1. Işının Geçişi (Transmisyon)
Işının, şeffaf bir madde içindeki ilerleme hızının
vakumdakinden daha düşük olduğu deneysel olarak gözlenmiştir. İlerleme hızı
ayrıca ortamdaki atomların, iyonların veya moleküllerin cinslerine ve
konsantrasyonlarına da bağlıdır. (Şekil-6)
Bir ortamın refraktif (kırma) indeksi onun ışın ile
etkileşiminin bir ölçüsüdür ve aşağıdaki bağıntı ile verilir. Burada, ni
i frekansındaki refraktif indeksi, vi ışının ortamdaki hızı, ve c
ışının vakumdaki hızıdır.
Transmisyona neden olan etkileşim, ışının elektrik alanının
değişmesiyle açıklanabilir. Değişen elektrik alanı, ortamda bulunan
taneciklerin bağlı elektronlarının dalgalanmalarını ve her bir taneciğin
polarize olmasını sağlar. Işının absorblanmaması koşulu ile tanecikler
polarizasyon enerjisini çok kısa bir süre (10-14–10-15
saniye) tutarlar ve değişikliğe uğratmadan tekrar çıkarırlar; tanecikler de
orijinal durumuna dönerler. Bu olayda herhangi bir enerji değişikliği
olmadığından maddeden çıkan ışının frekansı değişmez fakat ilerleme hızı,
tanecikler tarafından tutulma ve tekrar bırakılma sırasında geçen zaman
nedeniyle biraz azalır. Bu açıklamadan sonra transmisyon olayını, ara kademede
atomların, iyonların veya moleküllerin dalgalandığı basamaklı bir işlem olarak
tanımlayabiliriz.
Bir ortamda polarize olan her bir tanecikten çıkan ışının
değişik yönlerde hareket edebileceği düşünülebilir. Taneciklerin küçük olması
halinde, zıt yönlü ışınların birbirlerini yok etmesi sonucu orijinal ışık
yolunun yönünden farklı yönlerde önemli derecede bir hareket görülmez.
Taneciklerin, polimer molekülleri veya kolloidal tanecikler gibi büyük olması
durumunda ise birbirini yok etme etkisi zayıflar ve ışınların bir kısmı farklı
yönlerde hareket ederler, yani saçılırlar.
Işının hızı frekansa bağımlıdır; dolayısıyla, refraktif
indeksin frekansla değişmek zorunluluğu vardır. Bir maddenin refraktif
indeksinde, frekans veya dalga boyu ile meydana gelen değişikliğe bu maddenin
"dağıtması " denir.
Beyaz ışık bir prizmada, Şekil-7’de görüldüğü gibi,
dispersiyonla spektral renklerine ayrılabilir. Genellikle, dalga boyu arttıkça
indeks azalır; madde içinde mavi renk kırmızı ışıktan daha yavaş hareket eder.
Dispersiyon, bir prizmada renklerin ayrılmasını sağlayan bir olaydır; aynı
zamanda merceklerdeki istenmeyen kromatik sapmayı da açıklar.
Şekil-8: Tipik dispersiyon eğrisi; anormal
dispersiyon bölgelerinde; refraktif indeks frekans ile azalır
Bir maddenin dispersiyonu hidrojenin mavi F hattında, sodyum
sarı D hatlarında ve hidrojen kırmızı C hattındaki indeksi ölçülerek
karakterize edilir. Dispersiyon Abbe sayısı (veya n, veya V sayısı) denilen standart bir parametreyle ölçülür.
nD: sodyum sarısı, nF: hidrojen
mavisi, nC: hidrojen kırmızısıdır.
Camlar: n ³ 55, düşük dispersiyon; mercek camları, n <
50, yüksek dispersiyon; kristal camlar içindir.
Tipik bir maddenin dağıtma eğrisi Şekil-8’de verilmiştir;
grafikte iki bölge bulunur; bunlar "normal dağıtma" ve "anormal
dağıtma" bölgeleridir. Normal dağıtma bölgesinde maddeye gönderilen ışının
frekansının artmasıyla (veya dalga boyunun azalmasıyla) maddenin refraktif
indeksi de artar. Anormal dağıtma bölgelerinde ise bazı frekanslarda refraktif
indeks değerlerinde ani değişiklikler olur; bu tür dağıtmalar maddenin molekül,
atom, veya iyonlarının bir kısmı ile birleşebilen harmonik (uyumlu)
frekanslarda gözlenir. Harmonik frekanslarda ışından maddeye belirli bir enerji
nakli olur ve ışın absorplanır.
Enstrümanların optik parçalarının seçiminde dağıtma eğrileri
oldukça önemlidir. Örneğin, lenslerin üretiminde kullanılacak en uygun
malzemeler, belirlenmiş dalga boyu aralığında normal dağıtma eğrisi veren,
yüksek ve oldukça sabit (refraktif indekse bağımlı olmayan) refraktif indeksli
malzemelerdir. Bu tip malzemeler, lenslerdeki kromatik sapmayı en düşük düzeye
indirir. Tersine, prizmaların üretiminde refraktif indeksi yüksek fakat frekansa
çok bağımlı olan malzemeler kullanılmalıdır. Bir prizmanın kullanıldığı dalga
boyu aralığı, bunun üretildiği malzemenin anormal dağıtma bölgesi göstermeye
başladığı frekansa kadar olan kısımdır.
Şekil-9: Refraktif indeksin dalga boyuna
bağımlılığı (normal dispersiyon; refraktif indeks dalga boyu ile azalır, veya
frekans ile artar)
3.
Işının Kırılması (Refraction)
Işın fiziksel yoğunlukları farklı olan bir ortamdan diğerine
geçerken, bu iki ortamdaki hız farkı nedeniyle aniden yön değiştirir.
Şekil-10: Işının kırılması
Bir ışının böyle yön değiştirmesine ışığın kırılması denir (Şekil-10)
ve aşağıdaki ifade ile gösterilir.
M1 ortamı vakum ise v1 = c, n1 =1’dir; M2 ortamının refraktif indeksi de bu durumda iki açının sinüsleri oranına eşit olur.
M1 ortamı vakum ise v1 = c, n1 =1’dir; M2 ortamının refraktif indeksi de bu durumda iki açının sinüsleri oranına eşit olur.
Refraktif indeksleri farklı olan iki ortam arasına giren ışının
bir bölümü yansımaya uğrar. Ortamlar arasındaki refraktif indeks farkı ne kadar
büyük olursa ışının yansıyan bölümü de o kadar fazla olur.
Yansıma Yasası: Yansıtıcı bir yüzeye gelen bir ışın, yüzeye
dik olarak çizilen bir doğruya (normal) göre gelme açısına eşit bir yansıma
açısıyla yansır (Şekil-11). Bu yansıma yasası Fermat ilkesinden çıkarılır.
Şekil-11: Işının yansıması
Yüzeyler arasına giren bir ışın demetinin yansıyan bölümü
denklemi ile verilir. Burada I0 gelen ışının
şiddeti, Ir yansıyan ışının şiddeti, n1 ve n2
ortamların refraktif indeksleridir.
Toplam İç Yansıma (Total
internal reflection): Kırılma ve yansıma bir arada olduğunda iç yansıma olayı söz
konusudur. Örneğin, refraktif indeksi na olan daha yoğun bir
ortamdan gelen ve refraktif indeksi nb olan daha az yoğun ikinci bir
ortamın yüzeyine çarpan ışınlar böyle bir durum gösterirler. Şekil-12’de P kaynağından
çıkan ışınların geçme, kırılma ve yansımaları görülmektedir. Işınların gelme
açısı qa dır; kırılma açısı qb = 900 olduğunda, qa
kritik açı olarak tanımlanır ve qkrit.
olarak gösterilir. Bu durumda Snell kanunu,
Şekil-12: Toplam iç yansıma
5.
Girişim (Interference)
İki veya daha fazla ışık dalgasının yeni bir dalga görünümü
vermek üzere üstüste binmesine “girişim (interference)” denir. Bileşke veya
sonuç dalganın tanımlanabilmesi için dalgaların yönü çok önemlidir. Dalgalar
faz içindeyse, aşağıdaki Şekil-13’de görüldüğü gibi davranırlar. Sonuç dalganın
genliği, I ve II dalgalarının toplamıdır; bu durum ‘olumlu girişim’ olarak
tanımlanır.
İki dalganın p
radyan düzlem dışında olması durumunda sonuç dalganın genliği, her iki dalganın
genliklerinden daha küçüktür. Bu tür girişim, ‘olumsuz girişim’dir. Şekil-14’de
görüldüğü gibi büyük dalganın (I) genliği 0.3 birim, küçük dalganınki 0.2 birim
olduğunda, sonuç dalganın genliği 0.1 birim, yönü büyük dalganın yönündedir.
Her iki dalga da aynı genlikte olduğunda birbirlerini yok ederler ve sonuç
dalganın genliği sıfır olur.
İki dalga p/2 radyan
düzlem dışında ise sonuç dalganın en yüksek genliğe sahip olduğu konum, iki
dalganın kesiştiği noktalardır (Şekil-15).
Fransız matematikçisi Sean Fourier'in (1786-1830)
geliştirdiği ve Fourier dönüşümü olarak adlandırılan bir matematiksel işleme
göre, bir dalga hareketi basit sinüs veya kosinüslü ifadelerin toplamı ile
tanımlanabilir.
y = A (sin 2 pnt + 1/3 sin 6 pnt + 1/5 sin 10 pnt
+..+ 1/n sin 2n pnt)
Fourier dönüşümü modern bilgisayarlar ile kolaylıkla
çözülebilen rutin işlemler haline getirilmiştir.
Şekil-13: Faz içinde
hareket eden iki dalga (I ve II) ve sonuç dalganın görünümü
Şekil-14: p radyan düzlem dışı hareket eden iki dalga
(I ve II) ve sonuç dalganın görünümü
Şekil-15: p/2 radyan düzlem dışı hareket eden I ve
IIdalgaları ve sonuç dalganın görünümü
Bir maddeden ışın geçerken maddenin iyonları, atomları veya
molekülleri ışının enerjisini çok kısa bir süre tutarlar ve polarize olurlar;
10-14 –10-15 saniye gibi bir süre sonra tanecikler
tuttukları enerjiyi bırakarak orijinal durumlarına dönerler. Bırakılan ışın her
yöndedir. Tanecikler, ışının dalga boyundan daha küçük ise, orijinal yönde
ilerleyen ışının dışındakilerin hemen hemen tamamı yok olur. Etkileşimler
sonucu ışığın yolu değişmemiş gibi görünür. Çok dikkatli incelemelerle ışının
çok az bir kısmının orijinal yönün dışında, her açıda hareket ettiği gözlenebilir.
İşte bu duruma ışığın saçılması diyoruz. Saçılan ışığın şiddeti ortamdaki
taneciklerin büyüklüğü ile orantılı olarak artar. Tanecikler kolloidal
büyüklüklerdeyse, saçılma o kadar şiddetlenir ki çıplak gözle bile izlenebilir
(Tyndal olayı).
Elastik Saçılma; Rayleigh Saçılması: Işının dalga
boyundan daha küçük dalga boylu taneciklerin neden olduğu saçılmaya
"Rayleigh Saçılması" denir; şiddeti, taneciklerin büyüklüğüne ve
polarize olabilmesine, ayrıca ışının dalga boyunun dördüncü kuvvetinin tersine
bağlıdır. Rayleigh saçılması, saçılan fotonların enerjileri değişmediğinden
elastiktir; Gelen fotonun enerjisi, atomu uyarılmış bir seviyeye geçirmek için
çok küçüktür.(Şekil-16a)
Elastik Olmayan Saçılma; Raman saçılması: Raman
etkisinde, saçılan ışının bir kısmında frekans değişiklikleri olur. Bu
değişiklikler, ortamdaki taneciklerin polarizasyonuyla moleküldeki titreşim
enerji seviyelerinin değişmesinden kaynaklanır. Gelen foton, atomun uyarılmış
bir hale geçişini sağlayacak yeterli enerjiye sahiptir. (Şekil-16b)
Işının katı bir maddeye çarpmasıyla meydana gelen
difraksiyon saçılmanın, dar bir (veya daha fazla) aralıktan geçmesiyle meydana
gelen difraksiyon ise girişim olayının bir sonucudur.
Difraksiyon Bir
Saçılma Olayıdır: X-ışınları bir katı kristale çarptığında her yönde
saçılmaya uğrar. Bu yönlerden bazılarında saçılan demetler tamamıyla faz
içindedir ve biri bir diğerini kuvvetlendirerek kırınım şekli meydana getirir.
Bu durumun hangi koşulda gerçekleşeceği Bragg kanunu ile açıklanır (Şekil-17).
Bragg kanununa göre, dalga boyu l olan paralel ve monokromatik bir X-ışını demetinin bir kristal
örnek üzerine q açısı ile geldiği
varsayılır; eğer,
ise, difraksiyon meydana gelir. Burada, d: atomik üzlemler
arasındaki mesafe, n: bir tam sayı ((1, 2, ...., n), l: dalga boyu, q: atomik düzlemlerle gelen X-ışını arasındaki
açıdır.
Difraksiyon Girişim
Olayının Bir Sonucudur: Difraksiyon ve girişim arasındaki ilişki Thomas
Young tarafından yapılmış olan bir deneyle (1800) kolayca saptanabilir.
Şekil-18(a)'da görüldüğü gibi, paralel bir ışın demeti, büyüklükleri hemen
hemen aynı olan birbirlerine yakın durumdaki iki B ve C yarıklarını aydınlatır;
bunlardan çıkan ışın XY düzlemi üzerinde bulunan bir ekranda gözlenir.
Işın monokromatik ise sayfa düzlemine dik bir düzlemde bir
seri karanlık ve aydınlık şekiller oluşur. Şekil-18(b), ekrana ulaşan çeşitli
bantların şiddetlerini göstermektedir. Yarık genişlikleri ışının dalga boyuna
yakınsa band şiddetlerindeki düşüş az, daha geniş yarıklar durumunda ise düşüş
çok belirgindir.
B ve C yarıklarını ayıran opak maddenin gölgesinde merkez
bandı E’nin bulunuşu, B-E ve C-E mesafelerinin birbirine eşit olmasıyla
açıklanır. Böylece iki yarıktan kırılan ışığın, ışık şiddetini artırma etkisi
nedeniyle E’deki şiddetli bant oluşur. Bu bant, diğer kısmen zayıf banların (D
gibi) oluşumunu da gerçekleştirir.
Şekil-18: Difraksiyon
ve girişim olaylarının şematik görünümleri
Şekil-18(c)'den, ışık şiddeti artışının maksimum olma
koşulları çıkarılabilir. Kırınım açısı, q, B ve C yarıklarının tam ortasında
bulunan O noktasından (yani yarıklar arasındaki yarı yol), maksimum şiddetin
olduğu D noktasına kadar çizilen noktalı çizgi ile normal (OE) arasında kalan
açıdır. Kesiksiz çizgilerle gösterilen BD, ve CD, B ve C yarıklarından D
noktasına gelen daha zayıf şiddetteki ışık geçişlerini gösterir. OE
mesafesi, yarıklar arasındaki BC uzaklığı ile kıyaslandığında o kadar
büyüktür ki pratik uygulamalarda BD, OD ve CD’nin birbirine paralel olduğu varsayılabilir.
BF doğrusu ise CD ye diktir ve buradaki BCF üçgeni DOE üçgenine benzer bir
üçgendir, dolayısıyla CBF açısı, kırınım açısı q’ya eşittir. Buna göre aşağıdaki
bağıntı yazılabilir:
CF = BC sin q
BC, OE’ye kıyasla çok çok küçük, FD ile
BD ise hemen hemen eşit olduğundan CF, BD ve CD ışın demetlerinin
geçiş uzaklıkları arasındaki farkı gösterir. Bu durumda CF, ışının D
noktasındaki dalga boyunu belirtir.
l = CF = BC sin q
Dalga boyu l’nın tam
katları olan değerler de, yani 2 l, 3 l, gibi değerlerde de başka bantlar elde
edilir. Bu nedenle dalga boyu denklemi genel bir ifade olarak tanımlanır.
n l
= BC sin q
n, girişimin mertebesini gösteren bir tam sayıdır. Kırılan
demetin ekran düzlemi boyunca doğrusal yer değiştirmesi DE, yarıklar
arasındaki BC açıklığına ve yarıkların bulunduğu düzlemle ekran
arasındaki OE mesafesine bağlıdır. Bu nedenle,
Bu eşitlikten BC, DE, OE ölçülebilen
değerler olduğundan ışığın dalga boyu hesaplanabilir.
Uyumlu Işın: Şekil-18(a)'da görüldüğü gibi bir
kırınım şekli elde edebilmek için, B ve C yarıklarından geçerek ekran üzerinde,
mesela D veya E gibi bir noktaya giden elektromagnetik dalgaların faz farkının
belirli ve zamanla değişmemesi, sabit kalması gerekir. Bu durumda B ve C
yarıklarından geçen ışın "uyumlu"dur. Uyumluluk koşulları:
- Her
iki ışının aynı frekansta ve aynı dalga boyunda olması (veya aynı frekanslar
ve aynı dalga boyları aralığında),
- İki
ışın demeti arasındaki faz ilişkisinin sabit olması, zamanla değişmemesidir.
Şekil-18(a)'daki B ve C slitlerinin ayrı filament lambalarla
aydınlatılması halinde, önceki denemede ekran üzerinde görülen ve bir düzen
içinde sıralanan aydınlık ve karanlık şekillerin kaybolduğu, yerini düzensiz
bir aydınlatmanın aldığı görülür. Bu, filament kaynakların "uyumsuz"
karakterleri nedeniyle ortaya çıkar.
Uyumsuz kaynaklarda, her bir atom veya molekül tarafından
yayımlanan sayılamayacak kadar çok ışık bir araya gelerek ışın demetini
oluştururlar. Bu tip bir ışın demeti mikrodalgalar ve lazer ışınlarında da
olduğu gibi, boyu birkaç metre olan bir seri "dalga katarı" dır. Bir
katarın üretilmesi rasgele bir işlem olduğundan, katarlar arasındaki faz
farkları da değişkendir. B yarığından ekrana ulaşan bir dalga katarı, C
yarığından gelen katar ile aynı fazda bulunabilir ve girişim kuvvetlenir
(olumlu girişim); tersine aynı noktada katarlar tamamıyla faz dışında
olabilirler ki bu halde girişim zayıflar (olumsuz girişim). Böylece ekran
üzerindeki her noktadaki ışık, dalga katarları arasındaki rasgele faz
değişikliklerinin hakimiyeti altında bulunur. Sonuçta katarların ortalamasını
yansıtan bir aydınlatma oluşur.
Sonsuz uzunlukta ve sabit frekanslı katarlar şeklinde
elektromagnetik ışın üreten kaynaklar vardır. Radyo frekanslı osilatörler,
mikrodalga kaynakları, optik lazerler, ve çeşitli mekanik kaynaklar bunlar
arasında sayılabilirler.
Bu tip kaynaklardan iki tane (B ve C için) kullanılarak
Şekil-18(a)'daki gibi düzenli bir kırınım şeması elde edilir. Tungsten filament
kullanılarak bu kaynakla da Şekil-18(a)'daki kırınım şeması bulunabilir. Bunun
için kaynağın önüne çok dar bir A yarığı konur. A yarığı, kaynaktan gelen
ışının sadece çok küçük bir bölgesini B ve C ye geçirir. Bu koşullarda B ve C
den yayılan çeşitli dalga katarları, birbirleri ile belirli faz ilişkilerinde
ve sabit dalga boylarında, yani uyumlu karakterdedirler. Eğer A yarığı bir
miktar genişletilirse, ışık kaynağından daha geniş bir bölge geçirileceğinden B
ve C’de oluşan iki ışın demeti birbiri ile kısmen uyumlu olacağından kırınım
şeması biraz bozulur. A yarığının daha fazla genişletilmesi halinde ise, ışın
demetlerinde uyumsuzluk hakim olur ve ekran boyunca sadece aydınlatma olayı
meydana gelir.
Düzlem Polarizasyonu: Bir elektromagnetik dalga paketi gibi
düşünülen herhangi bir ışında oluşan titreşimlerin, merkezleri ışın demetinin
yolu üzerinde bulunan bir seri düzlem üzerinde eşit olarak dağıldığı
varsayılır. Bu halde, bir monokromatik demetin, uzunluğu sıfırdan başlayarak
maksimum bir genliğe kadar dalgalanan sonsuz sayıdaki elektrik vektörlerinden
oluştuğu kabul edilir.
Elektrik vektörleri Şekil-20(a)’daki gibi bir görünüm
verirler. XY gibi her hangi bir düzlemdeki vektör iki dik parçaya ayrılabilir;
Şekil-20(b)'deki AB ve CD gibi. Her bir düzlemde bulunan benzer iki parçanın
birleştirilmesi sonucunda da Şekil-20(c)'deki AB ve CD vektörlerini bulunduran
iki düzlem elde edilir.
Şekil-19: Polarize olmamış ışık tüm E (elektrik) vektörleri içerirken, düzlem-polarize ışık tek bir E-vektör yönünü içerir
Şekil-19: Polarize olmamış ışık tüm E (elektrik) vektörleri içerirken, düzlem-polarize ışık tek bir E-vektör yönünü içerir
Şekil-20: (a) Sayfa
düzlemine dik yönde hareket eden bir ışın demetinin elektrik vektörleri, (b) XY
düzlemindeki bir vektörün iki dik bileşenine ayrılması, (c) tüm vektörlerin
ayrılmasıyla elde edilen sonuç
Bu düzlemlerden birinde bulunan ışın demetinin
uzaklaştırılması sonucunda diğer düzlemden çıkan ışın demeti
"düzlem-polarize" ışındır ve tek bir düzlem üzerinde bulunur. Bir
düzlem polarize ışık demeti elektrik vektörünün titreşimi, ortamda tek bir
düzlem üzerinde bulunur.
Düzlem-polarize elektromagnetik ışın bazı kaynaklardan elde
edilebilir. Örneğin bir antenden çıkan radyo dalgaları genellikle bu
karakterdedir. Tek bir atom veya molekülden çıkan ışının da düzlem-polarize
olduğu sanılmaktadır. Genel ışık kaynaklarında her yönde hareket eden çok
sayıda tanecik olduğundan sonuçta ışık yolu ekseni etrafında her yönde eşit
olarak titreşen bir ışık demeti ortaya çıkar.
Işının bazı maddeler tarafından absorblanması onun
polarizasyon düzlemine bağlıdır. Örneğin, bir ışın demetine karşı özel bir
konumda yerleştirilen anizotropik kristaller seçimli olarak bir düzlemde
titreşen ışınları absorblar. Böylece anizotropik kristallerin bir tabakası,
Şekil-20(c)'deki gibi bir sistemden, mesela, CD’de bulunan tüm ışınları
absorblarken AB’dekilerin hemen hemen tamamını geçirir. Bir polarisazyon
levhası, polarize olmamış bir ışık demetinden gelen ışınların yarısını
uzaklaştırır, diğer yarısını ise geçirir. Geçirilen kısım, düzlem-polarize
ışınlardır ve bunların polarizasyon düzlemi, gelen ışın demeti önüne konan
polarizasyon levhasının konumuna bağlıdır. Birbirlerine göre 900 açı
yapan iki polarizasyon levhasının ışın demeti yolu üzerine dik olarak
yerleştirilmesi halinde ışın geçişi olmaz. Levhalardan biri döndürülmeye
başlandığında ışın geçişinin de başladığı, iki levhanın aynı yöne geldiği anda
ise, ışın geçişinin maksimum olduğu görülür.
Işının bazı maddeler tarafından yansıtılması, saçılması,
geçirilmesi, veya kırılması olayları da polarizasyon yönüne bağlıdır. Bu
özellikler dikkate alınarak refraktometre, polarimetre gibi cihazlarla
gerçekleştirilen bazı analitik yöntemler geliştirilmiştir.
Doğrusal Polarizasyon: Bir düzlem elektromagnetik
dalga doğrusal olarak polarize olur. Enine elektrik alan dalgası bir magnetik
alan dalgası eşliğinde hareket eder (Şekil-21a).
Dairesel Polarizasyon: Dairesel polarize ışık,
genlikleri eşit iki dik elektromagnetik düzlem dalgadan oluşur (faz içinde 900
farklı) (Şekil-21b)
Eliptik Polarisazyon: Eliptik polarize ışık,
genlikleri eşit olmayan iki dik dalgadan oluşur (faz içinde 900
farklı) (Şekil-21c)
Yansımayla Polarizasyon: Işın bir arayüzeye çarptığında 900’lik
bir açıyla yansır ve kırılır; yansıyan ışın doğrusal polarize bir ışındır
(Şekil-22). Polarizasyonun yönü arayüz düzlemine paraleldir. Bu 900’lik
özel açıya Brewster açısı (qp)
denir.
Şekil-21: Çeşitli polarizasyonların şematik
tanımları
Şekil-22: Yansımayla polarizasyon
Brewster açısı (aynı zamanda polarizasyon açısı olarak da
bilinir) ışının özel bir polarizasyonla hiç bir yansıma olmaksızın yüzeyden
geçebildiği bir açıdır.
Brewster açısı (qp) = tan qB
Bu ifade Snell yasasından çıkarılabilir.
Snell yasası: n1sin qB = n2 sin a = n2 cos qB
Buradan Brewster eşitliği elde edilir:
Saçılmayla Polarizasyon: Hava moleküllerinde saçılan ışık gelen ışına dik bir düzlemde doğrusal olarak polarize olur. Bir moleküldeki yükler y ekseni boyunca salınıyorsa, y ekseninde ışımaz. Böylece, demet yönüden 90° uzakta saçılan ışık doğrusal olarak polarize olur. Bu durum mavi gök yüzünden Rayleigh saçılmasına uğrayan ışığın kısmen polarize olmasına neden olur. Işığın atmosferde saçılması 1/l4 ile orantılıdır. Moleküller, dipol radyatörü gibi davranır ve dipol ekseni boyunca enerji saçılmaz (Şekil-23).
Absorbsiyonla
Polarizasyon:
Işının bazı maddeler tarafından absorblanması onun polarizasyon düzlemine
bağlıdır. Örneğin, bir ışın demetine karşı özel bir konumda yerleştirilen
anizotropik kristaller seçimli olarak bir düzlemde titreşen ışınları absorblar.
Böylece anizotropik kristallerin bir tabakası, bir
sistemden, mesela, CD’de bulunan tüm ışınları absorblarken AB’dekilerin hemen
hemen tamamını geçirir. Bir polarisazyon levhası, polarize olmamış bir ışık
demetinden gelen ışınların yarısını uzaklaştırır, diğer yarısını ise geçirir.
Geçirilen kısım, düzlem-polarize ışınlardır ve bunların polarizasyon düzlemi,
gelen ışın demeti önüne konan polarizasyon levhasının konumuna bağlıdır.
Şekil-23: Saçılmayla polarizasyon
Birbirlerine göre 900 açı yapan iki polarizasyon
levhasının ışın demeti yolu üzerine dik olarak yerleştirilmesi halinde ışın
geçişi olmaz. Levhalardan biri döndürülmeye başlandığında ışın geçişinin de
başladığı, iki levhanın aynı yöne geldiği anda ise, ışın geçişinin maksimum olduğu
görülür.
Bazı kristalin maddeler, bir gelme düzleminde, diğerine göre
daha fazla ışın absorblar; sonuçta maddeden geçen ışın ilerledikçe daha da çok
polarize olur. Absorbsiondaki bu anizotropiye dikroizm denir. Birkaç doğal
dikroik madde vardır ve ticari polaroid de seçici absorbsiyonla polarize olur.
Lazerler (Ligh Amplification Stimulated
Emission Radiation): Bir lazerin çalışması için kritik
olay üst enerji seviyesinde bir elektronun varlığıdır. Bir üst seviyedeki
elekton (E2), aşağıdaki şemada görüldüğ gibi, E1 ve E2
enerji seviyeleri arasındaki farka eşit bir kvantum enerjisi (hn) uygulandığında E2 enerji
seviyesinden aynı enerjide ikinci bir foton yayarak E1 seviyesine
geçer. Foton prosesiyle meydana gelen bu tür geçişler absobsiyon, emisyon ve
uyarmalı emisyonda görülen durumlardır.
Şekil-24: Uyarılmış (stimulated) emisyon
Holografi: Holografi ‘merceksiz fotoğraftır; bu
teknikte görüntü resim olarak değil film üzerinde bir girişim şekli olarak
görüntülenir. Örneğin, bir lazerden gelen ışın (uyumlu ışın) görüntüsü alınacak
objeden yansır ve film üzerinde, referans bir ışın demetinden gelen ışıkla
birleşir. Kaydedilen girişim şekli, odaklanan bir görüntüden çok daha fazla
bilgi içerir, gözlemciye doğru bir üç boyutlu görüntü sunar.
Şekil-25: Bir
holografinin şematik görünümü
Fourier Optikler: Fourier Optiklerde, nesnenin
görütüsünün bir difraksiyon paternine dönüştürülmesi için nesne ile dönüşüm
(transform) düzlemi arasında bir mercek bulunur. Nesnenin dönüşümünden sonra
ikinci bir mercek vasıtasıyla ters transformasyon, bunu takiben de nesne
görüntüsünü yenden oluşturacak uzamsal (mekansal) süzme işlemi yapılır. Son
aşama tamamlama prosesi olup görüntü (resim) pekiştirme olarak adlandırılır.
Şekil-26: Fourier
optiklerin tanımlanması
Fourier optikler ışığın hareketini Fourier analiziyle
açıklar. Bunun için Fresnel ve
Fraunhofer difraksiyon bilgilerini kullanır.
Fresnel (veya yakın-alan) difraksiyonda, bir aralıktan geçen
bir dalga yakın bir alanda kırınarak bir difraksiyon paterni oluşturur. Oluşan
patern aralık ve görüntü düzlemi arasındaki mesafeye bağlı olarak farklılıklar
gösterir.
Fraunhofer difraksiyon prosesi, nesne (object) düzlemindeki
sliti görüntü düzleminde bir difraksiyon paternine dönüştürür. Bu difraksiyon
paterni slit hakkında bilgiler içerir. Kaynak mesafesinin sonsuz olduğu
varsayıldığında slitte düzlem dalga vardır, dolayısıyla dalga elementleri faz
içindedir. Fraunhofer difraksiyon paterni kırınım nesnesinin Fourier
dönüşümüdür.
Bir dalganın difraksiyonu ve s
noktasındaki durumu Şekil-27’deki diyagramda görülmektedir. s noktasının daha uzağa çekilmesi halinde
uzak-alanda Fraunhofer difraksiyon oluşur.
Şekil-27: Fraunhofer difraksiyonun şematik görünümü
l = dalga boyu, L =
aralıktan olan mesafe, a = slit boyutu