie muszą być

Właściwości optyczne i dielektryczne właściwościami liniowymi;

– Ściśle mówiąc, w większości materiałów, przy oświetleniu

średnio intensywnym światłem zjawiska nieliniowe można

zaniedbać. Są to, jednak, zjawiska bardzo ważne.

– Gdy oświetlamy kryształ o podatności χ światłem, któremu

odpowiada pole elektryczne o natężeniu E, materiał

polaryzuje się (P = moment dipolowy na jednostkę objętości):

P =Σε χ i Ei =ε χ E + χ E + χ E +

                        zjawiska

                         liniowe      zjawiska nieliniowe

Przenikalność elektryczna, oraz wszystkie pozostałe stałe dielektryczne i optyczne kryształów są 
tensorami:

Wyrazy niediagonalne odpowiadają za skręcenie płaszczyzny polaryzacji

Liniowe właściwości optyczne

• Główne zagadnienia:

– Anizotropia współczynnika załamania →

dwójłomność;

Gdy światło pada na niektóre substancje, rozdziela się na dwie wiązki o prostopadłych 
polaryzacjach liniowych. Zjawisko to, zwane podwójnym załamaniem lub 

dwójłomnością .

Światło padając prostopadle na substancje dwójłomne, w których 

 

 oś optyczna

 

  jest równoległa do

 

  

powierzchni na którą pada światło, nie rozdziela się, ale jego składowe poruszają się z różnymi 
prędkościami. Zjawisko to wykorzystywane jest do zmiany polaryzacji światła w 

 

 płytkach

 

  

ćwierćfalowych

 

  i 

   płytkach półfalowych

 

 .   

W kryształach 

prędkość światła może zależeć od kierunku rozchodzenia się. 

 W ogólności, 

kryształ może mieć trzy różne współczynniki załamania n1, n2 i n3.Kryształy dwuosiowe, 
jednoosiowe i izotropowe Tylko kryształy należące do układu regularnego są optycznie

izotropowe, co oznacza, że prędkość światła jest we wszystkich kierunkach jednakowa, a n1= n2 = 
n3=n. Jeśli kryształ ma dwa współczynniki załamania n1= n2 = no,

n3=ne taki kryształ jest 

jednoosiowy

;

Jeśli trzy, to jest 

dwuosiowy

.

Dwójłomność kryształów

Anizotropowe kryształy i jednoosiowe, i dwuosiowe są dwójłomne.

Kryształ dwójłomny jednoosiowy

• Jeżeli światło rozchodzi się równolegle do osi optycznej,

to ma ono jedną prędkość ;

• W każdym innym kierunku wiązka światła rozdziela się

na dwie o różnych prędkościach i różnie spolaryzowane:

– Zwyczajną;

– Nadzwyczajną;

Kryształ dwójłomny dwuosiowy

W kryształach dwuosiowych również światło rozdziela się na dwie wiązki, ale zazwyczaj obydwa 
promienie są nadzwyczajne. Powstający obraz jest też podwójny.

Wzór sellusa 

Indykatrysa wspólczynnika załamania światła

Kryształy jedno- i dwuosiowe

• W materiałach izotropowych wszystkie promienie sązwyczajne.

• W kryształach jednoosiowych - jeden promień jest zawsze zwyczajny.

• W kryształach dwuosiowych zazwyczaj obydwa promienie są nadzwyczajne (nie spełniają prawa

Snella). Promień może być zwyczajny tylko, gdy drgania jego pola elektrycznego przebiegają w

płaszczyźnie jednego z przekrojów kołowych

  

Absorpcja – w optyce proces pochłaniania energi fali elektromagnetycznej przez substancje. 
Natężenie światła wiązki przechodzącej przez substancję ulega zmniejszeniu nie tylko w wyniku 
absorpcji, lecz również na skutek rozprawszanie światła. O ile jednak promieniowanie rozproszone 
opuszcza ciało, to część zaabsorbowana zanika powodując wzrost energii wewnętrznej tego ciała. 
Wielkość absorpcji światła można obliczyć na podstawie 

prawa Bouguera

. Zgodnie z tym prawem 

natężenie światła zmienia się wykładniczo wraz z grubością substancji. Aby ułatwić obliczanie 
wielkości absorpcji, wprowadzono w miejsce natężenia wielkość addytywną – absorbancję zwaną 
również gęstością optyczną. Oznacza się ją symbolem ABS lub A.

Absorbancja jest miarą absorpcji promieniowania i wyraża się wzorem

  

gdzie

Io – natężenie światła padającego, 
I – natężenie światła po przejściu przez absorbujący ośrodek. 

  

Absorbancję naturalną wyrażoną wzorem

  

nazywa się również ekstynkcją promieniowania elektromagnetycznego.

8. Nieliniowe właściwości optyczne materiałów dielektrycznych, zjawisko Kerra, efekty 
magnetooptyczne

Zjawisko Kerra –należy do zjawisk z zakresu nieliniowych zjawisk optycznych. Polega na tym, że 
ośrodek optycznie izotropowy (ciecz, gaz) o współczynniku załamania światła n staje się w silnym 
stałym polu elektrycznym, E, optycznie dwójłomny; światło o kierunku drgań wektora E fali 
świetlnej równoległym do kierunku przyłożonego pola rozchodzi się w nim z inną prędkością, niż 
światło o drganiach prostopadłych do kierunku pola. Współczynniki załamania światła liniowo 
spolaryzowanego są więc różne w zależności od płaszczyzny polaryzacji, oznaczamy je symbolami 
n  i  n . Różnica ich wartości (dwójłomność) jest proporcjonalna do kwadratu wartości natężenia 
pola:

(n - n )/n = KE

2

          gdzie;  K – stała Kerra – charakteryzuje daną substancję i zależy od długości 

fali świetlnej oraz od temperatury i gęstości ośrodka, n jest izotropowym współczynnikiem 
załamania.

Zjawisko Kerra występuje zarówno w ośrodkach polarnych, jak i takich, których cząsteczki są 
niepolarne, ale wykazują anizotropową polaryzowalność, dzieki czemu orientują się w polu 
elektrycznym tak, aby oś odpowiadająca największej polaryzowalności była ustawiona równolegle 
do linii sił pola 

Efekty magnetooptyczne -  Aby w pełni opisać oddziaływanie światła z ośrodkami, należy 
przeanalizować zmiany polaryzacji elektrycznej ośrodka wywołane polem zarówno elektrycznym 
(efekty elektrooptyczne) jak i magnetycznym (efekty magnetooptyczne). Indukcję elektryczną 
D(r,t), ośrodka poddanego działaniu fali świetlnej o natężeniu pola elektrycznego E(r, t) i natężeniu 
pola magnetycznego H(r,t) opisuje równanie:

D(r, t) = ε

0

E(r,t) + P(r,t) 

natomiast indukcję magnetyczną, B(r,t), równanie:

B(r,t)= μ

0

H(r,t)+M(r,t)           przy czym P(r,t) oznacza wektor polaryzacji elektrycznej, a M(r,t) 

wektor polaryzacji magnetycznej ośrodka, a  μ

0   

jest przenikalnością magnetyczną próżni. Jeżeli 

natężenie fali elektromagnetycznej o częstości kołowej ω=2πv jest niewielkie, to wektory 
indukowanej polaryzacji elektrycznej P(ω) i indukowanej polaryzacji magnetycznej M(ω) są 
liniowymi funkcjami wywołujących je pól elektrycznego E i magnetycznego H

    P(ω) = ε

0 

χ

e

(ω)E(ω)

   M(ω)=  μ

0

χ

m

(ω)H(ω)

Przy czym zależne od częstości kołowej liniowe podatności elektryczna χ

e

(ω) i magnetyczna χ

m

(ω) 

ośrodka dane są wzorami:

χ

e

= ε-1

χ

m

= μ-1

Wielkości występujące w tych równaniach są w ogolności tensorami drugiego rzędu.

Zjawisko Faradaya – tzn. zjawisko magnetooptycznej dwójłomności kołowej. W tym zjawisku 
liniowo spolaryzowane światło rozchodzi się wzdłuż kierunku przyłożonego pola magnetycznego, 
w wyniku czego następuje skręcenie płaszczyzny polaryzacji światła proporcjonalnie do natężenia 
pola magnetycznego H.

Częstości kołowe (ω) fal wychodzących z ośrodka (cząsteczki) oznacza się znakiem minus, a 
częstości kołowe fal wchodzących przyjmuje się jako dodatnie. Hiperpolaryzowalność molekularna 
β

ijk

, będąca tensorem trzeciego rzędu jest odpowiedzialna za drugorzędowe nieliniowe efekty 

optyczne. Hiperpolaryzowalność γ

ijkl

 jest tensorem czwartego rzędu opisującym efekty 

trzeciorzędowe. Efekty trzeciorzędowe ujawniają się w cząsteczkach trzeciorzędowych. Składowe 
tensorów β

ijk

 i γ

ijkl

 w ośrodkach bezdyspersyjnych i bezstratnych spełniają zasadę symetrii 

Kleinmana 

Β

iij

=β

iji

=β

ijj      

        i różne od j

γ

iijj

=γ

jjii

= γ

ijji

= γ

jiij

     i różne od j

9. Detektory termiczne :

•

padajace fotony powodują wzrost temperatury detektora, spowodowany pochłonieciem ich 
energii. 

•

ich zaletą jest możliwość detekcji promieniowania ze znacznie szerszego zakresu długości 
fali (zarówno promieniowanie gamma, jak i mikrofale mogą doprowadzić do wzrostu 
temperatury powierzchni, na którą padają) 

•

Detektory termiczne pracują w temperaturze pokojowej. 

•

są one dużo mniej czułe i wolniejsze w reakcji na bodziec niż detektory kwantowe

Wśród detektorów termicznych można wyróżnić: 

Detektory bolometryczne – są to rezystory o bardzo malej pojemności cieplnej i dużym ujemnym 
współczynniku temperaturowym zmian rezystancji. Pod wpływem mierzonego promieniowania 
zmieniają, swoje rezystancje. Bolometry metaliczne, wykonywane z cienkich folii lub z 

naparowanych warstw niklu, bizmutu lub antymonu, są stosowane do chwili obecnej. Ich cecha 
charakterystyczną jest to, że mogą pracować w temperaturze pokojowej. Budowane są, też 
detektory bolometryczne półprzewodnikowe, nadprzewodzące oraz ferroelektryczne. 
Detektory termoelektryczne – są zbudowane na bazie termostosu (układ szeregowo połączonych 
termoelementów). Złącze pomiarowe jest połączone z elementem fotoczułym, na który pada 
promieniowanie podczerwone. Pod wpływem zaabsorbowanego promieniowania wzrasta 
temperatura powierzchni aktywnej od T do T+ ΔT, powodując nagrzanie złącza. Różnica 
temperatur złączy powoduje powstanie siły termoelektrycznej.
Detektory piroelektryczne – są zbudowane z półprzewodników, w których może wystąpić tzw. 
,,zjawisko piroelektryczne”. Cechą odróżniającą je od innych typów detektorów termicznych jest to, 
że są czułe na szybkości zmian temperatury, a nie na jej wzrost. Dlatego w kamerach 
termowizyjnych na1eży zastosować specjalne przesłony wibrujące z częstotliwością 25(30) lub 
50(60) Hz. Powodują one, ze porównywany jest poziom promieniowania padającego na dwa 
sąsiednie detektory (piksele). Jeżeli występuje różnica natężenia promieniowania, wówczas 
generowany jest sygnał pozwalający na zobrazowanie występujących różnic. Jeżeli różnica nie 
występuje, wówczas brak jest także reakcji detektora. Ta cecha powoduje, że niekiedy 
wykorzystywane są one również jako czujniki (detektory) ruchu. Detektory te występują jako 
niechłodzone w kamerach obserwacyjnych.

10. Materiały do budowy detektorów fotonowych - fotorezystory, materiały do budowy 

detektorów lampowych.

Od bardzo wielu lat najważniejszymi materiałami do konstrukcji fotonowych detektorów 

podczerwieni były i dalej są: antymonek indu - InSb, o charakterystyce widmowej w przedziale od 
około 2 do 5,6 mm i tellurek kadmowo rtęciowy - HgCdTe, którego charakterystyka przetwarzania 
zależy od stosunku procentowego tellurku rtęci do tellurku kadmu i może sięgać nawet 20 mm. 
Detektory te są najczęściej chłodzone, wykorzystując konstrukcję naczynia Dewara i ciekły azot 
jako medium chłodzące, chłodziarki z silnikiem Stirlinga, czy termoelektryczne chłodziarki 
Peltiera. Oczywiście znane są i niechłodzone detektory, np. bolometry InSb pracujące w 
temperaturze pokojowej, o poszerzonej charakterystyce widmowej do ponad 7 mm (szerokość 
przerwy energetycznej maleje ze wzrostem temperatury), ale o słabych właściwościach 
metrologicznych, nie nadające się do aplikacji termograficznych; jak i inne materiały z 
powodzeniem zastosowane do budowy dobrych detektorów podczerwieni.

Fotorezystory wykonuje się z materiałów półprzewodnikowych takich jak: CdS, CdSe, 

CdTe, PbS, PbSe, jak również z półprzewodników trójskładnikowych np. tellurku kadmowo 
rtęciowego CdHgTe. Od materiału półprzewodnikowego zależy zakres widmowy lS1, lS2 
wykrywanego promieniowania, czyli zakres długości fal, dla którego czułość fotorezystora wynosi 
nie mniej niż 10% czułości maksymalnej. Dla światła widzialnego fotorezystory wykonuje się z: Si, 
PbS, PbTe. Dla podczerwieni: InSb, PbSnTe, HgCdTe.

11. FOTODETEKTORY PÓŁPRZEWODNIKOWE – RODZAJE, SCHEMAT BUDOWY, 

FOTODIODY, FOTODIODA SCHOTKY’EGO, FOTODIODA LAWINOWA

Detektory fotoprzewodzące – (zwane fotorezystorami) są to detektory z tzw. wewnętrzną emisją 
fotoelektryczną. Padające promieniowanie podczerwone powoduje zmianę rezystancji 
fotorezystora. Zmiany przewodnictwa są mierzone na kontaktach elektrycznych dołączonych do 
płytki detektora. Zwykle jest stosowana poprzeczna geometria fotorezystorów, gdy padające 

promieniowanie jest prostopadłe do kierunku prądu polaryzującego. Mierzony sygnał stanowi 
zmianę napięcia na rezystorze obciążenia włączonego w szereg z detektorem. W przypadku 
detektorów o dużej rezystancji preferowany jest obwód stałonapięciowy, a sygnał pomiarowy 
stanowi prąd w obwodzie detektora.

- duże wzmocnienie fotoelektryczne

- wymagają przyłożenia napięcia więc wydziela się w nich ciepło co utrudnia budowanie matryc

- detekcja podczerwieni i promieniowania X

Fotorezystorem nazywa się element półprzewodnikowy bezzłączowy, który pod wpływem 
promieniowania świetlnego silnie zmienia swoją rezystancję. Część roboczą (światłoczułą) 
fotorezystora stanowi cienka warstwa półprzewodnika osadzona na podłożu dielektrycznym wraz z 
elektrodami metalowymi doprowadzającymi prąd ze źródła zewnętrznego. Całość umieszcza się w 
obudowie z okienkiem, służącym do przepuszczania promieniowania świetlnego. 

 Detektory fotowoltaiczne 

Fotodioda - Przyrządy fotoelektryczne z warstwą zaporową tzw. fotodiody półprzewodnikowe, są 
to najogólniej biorąc, złącza pn, w których zakłócenia koncentracji nośników mniejszościowych 
dokonuje się za pomocą energii fotonów docierających do złącza przez odpowiednie okienko 
wykonane w obudowie fotodiody. 

Fotodiody są przyrządami półprzewodnikowymi, które pracują przy polaryzacji zaporowej
złącza p-n. Przy takiej polaryzacji bez oświetlenia w strukturze płynie mały prąd (tzw. prąd
ciemny). Jeżeli tak spolaryzowaną strukturę półprzewodnikową oświetlimy promieniowaniem o 
odpowiedniej energii, to generowane nośniki będą „wymiatane” w polu elektrycznym złącza p-n i 
prąd diody wzrośnie. Za wzrost tego prądu odpowiada przede wszystkim generacja nośników w 
obszarze warstwy zaporowej złącza p-n. Dla typowej polaryzacji diody grubość warstwy zaporowej 
jest znacznie mniejsza od głębokości wnikania (absorpcji) fotonów w półprzewodnik. Sprawność 
zbierania generowanych nośników, czyli fotoprąd można zwiększyć, jeżeli zwiększymy grubość 
obszaru, w którym istnieje pole elektryczne. Jednym ze sposobów jest wbudowanie pomiędzy 
warstwę typu –p a warstwę typu -n warstwy słabo domieszkowanej (tzw. półizolacyjnej, typu -i). W 
takiej strukturze (fotodioda PIN) pole
elektryczne, które separuje wygenerowane nośniki istnieje w znacznie grubszej warstwie niż w 
przypadku, gdy mamy tylko typowe złącze p-n. Dodatkową zaletą jest to, że zwiększenie
szerokości warstwy złącza zmniejsza pojemność złączową struktury, a co za tym idzie wzrasta 
maksymalna częstotliwość pracy fotodetektora.

Fotodioda PIN - pracuje przy polaryzacji złącza w kierunku zaporowym. W stanie ciemnym (przy 
braku oświetlenia) przez fotodiodę płynie tylko prąd ciemny, będący prądem wstecznym złącza 
określonym przez termiczną generację nośników. Oświetlenie złącza powoduje generację 
dodatkowych nośników i wzrost prądu wstecznego złącza, proporcjonalny do natężenia padającego 
promieniowania. W fotodiodzie PIN między domieszkowanymi obszarami p-nznajduje się warstwa 
półprzewodnika samoistnego i. W takiej strukturze warstwa zaporowa ma dużą grubość, równą w 
przybliżeniu grubości warstwy samoistnej, co powoduje że pojemność takiego złącza jest bardzo 
mała, z czym wiąże się mała bezwładność działania fotodiody. 

Struktury fotodiod p-i-n: a) symbol graficzny fotodiody; b) struktura z wyprowadzeniami anody A i 

katody K; c) struktura p

+

-i-n

+

 (o obszarach p

+

 oraz n

+

 silnie domieszkowanych); d) krzemowa 

struktura p-i-n spolary-zowana w kierunku wstecznym.

Fotodiody lawinowe pracują przy polaryzacji zaporowej w warunkach bliskich przebicia
złącza. Wykorzystywane jest zjawisko powielania lawinowego. Pojawia się ono wskutek
zwiększania koncentracji nośników wytworzonych w wyniku generacji. Przyrost prądu
spowodowany powielaniem lawinowym jest tym większy im większe będzie napięcie wstecznej 
polaryzacji. Diody lawinowe zapewniają wewnętrzne wzmocnienie fotoprądu, ale równocześnie 
mają większy współczynnik szumów.

Fotodioda lawinowa jest elementem pracującym w zakresie przebicia lawinowego złącza pn. 

Fotodioda lawinowa jest najbardziej czułym, półprzewodnikowym detektorem światła. Fotoprądjest 
tak duży, jak w zwykłej fotodiodzie, ale jest wzmacniany w warstwie, gdzie fotoelektrony są 
przyspieszane przez silne pole elektryczne. Pociąga to za sobą dalsze elektrony, które z kolei 
pociągają następne. Jest to tak zwany efekt lawinowy. Sygnał jest wzmacniany wewnętrznie ok. 
100 razy. Diody lawinowe są czułe na różnice napięcia i temperatury i dlatego muszą być bardzo 
dokładnie kompensowane. 

Krzemowe struktury foto-diod lawinowych:

a) symbol graficzny fotodiody; b) struk-tura z wyprowadzeniami anody A i katody K; c) struktura 

p

+

-i-n

+

 (o obsza-rach p

+

 oraz n

+

 silnie domieszkowanych).

…………………………………………………………………………………………………...

Fototranzystory, są to tranzystory bipolarne (najczęściej typu npn) w których obudowie wykonano 
okno umożliwiające oświetlenie obszaru bazy tranzystora. Fototranzystor polaryzujemy tak jak 
zwykły tranzystor tj. złącze baza emiter jest spolaryzowane w kierunku przewodzenia, a złącze baza 
kolektor w kierunku zaporowym. Powszechnie fototranzystory wykonywane są jako elementy 
dwukońcówkowetj. wyprowadzone są kontakty emitera i kolektora, baza zazwyczaj pozostaje nie 
wyprowadzona na zewnątrz. Przy braku oświetlenia przez fototranzystor płynie prąd zerowy, 
związany z termiczną generacją nośników, jest to prąd zaporowo spolaryzowanego złącza p-nna 
granicy obszarów bazy i kolektora. 

 Detektory fotoemisyjne – są to detektory z tzw. zewnętrzną emisją fotowoltaiczną. Zjawisko 
fotoemisji polega na emisji elektronów z materiału na zewnątrz (z fotokatody do wolnej 
przestrzeni) w wyniku wybicia go przez padający foton. Foton jest absorbowany w materiale 
fotokatody osadzonym na podłożu. Często materiał podłoża jest przezroczysty dla padającego 
promieniowania.

- fotokatody (podstawowy materiał – półprzewodnik)
- fotopowielacze (konwencjonalne i mikrokanalikowe)
- wzmacniacze obrazu

Fotokatoda, katoda próżniowej lampy elektronowej, z której na skutek fotoelektrycznego zjawiska 
zewnętrznego emitowane są elektrony. W zależności od długości fali padającego promieniowania 
elektromagnetycznego stosuje się fotokatody zbudowane z różnych materiałów: czysto metaliczne 
(dla ultrafioletu) lub ze stopów lub związków międzymetalicznych (Ag-O-Cs, Sb-Cs, Sb-Cs-O, Bi-
Cs-O, Bi-Ag-O-Cs, Sb-Li, Sb-Na, K-Cs) dla światła widzialnego a nawet podczerwieni.

Fotokatoda to katoda wysyłająca elektrony pod wpływem światła. Fotokatoda jest podłączana do 
ujemnego bieguna napięcia zasilającego i stanowi ważny element wielu detektorów 
promieniowania zawierających lampy próżniowe.

Konstrukcja fotokatody opiera się na cienkiej warstwie materiału naniesionej na powierzchnię 
nośną. Warstwa ta może być nieprzeźroczysta, a wtedy emisja elektronów następuje z tej samej 
strony, z której pada światło. Fotokatody nieprzeźroczyste stosuje się w fotodiodach próżniowych, 
gdzie elektrody te mają kształt walca lub kuli otaczającej anodę. Fotokatody umieszczone są 
wewnątrz lampy.

Niektóre fotokatody wykonuje się w postaci półprzezroczystej powierzchni. Dzięki temu emisja 
elektronów następuje po przeciwnej stronie niż oświetlana powierzchnia. Fotokatody 
półprzezroczyste są stosowane głównie w fotopowielaczach. Zwykle napyla się je na wewnętrzną 
stronę bańki.

Ze względu na niską pracę wyjścia fotokatody wykonane są głównie z metali 
alkalicznych(najczęściej cez) i ich związków, między innymi ze srebrem, tlenem i antymonem. W 
zależności od rodzaju fotokatody jest ona czuła w różnych zakresach widma, generalnie są to 
wartości z zakresu od bliskiej podczerwieni do ultrafioletu, czułość jest niewielka - kilkadziesiąt 
μA/lm.

Fotopowielacz - rodzaj lampy próżniowej, detektor światła, stanowi rozwinięcie fotodiody 
próżniowej o powielacz elektronowy. Podobnie jak fotodioda zawiera fotokatodę i anodę, jednak 
pomiędzy nimi znajduje się powielacz elektronów zawierający co najmniej jeden stopień 
wzmacniający w postaci katody wtórnej nazywaną w powielaczach dynodą. Elektron wyemitowany 

z fotokatody pada najpierw na dynodę, gdzie wybija elektrony wtórne które są następnie 
przyciągane przez anodę lub następną dynodę. W typowych lampach jedna dynoda daje trzy lub 
czterokrotne powielenie, a ilość stopni powielających wynosi od kilku do kilkunastu.

Dzięki takiej konstrukcji fotopowielacze osiągają bardzo duże czułości, rzędu 1000 A/

lm

 (amperów 

na lumen) przy znikomych szumach - powielanie elektronów na dynodach daje wzmocnienie 
praktycznie bezszumne. Uzyskuje się dzięki temu znacznie lepszy stosunek sygnału do szumu niż w 
fotodiodzie ze wzmacniaczem o takim samym wzmocnieniu. Ponieważ fotopowielacz jest 
elementem całkowicie elektronowym, jest bardzo szybki, jego czasy reakcji są rzędu 
kilkudziesięciu nanosekund. Czułość fotopowielacza jest limitowana głównie prądem ciemnym, 
dzięki 'bezszumnemu' wzmocnieniu szumy praktycznie nie przeszkadzają.

Do wad fotopowielacza należy przede wszystkim konieczność stosowania wysokich napięć 
zasilających - jedna dynoda potrzebuje około 150 V (woltów), co oznacza, że cały fotopowielacz 
potrzebuje do kilku tysięcy woltów. Wzmocnienie fotopowielacza dość silnie zależy od tego 
napięcia co pozwala na prostą i wygodną metodę jego regulacji poprzez zmianę napięcia 
zasilającego.

Dzięki swoim zaletom fotopowielacze często znajdują zastosowanie w aparaturze pomiarowej, 
telekinach, czy spektrometrach. Są też stosowane w skanerach bębnowych, dzięki czemu skanery te 
mają bardzo dobrą czułość i radzą sobie z ciemnymi częściami skanowanego materiału znacznie 
lepiej niż skanery z matrycami CCD.

12. Fotopowielacze - zasada działania i materiały katodowe wykorzystywane do ich budowy.

I.

From wikipedia:

Fotopowielacz - rodzaj lampy próżniowej, detektor światła, stanowi rozwinięcie fotodiody 
próżniowej o powielacz elektronowy. Podobnie jak fotodioda zawiera fotokatodę i anodę, jednak 
pomiędzy nimi znajduje się powielacz elektronów zawierający co najmniej jeden stopień 
wzmacniający w postaci katody wtórnej nazywaną w powielaczach dynodą. Elektron wyemitowany 
z fotokatody pada najpierw na dynodę, gdzie wybija elektrony wtórne które są następnie 
przyciągane przez anodę lub następną dynodę. W typowych lampach jedna dynoda daje trzy lub 
czterokrotne powielenie, a ilość stopni powielających wynosi od kilku do kilkunastu.

Dzięki takiej konstrukcji fotopowielacze osiągają bardzo duże czułości, rzędu 1000 A/lm (amperów 
na lumen) przy znikomych szumach - powielanie elektronów na dynodach daje wzmocnienie 
praktycznie bezszumne. Uzyskuje się dzięki temu znacznie lepszy stosunek sygnału do szumu niż w 
fotodiodzie ze wzmacniaczem o takim samym wzmocnieniu. Ponieważ fotopowielacz jest 
elementem całkowicie elektronowym, jest bardzo szybki, jego czasy reakcji są rzędu 
kilkudziesięciu nanosekund. Czułość fotopowielacza jest limitowana głównie prądem ciemnym, 
dzięki 'bezszumnemu' wzmocnieniu szumy praktycznie nie przeszkadzają.

Do wad fotopowielacza należy przede wszystkim konieczność stosowania wysokich napięć 
zasilających - jedna dynoda potrzebuje około 150 V (woltów), co oznacza, że cały fotopowielacz 

potrzebuje do kilku tysięcy woltów. Wzmocnienie fotopowielacza dość silnie zależy od tego 
napięcia co pozwala na prostą i wygodną metodę jego regulacji poprzez zmianę napięcia 
zasilającego.

Dzięki swoim zaletom fotopowielacze często znajdują zastosowanie w aparaturze pomiarowej, 
telekinach, czy spektrometrach. Są też stosowane w skanerach bębnowych, dzięki czemu skanery te 
mają bardzo dobrą czułość i radzą sobie z ciemnymi częściami skanowanego materiału znacznie 
lepiej niż skanery z matrycami CCD.

II.

Budowa i zasada działania fotopowielacza.

Fotopowielaczem nazywamy próżniową lampę elektronową, przeznaczoną do zamiany strumienia

światła na prąd elektryczny, zbudowaną w oparciu o wykorzystanie dwoch zjawisk fizycznych: 
zewnętrznego zjawiska fotoelektrycznego i zjawiska wtórnej emisji elektronów. Lampa ta składa się 
z dwu zasadniczych części: światłoczułego elementu zwanego 

fotokatodą

, przetwarzającego 

padające nań światło w prąd elektronowy i 

powielacza elektronowego

, wzmacniającego ten prąd 

dzięki zjawisku emisji wtórnej elektronów. Oba te elementy umieszczone są we wspólnej 
obudowie.

Fotokatodę najczęściej stanowi półprzezroczysta warstwa półprzewodnika, naniesiona na 
wewnętrzną stronę okienka fotopowielacza, za którą znajdują się elektrody tworzące elektronowy 
układ optyczny, ogniskujący wybite przez fotony elektrony na pierwszej elektrodzie powielacza. 
Powielacz składa się z szeregu elektrod, zwanych dynodami wykonanych z materiału 
charakteryzującego się wysokim współczynnikiem emisji wtórnej - elektron uderzający w elektrodę

wybija z niej kilka elektronów wtórnych, które kierowane są polem elektrostatycznym na następną 
dynodę, gdzie proces ten powtarza się. Wzmocniony w ten sposób strumień elektronów trafia w 
anodę, skąd odprowadzany jest do układu pomiarowego.

W tabeli 11.1 przedstawiono zakres widmowy najczęściej stosowanych fotokatod i rodzaj 

materiału, jakimi zostały pokryte.

Tabela 11.1

Materiały stosowane do pokrywania fotokatod i ich zakresy widmowe

Materiał fotokatody

Zakres 

widmowy [nm]

CsI

115-200

CsTe

160-320

GaAs

160-930

SbCs

VIS

SbRbCs

VIS

SbKCs

VIS

SbNaKCs

VIS

AgOCs, InGaAs

300-1200

Wartości podane w tabeli 11.1 mogą zmieniać się w dość szerokich granicach, zakres widmowy 
bowiem   zależy   od   rodzaju   materiału   okienka   oraz   od   konfiguracji   fotopowielacza   i   należy   je 
traktować   jako   dane   orientacyjne.   Typowe   okienka,   przez   które   fotony   padają   na   fotokatodę, 
wykonane   są   z   borokrzemianów   (ang.  borosilicate),   które   nie   przepuszczają   promieniowania 
krótszego   niż   300   nm.   Okienka   wykonane   z   MgF

2

,   szafiru   i   szkła   kwarcowego   przepuszczają 

odpowiednio w zakresie UV aż do 115, 150 i 160 nm. Szczegółowe zakresy różnego typu fotokatod 
znajdzie czytelnik w katalogach firm zajmujących się sprzedażą detektorów.

W rzeczywistości fotopowielacze mają bardziej skomplikowaną budowę niż przedstawiona na 

rys. 11.2. Fotopowielacz składa się z zatopionej próżniowo kolumny w szklanej, ceramicznej lub 
metalowej obudowie. Ciśnienie w kolumnie jest rzędu 10

-4

  Pa. Wewnątrz kolumny znajduje się 

fotokatoda i anoda oraz szereg dynod, z których elektrony pierwotne wybijają kolejne elektrony, 
wywołując emisję wtórną i lawinę elektronów na ostatniej dynodzie, powodując znaczący wzrost 
prądu anodowego. Typowe wartości napięcia V przyłożone między fotokatodą i anodą wynoszą 1-2 
kV, czyli dla fotopowielacza z 10 dynodami różnica potencjałów między kolejnymi dynodami jest 
rzędu 100-200 V.

13. Budowa detektorów matrycowych - CCD, zasada pracy, konstrukcja barwnych matryc 
CCD.

*Wersja  opracowana

Budowa elektronicznego CCD – pojedynczego elementu

Pojedynczy element CCD, zwany złączem MIS, ma budowę warstwowa. Warstwy
składowe to

M – Metal
I – Izolator
S – Semiconductor

Elektroda (M) stanowi górna warstwę złącza MIS . Wykonana jest z warstwy nieprzezroczystego 
metalu domieszkowanego krzemem (Me+Si).

Poniżej elektrody znajduje sie cieniutka warstewka półprzezroczystego izolatora (I)
wykonanego z czystej krzemionki (SiO2 – dwutlenku krzemu). Zadaniem izolatora jest
zapobieganie niekontrolowanemu odpływowi ładunków do elektrody.
Dolną warstwą (S) jest krzemowy półprzewodnik, który jest elementem światłoczułym.

Zasada działania CCD – w skrócie

Pod wpływem padającego światła w każdym fotoelemencie powstaje ładunek elektryczny 
proporcjonalny do jego ilości.
Powstały sygnał prądowy jest przesyłany, odczytywany i przetwarzany przez układy
elektroniczne aparatu cyfrowego z postaci ciągłej (sygnał analogowy) do postaci dyskretnej
(sygnał skwantowany - zdigitalizowany).
Pod działaniem światła w warstwie półprzewodnika pękają wiązania miedzy atomami krzemu
z uwolnieniem elektronu. Ilość uwolnionych nośników prądu jest wprost proporcjonalna
do ilości (natężenia i czasu działania) padającego światła.
Wzdłuż  każdej kolumny matrycy znajduje sie kanał CCD, którym ładunki wędrują do rejestrów 
odczytu. Elektrony z pierwszego wiersza sensorów przesyłane są do rejestrów odczytu stamtąd do 
wzmacniacza sygnału, a następnie do przetwornika analogowo-cyfrowego
gdzie sygnał prądowy zostaje zdygitalizowany i zapisany na nośniku pamięci.

Matryca CCD (Charge Coupled Device – urządzenie ze sprzężeniem ładunkowym)
CCD jest najlepszym detektorem stosowanym w procesie elektronicznej rejestracji
obrazu. Cechują ja małe zniekształcenia obrazu, szybkość działania oraz duża czułość układów.
Matryca CCD zbudowana jest z elementów światłoczułych umieszczonych na płaskiej
płytce w kolumnach i wierszach, pokrytych siatką filtrów barwnych RGB (RED GREEN BLUE).

Ilość elementów decyduje o rozdzielczości uzyskiwanych obrazów cyfrowych.
Podczas naświetlania w każdym elemencie zostaje zmierzona ilość światła, a następnie
zamieniona na odpowiadającą jej wartość natężenia prądu. W ten sposób otrzymujemy
informacje o luminancji szczegółów rejestrowanego obiektu.

Konstrukcja barwnych matryc

Informacje o barwie fotografowanego obiektu uzyskujemy dzięki siatce/mozaice filtrów
barwnych (zgodnej z wzorem Bayera) umieszczonych nad warstwa fotoelementów. Ponieważ 
każdy fotoelement pokryty jest innym filtrem niebieskim zielonym lub czerwonym – rejestruje 
informacje o jednej składowej barwnej (R, G lub B). W celu otrzymania pełnej informacji o barwie 
obrazu analizowane są sąsiednie elementy światłoczułe. Jest to tzw. Proces „demozaikowania” 
[17].. W tym algorytmie demozaikowania informacja z piksela pobierana jest kilka razy.

Pytanie 16 .Układy poziomów kwantowych dwu, trój i czteropoziomowe i ich rola w 
tworzeniu akcji laserowej

Emisja wymuszona stanowi podstawę działania laserów. Warunkiem rozpoczęcia akcji laserowej 
jest uzyskanie inwersji obsadzeń (więcej cząsteczek musi znaleźć się w stanie wzburzonym niż w 
stanie podstawowym). Konieczne jest przejście bezpromieniste, albo przeniesienie energii do stanu, 
którego nie osiąga się w bezpośrednim wzbudzeniu. 

Wynikiem tego jest trudność w uzyskaniu inwersji obsadzeń w układzie dwupoziomowym 
(spowodowane jest to szybkim przejściem adiabatycznym), przez co praktycznie nie jest on 
stosowany

Układ trójpoziomowy

laser rubinowy

Lasery tego typu są zwykle mało wydajne.

Dolny poziom przejścia laserowego jest poziomem najniższym, co powoduje, że w równowadze 
termicznej większość atomów jest na tym poziomie. W celu odwrócenia obsadzeń należy przez 
intensywne pompowanie zmniejszyć co najmniej do połowy liczbę atomów na najniższym 
poziomie.

Po przerwaniu pompowania wzbudzone atomy będą na ogół stopniowo powracać do stanu 
równowagi termicznej (relaksacja). Proces ten zachodzi równocześnie ze wzbudzaniem innych 
atomów. Oprócz procesów, w których zachodzi emisja fotonów przy przejściu, zachodzą również 
procesy nieradiacyjne, jak zderzenia z cząsteczkami w gazach lub oddziaływanie atomów z siecią 
krystaliczną (w ciałach stałych), gdzie wzbudzone atomy przechodzą do stanu niższego, 
wyzwalając swoją energię w postaci energii kinetycznej cząsteczki lub energii oscylacyjnej sieci 
krystalicznej

Układ czteropoziomowy

laser neodymowy

laser pracuje w sposób ciągły

Wymaganie, aby zmniejszyć liczbę atomów do co najmniej połowy jest znacznie złagodzone.

W układzie czteropoziomowym, liczba termicznie wzbudzonych atomów jest na tyle mała 
(zachodzi wewnętrzna konwersja do stanu podstawowego, depopulacja tego stanu) na dolnym 
poziomie E

3

, że łatwo można uzyskać inwersję obsadzeń przez przepompowanie stosunkowo małej 

liczby atomów na górny poziom E

2

.

Pytanie 17.

Lasery gazowe - zasada pracy, metody pompowania, konstrukcja, przykłady, materiały.

Aby laser mógł działać proces emisji wymuszonej musi przeważać nad procesem pochłaniania 
fotonów. Dzieje się tak tylko wtedy, gdy w ośrodku znajduje się więcej atomów w stanie 
wzbudzonym niż atomów w stanie podstawowym - tzw. INWERSJA OBSADZEŃ POZIOMÓW 
ENERGETYCZNYCH. Uzyskanie takiego stanu wiąże się jednak z pokonaniem pewnych 
przeszkód, z których najistotniejszą jest zjawisko emisji spontanicznej, polegające na tym, że atomy 
w stanie wzbudzonym znajdują się bardzo krótko, przechodząc szybko do stanu podstawowego. 
Niektóre atomy posiadają poziomy energetyczne metatrwałe, czyli takie, na których elektron 
pozostaje znacznie dłużej, ale w takiej sytuacji znacznie utrudnione jest przejście atomu ze stanu 
podstawowego do wzbudzonego. Stąd zastosowanie w laserach gazowych jako ośrodek czynny 
mieszaniny gazów (lub gazów z cząsteczek wieloatomowych).  W przypadku mieszaniny gazów 
najczęściej na jednych atomach zachodzi pompowanie, a na drugich - akcja laserowa, czyli emisja 
fotonu. Ponieważ w gazie cząsteczki są oddalone od siebie , więc oddziaływanie wzajemne 
mikroukładów jest małe i poziomy energetyczne są mało rozmyte. Istnieje jedna lub tylko kilka 
możliwych długości fal do otrzymania. Dobierając odpowiedni ośrodek i ciśnienie gazu można 
uzyskać długości fal od nadfioletu aż do 0,8 nm.

Uzyskiwanie inwersji obsadzeń odbywa się w przypadku laserów gazowych zazwyczaj poprzez 
wyładowania elektryczne. Można też wykorzystywać wzbudzanie termodynamiczne lub też 
wzbudzanie chemiczne. Ostatnim sposobem wzbudzania jest pompowanie optyczne, jest jednak 
nieefektywne dla laserów gazowych, wykorzystuje się tylko wąskie pasmo lampy wyładowczej - do 
tego celu używa się innych laserów. Pompowanie elektryczne odbywa się w układzie kapilary 
gazowej z katodami podłączonymi do generatora wysokiego napięcia.

Schemat:

Przyłożone napięcie rozpędza elektrony do zderzenia z atomami w celu przekazania energii. 
Elektrony osiągają różną prędkość a więc przekazują różną energię. W jednym gazie nie uzyskuje 
się inwersji obsadzeń, wyjątkiem są lasery jonowe na gazach szlachetnych.  W czasie trwania akcji 
laserowej wyładowanie stale podtrzymuje  różnicę obsadzeń, dzięki czemu uzyskuje się akcję 
laserową o ciągłym działaniu. W przypadku mieszaniny gazów, np. laser He-Ne, pompowanie 
następuje na atomach helu, których jest znacznie więcej niż atomów neonu. Hel przekazuje energię 
do neonu podczas zderzenia tych atomów. Przejście laserowe następuje na neonie.

Obrazowo przedstawione na poniższym schemacie:

1. Zderzenia elektronów z atomami He.

2. Przejście z wypromieniowaniem energii.

3. Zderzenia ze ściankami kapilary.

I,II,III,IV - poziomy - układ czteropoziomowy

Podział laserów gazowych:

1. Lasery atomowe - przedstawicielem ich jest laser He-Ne. Promieniowanie laserowe uzyskuje się 
poprzez przejścia kwantowe na atomach neonu, natomiast hel służy do wzbudzania Ne. 
Najpopularniejszymi długościami z tego lasera jest: 3,39µm i 0,633µm.

2. Lasery jonowe - najczęściej ośrodkiem czynnym w tych laserach jest zjonizowany gaz szlachetny 
na przykład argon lub krypton. Wzbudzenia dokonuje się w nich za pomocą prądu o dużej gęstości. 
Lasery z tej grupy dają wiele długości fali, poczynając od nadfioletu a na podczerwieni kończąc. Do 
tej grupy należy również zaklasyfikować lasery na parach metali, na jonach ziem alkalicznych, na 
jonach chlorowców i jonach grupy kadmowej.

3. Lasery molekularne - ośrodek utworzony jest z cząsteczek wieloatomowych. Mają one widmo 
znacznie bardziej skomplikowane w porównaniu z widmem laserów atomowych. Przykładem tego 
rodzaju laserów jest laser na CO

2

 (wysoka sprawność i możliwość pracy ciągłej).

Przykłady laserów gazowych:

•

Laser He-Ne (mieszanina helu z neonem)

•

Laser Ar (argon)

•

Laser azotowy

•

Laser kryptonowy

•

Laser na CO

2

•

Laser na CO

•

Laser tlenowo - jodowy

18. Lasery na ciele stałym - zasada pracy, przykłady, materiały.

•

•

Przykłady laserów na ciele stałym:

•

- laser neodymowy na szkle

•

- laser neodymowy na YAG-u (Nd:YAG)

•

- laser erbowy na YAG-u (Er:YAG) (1645 nm)

•

- laser tulowy na YAG-u (Tm:YAG) (2015 nm)

•

- laser holmowy na YAG-u (Ho:YAG) (2090 nm)

•

- laser tytanowy na szafirze (Ti:Al2O3)

•

- laser na centrach barwnych

•

- laser rubinowy (694,3 nm) 

•

•

Zasada pracy:

•

W wyniku emisji spontanicznej emitowane są fotony, które:

•

- nie poruszają się wzdłuż osi i uciekają przez boczne ścianki zanim są w stanie wywołać 

emisję wymuszoną

•

- poruszają się w kierunku osi i mogą być kilkakrotnie odbijane od krańcowych zwierciadeł, 

przez co są w stanie wielokrotnie wywoływać emisję wymuszoną. Dzięki temu liczba 
fotonów gwałtownie rośnie, a te, które uciekają przez częściowo odbijającą powierzchnię 
czołową, tworzą jednokierunkową wiązkę o dużym natężeniu i ściśle określonej dł. fali.

•

•

Przykładowo laser neodymowy Nd:YAG: 

•

Pompowanie odbywa się za pomocą półprzewodnikowych diod laserowych. Długość 

aktywnego ośrodka jest rzędu 1mm. Powstanie lasera o tak małych wymiarach jest możliwe 
dzięki technologii diod generujących wiązkę o mocy rzędu watów z możliwością 
dopasowania pasma emisji tych diod do pasma maksymalnej absorpcji neodymu (λ=0.81 
μm). Przejścia kwantowe realizowane są na jonach neodymu. Dichroiczne zwierciadła 
tworzą układ rezonatora otwartego dla mikrolasera objętościowego i falowodowego. Wiązka 
pompująca (λ=0.81 μm) powinna być transmitowana przez pierwsze zwierciadło i 
całkowicie odbijana przez drugie. Natomiast wiązka generowana przez laser (λ=1.06 μm), 
jak w typowym rezonatorze, powinna być całkowicie odbijana przez drugie zwierciadło i 
częściowo transmitowana przez pierwsze.

19. Lasery przestrajalne - barwnikowe, OPO, ramanowskie.

•

•

.

•

- lasery Ramanowskie

•

•

•

•

- PO (Parametryczny Oscylator Optyczny)

•

•

•

- lasery barwnikowe

•

•

•

Zalety cd. : setki barwników w całym paśmie widzialnym i bliskiej podczerwieni , łatwe 

odprowadzenie ciepła.

•

Im krótszy impuls tym więcej informacji prześlemy

20.Diody elektroluminescencyjne

Dioda elektroluminescencyjna jest przyrządem półprzewodnikowym, emitującym 

promieniowanie w wyniku przepływu prądu elektrycznego.  Zasadniczym elementem tych 
przyrządów jest półprzewodnikowe złącze p-n wytwarzane w materiałach monokrystalicznych. Są 
to związki chemiczne o strukturze A(III)B(V) chodź inne również jak A(III)B(V). Pierwsze 
wymaganie układ który jest wzbudzany i który następnie powinien przechodzić do niższego 
energetycznie lub podstawowego stanu z towarzyszącym emisją fotonu o odpowiedniej dł. fali. Dla 
przypomnienia rozważamy tu przejęci promieniste i nie promieniste w półprzewodnikach.

Dioda elektroluminescencyjna, dioda świecąca, LED (ang. light-emitting diode) – dioda zaliczana 
do półprzewodnikowych przyrządów optoelektronicznych, emitujących promieniowanie w zakresie 
światła widzialnego, podczerwieni i ultrafioletu.

Działanie diody elektroluminescencyjnej (LED) opiera się na zjawisku rekombinacji 

nośników ładunku (rekombinacja promienista). Zjawisko to zachodzi w półprzewodnikach 
wówczas, gdy elektrony przechodząc z wyższego poziomu energetycznego na niższy zachowują 
swój pseudo-pęd. Jest to tzw. przejście proste. Podczas tego przejścia energia elektronu zostaje 
zamieniona na kwant promieniowania elektromagnetycznego. Przejścia tego rodzaju dominują w 
półprzewodnikach z prostym układem pasmowym, w którym minimum pasma przewodnictwa i 
wierzchołkowi pasma walencyjnego odpowiada ta sama wartość pędu.

Rodzaja złączy:

p-n

p-i-n

fotodioda lawinowa

złącze metal-pólprzewodnik tzw. Bariery schotky’ego

Wg-

Przerwa energetyczna

Wf- Poziom Fermiego

Wc –poziom przewodnictwa

Wi –poziom walencyjny

Dioda Schottky'ego - dioda półprzewodnikowa, w której w miejsce złącza p-n zastosowano złącze 
metal-półprzewodnik. Charakteryzuje się małą pojemnością złącza, dzięki czemu typowy czas 
przełączania wynosi tylko około 100 ps. Diody te znajdują zastosowanie w układach działających 
przy dużej częstotliwości. Diody Schottky'ego mają również mniejszy spadek napięcia w kierunku 
przewodzenia (UF = 0,3 V) niż diody krzemowe (UF = 0,6-0,7 V). Zwykle maksymalne napięcie 
wsteczne jest niewielkie i nie przekracza 100 V.

Główne parametry diod LED:

-sprawność kwantowa (zewnętrzna)

skuteczność świetlna

długość fali emitowanego światła

szerokość widmowa

moc wyjściowa

częstotliwość graniczna

czas narastania lub opadania

maksymalny prąd (przewodzenia) zasilający (w mA)

maksymalne napięcie wsteczne (do kilku V)

Półprzewodnikiem cechującym się tego rodzaju przejściami jest arsenek galu (GaAs) i 

między innymi dzięki tej własności głównie on jest wykorzystywany do produkcji źródeł 
promieniowania (drugim powodem jest bardzo duża sprawność kwantowa – jest to parametr 
określający udział przejść rekombinacyjnych, w wyniku których generowane są fotony do ilości 
nośników ładunku przechodzących przez warstwę zaporową złącza p-n, przejścia rekombinowane 
zachodzą w obszarze czynnym złącza)

W krzemie i germanie dominują przejścia skośne. Luminescencja jest zjawiskiem fizycznym 

polegającym na emitowaniu przez materię promieniowania elektromagnetycznego pod wpływem 
czynnika pobudzającego, które dla pewnych długości fali przewyższa emitowane przez tę materię 
promieniowanie temperaturowe. W diodzie LED mamy do czynienia z tzw. elektroluminescencją, 
przy wytworzeniu której źródłem energii pobudzającej jest prąd elektryczny dostarczony z 
zewnątrz, czasami pole elektryczne. Najefektywniejsza elektroluminescencja w półprzewodniku 
powstaje w wyniku rekombinacji swobodnych nośników ładunku w złączu p-n, gdy jest ono 
spolaryzowane w kierunku przewodzenia. Intensywność świecenia zależy od wartości 
doprowadzonego prądu, przy czym zależność ta jest liniowa w dużym zakresie zmian prądu. 
Zjawiska przeszkadzające elektroluminescencji to pochłanianie wewnętrzne i całkowite odbicie 
wewnętrzne. Długość fali generowanego promieniowania: 

   przy czym:

Wg = Wc – Wv – szerokość pasma zabronionego lub różnica energii poziomów, między 

którymi zachodzi rekombinacja,

h – stała Plancka,

c – prędkość światła.

Złącza p-n diod elektroluminescencyjnych z GaAs wykonuje się zazwyczaj techniką 

dyfuzyjną, co zapewnia im wysoką sprawność kwantową. Promieniowanie diod 
elektroluminescencyjnych z GaAs można uczynić widzialnym za pomocą przetworników 

podczerwieni, na przykład przez pokrycie powierzchni diody odpowiednim luminoforem. 
Promieniowanie widzialne emitują diody elektroluminescencyjne z półprzewodników 
trójskładnikowych GaAsP, w których tak samo jak w GaAs są spełnione warunki dla prostych 
przejść rekombinacyjnych. Diody z GaAsP emitują światło czerwone o długości fali l = 650 nm.

Długość fali emitowanego promieniowania zwiększa się ze wzrostem temperatury złącza. 

Diody emitują promieniowanie w bardzo wąskim przedziale widma: od 490 nm – kolor niebieski 
do 950 nm – bliska podczerwień.

Diody elektroluminescencyjne są wytwarzane z materiałów półprzewodnikowych 

(pierwiastki z III i V grupy układu okresowego np. arsenek galu GaAs, fosforek galu GaP, arseno-
fosforek galu GaAsP o odpowiednim domieszkowaniu). Barwa promieniowania emitowanego 
przez diody LED zależy od materiału półprzewodnikowego są to barwy: niebieska, żółta, zielona, 
pomarańczowa, czerwona.

Średni prąd przewodzenia IF nie powinien przekraczać 20 – 1500 mA, zależnie od typu 

diody. Często ogranicza się go za pomocą odpowiednio dobranego rezystora połączonego 
szeregowo z diodą lub stabilizatora prądu. Stabilizatory prądu są zwykle stosowane do zasilania 
diod dużej mocy, gdzie istotna jest sprawność układu zasilania diody. Zalety diod 
elektroluminescencyjnych:

mały pobór prądu

mała wartość napięcia zasilającego

duża sprawność

małe straty energii

małe rozmiary

duża trwałość,

duża wartość luminacji

Charakterystyka:

Zastosowanie:

Liczniki, komputery(to co swieci konkurencja dla zarowek) układy scalone, znakowanie 
filmu>>serie zdjęć, matryce, ekrany, urzedzenia wyswietlajac, detektory, prostowniki, Reklamach – 
znaki świetlne, litery przestrzenne (napisy, znaki, logo wykonane jako trójwymiarowe bryły 
podświetlane od wewnątrz układami z diodami POWER TOPLED dają efektywny, czytelny, 
zwracający na siebie uwagę element informacyjny. Rozświetlenie diodami POWER TOPLED, w 
przeciwieństwie do neonów lub świetlówek, daje, prócz innych zalet, jasną, równomierną 
powierzchnię świecącą.) Samochodach ciężarowych – wysoko montowane światła „stop” 
Sygnalizatorach sterujących ruchem ulicznym Oświetleniu wyjść ewakuacyjnych i symboli 
ułatwiających orientację Oświetleniu bezpieczeństwa Oprawach oświetlenia miejscowego w 
środkach komunikacji (samochody, autobusy, samoloty) Akcentujących lub dekoracyjnych 
oprawach ogrodowych o wysokim stopniu szczelności Gruntowych oprawach wytyczających piesze 
lub jezdne drogi ,Systemach konturowego podświetlenia i dekorowania budynków i innych 
obiektów (np. pojazdów, statków, jachtów) Oprawach akcentujących stopnie schodów,Oprawach 
meblowych pod szafki i półki, Oprawach dających kolorowe efekty świetlne,Oprawach 
przeznaczonych do montażu w ścianach lub w podłodze (np. dyskotek, teatrów, telewizji, 
restauracji, barów, kasyn) Dekoracjach świątecznych

23.  Mikrolasery i laser włóknowe

Mikrolasery z przestrojeniem na 2 harmoniczną

Mikrolasery cienkowarstwowe

Laser włóknowe

Właściwo

ści:

•

Wysokie wzmocnienie

•

Wysoka sprawność i niski próg generacji

•

Łatwa wymiana ciepła z otoczeniem 

24. Wymagania stawiane materiałom laserowym.

Pożądane cechy nośnika informacji:

•

Duża szybkość przenoszenia

•

Możliwość dużej gęstości upakowania informacji

•

Niska moc generacji nośnika

•

Mała moc przenoszenia informacji(niskie straty)

•

Niskie moce sterowania

•

Zastosowanie w różnych ośrodkach(np. w próżni)

•

Brak przesłuchów(niskie wpływy otoczenia, zabezpieczenia przed dostępem)

•

Niskie koszty generacji, modulacji, propagacji i detekcji

•

Bezpieczna obsługa

•

Elastyczność w dostosowaniu się do różnych warunków wymagań

•

Perspektywa dalszej poprawy parametrów

Ogólne wymagania stawiane źródłom promieniowania

Właściwości emitowanego promieniowania:

•

Energetyczne(ilość emitowanej energii)

•

Przestrzenne(rozkład przestrzenny emitowanego promieniowania)

•

Spektralne(rozkład spektralny emisji)

•

Inne(np. spójność)

Cechy użytkowe:

•

Stabilność właściwości w czasie

•

Sprawność

•

Trwałość

•

Wymagania dotyczące zasilania i sterowania

•

Bezpieczeństwo i ergonomiczność

25) Przykłady zastosowania laserów we współczesnych technologiach, medycynie i biologii

-technologia materiałów (precyzyjne cięcie, spawanie i wiercenie trudno topliwych materiałów, 
wyważanie dynamiczne zautomatyzowane cięcie papieru, tkanin, tworzyw sztucznych itp.);
-precyzyjne pomiary długości, odległości, pułapu chmur, stopnia zanieczyszczeń atmosfery, 
szybkości przepływu itp.;
-sterowanie pracą maszyn roboczych, wytyczanie torów wodnych w portach, chodników w 
kopalniach, precyzyjne pozycjonowanie złożonych konstrukcji;
-medycynę i biologię (mikrochirurgiczne zabiegi okulistyczne, bezkrwawe zabiegi chirurgiczne, 
zapobieganie próchnicy, usuwanie naczyniaków, zabiegi kosmetyczne, dermatologia);
-zapisywanie i odtwarzanie dźwięków i obrazów;
-technikę wojskową (pomiar odległości, sterowanie bombami i pociskami, oświetlanie, specjalne 
metody rozpoznania i fotografowania);
-holografię;
-technologię chemiczną (selektywna kataliza reakcji chemicznych);
-telekomunikację optyczną (wielokanałowa łączność światłowodowa między dużymi centrami 
obliczeniowymi).

26.Ciekłe kryształy- definicja mezogenu, podział ciekłych kryształów ze względu na sposób 
postwtania

Ciekły kryształ zwany także mezofazą. Jest fazą pośrednią pomiędzy cieczą a kryształęm. 

Posiada zdolność płynięcia(jak ciecz) oraz uporządkowanie dalekiego zasięgu między cząsteczkami 
(jak kryształ). Molekuly w ciekłym krysztale nazywane są mezogenami.

Ze względu na sposób powstawania dzielą się na

-termotropowe które powstają przez rozpuszczenie kryształu w odpowiedniej temperaturze

- liotropowe które powstają przez roztworzenie kryształu w substancji amifilowej

Rozróżnia się mezogeny pręto i dyskopodobne ze względu na ich kształt. 

Ze względu na sposób uporządkowania dalekiego zasięgu dzielą się na nemetyki, smektyki oraz 
chiralne ciekłe kryształy. 

27. Termotropowe ciekłe kryształy, przemiany fazowe, kształt cząsteczek

Faza ciekłokrystaliczna może być generowana na dwa sposoby: 

•

poprzez ogrzewanie stałych kryształów - jest nazywana wtedy mezofazą termotropową. 
Kryształy, zamiast od razu topić się w zwykłą ciecz, przechodzą w pewnej określonej 
temperaturze w stan mezofazy, a dopiero w wyższej temperaturze następuje izotropizacja 
mezofazy, czyli zamiana ciekłych kryształów w zwykłą ciecz.

•

poprzez rozpuszczanie cząsteczek mających tendencję do tworzenia mezofazy w 
odpowiednim rozpuszczalniku - faza jest nazywana wtedy mezofazą liotropową. W 
układzie takim rozpuszczone pręto- lub dyskopodobne cząsteczki tworzą mezofazę 
"zmuszając" niejako cząsteczki rozpuszczalnika do uczestniczenia w tej fazie.

Podział ze względu na czynnik wywołujący mezofazę:

-barotropowe-P

-liotropowe-C

-termotropowe-T : w większości składają się z pojedynczych cząsteczek (głównie organicznych lub 
metaorganicznych)a ich mezofazy powstają w wyniku zmian temperatury.

Dla cząsteczek w każdym rodzaju fazy ciekłokrystalicznej wyróżnić można jeden, główny kierunek 
orientacji opisywany przez wersor (direktor), względem którego molekuły są średnio równoległe. 
Oprócz tego mogą jednak też występować dodatkowe formy orientacji. 

Średni stopień uporządkowania cząstek 

 

 S  , dany wzorem:

 

 

α - kąt pomiędzy wersorem a długą osią molekuł jest różny w różnych 

typach mezofazy. Może on przyjmować wartości od 0 (dla cieczy doskonale izotropowej) do 1 (dla 
doskonałego kryształu). Parametr ten jest kryterium wg. którego dzieli się mezofazy termotropowe 
na trzy główne klasy:

Najprostszą fazę ciekłokrystaliczną nazywa się fazą nematyczną lub nematykiem. Jedynym 

rodzajem uporządkowania, jaki obserwuje się w nematycznym ciekłym krysztale, jest 
uporządkowanie kie-runku długich osi molekuł

 

(w przypadku cząsteczek prętopodobnych) lub ich 

osi krótkich (dla dyskopodobnych cząsteczek). Środki ciężkości molekuł nematyka nie są 
uporządkowane, podobnie jak brak jest ich uporządkowania dla cieczy izotropowej. W idealnym 
nematyku wszystkie cząsteczki byłyby ułożone dokładnie równolegle do siebie. Ze względu jednak 
na ruchy termiczne molekuł, rzeczywiste uporządkowanie nie jest idealne. Cząsteczki są odchylone 
od średniego kierunku molekuł o pewien kąt.

schemat fazy nematycznej

Nematyki wykazują strukturę  4 –symetryczną  fakt ten związany jest z oddziaływaniem między 
molekularnym determinującym uporządkowanie (za pomocą -metoda Monte Carlo  oraz dynamiki 
molekularnej ) opisane wzorem:

               d(n

e

-n

o

)≈(1-3)λ

o      

d-grubość warstwy ,która nie może przekraczać 10μm aby móc 

obserwować kolor.                                                                 

Tekstury nematyka to typ uporządkowania wymuszony przez oddziaływanie z powierzchnią 
chemiczną bądź mechanicznie przygotowaną.

Bardziej złożonym uporządkowaniem charakteryzują się fazy smektyczne czyli smektyki. 

Oprócz uporządkowania kierunku molekuł, smektyki charakteryzują się uporządkowaniem środków 
ciężkości molekuł, które tworzą warstwy. Odległość między warstwami jest ustalona i można ją 
określić jako stałą sieci w kierunku prostopadłym do warstw. Warstwy te mogą się jednak 
przesuwać względem siebie, co jest niemożliwe przy uporządkowaniu krystalicznym. Smektyki 
można traktować jako jednowymiarowe lub dwuwymiarowe ‘kryształy’.

Cząsteczki dyskotyczne tworzą kolumnowe ciekle kryształy  charakteryzują  je:

-wysokie przewodnictwo elektryczne wzdłuż kolumn

-patrząc  z góry-obserwujemy właściwości izotropowe, bokiem -kolory , defekty

schematyczny obraz fazy smektycznej

Wyróżnia się jeszcze jeden rodzaj termotropowych ciekłych kryształów. Nazywa się je 

cholesterykami, albo inaczej mówi się o nich, że tworzą fazę cholesterolową. Cząsteczki 
cholesteryków są wydłużone, ale nieco asymetryczne i dlatego najwygodniej jest im uporządkować 
się w taki sposób, że w kolejnej warstwie są one skręcone o pewien niewielki kąt względem 
molekuł sąsiedniej warstwy. Kierunek molekuł tworzy spiralę. Środki ciężkości molekuł nie są 
uporządkowane podobnie jak w nematykach i z tego względu cholesteryki zalicza się często do faz 
nematycznych, nazywając je skręconymi nematykami.

Cechy charakteryzujące cholesteryki:

1) zdolność selektywnego  odbijania światło

Współczynnik odbicia bardzo silnie zależy od długości fali stając się równy jedności gdy:

                    λ=n*p       gdzie p- to skok spirali(zależy od temper auty),

                                                    n- współczynnik załamania światła.

 W przypadku przejścia fazowego od fazy izotropowej  efekt odbicia zanika ,wykorzystanie do 
detekcji zmian temperatury powierzchni ,na której naniesiona została ich cienka warstwa.

2)są wielobarwne

3)Wykazują zdolność do skręcania płaszczyzn polaryzacji światła, w niektórych wypadkach 
skręcalność właściwa sięga 3000° stopni na mm.

schemat fazy cholesterolowej

We wszechwiedzącej wikipedii opisana jest jeszcze jedna faza,o której nie było mowy na wykładzie 
ani nie znalazłam w żadnej innej pozycji niż WIKI ,którą dla chętnych kopiuje poniżej:

Faza kolumnowa - rodzina 

faz

 ciekłokrystalicznych, w których występuje daleko zasięgowe 

uporządkowanie 

cząsteczek

 w formie kolumn.

Faza kolumnowa jest zwykle generowana przez sztywne cząsteczki o kształcie dysku. Cząsteczki te 
w odpowiednich warunkach (temperatura, ciśnienie) układają się spontanicznie w długich 

kolumnach, przypominających stosy monet. Kolumny te mogą być dodatkowo zorganizowane w 
rodzaj siatki, której rodzaj jest podstawą podziału faz kolumnowych:

-faza kolumnowa heksagonalna (D

h

) występuje najczęściej; w fazie tej kolumny układają się w 

siatkę, w której komórka elementarna przyjmuje kształt sześciokąta foremnego, 

-faza kolumnowa rombowa (D

rh

), w której komórka elementarna siatki kolumn przybiera kształt 

rombu, 

-  faza kolumnowa kwadratowa (D

sq

) najrzadziej spotykana, w której komórka elementarna 

przybiera kształt kwadratu.

Schemat fazy kolumnowej, heksagonalnej

28. Charakterystyka nematyka, smektyka i chiralnych ciekłych kryształów

Nematyk (nema- po grecku nić –  ciekły kryształ przypomina nici) molekuły są równoległe 
względem siebie i nie mają żadnych dodatkowych ograniczeń we wzajemnym przesuwaniu się bez 
warstw (ich długie osie są równoległe).

W tych związkach jedynym ograniczeniem ułożenia molekuł jest warunek równoległości ich 
długich osi. W nematykach istnieje jednak pewien rozrzut kierunków długich osi ze względu na 
drgania termiczne. Średni kierunek długich osi molekuł jest wyznaczony przez jednostkowy wektor 
uporządkowania n. Lepkość nematyków jest mała, porównywalna z lepkością mleka. 

Są dodatnie optycznie (ne-no>0). Dwójłomność jest f-kcja stałego, bądź zmiennego pola 
elektrycznego 

W temperaturze przejścia ze stanu nematyka do cieczy izotropowej następuje skokowa zmiana 
własności optycznych. W temperaturach poniżej temperatury przejścia ze wzrostem temperatury 
maleje uporządkowanie molekuł co skutkuje maleniem anizotropii.

Możliwe drogi przejścia od fazy krystalicznej do cieczy izotropowej:

I) f.kryst.————————→nematyk————————→ ciecz izortropowa 
II) f.kryst.————————→nematykchiralny————→ciecz izotropowa

Przemiany zachodzące przy ochładzaniu nie zawsze zachodzą według tego samego schematu co 
przy ogrzewaniu. 
Tekstury nematyka – typ uporządkowania wymuszony przez oddziaływania z powierzchni 
chemicznie bądź mechanicznie przygotowanej

np. Tekstury swobodne

Smektyk (smektos po grecku mydlany– mętność i lepkość przypomina roztwory mydła).

 Cząsteczki dyskotyczne tworzą kolumnowe c. kryształy, długie osie molekuł są rozmieszczone 
prawie równolegle w oddzielnych warstwach (długie osie molekuł są prawie prostopadłe względem 
warstw). 

Lepkość smetyków jest na ogół większa niż lepkość nematyków i nematyków chiralnych, mogąc 
osiągać wartości porównywalne z lepkością wosku. 

Charakteryzują się wysokim przewodnictwiem elektrycznym wzdłuż kolumn 

Jak nematyki Są dodatnie optycznie (ne-no>0)

Możliwe drogi przejścia od fazy krystalicznej do cieczy izotropowej:

I) f.kryst.→smetyk B→smetyk C→smetyk A→ciecz izotropowa 

II) f.kryst.→smetyk B→smetyk C→smetyk A→nematyk—→ciecz izotropowa 
III) f.kryst.→smetyk B→smetyk C→smetyk A→nematyk chiralny→ciecz izotropowa 

Przemiany zachodzące przy ochładzaniu nie zawsze zachodzą według tego samego schematu co 
przy ogrzewaniu. 
Smektyk A – direktor (długie osie molekuł) ustawione są prostopadle do płaszczyzny warstwy. 
Wewnątrz warstw molekuły mogą się bezładnie przemieszczać, tworząc 2-wymiarową ciecz. 

Smektyk B - w odróżnieniu od smetyków A, molekuły tworzą wewnątrz warstw struktury 

uporządkowane przypominające 2-wymiarowy kryształ. Jest to rzadziej spotykany typ struktury. 

Smektyk C – direktor pod kątem do płaszczyzny warstwy. 

Molekuły rozmieszczone są wewnątrz warstw w sposób bezładny. 

Tekstura swobodna – smektyk C

Chiralny ciekły kryształ

Molekuły są ułożone w strukturę śrubową,  w warstwach  tak, że długie osie pozostają wzajemnie 
równoległe w warstwach i są równoległe do warstw. Każda następna warstwa jest skręcona o 
pewien kąt względem poprzedniej. 

Nematyki chiralne 

W tym przypadku molekuły tworzą quasi-warstwy, przy czym długie osie molekuł są skierowane 
równolegle względem warstw. Cechą charakterystyczną tej grupy jest to, że średnie kierunki 
ułożenia długich osi molekuł, pozostając równoległe w obrębie pojedynczej warstwy ulegają 
skręceniu o niewielki kąt przy przejściu do warstw sąsiednich. Przyczyną tego skręcenia jest 
występowanie w molekułach nematyków chiralnych bocznych grup atomowych, powodujących, że 
najkorzystniejszym energetycznie ułożeniem molekuł z sąsiednich warstw jest ułożenie ukośne. 
Skręcenie prowadzi do helikoidalnej struktury tych ciekłych kryształów. Skok helisy zależy od 
wielu czynników takich jak np. temperatura, może wynosić od 200nm do około 5000 nm. W 
większości przypadków w miarę wzrostu temperatury ten skok początkowo szybko maleje, po czym 
szybko ustala się, choć są materiały, w których ta zależność temperaturowa jest przeciwna. Fakt, że 
skok helisy jest porównywalny z długością fal świetlnych z zakresu światła widzialnego (400 ÷ 
700nm), prowadzi do zjawiska odbicia w warstwach nematyków chiralnych światła o określonej 
długości fali i powstania charakterystycznych dla nich czystych, metalicznych barw, zmieniających 
się z temperaturą. Lepkość ciekłych kryształów z tej grupy jest dużo większa niż lepkość 
nematyków. 
smetyki chiralne - mamy do czynienia ze strukturą warstwową. Molekuły w warstwie są 
pochylone, a kąt pochylenia waha się między 13° a 50° . Dodatkowo kierunek pochylenia w 
kolejnych warstwach ulega skręceniu wokół osi prostopadłej do warstw. Struktura taka wykazuje 
istnienie lokalnej spontanicznej polaryzacji elektrycznej, która pozwala na sterowanie 
właściwościami elektrycznymi warstw ciekłokrystalicznych przy pomocy zewnętrznego pola 
elektrycznego. Do tej grupy należą ferroelektryczne ciekłe kryształy znajdujące zastosowanie w 
przetwarzaniu obrazów. 

Są ujemne optycznie (ne-no<0). 

Aktywność optyczna - Skręcalność płaszczyzny drgań światła spolaryzowanego (w innych 
materiałach skręcalność jest kilka stopni/mm drogi światła) – w CK chiralnych może dochodzić do 
10000 razy więcej. Skręcalność może być sterowana przez działania: termiczne, elektryczne, 
magnetyczne i mechaniczne.

Dichromizm kołowy - W warstwie o odpowiedniej strukturze może propagować światło tylko w 
formie wiązki o polaryzacji kołowej. Skrętność polaryzacji jest przeciwna do skrętności śruby 
ciekłego kryształu.

29) Liotropowe ciekłe kryształy 

- mieszanina cząsteczek amfifilowych oraz polarnego rozpuszczalnika cząstek amfifilowych 
zawierających hydrofilową polarną "główkę", do której przyczepiony jest hydrofobowy "ogon" 
zawierający 1 lub 2 łańcuchy alkilowe. Po przekroczeniu krytycznego stężenia z homogenicznego 
roztworu wyłaniają się agregaty cząstek-micele o kształcie sfery z grupami polarnymi na zewnątrz 
lub lamele-warstwy podwójne.

Micele:

Lamele:

Lamele - podstawowa jednostka struktury fazy lamelarnej, tzw. ciekłych kryształów liotropowych 
(

liotropia

), zbudowana z płaskiej dwuwarstwy molekuł amfifilowych (

lipofilowość

) otoczonej z 

obu stron molekułami rozpuszczalnika

Micele - Tworzą je związki chemiczne o własnościach amfifilowych. 

Cząsteczki amfifilowe posiadające polarną „głowę” i niepolarny „ogon” w roztworach (na 
ogół wodnych) tworzą agregaty, z których następnie mogą powstawać uporządkowane 
struktury w skali nano- lub mikrometrów - liotropowe ciekłe kryształy. Uporządkowane 
struktury w zależności od stężenia i temperatury mogą tworzyć micele. 

(w ramach ciekawostki)

Liotropowe ciekłe kryształy odgrywają ogromną rolę w organizmach żywych,

gdyż roztwory białek, DNA mogą być liotropowymi ciekłymi kryształami.

Ponadto błony komórkowe, które odgrywają istotną rolę w przekazywaniu

informacji z komórek do mózgu mają budowę liotropowych ciekłych

kryształów.

30.Budowa polimerycznych ciekłych kryształów.

 Fazy ciekłokrystaliczne można traktować jako fazy pośrednie między kryształem a 
izotropową cieczą i dlatego mówi się o ciekłych kryształach jako o fazach mezomorficznych, 
czyli fazach o budowie pośredniej. 
Właściwości ciekłych kryształów jak zdolność do płynięcia, anizotropia własności fizycznych 
wynikają ze sposobu uporządkowania molekuł ciekłokrystalicznych. Uporządkowanie to 
może polegać na orientacyjnym porządku czyli ustawieniu długości osi cząstek wzdłuż 
wyróznionego kierunku w przestrzeni lub występowaniu porzadku orientacyjnego 
połączonego z translacyjnym w jednym dwóch lub trzech wymiarach podobnie jak jest to w 
kryształach ale przy zachowaniu swobody migracji cząstek.
Budowa mezogenicznych cząstek
Dla większkości cząstek ciekłokrystalicznych – jedna z osi molekularnych jest znacznie 
dłuższa od pozostałych- cząstki takie określnane są jako prętopodobne czyli kalamityczne.
Mezofazy dyskotyczne – dyskotyki cząsteczki mezogenu mają kształt płaskich dysków.
Ze względu na kształt molekuł wyróznia się jeszcze sanidyki -kształt kabaczkowaty.

Ogólny wzór chemiczny dużej grupy ciekłych kryształów. 

 Pierścienie benzenowe mogą też być połączone bezpośrednio. Molekuły związków 
ciekłokrystalicznych mają z reguły kształt wydłużonego, sztywnego pręta, choć mogą 
przyjmować także inne kształty (np. dysku – związki dyskotyczne) lub nie być sztywne np. 
polimerowe ciekłe kryształy

31. Parametr porządku w ciekłych kryształach 

Jeśli chcemy określić , jak dobrze uporządkowane są molekuły nematyka w jakiejś określonej 
temperaturze, wówczas możemy podać tzw. Parametr porządku (S), który jest miarą 
odchylenia molekuł od direktora . 

S=1/2(3cos^2θ-1)

Θ- kąt odchylenia cząsteczki od od direktora 

 idealne uporządkowanie S=1

ciecze izotropowe S=0

nematyki   S= 0,4-0,7

Potencjał molekuł w ciekłych kryształach nematycznych jest proporcjonalny do kwadratu 
parametru porządku. Im  wyższe uporządkowanie tym wyższa energia aktywacji. 

Parametr ten jest kryterium wg. którego dzieli się mezofazy termotropowe na trzy główne 
Klasy:

•

fazę nematyczną

 

  - już wyżej opisaną - oznaczaną symbolem N

•

fazę smektyczną, w której oprócz równoległego uporządkowania osi cząsteczek 
wzdłuż wersora, istnieje też dodatkowe uporządkowanie w warstwy, oznaczaną 
symbolem S

•

fazę kolumnową, którą generują zwykle cząsteczki dyskopodobne - tutaj oprócz 
równoległego uporządkowania osi cząsteczek, cząsteczki układają się jeszcze w 
kolumny - tak jak np. monety w kasie. Fazy kolumnowe są oznaczane literą D

•

fazę cholesterolową, w której uporządkowanie jest związane ze skręceniem o 
określony kąt przy przechodzeniu między warstwami, czyli ich wersor nie jest linią 
prostą lecz układa się w kształt helisy. Faza choleterolowa jest w istocie podtypem 
fazy nematycznej. Fazę cholesterolową nazywa się też często fazą nematyczną 
skręconą i oznacza symbolem N*

32. Właściwości elektrooptyczne ciekłych kryształów – zawory optyczne

Efekty   elektrooptyczne   (polegająca   na   zmianie   właściwości   optycznych   pod   wpływem 
przyłożonych   pól   elektrycznych)   występujące   w   ciekłych   kryształach   są   zależne   przede 
wszystkim od trzech czynników: 

- anizotropii polaryzowalności molekuły α

e

- wartości trwałego elektrycznego momentu dipolowego molekuły μ 

- kąta pomiędzy trwałym momentem dipolowym μ a kierunkiem długiej osi molekuły 
W przypadku ciekłych kryształów istotny wpływ na całkowitą polaryzowalność 

substancji w polu fali świetlnej ma przede wszystkim polaryzowalność elektronowa. Chmura 
elektronowa molekuły deformuje się o wiele łatwiej w kierunku długiej osi molekuły niż w 
kierunku osi krótkiej. Oznacza  to, że na skutek różnic w oddziaływaniu  zmiennego  pola 
elektrycznego fali świetlnej z chmurą elektronową molekuł w kierunku równoległym do ich 
długich i krótkich osi właściwości optyczne ciekłego kryształu będą charakteryzowane przez 
dwa współczynniki załamania: 

- nadzwyczajny n

e  

dla światła spolaryzowanego tak, że wektor natężenia pola elektrycznego 

fali świetlnej E jest równoległy do długich osi molekuł 

- zwyczajny dla fali świetlnej, której wektor E jest prostopadły do tych osi. n

0

Własnościami optycznymi nematyków można sterować zmieniając kąt między 
kierunkiem osi optycznej (związanej z kierunkiem długich osi molekuł) a kierunkiem wektora 
fali świetlnej. Można to uzyskać poprzez zmianę kierunku uporządkowania długich osi 
molekuł. W tym celu należy do warstwy nematyka przyłożyć stałe lub wolnozmienne 
zewnętrzne „sterujące” pole elektryczne, które powoduje, że trwałe momenty dipolowe, 
zarówno sztywno związane z osiami molekuł tych związków jak i indukowane, obracają się 
zgodnie ze zmianami pola elektrycznego. Ze względu na swą dużą bezwładność trwałe 
momenty dipolowe cząstek nematyków nie nadążają za zmianami E wektora natężenia pola 
elektrycznego fali świetlnej E(t) .

Zasada działania zaworu optycznego 

Zasada działania sterowanego polem elektrycznym ciekłokrystalicznego przełącznika światła. 
W nieobecności pola elektrycznego płaszczyzna liniowo spolaryzowanego światła obraca się 
o 90

0

 i analizator to światło przepuszcza. Przyłożenie pola elektrycznego poprzez Δε ustawia 

cząsteczki ciekłego kryształu homeotropowo co niweluje efekt skręcania płaszczyzny 
polaryzacji światła prowadzi do jego wygaszenia na analizatorze.  

Pytanie 33.
Ferroelektryczne ciekłe kryształy
Fazy ciekłokrystaliczne występują w przypadku substancji zbudowanych z molekuł silnie 
wydłużonych (prętopodobnych) lub dyskotycznych. W smektycznych fazach typu C, 
charakteryzujących się direktorem w danej warstwie odchylonym od normalnej do 
płaszczyzny smektycznej o pewien kąt   odkryto ferroelektryczne ciekłe kryształy.

Pojawienie się ferroelektryczności w ciekłych kryształach jest uwarunkowane chiralnością 
molekuł oraz posiadaniem przez nie trwałego poprzecznego momentu dipolowego. Ponieważ 
molekuły danej substancji ciekłokrystalicznej są chiralne (tzn. mają wbudowany całkowicie 
asymetryczny atom węgla), to w wyniku oddziaływań chiralnych przy przejściu od warstwy 
do warstwy zmienia się kierunek direktora (jego faza) i w efekcie powstaje spirala (helisa 
smektyczna). Skok takiej spirali dla większości substancji może być ok. 1000 razy większy od 
grubości warstwy smektycznej.

Pochylenie molekuł i ich chiralność powodują niejednorodną rotację wokół długich osi. Jeśłi 

molekuły posiadają poprzeczny, trwały moment dipolowy 

, wówczas następuje 

makroskopowa polaryzacja  (równoległa do płaszczyzny smektycznej), która jest sumą 
efektywnych poprzecznych momentów dipolowych.

N - liczba molekuł

 - składowa momentu dipolowego prostopadłą do długiej osi molekuły,

- opisuje niejednorodną rotację molekuły wokół osi długiej
<...>- Średniowanie dotyczy nierównoważnych położeń molekuły w jej ruchu 
reorientacyjnym względem osi długiej
Spontaniczna polaryzacja jest zatem związana z warstwą smektyczną i może być 
zdefiniowana jako:

Na podstawie powyższej zależności widać, że wartość spontanicznej polaryzacji jest 
proporcjonalna do sinusa kąta :

W ferroelektrycznych ciekłych kryształach można zaobserwować efekt elektrooptyczny czyli 
zmianę dwójłomności wywołaną zewnętrznym polem elektrycznym. Jednak w porównaniu z 
innymi ciekłymi kryształami czas  przełączania jest rzędu s.
Zastosowanie:

•

Oparte na ferroelektrycznych ciekłych kryształach okulary z elektroniczną migawką 

do projektorów i monitorów przestrzennych. (Cambridge Research Systems Ltd.)

•

Wyświetlacze FLCD (ang. Ferroelectric Liquid Crystal Display)

•

Modulator  SSFLC

34. Zastosowania ciekłych kryształów - wyświetlacze ciekłokrystaliczne, budowa

•

•

LCD -Liquid Crystal Display - wyświetlacz ciekłokrystaliczny, czyli urządzenie 

wyświetlające obraz, działa na zasadzie zmiany polaryzacji światła na skutek zmian 
orientacji cząsteczek ciekłego kryształu pod wpływem przyłożonego pola 
elektrycznego. Polaryzacja komórki LCD napięciem stałym szybko niszczy 
właściwości samo uporządkowania cząsteczek ciekłego kryształu, z tego też powodu 
stosuje się napięciem zmienne bez składowej stałej. Obraz czarno-biały uzyskuje się 
poprzez tworzenie układów/matryc punktowych. Obraz kolorowy można uzyskać 
stosując mieszaniny ciekłych kryształów z barwnikami o wyraźnych właściwościach 
dichroicznych, to znaczy takich, które w zależności od orientacji przestrzennej 
cząsteczek absorbują światło o różnych długościach fal, czyli dają efekt barwny. 
Światło przechodzące przez wyświetlacz jest w kolorze barwnika dodanego do 
ciekłych kryształów. 

•

•

Podział wyświetlaczy LCD: 

•

Ze względu na ilość wyświetlanych kolorów:   - jednobarwne  - dwubarwne   - 

wielobarwne 

•

Ze względu na sposób oświetlenia:   - transmisyjne   - odbiciowe (refleksyjne)   - 

transrefleksyjne 

•

Ze względu na kształt:   - segmentowe   - analogowe

•

•

Budowa:

•

Wyświetlacze ciekłokrystaliczne składają się z czterech podstawowych elementów:

•

- komórek, w których zatopiona jest niewielka ilość ciekłego kryształu

•

- elektrod, które są źródłem pola elektrycznego działającego bezpośrednio na ciekły 

kryształ

•

- dwóch cienkich folii, z których jedna pełni rolę polaryzatora a druga analizatora.

•

- źródła światła

•

•

Działanie :

•

(przykładowo pasywny wyświetlacz odbiciowy, z fazą nematyczną, skręconą)

•

Światło wnikające do wyświetlacza jest wstępnie polaryzowane pionowo przez filtr 

polaryzacyjny. Następnie przechodzi przez szklaną elektrodę i warstwę ciekłego 
kryształu. Specjalne mikrorowki na elektrodach wymuszają takie uporządkowanie 
cząsteczek tworzących warstwę ciekłokrystaliczną, aby przy wyłączonej elektrodzie 
nastąpiło obrócenie polaryzacji światła o 90°. Dzięki temu światło może przejść przez 
folię pełniącą rolę analizatora światła, która przepuszcza tylko światło spolaryzowane 
poziomo, odbić się od lustra, przejść ponownie przez analizator, ulec ponownej 
zmianie polaryzacji o 90° na warstwie ciekłego kryształu i ostatecznie opuścić bez 
przeszkód wyświetlacz, przez górną folię polaryzacyjną. Po przyłożeniu napięcia do 
elektrod, generowane przez nie pole elektryczne wymusza taką zmianę 
uporządkowania cząsteczek w warstwie ciekłego kryształu, że nie obraca ona 
polaryzacji światła. Powoduje to, że światło nie przechodzi przez analizator, co daje 
efekt czerni.

•

•

Wyświetlacze ciekłokrystaliczne mogą pracować w trybie transmisyjnym, 

odbiciowym lub administracyjnym. Wyświetlacze transmisyjne są oświetlane z 
jednej strony, a powstające na nich obrazy ogląda się od drugiej strony. Aktywne 
piksele są w takich wyświetlaczach zawsze ciemne, a nieaktywne jasne. 
Wyświetlacze odbiciowe posiadają na swoim dnie lustro, które odbija dochodzące do 
powierzchni wyświetlacza światło. Mogą pracować wyłącznie w trybie biernym i 
posiadają zwykle niezbyt dużą intensywność generowanego obrazu, ale za to pobierają 
mało mocy (kalkulatory, zegarki). Wyświetlacze trans-refleksyjne posiadają zalety 
obu trybów. Przy włączonym podświetleniu obraz na nich ma dużą jasność, natomiast 
w celu zmniejszenia poboru mocy podświetlenie można wyłączyć i przejść w tryb 
odbiciowy. 

•

36. Komercyjne zastosowanie ciekłych kryształów

Ciekłe kryształy termotropowe znajdują szereg zastosowań w różnych dziedzinach m.in:

I.  Zastosowania własności elektrooptycznych: 

- w wyświetlaczach, w których wykorzystuje się eutektyczne mieszaniny związków 
prętopodobnych, które są zdolne do generowania fazy nematycznej lub SmC*. Wyświetlacze 
oparte na 

fazie nematycznej

 są monochromatyczne i nie mogą posiadać skali szarości. 

Wyświetlacze oparte na fazie SmC* mogą być w pełni kolorowe i posiadać szeroką skalę 
szarości.

- w pamięciach masowych do komputerów, tego rodzaju pamięci masowe, ze względu na 
komplikacje sprzętowe, przegrały jednak z płytami CD w latach '80 XX w.

- w optoelektronice wykorzystuje się tzw. zjawiska nieliniowe – ciekłe kryształy są 
wykorzystywane jako bramki logiczne oraz generatory i analizatory wyższych harmonicznych 
światła (SHG), które wielokrotnie zwiększają przepustowość informacyjną światłowodów.

II. Zastosowania własności termooptycznych – które oparte są na zjawisku zmiany koloru 
odbijanego światła przez mezofazę N* (cholesterolową) w zależności od temperatury: 

- termometry bezrtęciowe – proste w użyciu, ale wciąż bardzo niedokładne termometry w 
kształcie paska folii.

- indykatory temperatury (zmieniające kolor przy ściśle określonej temperaturze)

- dodatki do farb i emulsji, zmieniających kolor pod wpływem temperatury – są one 
stosowane jako przyciemniacze szyb samochodowych, farby, którymi pokrywa się zabawki 
zmieniające barwę w trakcie kąpieli oraz do tworzenia termogramów ciał osób chorych.

37. Metamateriały

Metamateriał - materiał którego własności zależą od jego struktury w skali większej niż 
cząsteczkowa, a nie jedynie od struktury cząsteczkowej. Terminem tym w szczególności 
określa się materiały o własnościach nie występujących w naturalnie powstających 
materiałach, np. tzw materiały lewoskrętne. Mają one szczególne znaczenie w optyce i 
fotonice, gdzie ich własności umożliwiają wytwarzanie nieklasycznych typów soczewek, 
anten, modulatorów i filtrów.

Aby wpływać na falę elektromagnetyczną, metamateriał musi zawierać struktury o wielkości 
porównywalnej z długością tej fali. Aby był dla tej fali jednorodny i wpływ na falę można 
było opisać za pomocą współczynnika załamania, struktury te muszą być znacznie mniejsze 
od długości fali. Dla światła widzialnego (o długościach fali rzędu 400-700 nm) używa się 
metamateriałów o strukturach wewnętrznych rozmiaru rzędu 250 nm. Dla mikrofal używa się 
struktur o rozmiarach centymetrów. Przykładem metamateriału dla światła widzialnego jest 
opal, w którym małe kulki krystobalitu wywołują charakterystyczną grę barw. Metamateriały 
dla mikrofal są wytwarzane sztucznie z drucianych pętli i kratownic o odpowiedniej 
indukcyjności i pojemności elektrycznej. Materiały w których warstwy o różnych 
współczynnikach załamania są rozmieszczone okresowo nazywa się kryształami 
fotonicznymi.

Najsłynniejszą klasą metamateriałów są materiały o ujemnym współczynniku załamania. 
Praktycznie wszystkie przezroczyste materiały mają dodatnie wartości zarówno 
przenikalności elektrycznej ε jak i 

magnetycznej

 μ. Wiele metali (np. 

srebro

 i 

złoto

) ma 

ujemną wartość ε dla światła widzialnego. Materiały dla których jedna z wartości ε lub μ jest 
ujemna są nieprzejrzyste i mają metaliczny połysk (tworzony przez powierzchniowe 

plazmony

).

Choć wartości ε i μ opisują w pełni optyczne właściwości materiału, w praktyce używa się 

tylko jednego parametru: 

współczynnika załamania

 

. Ponieważ ε i μ są 

zwykle dodatnie, przyjmuje się że N również jest dodatnie.

Specjalnie zaprojektowane metamateriały mogą mieć obie wartości ε i μ ujemne. W takiej 
sytuacji wartość N uznaje się za ujemną. Rosyjski fizyk 

Wiktor Veselago

 pokazał że takie 

materiały są przejrzyste. Mają one specyficzne własności:

•

Załamują światło zgodnie z 

prawem Snelliusa

 (N

1

sinθ

1

 = N

2

sinθ

2

) dla negatywnej 

wartości refrakcji, czyli kąt załamania ma ujemną wartość (patrz diagram).

•

Efekt Dopplera

 

  jest odwrócony (światło ze źródła poruszającego się w kierunku 

obserwatora ma obniżoną częstotliwość)

•

Promieniowanie Czerenkowa

 

  jest wysyłane w przeciwną stronę niż poruszający się 

obiekt.

•

Prędkość grupowa

 

  fali ma zwrot przeciwny do 

prędkości fazowej

.

•

Światło ma tym większą 

długość fali

 im wyższą 

częstotliwość

 (odwrotnie niż w 

zwykłych materiałach).

39. Metody wytwarzania materiałów o ujemnym współczynniku załamania światła

Kombinacja elementów wykazujących ujemną przenikalność magnetyczną

oraz ujemną przenikalność elektryczną (np. proste metalowe druty ułożone

w strukturę sześciennej sieci), prowadzi do osiągnięcia ujemnego współczynnika

załamania. Takie proste metamateriały wykazywały go dla zasięgu mikrofalowego

Projekt odpowiedni dla zakresu widma widzialnego polega na zastosowaniu

pary rurek (zwanych „cut-wires”), bądź też metalowych pasków, oddzielonych przestrzenią 
dielektryczną. Zaproponowany projekt, całkiem różny od poprzednich, nazwano strukturą 
‘sieci rybnej’ - „fishnet”. Ta struktura to kombinacja połączeń magnetycznych prętów 
(dających μ<0) ze stałymi paskami ‘elektrycznymi’ (dającymi ε<0) w szerokim zakresie 
widma elektromagnetycznego.

•

Metody otrzymywania metamateriałow 2D

I STANDARDOWA METODA – litografia wiązek elektronowych (electron– beam 
litography ― (EBL)). W metodzie tej wykorzystuje się wiązki elektronowe, które padają

na wybraną powierzchnię. Szerokość wiązek jest rzędu nanometrów, co pozwala

uznać tę metodą za technologię nanoskopową. EBL to seryjny proces, w którym wiązka

elektronowa skanuje powierzchnię próbki.

II Metoda FIB (focused-ion beam milling)

Metoda ta pozwala otrzymywać powierzchnie amorficzne w wyniku

wstrzykiwania atomów galu na głębokość co najwyżej kilku nanometrów, bądź

bombardowania wybranej powierzchni wiązką jonów. Bombardowanie stosowane jest

tu jako narzędzie mikro-obrabiające, gdyż modyfikuje albo obrabia materiały w skali

mikro lub nano.

III Litografia interferencyjna

Tego typu technika wytwarzania opiera się na superpozycji dwóch lub więcej

koherentnych wiązek optycznych formujących próbkę fali stojącej. IL to najlepsza technika 
projektowania oraz produkcji 2D optycznych materiałów o ujemnym współczynniku 
załamania. Technika ta charakteryzuje się niewielkimi rozmiarami wytwarzanych próbek, nie 
wymaga drogiego sprzętu i może zapewnić próbce powierzchnie osiągające wymiary 
centymetrów kwadratowych. Zapewnia prostotę oraz wysoką jakość otrzymywania 
pojedynczych warstw metamateriału, może tym samym nakierować przyszłe badania na 
(poczynając od układanych w stos warstw 2D) wytworzenie struktury 3D.

IV Litografia ‘NANOODCISKOWA’

NIL realizuje transfer próbek przez mechaniczne zniekształcenia oparte na znakowaniu, 
rzadziej na reakcjach foto- lub elektro- indukowania, na których opiera się większość obecnie 
wykonywanych metod litograficznych. Tego typu rozwiązanie techniczne nie jest ograniczane 
długością fali emitowanej przez źródło światła, a niewielkie parametry osiąga się stosując 
produkcję znakowania.

•

Metody otrzymywania metamateriałow 3D

I Otrzymywanie struktur wielowarstwowych

II Technika fotopolimeryzacji dwu-fotonowej (TTP)

Techniki tej dość często używano przez ostatnie kilka lat do wytwarzaniu 3D

próbek metamateriałów, ponieważ jest znacznie szybsza od standardowej,

polegającej na użyciu pojedynczej wiązki światła laserowego do obróbki matrycy

polimerowej i nadaje się do implementacji do produkcji układów o wysokim stopniu

integracji. Technika ta wykorzystuje nieliniowy wielofotonowy proces obróbki

do polimeryzacji materiału.

III Otrzymywanie złożonych struktur 3D

Nanostruktury typu metal-dielektryk można wytworzyć dzisiaj różnymi

technologiami. Znaczną uwagę skupiły na sobie ostatnio dwie metody: nadruki

za pomocą wiązek elektronowych (EBW) oraz chemiczne osadzanie

zogniskowanych wiązek jonowych (FIB-CVD). Metody te pozwalają

otrzymywać 3D struktury, których nie można uzyskać przy zastosowaniu

dotychczasowych tradycyjnych technik, jak metody optyczne i litograficzne.

40. zastosowanie metamateriałów

- pierwsze supersoczewki dla mikrofal, zbudowane z materiałów o ujemnym współczynniku 
załamania skonstruowano w 2004 r. Pozwalały one uzyskać rozdzielczość trzykrotnie 
mniejszą od długości fali. W kwietniu 2005 przy pomocy innej metody ,opartej o 
powierzchniowe plazmony, skonstruowano analogiczne supersoczewki dla światła 
widzialnego.

-W 2006 roku opisano jak za pomocą metamateriałów można uzyskać optyczną 
niewidzialność. Przy pomocy odpowiednich metamateriałów fala elektromagnetyczna może 
zostać zakrzywiana tak żeby ominąć otaczany obiekt i wrócić na dotychczasowy tor.Układ 
taki zrealizowano dla mikrofal. W 2007 roku zaprezentowano materiał o ujemnym 
współczynniku załamania dla światła widzialnego. Do 2008 roku wszystkie tego typu 
struktury działały jedynie dla jednej, wybranej częstotliwości fal elektromagentycznych. W 
2009 roku zaprezentowano pierwszą strukturę, która umożliwia ukrycie obiektu przed 
szerokim zakresem częstotliwości.