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