Auf dem Gebiet der Optik Transparenz (auch als Pellucidity oder Diaphaneität bezeichnet) ist die physikalische Eigenschaft, Licht durch das Material streuen zu lassen, ohne gestreut zu werden . Auf einer makroskopischen Skala (einer, bei der die untersuchten Dimensionen viel größer sind als die Wellenlänge der fraglichen Photonen), kann gesagt werden, dass die Photonen dem Snellschen Gesetz folgen. Translucency (auch transluzence oder transluzidity ) ist eine Obermenge der Transparenz: sie lässt Licht durch, ist aber nicht notwendigerweise auf der makroskopischen Skala ) folge dem Gesetz von Snell; Die Photonen können an einer der beiden Grenzflächen gestreut werden oder intern, wenn sich der Brechungsindex ändert. Mit anderen Worten erlaubt ein durchscheinendes Medium den Transport von Licht, während ein transparentes Medium nicht nur den Transport von Licht erlaubt, sondern auch die Bilderzeugung ermöglicht. Transparente Materialien erscheinen klar, wobei das Gesamtbild einer Farbe oder einer beliebigen Kombination zu einem brillanten Spektrum jeder Farbe führt. Die entgegengesetzte Eigenschaft von Transluzenz ist Opazität.
Wenn Licht auf ein Material trifft, kann es auf verschiedene Arten mit ihm interagieren. Diese Wechselwirkungen hängen von der Wellenlänge des Lichts und der Art des Materials ab. Photonen interagieren mit einem Objekt durch eine Kombination aus Reflexion, Absorption und Transmission. Einige Materialien, wie z. B. Glasscheiben und sauberes Wasser, lassen einen Großteil des Lichts durch, das auf sie fällt, und reflektieren wenig davon. Solche Materialien werden als optisch transparent bezeichnet. Viele Flüssigkeiten und wässrige Lösungen sind hochtransparent. Fehlende strukturelle Defekte (Hohlräume, Risse usw.) und molekulare Struktur der meisten Flüssigkeiten sind meist für eine hervorragende optische Übertragung verantwortlich.
Materialien, die kein Licht durchlassen, werden als opak bezeichnet. Viele dieser Substanzen haben eine chemische Zusammensetzung, die sogenannte Absorptionszentren umfasst. Viele Substanzen absorbieren selektiv weiße Frequenzen. Sie absorbieren bestimmte Bereiche des sichtbaren Spektrums und reflektieren andere. Die Frequenzen des Spektrums, die nicht absorbiert werden, werden entweder reflektiert oder für unsere physische Beobachtung übertragen. So entsteht Farbe. Die Abschwächung des Lichts aller Frequenzen und Wellenlängen beruht auf den kombinierten Mechanismen von Absorption und Streuung. [1]
Transparenz kann Tieren, die dies erreichen können, eine nahezu perfekte Tarnung bieten. Dies ist bei schwach beleuchtetem oder trübem Meerwasser einfacher als bei guter Beleuchtung. Viele Meerestiere wie Quallen sind hochtransparent.
Vergleiche von 1. Opazität, 2. Transluzenz und 3. Transparenz; Hinter jedem Panel steht ein Stern.
Einleitung [ edit ]
Im Hinblick auf die Absorption von Licht gehören zu den wichtigsten Überlegungen:
Auf elektronischer Ebene hängt die Absorption im ultravioletten und sichtbaren Bereich (UV-Vis) des Spektrums davon ab, ob die Elektronenorbitale so beabstandet (oder "quantisiert") sind, dass sie ein Lichtquant (oder ein Photon) absorbieren können. einer bestimmten Frequenz und verstößt nicht gegen Auswahlregeln. Zum Beispiel haben Elektronen in den meisten Gläsern keine verfügbaren Energieniveaus in einem Bereich, der dem sichtbaren Licht entspricht, oder wenn dies der Fall ist, verstoßen sie gegen die Auswahlregeln, was bedeutet, dass in reinen (undotierten) Gläsern keine nennenswerte Absorption auftritt, was sie ideal macht transparente Materialien für Fenster in Gebäuden.
Auf atomarer oder molekularer Ebene hängt die physikalische Absorption im infraroten Teil des Spektrums von den Frequenzen atomarer oder molekularer Schwingungen oder chemischer Bindungen sowie von Auswahlregeln ab. Stickstoff und Sauerstoff sind keine Treibhausgase, weil es keine Absorption gibt, sondern weil es kein molekulares Dipolmoment gibt.
In Bezug auf die Streuung von Licht ist der kritischste Faktor die Längenskala eines oder aller dieser Strukturmerkmale auf die Wellenlänge des Lichts, das gestreut wird. Zu den wichtigsten Überlegungen zum Material gehören
Kristalline Struktur: Unabhängig davon, ob die Atome oder Moleküle die 'Fernordnung' aufweisen, die in kristallinen Festkörpern nachgewiesen werden kann.
Glasartige Struktur: Streuzentren umfassen Schwankungen in der Dichte oder Zusammensetzung.
Mikrostruktur: Streuzentren umfassen interne Oberflächen wie Korngrenzen, kristallographische Defekte und mikroskopische Poren.
Organische Materialien: Streuzentren umfassen Faser- und Zellstrukturen und -grenzen.
Lichtstreuung in Festkörpern [ [19599018] Allgemeiner Mechanismus der diffusen Reflexion
Diffuse Reflexion - Wenn Licht auf die Oberfläche eines (nichtmetallischen und nicht glasartigen) Festkörpers trifft, prallt es im Allgemeinen aufgrund von Mehrfachreflexionen durch mikroskopische Unregelmäßigkeiten in alle Richtungen ab. im Inneren das Material (z. B. die Korngrenzen eines polykristallinen Materials oder die Zell- oder Fasergrenzen eines organischen Materials) und an seiner Oberfläche, falls vorhanden ist grob. Diffuse Reflexion ist typischerweise durch omnidirektionale Reflexionswinkel gekennzeichnet. Die meisten mit bloßem Auge sichtbaren Objekte werden durch diffuse Reflexion identifiziert. Ein anderer Begriff, der üblicherweise für diese Art der Reflexion verwendet wird, ist "Lichtstreuung". Lichtstreuung von der Oberfläche von Objekten ist unser primärer Mechanismus der physikalischen Beobachtung. [2] [3]
Die Lichtstreuung in Flüssigkeiten und Festkörpern hängt von der Wellenlänge des Lichts ab verstreut. Abhängig von der Frequenz der Lichtwelle und der physikalischen Dimension (oder räumlichen Skala) des Streuzentrums ergeben sich daher Grenzen für die Sichtbarkeit der Raumskala (mit weißem Licht). Sichtbares Licht hat eine Wellenlängenskala in der Größenordnung von einem halben Mikrometer (einem Millionstel eines Meters). Streuzentren (oder Partikel) mit einer Größe von einem Mikrometer wurden direkt im Lichtmikroskop beobachtet (z. B. Brownsche Bewegung). [4][5]
Transparente Keramik [
. Optische Transparenz in Polykristallin Materialien sind durch die Lichtmenge begrenzt, die durch ihre mikrostrukturellen Merkmale gestreut wird. Die Lichtstreuung hängt von der Wellenlänge des Lichts ab. Abhängig von der Frequenz der Lichtwelle und der physikalischen Dimension des Streuzentrums ergeben sich daher Grenzen der räumlichen Sichtbarkeit (mit weißem Licht). Da sichtbares Licht beispielsweise eine Wellenlängenskala in der Größenordnung von Mikrometern hat, haben Streuzentren Abmessungen auf einer ähnlichen räumlichen Skala. Primärstreuzentren in polykristallinen Materialien umfassen mikrostrukturelle Defekte wie Poren und Korngrenzen. Neben den Poren haben die meisten Grenzflächen in einem typischen Metall- oder Keramikobjekt die Form von Korngrenzen, durch die winzige Bereiche mit kristalliner Ordnung voneinander getrennt werden. Wenn die Größe des Streuzentrums (oder der Korngrenze) unter die Größe der Wellenlänge des gestreuten Lichts verringert wird, tritt die Streuung nicht mehr in nennenswertem Ausmaß auf.
Bei der Bildung von polykristallinen Materialien (Metalle und Keramiken) wird die Größe der kristallinen Körner weitgehend durch die Größe der im Rohmaterial vorhandenen kristallinen Partikel während der Bildung (oder beim Pressen) des Objekts bestimmt. Darüber hinaus skaliert die Größe der Korngrenzen direkt mit der Teilchengröße. Eine Verringerung der ursprünglichen Teilchengröße weit unterhalb der Wellenlänge des sichtbaren Lichts (etwa 1/15 der Lichtwellenlänge oder etwa 600/15 = 40 Nanometer) beseitigt daher viel Lichtstreuung, was zu einem durchscheinenden oder sogar transparenten Material führt.
Die Computermodellierung der Lichtdurchlässigkeit durch durchscheinendes keramisches Aluminiumoxid hat gezeigt, dass in der Nähe von Korngrenzen eingeschlossene mikroskopische Poren als primäre Streuzentren wirken. Der Volumenanteil der Porosität musste für eine qualitativ hochwertige optische Übertragung (99,99 Prozent der theoretischen Dichte) auf unter 1% gesenkt werden. Dieses Ziel wurde in Laboratorien und Forschungseinrichtungen auf der ganzen Welt mit den aufkommenden chemischen Verarbeitungsmethoden der Sol-Gel-Chemie und der Nanotechnologie leicht erreicht und demonstriert. [6]
Transluzenz eines Materials zur Hervorhebung der Struktur eines fotografischen Motivs
Transparente Keramiken haben Interesse an ihren Anwendungen für Hochenergielaser, transparente Panzerfenster, Nasenkegel für hitzesuchende Flugkörper, Strahlungsdetektoren für zerstörungsfreie Prüfungen, Hochenergiephysik, Weltraumforschung, Sicherheit und medizinische Bildgebungsverfahren gefunden. Große Laserelemente aus transparenten Keramiken können mit relativ geringen Kosten hergestellt werden. Diese Komponenten sind frei von inneren Spannungen oder intrinsischen Doppelbrechungen und ermöglichen relativ große Dotierungsgrade oder optimierte, individuell gestaltete Dotierungsprofile. Dies macht keramische Laserelemente besonders wichtig für Hochenergielaser.
Die Entwicklung von transparenten Plattenprodukten wird weitere potenzielle fortgeschrittene Anwendungen beinhalten, einschließlich hochfester, schlagfester Materialien, die für Haushaltsfenster und Oberlichter verwendet werden können. Wichtiger ist vielleicht, dass Wände und andere Anwendungen eine verbesserte Gesamtfestigkeit aufweisen, insbesondere bei stark scherenden Bedingungen, die bei starker Erdbeben- und Windeinwirkung auftreten. Wenn sich die erwarteten Verbesserungen der mechanischen Eigenschaften bewähren, könnten die traditionellen Grenzen, die in heutigen Bauvorschriften für Verglasungsbereiche gelten, schnell überholt sein, wenn der Fensterbereich tatsächlich zur Scherfestigkeit der Wand beiträgt.
Derzeit verfügbare infrarotdurchlässige Materialien weisen typischerweise einen Kompromiss zwischen optischer Leistung, mechanischer Festigkeit und Preis auf. Zum Beispiel ist Saphir (kristallines Aluminiumoxid) sehr stark, aber es ist teuer und es mangelt ihm an Transparenz im gesamten mittleren Infrarotbereich von 3 bis 5 Mikrometern. Yttria ist von 3 bis 5 Mikrometern vollständig transparent, es fehlt jedoch an Festigkeit, Härte und Temperaturwechselbeständigkeit für Hochleistungsanwendungen in der Luft- und Raumfahrt. Es überrascht nicht, dass eine Kombination dieser beiden Materialien in Form des Yttrium-Aluminium-Granats (YAG) zu den Top-Leistungsträgern auf diesem Gebiet zählt.
Absorption von Licht in Festkörpern [ edit ]
Wenn Licht auf ein Objekt fällt, hat es normalerweise nicht nur eine einzige Frequenz (oder Wellenlänge), sondern viele. Objekte neigen dazu, Licht bestimmter Frequenzen selektiv zu absorbieren, zu reflektieren oder durchzulassen. Das heißt, ein Objekt reflektiert möglicherweise grünes Licht, während alle anderen Frequenzen des sichtbaren Lichts absorbiert werden. Ein anderes Objekt kann selektiv blaues Licht durchlassen und dabei alle anderen Frequenzen des sichtbaren Lichts absorbieren. Die Art und Weise, in der sichtbares Licht mit einem Objekt interagiert, hängt von der Lichtfrequenz, der Natur der Atome im Objekt und häufig von der Art der Elektronen in den Atomen des Objekts ab.
Bei einigen Materialien kann ein Großteil des auf sie fallenden Lichts durch das Material geleitet werden, ohne reflektiert zu werden. Materialien, die die Übertragung von Lichtwellen ermöglichen, werden als optisch transparent bezeichnet. Chemisch reine (undotierte) Fensterscheiben und sauberes Fluss- oder Quellwasser sind hierfür beste Beispiele.
Materialien, die keine Übertragung von Lichtwellenfrequenzen zulassen, werden als undurchsichtig bezeichnet. Solche Substanzen können eine chemische Zusammensetzung haben, die sogenannte Absorptionszentren umfasst. Die meisten Materialien bestehen aus Materialien, die bei der Absorption von Lichtfrequenzen selektiv sind. Sie absorbieren also nur bestimmte Bereiche des sichtbaren Spektrums. Die Frequenzen des Spektrums, die nicht absorbiert werden, werden entweder reflektiert oder für unsere physische Beobachtung übertragen. Im sichtbaren Teil des Spektrums entsteht dadurch Farbe. [7] [8]
Absorptionszentren sind weitgehend für das Auftreten bestimmter Wellenlängen von sichtbarem verantwortlich Licht um uns herum. Wechsel von längeren (0,7 Mikrometer) zu kürzeren (0,4 Mikrometer) Wellenlängen: Rot, Orange, Gelb, Grün und Blau (ROYGB) können alle durch die selektive Absorption bestimmter Lichtwellenfrequenzen (oder Wellenlängen). Mechanismen der selektiven Lichtwellenabsorption umfassen:
Elektronisch: Übergänge der Elektronenenergieniveaus innerhalb des Atoms (z. B. Pigmente). Diese Übergänge liegen typischerweise im ultravioletten (UV) und / oder sichtbaren Teil des Spektrums.
Schwingung: Resonanz in atomaren / molekularen Schwingungsmoden. Diese Übergänge befinden sich typischerweise im Infrarotbereich des Spektrums.
UV-Vis: Elektronische Übergänge [ edit
Bei der elektronischen Absorption liegt die Frequenz der einfallenden Lichtwelle bei oder in der Nähe der Energieniveaus der Elektronen in den Atomen, aus denen die Substanz besteht. In diesem Fall absorbieren die Elektronen die Energie der Lichtwelle und erhöhen ihren Energiezustand, wobei sie sich häufig vom Kern des Atoms in eine äußere Hülle oder ein Orbital bewegen.
Die Atome, die sich zu Molekülen einer bestimmten Substanz verbinden, enthalten eine Anzahl von Elektronen (durch die Ordnungszahl Z im Periodensystem angegeben). Denken Sie daran, dass alle Lichtwellen elektromagnetischen Ursprungs sind. Sie sind daher stark betroffen, wenn sie mit negativ geladenen Elektronen in der Materie in Kontakt kommen. Wenn Photonen (einzelne Pakete von Lichtenergie) mit den Valenzelektronen von Atomen in Kontakt kommen, kann und wird eines von mehreren Dingen auftreten:
Ein Molekül absorbiert das Photon, ein Teil der Energie kann durch Lumineszenz, Fluoreszenz und Phosphoreszenz verloren gehen.
Ein Molekül absorbiert das Photon, was zur Reflexion oder Streuung führt.
Ein Molekül kann die Energie des Photons nicht absorbieren und das Photon setzt seinen Weg fort. Dies führt zu Transmission (vorausgesetzt, es sind keine anderen Absorptionsmechanismen aktiv.).
Meistens ist es eine Kombination der oben genannten, die mit dem Licht geschieht, das auf ein Objekt fällt. Die Zustände in verschiedenen Materialien variieren in dem Energiebereich, den sie aufnehmen können. Die meisten Gläser blockieren beispielsweise ultraviolettes (UV) Licht. Was passiert, ist, dass die Elektronen im Glas die Energie der Photonen im UV-Bereich absorbieren, während die schwächere Energie der Photonen im sichtbaren Lichtspektrum ignoriert wird. Es gibt aber auch spezielle Spezialglasarten, wie spezielle Borosilikatglas- oder Quarzglasarten, die UV-durchlässig sind und somit eine hohe Durchlässigkeit für ultraviolettes Licht ermöglichen.
Wenn also ein Material beleuchtet wird, können einzelne Lichtphotonen die Valenzelektronen eines Atoms auf ein höheres elektronisches Energieniveau übergehen lassen. Das Photon wird dabei zerstört und die absorbierte Strahlungsenergie in elektrische Energie umgewandelt. Der absorbierten Energie können dann mehrere Dinge passieren: Sie kann von dem Elektron als Strahlungsenergie wieder emittiert werden (in diesem Fall ist es tatsächlich eine Streuung von Licht), die an den Rest des Materials abgegeben wird (dh in Wärme umgewandelt wird) ) oder das Elektron kann vom Atom befreit werden (wie bei den photoelektrischen und Compton-Effekten).
Infrarot: Bond-Stretching [ edit ]
Normale Schwingungsmodi in einem kristallinen Festkörper
Der primäre physikalische Mechanismus zum Speichern mechanischer Bewegungsenergie in kondensierter Materie ist Wärme. oder thermische Energie. Wärmeenergie manifestiert sich als Bewegungsenergie. Wärme ist also Bewegung auf atomarer und molekularer Ebene. Die Hauptbewegungsart in kristallinen Substanzen ist die Vibration. Jedes gegebene Atom schwingt um eine mittlere oder durchschnittliche Position in einer kristallinen Struktur, umgeben von seinen nächsten Nachbarn. Diese Schwingung in zwei Dimensionen entspricht der Schwingung des Pendels einer Uhr. Es schwingt symmetrisch um eine mittlere oder mittlere (vertikale) Position hin und her. Atom- und molekulare Schwingungsfrequenzen liegen im Durchschnitt in der Größenordnung von 10 12 Zyklen pro Sekunde (Terahertz-Strahlung).
Wenn eine Lichtwelle mit einer bestimmten Frequenz auf ein Material mit Partikeln trifft, die die gleichen oder (resonanten) Vibrationsfrequenzen aufweisen, absorbieren diese Partikel die Energie der Lichtwelle und wandeln sie in thermische Energie der Vibrationsbewegung um. Da verschiedene Atome und Moleküle unterschiedliche Eigenschwingungsfrequenzen haben, absorbieren sie selektiv unterschiedliche Frequenzen (oder Teile des Spektrums) von Infrarotlicht. Reflexion und Übertragung von Lichtwellen treten auf, weil die Frequenzen der Lichtwellen nicht mit den Eigenschwingfrequenzen der Vibration der Objekte übereinstimmen. Wenn infrarotes Licht dieser Frequenzen auf ein Objekt fällt, wird die Energie reflektiert oder übertragen.
Wenn das Objekt transparent ist, werden die Lichtwellen durch die Masse des Materials zu benachbarten Atomen weitergeleitet und auf der gegenüberliegenden Seite des Objekts erneut emittiert. Es wird gesagt, dass solche Frequenzen von Lichtwellen übertragen werden. [9][10]
Transparenz in Isolatoren [ edit ]
Ein Objekt ist möglicherweise nicht transparent, weil es entweder das einfallende Licht reflektiert oder weil es das Licht absorbiert einfallendes Licht. Fast alle Festkörper reflektieren einen Teil und absorbieren einen Teil des einfallenden Lichts.
Wenn Licht auf einen Metallblock fällt, trifft es auf Atome, die fest in einem regulären Gitter gepackt sind, und auf ein "Meer aus Elektronen", das sich zufällig zwischen den Atomen bewegt. [11] Bei Metallen handelt es sich bei den meisten nicht bindenden Elektronen (oder freie Elektronen) im Gegensatz zu den Bindungselektronen, die typischerweise in kovalent gebundenen oder ionisch gebundenen nichtmetallischen (isolierenden) Festkörpern gefunden werden. In einer metallischen Bindung können potenziell bindende Elektronen durch die Atome in einer kristallinen Struktur leicht verloren gehen. Durch diese Delokalisierung wird die Wirkung des "Elektronenmeeres" einfach übertrieben. Durch diese Elektronen wird das meiste einfallende Licht in Metallen zurückgeworfen, weshalb wir eine glänzende Metalloberfläche sehen.
Die meisten Isolatoren (oder dielektrischen Materialien) werden durch ionische Bindungen zusammengehalten. Somit haben diese Materialien keine freien Leitungselektronen, und die Bindungselektronen reflektieren nur einen kleinen Bruchteil der einfallenden Welle. Die verbleibenden Frequenzen (oder Wellenlängen) können sich frei ausbreiten (oder übertragen werden). Diese Materialklasse umfasst alle Keramiken und Gläser.
Wenn ein dielektrisches Material keine lichtabsorbierenden Additivmoleküle (Pigmente, Farbstoffe, Farbstoffe) enthält, ist es normalerweise für das Spektrum des sichtbaren Lichts transparent. Farbzentren (oder Farbstoffmoleküle oder "Dotierstoffe") in einem Dielektrikum absorbieren einen Teil des einfallenden Lichts. Die verbleibenden Frequenzen (oder Wellenlängen) können frei reflektiert oder übertragen werden. So entsteht farbiges Glas.
Die meisten Flüssigkeiten und wässrigen Lösungen sind hochtransparent. Beispielsweise sind Wasser, Speiseöl, Alkohol, Luft und Erdgas klar. Das Fehlen struktureller Defekte (Hohlräume, Risse usw.) und die molekulare Struktur der meisten Flüssigkeiten sind hauptsächlich für ihre hervorragende optische Übertragung verantwortlich. Die Fähigkeit von Flüssigkeiten, innere Defekte durch viskosen Fluss "zu heilen", ist einer der Gründe, warum einige Fasermaterialien (z. B. Papier oder Stoff) ihre scheinbare Transparenz erhöhen, wenn sie benetzt werden. Die Flüssigkeit füllt zahlreiche Hohlräume aus, wodurch das Material strukturell homogener wird. Zitat benötigt
Lichtstreuung in einem idealen defektfreien kristallinen (nichtmetallischen) Feststoff, der Keine Streuzentren für einfallendes Licht werden in erster Linie auf etwaige Einflüsse von Anharmonik im geordneten Gitter zurückzuführen sein. Die Lichtdurchlässigkeit ist aufgrund der typischen Anisotropie kristalliner Substanzen, zu denen die Symmetriegruppe und das Bravais-Gitter gehören, stark gerichtet. Zum Beispiel sind die sieben verschiedenen kristallinen Formen von Quarzsilica (Siliciumdioxid, SiO 2 ) alles klare, transparente Materialien. [12]
Optische Wellenleiter [
] Ausbreitung von Licht durch eine Multimode-Glasfaser
Ein Laserstrahl, der einen Acrylstab hinunterprallt und die totale interne Reflexion von Licht in einer Multimode-Glasfaser veranschaulicht.
Optisch transparente Materialien konzentrieren sich auf die Reaktion eines Materials auf einfallendes Material Lichtwellen in einem Wellenlängenbereich. Die Übertragung geführter Lichtwellen über frequenzselektive Wellenleiter beinhaltet das aufkommende Feld der Faseroptik und die Fähigkeit bestimmter glasartiger Zusammensetzungen, als Übertragungsmedium für einen Frequenzbereich gleichzeitig zu wirken (Multimodefaser) mit geringer oder keiner Interferenz zwischen konkurrierenden Wellenlängen oder Frequenzen. Dieser resonante Modus der Energie- und Datenübertragung über die Ausbreitung elektromagnetischer (Licht) Wellen ist relativ verlustfrei.
Eine optische Faser ist ein zylindrischer dielektrischer Wellenleiter, der Licht entlang seiner Achse durch den Prozess der Totalreflexion überträgt. Die Faser besteht aus einem Kern, der von einer Mantelschicht umgeben ist. Um das optische Signal im Kern einzuschließen, muss der Brechungsindex des Kerns größer sein als der des Mantels. Der Brechungsindex ist der Parameter, der die Lichtgeschwindigkeit in einem Material widerspiegelt. (Der Brechungsindex ist das Verhältnis der Lichtgeschwindigkeit im Vakuum zur Lichtgeschwindigkeit in einem gegebenen Medium. Der Brechungsindex des Vakuums ist daher 1.) Je größer der Brechungsindex ist, desto langsamer wandert das Licht in diesem Medium. Typische Werte für den Kern und den Mantel einer optischen Faser sind 1,48 bzw. 1,46.
Wenn Licht, das sich in einem dichten Medium bewegt, steil an eine Grenze stößt, wird das Licht vollständig reflektiert. Dieser als Totalreflexion bezeichnete Effekt wird in optischen Fasern verwendet, um das Licht im Kern zu begrenzen. Das Licht läuft entlang der Faser hin und her und springt von der Grenze ab. Da das Licht mit einem Winkel, der größer als der kritische Winkel ist, auf die Grenze treffen muss, wird sich nur Licht ausbreiten, das in einem bestimmten Winkelbereich in die Faser eintritt. Dieser Winkelbereich wird als Akzeptanzkegel der Faser bezeichnet. Die Größe dieses Akzeptanzkegels ist eine Funktion der Brechungsindexdifferenz zwischen dem Kern der Faser und der Ummantelung. Optische Wellenleiter werden als Komponenten in integrierten optischen Schaltungen (z. B. in Kombination mit Lasern oder Leuchtdioden, LEDs) oder als Übertragungsmedium in optischen Kommunikations- und Fernkommunikationssystemen verwendet.
Mechanismen der Abschwächung [ edit ]
Lichtabschwächung durch ZBLAN und Silikafasern
Abschwächung in Faseroptik, auch als Übertragungsverlust bezeichnet, ist die Verringerung der Lichtintensität Strahl (oder Signal) in Bezug auf die Entfernung, die durch ein Übertragungsmedium zurückgelegt wird. Dämpfungskoeffizienten in Faseroptik verwenden aufgrund der sehr hohen Transparenzqualität moderner optischer Übertragungsmedien normalerweise Einheiten von dB / km durch das Medium. Das Medium ist normalerweise eine Faser aus Quarzglas, die den einfallenden Lichtstrahl nach innen begrenzt. Die Dämpfung ist ein wichtiger Faktor, der die Übertragung eines Signals über große Entfernungen begrenzt. In optischen Fasern ist die Hauptabschwächungsquelle die Streuung von Unregelmäßigkeiten auf molekularer Ebene (Rayleigh-Streuung) [13] aufgrund von Strukturstörungen und Zusammensetzungsschwankungen der Glasstruktur. Dasselbe Phänomen wird als einer der einschränkenden Faktoren bei der Durchlässigkeit von Kuppeln von Infrarotraketen angesehen Zitat benötigt . Eine weitere Abschwächung wird durch Licht verursacht, das durch Reststoffe wie Metalle oder Wasserionen im Faserkern und im Innenmantel absorbiert wird. Leichtes Auslaufen durch Biegung, Spleiße, Verbinder oder andere äußere Kräfte sind weitere Faktoren, die zu einer Dämpfung führen. [14][15]
Als Tarnung [ edit
. Viele Tiere der offenen See wie diese Aurelia labiata Quallen, sind weitgehend durchsichtig.
Viele in der Nähe der Oberfläche schwimmende Meerestiere sind hochtransparent und verleihen ihnen eine nahezu perfekte Tarnung. [16] Für Körper, die aus Material bestehen, ist Transparenz jedoch schwierig unterschiedliche Brechungsindizes vom Meerwasser. Einige Meerestiere wie Quallen haben gelatineartige Körper, die hauptsächlich aus Wasser bestehen. Ihre dicke Mesogloea ist azellulär und hochtransparent. Das macht sie bequem, aber sie machen auch ihre Muskelmasse groß, so dass sie nicht schnell schwimmen können, was diese Art der Tarnung zu einem kostspieligen Kompromiss mit der Mobilität macht. [16] Gelatinöse Plankton-Tiere sind zwischen 50 und 90 Prozent transparent. Eine Transparenz von 50 Prozent reicht aus, um ein Tier für ein Raubtier wie Kabeljau in einer Tiefe von 650 Metern unsichtbar zu machen. Eine bessere Transparenz ist für die Unsichtbarkeit in flachem Wasser erforderlich, wo das Licht heller ist und die Raubtiere besser sehen können. Zum Beispiel kann ein Kabeljau Beute sehen, die bei optimaler Beleuchtung in flachem Wasser zu 98 Prozent transparent ist. In tieferen Gewässern ist daher eine ausreichende Transparenz für die Tarnung leichter zu erreichen. [16] Aus demselben Grund ist die Transparenz in Luft noch schwieriger zu erreichen, aber ein partielles Beispiel findet sich im Glasfrösche des südamerikanischen Regenwaldes mit durchscheinender Haut und hellgrünen Gliedmaßen. [17] Einige mittelamerikanische Arten von Clearwing (Ithomiine) -Falterchen und viele Libellen und verwandte Insekten haben auch Flügel, die meist durchsichtig sind, eine Form der Krypsis, die meist transparent ist bietet etwas Schutz vor Raubtieren.
Siehe auch [ edit ]
Referenzen [ edit
Fox, M. (2002). Optische Eigenschaften von Festkörpern . Oxford University Press.
^ Kerker, M. (1969). Die Streuung des Lichts . Academic, New York
Mandelstam, L.I. (1926). "Lichtstreuung durch inhomogene Medien". Zh. Russ. Fiz-Khim. Ova . 58 : 381.
^ van de Hulst, H.C. (1981). Lichtstreuung durch kleine Partikel . New York: Dover. ISBN 0-486-64228-3.
^ Bohren, C.F. Huffmann, D.R. (1983). Absorption und Streuung von Licht durch kleine Partikel . New York: Wiley
^ Yamashita, I .; et al. (2008). "Transparente Keramik". J. Am. Ceram. Soc . 91 (3): 813. doi: 10.1111 / j.1551-2916.2007.02202.x
^ a b c c c c c c c c c herring, Peter (2002). Die Biologie des tiefen Ozeans . Oxford University Press. ISBN 978-0-19-854956-7. S. 190–191.
^ Naish, D. "Glasfrösche mit grünem Knochen, Affenfrösche, zahnlose Kröten". Tetrapoden-Zoologie . scienceblogs.com. Nach dem Original am 11. November 2012 archiviert . Abgerufen 14. Februar 2013 .
Weiterführende Literatur [ edit
Elektrodynamik kontinuierlicher Medien Landau, L. D., Lifshits. E. M. und Pitaevskii, L. P., (Pergamon Press, Oxford, 1984)
Laserlichtstreuung: Grundlagen und Praxis Chu, B., 2. Edn. (Academic Press, New York 1992)
Festkörperlasertechnik W. Koechner (Springer-Verlag, New York, 1999)
Einführung in die chemische Physik JC Slater (McGraw-Hill, New York, 1939)
Moderne Theorie der Körper F. Seitz, (McGraw-Hill, New York, 1940)
Moderne Aspekte des Glaskörpers State JDMacKenzie, Ed. (Butterworths, London, 1960)
No comments:
Post a Comment