Valon sironta - ilmiöt ja mallinnus. Jouni Mäkitalo Fysiikan seminaari 2014

Samankaltaiset tiedostot
1. (a) (2p.) Systeemin infinitesimaalista siirtoa matkan ɛ verran esittää operaattori

J 2 = J 2 x + J 2 y + J 2 z.

2m 2 r + V (r) ψ n (r) = ɛ n ψ n (r)

1. Tarkastellaan kaksiulotteisessa Hilbert avaruudessa Hamiltonin operaattoria

Kvanttifysiikan perusteet 2017

9 Maxwellin yhtälöt. 9.5 Aaltoyhtälö ja kenttien lähteet Aaltoyhtälö tyhjössä Potentiaaliesitys Viivästyneet potentiaalit

Kvanttimekaniikka I tentti : 4 tehtävää, 4 tuntia

Tilat ja observaabelit

MS-A0305 Differentiaali- ja integraalilaskenta 3 Luento 10: Stokesin lause

Tfy Fysiikka IIB Mallivastaukset

SMG-5250 Sähkömagneettinen yhteensopivuus (EMC) Jari Kangas Tampereen teknillinen yliopisto Elektroniikan laitos

ELEC C4140 Kenttäteoria (syksy 2016)

ELEC C4140 Kenttäteoria (syksy 2016)

Esimerkki 1 Ratkaise differentiaaliyhtälö

ELEC C4140 Kenttäteoria (syksy 2015)

= ωε ε ε o =8,853 pf/m

u = 2 u (9.1) x + 2 u

ELEC C4140 Kenttäteoria (syksy 2015)

ELEC C4140 Kenttäteoria (syksy 2016)

Kuva 1: Yksinkertainen siniaalto. Amplitudi kertoo heilahduksen laajuuden ja aallonpituus

XFYS4336 Havaitseva tähtitiede II

Pieni silmukka-antenni duaalisuus. Ratkaistaan pienen silmukka-antennin kentät v ielä käy ttämällä d uaalisuud en periaatetta.

Wien R-J /home/heikki/cele2008_2010/musta_kappale_approksimaatio Wed Mar 13 15:33:

Aaltoputket analyyttinen ratkaisu. Palataan takaisin aaltoputkitehtäv än analy y ttiseen ratkaisuun.

Luku 14. z L/2 y L/2. J(r,t)=I(t)δ(x)δ(y)θ(L/2 z)θ(z + L/2) e z (14.1) Kuva 14.1: Yksinkertainen dipoliantenni.

Osallistumislomakkeen viimeinen palautuspäivä on maanantai

ELEC C4140 Kenttäteoria (syksy 2015)

Fysikaalinen kemia II kaavakokoelma, osa 1

1 Johdanto Mikä tämä kurssi on Hieman taustaa Elektrodynamiikan perusrakenne Kirjallisuutta... 8

SMG-5250 Sähkömagneettinen yhteensopivuus (EMC) Jari Kangas Tampereen teknillinen yliopisto Elektroniikan laitos

Elektrodynamiikan tenttitehtäviä kl 2018

Mekaniikan jatkokurssi Fys102

Havaitsevan tähtitieteen peruskurssi I. Ilmakehän vaikutus havaintoihin. Jyri Lehtinen. kevät Helsingin yliopisto, Fysiikan laitos

ELEC C4140 Kenttäteoria (syksy 2015)

Käyttämällä annettua kokoonpuristuvuuden määritelmää V V. = κv P P = P 0 = P. (b) Lämpölaajenemisesta johtuva säiliön tilavuuden muutos on

Aaltoputket ja mikroliuska rakenteet

ELEC C4140 Kenttäteoria (syksy 2015)

Sirontaluento 4. Keskiviikko , kello 10-12

Elektrodynamiikka, kevät 2002

Z 1 = Np i. 2. Sähkömagneettisen kentän värähdysliikkeen energia on samaa muotoa kuin molekyylin värähdysliikkeen energia, p 2

ELEC C4140 Kenttäteoria (syksy 2016)

Lineaarikombinaatio, lineaarinen riippuvuus/riippumattomuus

Onteloresonaattorit. Onteloresonaattori saadaan aikaan, kun metallisen aaltop utken molemmat suljetaan metalliseinällä ja sen

ELEC C4140 Kenttäteoria (syksy 2015)

Elektrodynamiikka, kevät 2008

Havaitsevan tähtitieteen pk I, 2012

kolminkertaisesti tehtäviä tavallisiin harjoituksiin verrattuna, voi sen kokonaan tekemällä saada suunnilleen kolmen tavallisen harjoituksen edestä

Valon luonne ja eteneminen. Valo on sähkömagneettista aaltoliikettä, ei tarvitse väliainetta edetäkseen

Jakso 1: Pyörimisliikkeen kinematiikkaa, hitausmomentti

x n e x dx = n( e x ) nx n 1 ( e x ) = x n e x + ni n 1 x 4 e x dx = x 4 e x +4( x 3 e x +3( x 2 e x +2( xe x e x ))) = e x

Luento Atomin rakenne

( ds ) A (2) ψ ξ dv + ψ 2 ξ dv = ψ 2 ξ ξ 2 ψ ) V

4. Ensimmäisen ja toisen kertaluvun differentiaaliyhtälöistä

Valon hiukkasluonne. Yliopistonlehtori, TkT Sami Kujala. Kevät Harris luku 3. Elektroniikan ja nanotekniikan laitos

Nyt n = 1. Tästä ratkaistaan kuopan leveys L ja saadaan sijoittamalla elektronin massa ja vakiot

Trigonometriset funk/ot

Ratkaise tehtävä 1 ilman teknisiä apuvälineitä! 1. a) Yhdistä oikea funktio oikeaan kuvaajaan. (2p)

Radiokontinuumi. Centaurus A -radiogalaksi. Cassiopeia A -supernovajäänne

OPTIMAALINEN INVESTOINTIPÄÄTÖS

Epälineaaristen yhtälöiden ratkaisumenetelmät

MS-A0205/MS-A0206 Differentiaali- ja integraalilaskenta 2 Luento 10: Napa-, sylinteri- ja pallokoordinaatistot. Pintaintegraali.

Epälineaaristen yhtälöiden ratkaisumenetelmät


PHYS-C0240 Materiaalifysiikka kevät 2017

Magneettikenttä väliaineessa

4. Gaussin laki. (15.4)

MATEMATIIKAN KOE, PITKÄ OPPIMÄÄRÄ HYVÄN VASTAUKSEN PIIRTEITÄ

ELEC C4140 Kenttäteoria (syksy 2015)

1 Perussuureiden kertausta ja esimerkkejä

MS-A0305 Differentiaali- ja integraalilaskenta 3 Luento 8: Divergenssi ja roottori. Gaussin divergenssilause.

KVANTTITEORIA MODERNI FYSIIKKA KVANTTITEORIAN SYNTY AALTO HIUKKAS-DUALISMI EPÄTARKKUUSPERIAATE TUNNELOITUMINEN ELEKTRONIRAKENNE UUSI MAAILMANKUVA

LUKU 10. Yhdensuuntaissiirto

Värähdysliikkeet. q + f (q, q, t) = 0. q + f (q, q) = F (t) missä nopeusriippuvuus kuvaa vaimenemista ja F (t) on ulkoinen pakkovoima.

Reuna-arvotehtävien ratkaisumenetelmät

2 Staattinen sähkökenttä Sähkövaraus ja Coulombin laki... 9

2. Viikko. CDH: luvut (s ). Matematiikka on fysiikan kieli ja differentiaaliyhtälöt sen yleisin murre.

RADIOTIETOLIIKENNEKANAVAT

P (X B) = f X (x)dx. xf X (x)dx. g(x)f X (x)dx.

Trigonometriset funk/ot

Voima ja potentiaalienergia II Energian kvantittuminen

F dr = F NdS. VEKTORIANALYYSI Luento Stokesin lause

ELEC C4140 Kenttäteoria (syksy 2016)

Ei-inertiaaliset koordinaatistot

Oletetaan ensin, että tangenttitaso on olemassa. Nyt pinnalla S on koordinaattiesitys ψ, jolle pätee että kaikilla x V U

MATEMATIIKAN JA TILASTOTIETEEN LAITOS

Fysiikka 8. Aine ja säteily

780392A/782631S Fysikaalinen kemia II, 5 op / 4 op

Mustan kappaleen säteily

Luku 6. reunaehtoprobleemat. 6.1 Laplacen ja Poissonin yhtälöt Reunaehdot. Kun sähkökentän lauseke E = φ sijoitetaan Gaussin lakiin, saadaan

E p1 = 1 e 2. e 2. E p2 = 1. Vuorovaikutusenergian kolme ensimmäistä termiä on siis

dx = d dψ dx ) + eikx (ik du u + 2ike e ikx u i ike ikx u + e udx

Pienimmän neliösumman menetelmä

JYVÄSKYLÄN YLIOPISTO. Integraalilaskenta 2 Harjoitus Olkoon A := {(x, y) R 2 0 x π, sin x y 2 sin x}. Laske käyräintegraali

ELEC-A4130 Sähkö ja magnetismi (5 op)

Vanhoja koetehtäviä. Analyyttinen geometria 2016

Word Taulukko-ominaisuus

Aaltoputket ja resonanssikaviteetit

Ideaalinen dipoliantenni

Linnunradan rakenne 53925, 5 op, syksy 2016 D116 Physicum

Kvantittuminen. E = hf f on säteilyn taajuus h on Planckin vakio h = 6, Js = 4, evs. Planckin kvanttihypoteesi

Transkriptio:

Valon sironta - ilmiöt ja mallinnus Jouni Mäkitalo Fysiikan seminaari 2014

Sisältö Johdanto Sironnan sähkömagneettinen mallinnus Analyyttinen sirontateoria Sironta ei-pallomaisista hiukkasista

Johdanto

Taivaan värit

Pilvet Cumulus congestus

Every once in a blue moon

Tähtien välinen pöly Kääpiögalaksi NGC 1569

Plasmoniset nanohiukkaset Lycurguksen kuppi

Lisää plasmonisia nanohiukkasia Notre Damen lasimaalaukset

Mitat ja mallinnusmenetelmät Valon aallonpituus 400 nm 700 nm Atomi 0,1 nm Nanohiukkaset 10 1000 nm Vesipisara 1 20 µm Isot kappaleet

Sironnan sähkömagneettinen mallinnus

Sironta ja absorptio E 0, H 0 E s, H s ɛ, µ Virittävä kenttä + häiriö väliaineessa Sironnut valo + absorptio Ekstinktio = sironta + absorptio Sirontakuvio F (θ, φ) Polarisaatio

Maxwell-yhtälöt Yhtälöt makroskooppisille kentille E = t B H = J + t D D = ρ B = 0

Väliainerelaatiot Relaatio vuolle (pinnat) ja kentälle (polut) D R E B R H Tyypillisesti D(r, ω) = ɛ(r, ω)e(r, ω), D(r, t) = t 0 ɛ(r, t t )Ẽ(r, t )dt

Miten löytää ɛ? Mittaamalla (ellipsometria) Yksinkertaistetut mallit, kuten Drude-malli ɛ(ω)/ɛ 0 = ɛ ω 2 p ω(ω + iγ) Kvanttiteoria: ɛ/ɛ 0 = 1 + N ψ µ ψ

Kulta ja hopea 20 0 I(ɛ) ɛ 20 40 R(ɛ) - kulta - hopea 2 4 6 8 10 Taajuus ω (PHz)

Epälineaarisuus Hooken laki: F = kx+hx 2 +... e paraabeli todellinen mẍ + kx hx 2 = ee Polarisaatio P = Nex Seuraus: taajuus ei säily, esim. ω 2ω Ilmiöt heikkoja, mutta herkkiä E:n vaihteluille

Reuna-arvotehtävät Yksikäsitteinen ratkaisu, joka toteuttaa Maxwellin yhtälöt? Reunaehdot Geometria Sirontatehtävä: tunnetaan E 0, ratkaise E = E 0 + E s s.e. E k 2 E = 0 lim E s r ik r E s = 0 r

Vuorovaikutusalat S Vuorovaikutusala C, [C] = m 2 Sironta: C s = 1 I 0 S E s H s nds Absorptio: C a = 1 I 0 S E H nds Ekstinktio C e = C s + C a Detektori (ala A) mittaa tehon U = I 0 (A C e ) 0 C e (λ)dλ 4π 3 a 3 (summasääntö) λ

Analyyttinen sirontateoria

Pistelähde p

Säteilevä dipoli Dipolikenttä: E = ω 2 µg p ( G = I + ) e ikr k 2 4πR Säteilytehon aikakeskiarvo ω 4 Rayleigh: taivaan värit

Dipolin polaroituvuus Polaroituvuus α: p = ɛ 0 αe 0 Miten löytää α? Esim. pieni pallohiukkanen (säde a): α = 4πa 3 ɛ ɛ 0 ɛ + 2ɛ 0 Entä jos ɛ = 2ɛ 0? Plasmoniresonanssi

Pallohiukkanen ɛ 2 ɛ 1

Mie-teoria (Gustav Mie 1869 1957) E 0, H 0 ɛ 2 ɛ 1 E 2, H 2 E s, H s E s k 2 1E s = 0 E 2 k2e 2 2 = 0 n (E s + E 0 ) = n E 2 n (H s + H 0 ) = n H 2 lim E s r ik 1 r E s = 0 r

Palloharmoniset Skalaarifunktioita Y lm (θ, φ) Kanta pallopinnan yli määritellyille funktioille f = l a lm Y lm l=0 m= l Ortogonaalisuus Y l1 m 1, Y l2 m 2 = δ l1 l 2 δ m1 m 2

Vektoriharmoniset Kulmaliikemääräoperaattori L = ir Vektoriharmoniset N lm (r, θ, φ) = f l (r)ly lm (θ, φ) Esitys kentille: l E = η a lm N lm i k b lm N lm l=1 H = m= l l=1 m= l l b lm N lm + i k a lm N lm

Hyödyllistä matematiikkaa Vetyatomi ψ = a nlm R nl (r)y lm Mie-teoria E n = a lm h l (kr)y lm R nl : Laguerren liittofunktiot h l : Pallo-Hankel-funktiot

R(hl) Rnl Etäisyys

Vesipisara Säde 2 µm Interferenssi- ja värerakenne 3 2 Q ext häviötön häviöllinen 1 Q abs 400 600 800 1000 1200 Aallonpituus (nm)

Sironnan suuntariippuvuus Vesipisara, λ = 650 nm Irradianssi (W/m 2 ) 10 12 10 16 10 20 0,1 µm 1 2 0,5 0 30 60 90 120 150 180 Kulma θ (astetta)

Kultainen nanopallo Säde 100 nm Plasmoniresonanssit 4 tarkka Qext 2 dipoli b 1 kvadrupoli b 2 0 400 600 800 1000 1200 Aallonpituus (nm)

Taajuuden kahdennus pallopinnalla P s = ɛ 0 δχ (2) : EE ɛ 2 ɛ 1 Rajapintaehdot a lm, b lm l 1 l 2 m 1 m 2 c l1 m 1 c l2 m 2 Y lm, Y l1 m 1 Y l2 m 2 Clebsch Gordan-ongelma Valintasäännöt: l 2 l 1 l l 1 + l 2, m = m 1 + m 2

Taajuuskahdennettu säteily 50 nm 100 nm 150 nm 200 nm

Sironta ei-pallomaisista hiukkasista

Ekvivalentti virrantiheys ɛ ɛ 0 ɛ 0, J ɛ 0 Ampere-Maxwell: H = iωɛe Ekvivalenttilähde J = iω(ɛ ɛ 0 )E H = J iωɛ 0 E Helmholtz E k0e 2 = iωµ 0 J

Tilavuusintegraaliyhtälöt 1/2 Helmholtz E k0e 2 = iωµ 0 J Dipolisäteilijä: G k0g 2 = δi ( E k 2 0E) G E ( G k 2 0G) = iωµ 0 J G δe Integrointi koko avaruuden yli Green: E G E GdV V = ( E G + E G) nds = 0 V

Tilavuusintegraaliyhtälöt 2/2 ɛ ɛ 0 ɛ 0, J ɛ 0 Tehtävän muotoilu: E = E 0 + iωµ 0 GJdV E = E 0 + ω 2 µ 0 V v (ɛ ɛ 0 )GEdV Tehtävän määrittely äärellisessä alueessa v V

Numeeriset menetelmät Etsi E alueessa v Likiarvoesitys E = N a n f n n=1 Variaatiomenetelmät lineaarinen yhtälöryhmä Greenin funktio G 1 R 3 kun R 0

Yhteenveto Valon sironta arkipäiväisten ilmiöiden taustalla Sähkömagneettinen teoria hyvä mallinnuslähtökohta Väliaine Reuna-arvotehtävä Dipolisäteilijä: yksinkertainen malli ja teoreettinen työkalu Pallohiukkanen: muuttujien separointi puree Ei-pallomaiset hiukkaset: integraalimenetelmät mielekkäitä

Kiitos.