Transcript W l
מבוא לאלקטרו-אופטיקה
פרק - 8ניחות
Infrared System Engineering, Richard D. Hudson
1
2
3
4
סיבות לניחות
חוק בר-למברט
הסקלה ההנדסית )(dB
ניחות באטמוספרה
4.1בליעה
4.2פיזור
5
ניחות בסיבים אופטיים
בליעה
שיעורי בית
פיזור
6
1
אופטיקה אטמוספרית
מבוא לאלקטרואופטיקה
עבירות
)(cשכנר
1סיבות לניחות
הקשר בין בליעה והעברה
It
נתייחס ל:
I0
= T
Ia
I0
= A
Ir
I0
= R
• קרינה היוצאת מהמקור ,אוA(l) + T(l) = 1
• נתעלם מהקרינה המוחזרת
)A(l) = 1 - T(l
I0מדומה .בהזנחת החזרה
2
מבוא לאלקטרואופטיקה
עבירות
)(cשכנר
בפקטרוסקופיה זיהינו את החומרים .ניתן גם לכמת
- 1בליעה
גורמים לניחות:
+Z
- 2פיזור :הסטה מהכיוון המקורי
3
מבוא לאלקטרואופטיקה
עבירות
)(cשכנר
גורמים לניחות:
בליעה פיזור
קרינה נפלטת
ומפוזרת
נשאר
בתווך
IT,L
IT,L = 80 W/ cm2
I0
c1
I0 = 100 W/cm2
קרינה נפלטת
ומפוזרת
לקרינה מפוזרת נפלטת כיוון אקראי השונה מהכיוון של הקרינה הפוגעת
4
מבוא לאלקטרואופטיקה
עבירות
)(cשכנר
חוק בר-למברט
2
תלות הניחות בדרך
IT,L
I0
c1
IT,L = 80 W/ cm2
I0 = 100 W/cm2
L
IT,2L
? = IT,2L
c1
c1
100 W/cm2
L
5
I0
מבוא לאלקטרואופטיקה
L
עבירות
)(cשכנר
dI =
- aLI
dL
לדרךBeer-Lambert חוק
dI =
- aLdL
I
L = 1 cm -נניח ש
IL = I0 e-aLL
80 = 100 e-aL1 0.8 = e-aL1
lan(0.8) = -aL = - 0.2231 cm-1
x = 100
(שכנרc)
e-aL2
עבירות
= 100 e-(0.2231)2 = 64
מבוא לאלקטרואופטיקה
6
תלות הבליעה בריכוז
IT,c
IT,c = 80 W/ cm2
I0
c1
W/cm2
I0 = 100
L
IT,2c
c2 = 2 c1
? = IT,2c
I0
100 W/cm2
L
7
מבוא לאלקטרואופטיקה
עבירות
)(cשכנר
Beer-Lambert חוק לריכוז
dI =
a
I
c
dc
dI
= - acdc
I
Ic = I0 e-acc
c1 = 1 g/cm3 -נניח ש
80 = 100 e-acc 0.8 = e-ac1
lan(0.8) = -ac1 = - 0.2231 cm3/g
(שכנרc)
עבירות
מבוא לאלקטרואופטיקה
8
תרגיל :בספקטרומטר ,עבור אורך גל שבו
חומר מסוים בולע ,מודדים:
מטרת
המדידה
,cריכוז בתא
המדידה
][g/liter
אות
[]V
כיול
המערכת
0
6
מדידת ac
1
5
מדידת ריכוז
הנעלם
x
4
9
מבוא לאלקטרואופטיקה
עבירות
)(cשכנר
Ic = I0 e-acc
המשך לתרגיל
מתוך השורה הראשונה של הטבלה מקבלים את I0
6V = I0 e-ac0
6V = I0
מתוך השורה השניה של הטבלה מקבלים את -ac
-a
e c
-a
1
c
e
= 5/6
5V = 6
ln (0.833) = -0.1823 = -ac
ac = 0.1823 liter/g
10
מבוא לאלקטרואופטיקה
עבירות
)(cשכנר
Ic = I0 e-acc
המשך לתרגיל
ac = 0.182 liter/g
4 = 6 e-0.182 x
x
ln(0.667) = - 0.182
x = 2.2 g/l
6V = I0
,cריכוז בתא
המדידה
][g/liter
אות
[]V
0
1
x
6
5
4
האם זה הגיוני ?
אות הנעלם קטן מאות הכיול
ריכוז הנעלם גבוה מהכיול
11
מבוא לאלקטרואופטיקה
עבירות
)(cשכנר
(dB) הסקלה ההנדסית
T=
It
Ii
=
Attenuation =
Pout
Pin
1
T
Pin
Pout
(Attenuation)dB = 10 x log
(Attenuation) dB/Km =
(שכנרc)
הסקלה
ההנדסית
dB- ה,לניחות
= e-aLL
=
עבירות
3
Pin
= 10 log (eaLL)
Pout
10 x log (eaLL)
L [Km]
מבוא לאלקטרואופטיקה
! יחידות
12
- 4ניחות באטמוספרה
עמוד 115מHudson-
http://www.coseti.org/atmosphe.htm
4.1בליעה
האטמוספרה:
תערובת דינמית של של גזים
הרכב היחסי והצפיפות משתנים עם:
13
הגובה מעל פני הים
הטמפרטורה
מזהמים
קירבה לים
מבוא לאלקטרואופטיקה
עבירות
)(cשכנר
הרכב האטמוספרה יבשה
Constituent
% by Volume IR
absorption
Nitrogen, N2
78.084
No
?
Oxygen, O2
20.946
No
?
Argon, Ar
0.934
No
Carbon Dioxide, CO2
0.032
Yes
Neon, Ne
1,82 x 10-3
No
Helium, He
5.24 x 10-4
No
Methane, CH4
2.0 x 10-4
Yes
IR-סימטריות בולעות ב-רק מולקולות א
(שכנרc)
עבירות
?מדוע אין בליעה של חנקן וחמצן
מבוא לאלקטרואופטיקה
14
התפלגות האוזון לפי הגובה
http://www-imk.fzk.de/asf/boden/
שכבת
האוזון
15
מבוא לאלקטרואופטיקה
עבירות
)(cשכנר
מים באטמוספרה
מופעים באטמוספרה בשלושת מצבי הצבירה – גז ,נוזל ,מוצק
מבחינת העבירות קובע הגודל ”“Precipitable Water
גובה המים הנוצר מאיסוף אדי המים שממסלול
האופטי ][mm Km-1
הבליעה של שכבת מים השווה לגובה של Precipitable water
גדולה בהרבה .מדוע?
It,V
1 Km
It,L>>It,V
התרחבות פסי בליעה
16
It,L
5mm
מבוא לאלקטרואופטיקה
עבירות
)(cשכנר
שלושה מושגים בלחות אטמוספרית
[H2O]s [g/m3] saturated air אוויר רווי- 1
Maximum Mass of water that a cubic meter of
air can hold. Temperature dependent
Mass of water in a
cubic meter of air
[g/m3] לחות מוחלטת- 2
[H2O]m
R.H. = ([H2O]m/[H2O]s) x 100 [%] לחות יחסית- 3
(שכנרc)
עבירות
מבוא לאלקטרואופטיקה
17
בליעה באטמוספרה
אדום-אינפרה
CO2-הריכוז של ה
10 יורד בגורם
ק"מ16 כל פעם שעולים
CO2
Symmetrical strech: no IR absoption
Antisymmetrical strech:
O C O
O
C
O
O
C
O
l = 4.256 mm
Bending, degenerate
O
C
O
l = 14.986 mm
(שכנרc)
עבירות
מבוא לאלקטרואופטיקה
18
בליעה באטמוספרה
Symmetrical strech,
l = 2.738 mm
H
H
O
Antisymmetrical strech
l = 2.663 mm
ריכוז המים יורד
בגורם עשר כל
פעם שעולים 5 Km
19
אינפרה-אדום
H
O
H2 O
H
H
H
O
מבוא לאלקטרואופטיקה
Bending,
degenerate
l = 6.270 mm
עבירות
)(cשכנר
בליעה באטמוספרה
אולטרה סגול
O
O
20
O
O3
N N
N2
מבוא לאלקטרואופטיקה
עבירות
O O
)(cשכנר
O2
Wl
העבירות האטמוספרית וקרינת השמש
http://en.wikipedia.org/wiki/Solar_radiation
Solar Energy Renewable Energy
Course Schechner
21
ק"מ מעל פני הים2 עבירות אטמוספרית עבור טווח של
17 mm precipitable water
3-5 חלון
"ה"חלונות
8-13 חלון
V
i
s
Wavelength, mm
UV
O2
N2
O3
Infrared System Engineering, Richard D. Hudson, p.115
(שכנרc)
עבירות
מבוא לאלקטרואופטיקה
22
שיעור בית חובה :תרגיל 12
הכן טבלה במכילה כל פסי הבליעה של האטמוספרה,
מ 0-עד 15מיקרון .דאג לציין :
• מולקולת הגז הבולעת
• מספר הגל
• סוג הוויברציה (?)stretch or bend
• הרמוניה
Harmony
Absorbing Stretch/
Molecule/ bend
atom
n
][cm-1
Band
]l [mm
#
1
2
N.R.
השווה עם מספרי הגל של הפרק "אוסילטור הרמוני
23
מבוא לאלקטרואופטיקה
עבירות
)(cשכנר
ק"מ מעל פני הים2 עבירות אטמוספרית עבור טווח של
Bending,
degenerate
H
O
H
H
O
l = 6.270 mm
Symmetrical
strech,
l = 2.738 mm
אחראיות של
פסי הבליעה
H
Wavelength, mm
H
Antisymmetrical strech
O
l = 2.663 mm
H
Infrared System Engineering, Richard D. Hudson, p.115
(שכנרc)
עבירות
מבוא לאלקטרואופטיקה
24
ק"מ מעל פני הים2 עבירות אטמוספרית עבור טווח של
Antisymmetrical strech:
O
C
O
l = 4.256 mm
Bending, degenerate
O
C
O
l = 14.986 mm
Wavelength, mm
Infrared System Engineering, Richard D. Hudson, p.115
(שכנרc)
עבירות
מבוא לאלקטרואופטיקה
25
4.2פיזור
פיזורים באטמוספרה Rayleigh -
חלקיק מפזר
אלומת פוטונים
בעל פולריזביליות a
R
I0
בעלי אורך גל l
d/10 ~l
)
2
מקור
קרינה
d<l
(1 cos
2
Na
2
4
lR
4
I I0 8
הפוטונים הכחולים מפוזרים יותר מהאדומים
I
26
הספק הפיזור בכיוון האלומה הוא
פי שתיים מההספק בניצב
מבוא לאלקטרואופטיקה
עבירות
)(cשכנר
פיזורים באטמוספרה Rayleigh -
d<l
הפוטונים הכחולים מפוזרים יותר מהאדומים
שמש
http://hyperphysics.phy-astr.gsu.edu/Hbase/atmos/blusky.html#c4
27
מבוא לאלקטרואופטיקה
עבירות
)(cשכנר
פיזור אטמוספרי של Mie
d>l
לא תלוי בl-
עננים ,ערפל
28
מבוא לאלקטרואופטיקה
חלב
עבירות
שלג
)(cשכנר
השוואה בין פיזורי Rayleighלבין פיזורי Mie
שמש
29
מבוא לאלקטרואופטיקה
עבירות
)(cשכנר
ניחות בסיבים אופטיים
5
גורמים לניחות פנימית בסיבים אופטיים
( O – Siהרמוניה)
- 1וויברציה של הקשר
l = (9.0/3) mm
- 2וויברציה של הקשר ( OHהרמוניה)
l = (2.738/2) mm
– 3פיזור Rayleigh
30
שינויים קטנים
בצפיפות של הזכוכית
מבוא לאלקטרואופטיקה
עבירות
)(cשכנר
ניחות טיפוסית של סיב אופטי (סיליקה)
Wilson p. 396
- 2וויברציה של הקשר OH
- 1וויברציה
של הקשר
O – Si
l = (2.738/2) mm
lfundamental/3 = 3 mm
– 3פיזור
Rayleigh
I
III
1530-1620 nm
31
II
– 1200
1320 nm
מבוא לאלקטרואופטיקה
עבירות
– 820
880 nm
)(cשכנר
משותף לעבירות בסיב ובאטמוספרה
בליעה של הקשר
O-H
Strech
l = 2.738 mm
OH
3640
3610
בסיב ,מוסתרת ע"י ההרמוניה השניה
של הקשר Si-O
ההרמוניה הראשונה
של הקשר OH
32
מבוא לאלקטרואופטיקה
l = 1.369 mm
עבירות
)(cשכנר
פיזורי Raileigh
תופעה אוניברסלית :בכל תווך יש פיזורי רליי
בכל תווך
CR
]-1
[m
l4
= aR
בסיב אופטי
]CR =1.895 x 10-28 [m3
מקדם Raileigh
הבלתי-תלוי במקדם השבירה
CR = C ’R n 8
33
מבוא לאלקטרואופטיקה
עבירות
)(cשכנר
CR
]-1
[m
l4
תרגיל
= aR
]CR =1.895 x 10-28 [m3
חשב את הניחות בגלל פיזורי Rayleighבאורך גל
l = 0.63 mm
והשווה עם התוצאות של הגרף המופיע ב-
Wilson and Hawkes
)10 x log (eaRL
]L [Km
34
= (Attenuation)R dB/Km
4 = (0.63 x 10-6)4 = 1575 x 10-28
l
)(cשכנר
עבירות
מבוא לאלקטרואופטיקה
aR =
aR,m=
CR
l4
המשך תרגיל
[m-1]
l4 = (0.63 x 10-6)4 = 0.1575 x 10-24
1.895 x 10-28
0.1575 x 10-24
=1.2 x 10-3 [m-1]
aR,Km= 1.2 [Km-1]
(Attenuation)R dB/Km =
eaR = e1.2 = 3.32
(שכנרc)
10 x log (eaRL)
L [Km]
= 5.2
10 log(3.32) = 5.2
עבירות
מבוא לאלקטרואופטיקה
35
תרגיל 5
בקו תקשורת של סיב אופטי מורכב סיב מסוג כלשהו.
בדוגמה של הסיב שאורכה 1מטר מורכב משדר.
בקצה השני נמדדו בעזרת גלאי .5 Vבדוגמה נוספת
של הסיב ,שאורכה 1ק"מ ,נמדד אות של .4V
הרעש הפנימי של מערכת הגלאי (כשהוא נמדד
בוולטים) הוא . 5 mVבקו השתמשו באותו הגלאי
ובאותו המשדר .הנח ש:-
ההרכב הכימי של הסיב אינו משתנה עם הטווח
תופעות הנפיצה (פיזור קרומטי) זניחות
חשב את הטווח המרבי שניתן להגיע בעזרת הסיב עם
רוצים לעבוד ביחס אות\רעש
S/N = 8
36
מבוא לאלקטרואופטיקה
עבירות
)(cשכנר
פתרון לתרגיל 5
שלב ראשון :מציאת a
lan 0.8 = - a
a = 0.223 Km-1
e-a
IL = I0 e-aLL 4 = 5 e-a1
= 4/5
שלב שני :מציאת האות בטווח המרבי
SLmax = 40 mV
S/N = 8
N = 5 mV
שלב שלישי :מציאת הטווח המרבי
)40x10-3 = 5 e-0.223(Lmax
)ln 0.008 = -0.233 (Lmax
Lmax = 21.6 Km
37
מבוא לאלקטרואופטיקה
עבירות
)(cשכנר
חשב את מספר הפוטונים העשויים להיות בתוך bitשל מידע המועבר
בסיב אופטי .הנח ש:
• השידור של ה bit-נמשך 2 ns
• ההספק של הלייזר הוא 1 mW
• לכל הפוטונים אותו אורך גל 1.55 mm
• הניחות של הסיב היא 15 dB/Km
תרגיל
9
חשב את מספר הפוטונים ברגע השידור וכאשר הפולס עבר .12 Km
P
t
שלב א' :חישוב האנרגיה של הפולס בeV-
Epulse = P Dt = 1 mW x 2 ns = 2 x 10-12 J = 1.25 x 107 eV
שלב ב' :חישוב האנרגיה של הפוטון הבודד
Ephoton = hn = hc/l = 1.227x10-6/1.55x 10-6 = 0.79 eV
38
מבוא לאלקטרואופטיקה
עבירות
)(cשכנר
המשך תרגיל 9
שלב ג' :חישוב מספר הפוטונים בפולס התחלתי
nphoton,0 = Epulse/Ephoton = 1.25x107 / 0.79 = 1.58 x 107 photons
שלב ד':
חישוב
aL
)10 x log10 (eaLL
]L [Km
עבור 1 Km
= (Attenuation) dB/Km
)15 dB/Km = 10 x log10 (eaL
aL = 3.45 Km-1
)15/10 = log10 (eaL
שלב ה' :חישוב מספר הפוטונים אחרי 12ק"מ
)nphoton,12 Km = nphoton,0 exp(-aLL)= 1.58x107 exp(-3.45x12
= 1.58x107 x 1.5x10-18 = 2.43 x10-11 photons
לא מגיעים פוטונים לטווח של 12ק"מ
39
מבוא לאלקטרואופטיקה
עבירות
)(cשכנר
אפקט החממה
אופטיקה אטמוספרית
קרינת השמש
T = 5900 0K
קרינת השמש
קרינת כדור
הארץ
l, mm
קרינת כה"א
)T = 300 0K (Albedo
Wl
14.99
9.66
4.25
0.5
פסי בליעה של הCO2-
חלק מהחום הנצבר על פני כדור הארץ לא משודר לחלל
40
מבוא לאלקטרואופטיקה
עבירות
)(cשכנר
אופטיקה אטמוספרית
בעיית האוזון
UV light + O2 --> O + O
290-320 nanometers
2O + 2O2 --> 2O3
radicals
·CCl2F · + Cl
)CCl3F + hn(UV
ClO + O2
Cl· + O3
·ClO Cl·+ O
הרדיקל ממשיך להרוס
מולקולות של אוזון
41
מבוא לאלקטרואופטיקה
עבירות
)(cשכנר
תופעת
Raman
אבל,
הקרינה המפוזרת לפי Rayleighהיא תוצאה
של התנגשות אלסטית .לקרינה המפוזרת יש
אותו תדירות כמו לקרינה הפוגעת.
nIncident = nRayleigh
פוטון אחד מתוך 107נפלט עם אורך גל שונה מזה
של הפוטון הפוגע .מתוכם ,לפוטונים אחדים יש יותר
אנרגיה ולאחרים יש פחות אנרגיה
nRaman = nRayleigh ± Dn
I
פיזור Rayleigh
DE
n, hn, cm-142
מבוא לאלקטרואופטיקה
עבירות
)(cשכנר
קווי Stokes
פיזור Rayleigh
קווי Anti-Stokes
I
DE
DE
n, hn, cm-1
יש התנגשות בין הפוטון והחומר .ב 107 -מההתנגשויות יש
הסטה של הפוטון בלבד ,הוא ממשיך עם אותה האנרגיה.
ב 1-מתוך 10מיליון התנגשויות ,הפוטון והחלקיק
מעבירים אנרגיהDE ,
DEתלוי בחומר המפזר DE .שווה בשני הכיוונים
היחס הוא פונקציה של
הטמפרטורה לפי בולצמן
43
)= a exp( ΔE/kT
מבוא לאלקטרואופטיקה
עבירות
I Stokes
I A nti Stokes
)(cשכנר
ההסבר
במקורות מציינים שבעקבות ההתנגשות
התיאורתי
האלקטרון עולה לרמה "ווירטואלית"
לדעתי אין צורך בהגדרות חדשות.
משוואת Schrödingerמתיר קיום של "אורביטלה"
(הסתברות גבוהה להמצאות אלקטרון) במרחקים
מוגדרים מהגרעין/נים.
הפוטון נבלע תוך העלאת האלקטרון לרמה מאוד גובה,
אבל נשאר תחת ההשפעה של שדה הגרעין.
האלקטרון נשאר זמן קצר ביותר באחת מהרמות
המוגדרות ע"י המכניקה הקוונטית
כמעט עקירה
ברוב המקרים האלקטרון חוזר לרמה המקורית.
פליטה באותה תדירות לכל כיוון .זה הפיזור של Rayleigh
44
מבוא לאלקטרואופטיקה
עבירות
)(cשכנר
Ev>> i
≈
Ev= i + 1
Ev=i
Ev=i - 1
Raileigh
Stokes
Anti-stokes
time
(שכנרc)
עבירות
מבוא לאלקטרואופטיקה
45
תיאור המערכת
קרן לייזר
l1
דוגמה
l1 = lRayleigh
lRaman
מסנן לסלק l1
מכלולל נפיצה – dispersive
46
מבוא לאלקטרואופטיקה
עבירות
)(cשכנר
- 1התופעה חלשה מאוד ביחס לפיזורי ריילאי
חייבים במקור קרינה חזק מאוד
– 2חייבים להשתמש במקור אור עם Dlמאוד צר
לכן ,כמקור אור משתמשים בלייזר
מפעילים גלאי לקרינה הניצבת לכיוון הקרן,
על מנת לקלוט קרינה מפוזרת
חשוב:
קשרים מולקולריים שלא בולעים באינפרא-אדום,
כי אין בהן דיפול מובנה ,פעילים בRaman -
47
מבוא לאלקטרואופטיקה
עבירות
)(cשכנר
החזרה ,בליעה ומקדם שבירה של מים בIR-
מתוך
Wolfe and Zissis, The Infra-Red Handbook, pp. 3105
לאיזה אורך הגל יש
מהירות מרבית בתחום ?
איזה עבירות יש לקרינה
בעלת אורך הגל האיטי ביותר?
48
מבוא לאלקטרואופטיקה
עבירות
)(cשכנר
מדידות
מחושב לפי החזרי פרנל
למים פסי בליעה
49
מבוא לאלקטרואופטיקה
עבירות
)(cשכנר
)n(l
http://www.coseti.org/atmosphe.htm
איזה מולקולה בולעת?
סוג התנודה?
מולקולה ?
התנודה?
50
מבוא לאלקטרואופטיקה
עבירות
)(cשכנר