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ordentlicher und außerordentlicher Strahl
Eine Verzögerungsplatte (auch Retardationsplatte genannt) kann aus einem Kristall hergestellt werden, der geschnitten wurde, dass die optische Achse in einer Ebene parallel zu den Flächen der Platte liegt. Betrachtet man einen senkrecht auf den Kristall einfallenden unpolarisierten oder linearpolarisierten Lichtstrahl. Der transmittierte Lichtstrah kann in zwei Bestandteile aufgeteilt werden, die den gleichen Weg durch den Kristall zurücklegen, aber deren elektrische Komponenten senkrecht zueinander schwingen. Der ordentliche Strahl schwingt dabei senkrecht zur optischen Achse, während der außerordentliche Strahl in eine Richtung parallel zur optischen Achse schwingt.
In einem positiven einachsigen Kristall, bei den die Brechzahl des außerordentlichen Strahl großer der des ordentlichen Strahls ist ( ), bewegt sich der außerordentliche Strahl langsamer als der ordentliche Strahl. Dabei wird die schnelle Achse als die Richtung definiert, in der sich der schneller bewegende Strahl schwingt. Das heißt, in einem positiven einachsigen Kristall ist die „schnelle Achse“ (ordentlicher Strahl) senkrecht zu optischen Achse des Kristalls, während die „langsame Achse“ (außerordentlicher Strahl) mit der optischen Achse übereinstimmt. Für einen negativen einachsigen Kristalle stimmt die „schnelle Achse“ mit der optischen Achse überein.
Die Summenfrequenzspektroskopie (SFS, englisch: vibrational sum frequency spectroscopy, VSFS) ist eine zur Gruppe der Molekülspektroskopien gehörende ist eine nichtlinear optische, spektroskopische Untersuchungsmethode. Sie ist damit eng verwandt mit der Raman- und der Infrarotspektroskopie.
Beschreibung
Bei der Summenfrequenzspektroskopie wird, ähnlich wie bei der Raman-Spektroskopie, die Probe mit einem Laserstrahl fester Frequenz (meist im sichtbares Licht) bestrahlt. Zusätzlich wird ein zweiter, gepulster Laser dessen Frequenz im Infrarotbereich einstellbar (durchstimmbar) ist, ebenfalls auf die Probe gestrahlt. Beiden Laserpulse durchdringen die Probe und werden so aufeinander abgestimmt, dass sie Oberfläche räumlich und zeitlich überlagern/addieren.
Die Summenfrequenzspektroskopie basiert auf einem sogenannten Drei-Photonen-Prozess, einem optischen Prozess zweiter Ordnung. Dabei wird ausgenutzt, dass die Suszeptibilität zweiter Ordnung χ(2) nicht null ist. Dieser Effekt tritt bei hohen Feldstärken in der Nähe von Symmetriebrüchen (des Materials) auf, beispielsweise an einer Grenzfläche. Durch diese räumliche Begrenzung des Signals erklärt sich die außerordentliche Sensitivität der SFS an der Granzfläche zweier inversionssymmetrischer Materialien.
Als Spektrum erhält man im Wesentliechn eine Überlagerung des nichtresonanten Hintergrundsignals und der Schwingungsresonanzen an der Grenzfläche der Moleküle zur Luft- oder zum Lösungsmittel darstellt.
sum-frequency generation (SFG)
-infrarot -sichtbar (visual)
Anwendung
Die Tatsache, dass Summen- oder Differenzfrequenzerzeugung nur dann möglich, wenn ein Symmetriebruch vorliegt, macht die SFS zu einer oberflächensensitiven Methode. Die Summenfrequenzspektroskopie wird daher unter anderem zur Materialuntersuchung eingesetzt, sie eignet beispielsweise sich zur Charakterisierung von Oberflächenbelegungen und Adsorbaten.
Quellen
- L. F. Scatena, M. G. Brown, G. L. Richmond: Water at Hydrophobic Surfaces: Weak Hydrogen Bonding and Strong Orientation Effects. Band 292, 2001, S. 908–912.
- Ulrich Bauer: Summenfrequenz-Spektroskopie im mittleren Infrarotbereich an in situ Grenzflächen und Oberflächen unter UHV-Bedingungen. München 2005 (PDF – Dissertation, München, Technische Universität München, 2005).
Der Majorana-Effekt (benannt nach dem italienischen Physiker Quirino Majorana[1][2]) beschreibt in der Magnetooptik die Doppelbrechung kolloidaler Lösungen in einem Magnetfeld; Majorana entdeckte den Effekt an ferromagnetischen Eisenoxidsolen. Die Doppelbrechung wird durch die Richtwirkung des Magnetfeldes (Wirkung auf die Ausrichtung) auf die magnetisch anisotropen Kolloidteilchen verursacht und erfolgt auf Licht, dass sich senkrecht zum Magnetfeld ausbreitet. Wobei die optische Achse des Materials parallel zu den magnetischen Feldlinien liegt.
Der Majorana-Effekt tritt auch in diamagnetischen Solen auf, deren Teilchen sich senkrecht zum Magnetfeld einstellen.
Ähnliche Effekte sind der Cotton-Mouton-Effekt (Doppelbrechung durch die Ausrichtung von Molekülen im Magnetfeld)[3] und der Voigt-Effekt (Doppelbrechung in der Nähe von intensiven Absorptionslinien aufgrund der Beeinflussung der Elektronenbewegung).
Literatur
- Wilfried Heller: Magnetooptische Untersuchungen an Eisenoxydsolen I. In: Fortschrittsberichte über Kolloide und Polymere. Band 39, Nr. 1, S. 1–57, doi:10.1007/BF02556744.
- Susamu Taketomi, Nobuyuki Inaba, Hiromasa Takahashi, Hideki Miyajima: Field Dependence of Magnetic Birefringence of Magnetic Fluid in Low-Magnetic-Field Region. In: Journal of the Physical Society of Japan. Band 59, 1990, S. 3077–3080 (Abstract [abgerufen am 31. Oktober 2009]).
- E. D. Palik, B. W. Henvia: A bibliography of magnetooptics of solids. In: Applied Optics IP. Band 6, Nr. 4, 1967 (PDF [abgerufen am 31. Oktober 2009]).
Einzelnachweise
- ↑ Q. Majorana: Nuovi fenomeni magneto-ottici presentati da speciali soluzioni magnetiche. In: Il Nuovo Cimento (1901-1910). Band 4, Nr. 1, 1902, S. 44–52, doi:10.1007/BF02709462.
- ↑ Q. Majorana: Bimagnetische Rotation der Polarisationsebene. In: Physikalische Zeitschrift. Band 4, 1902, S. 145.
- ↑ S. Kielich: Nonlinear Magnetooptics of Colloids. In: Journal of Colloid and Interface Science. Band 30, Nr. 2, 1969, S. 159 (PDF).
Der Voigt-Effekt (benannt nach dem deutschen Physiker Woldemar Voigt) beschreibt in der Magnetooptik die Doppelbrechung in einem transparenten, gasförmigen Medium, bei einem konstanten Magnetfeld senkrecht zu Ausbreitungsrichtung des Lichtes. Er wird auch magnetischer linearer Dichroismus (MLD) genannt und ist stärker als ähnliche Effekte, wie dem Cotton-Mouton-Effekt (bei Molekülen) und dem Majoran-Effekt (bei kolloidialen Lösungen. Zusammen bilden die drei Effekte die magnetischen Analogien zum Kerr-Effekt Die dabei auftretende Brechzahländerung ist proportional zum Quadrat der magnetischen Flussdichte:
wobei die Brechzahl und die magnetische Flussdichte.
Beim 1898 entdeckten Voigt-Effekt [1], dem MLD (Magnetic Linear Dichroism) und dem Cotton-Mouton-Effekt, liegt die Magnetfeldrichtung parallel zu der Oberfläche, die von der einfallenden Welle senkrecht getroffen wird. Der Cotton-Mouton-Effekt, der vor allem in Flüssigkeiten auftritt, beruht auf der elektrischen und magnetischen Anisotropie der Moleküle. Durch das angelegte Feld werden die Moleküle ausgerichtet und bewirken eine quadratisch vom Feld abhängige Änderung der Diagonalterme des -Tensors, . Der Voigt-Effekt, der in Metalldampf gemessen wird, und der MLD, der am Festkörper gemessen wird, werden durch die Ausrichtung der Elektronenhüllen verursacht.
Bei der Ausbreitung in einem magnet. Feld wird die Schwingungsebene linear polarisierten Lichts, das sich parallel zu den Magnetfeldlinien ausbreitet, in allen (auch normalerweise optisch nicht aktiven) Substanzen gedreht (Faraday-Effekt, Magnetorotation). Der Drehwinkel ist der Schichtdicke und der magnet. Feldstärke proportional. Die materialspezif. Proportionalitätskonstante (Verdet-Konstante) ist temperatur- und wellenlängenabhängig. Für Wellenlängen in der Nähe von Absorptionslinien wird die Drehung extrem groß (Macaluso-Corbino-Effekt). Bei Ausbreitung senkrecht zu den magnet. Feldlinien pflanzen sich die parallel und senkrecht zur Feldrichtung polarisierten Teilwellen (ähnlich wie im Fall der Ausbreitung in elektr. Feldern beim Pockels-Effekt oder elektroopt. Kerr-Effekt) mit unterschiedl. Phasengeschwindigkeit fort. Diese transversale magnetische Doppelbrechung ist auf die Ausrichtung von Molekülen (Cotton-Mouton-Effekt) oder größeren Teilchenaggregaten (Majorana-Effekt) im Magnetfeld zurückzuführen (Einstelleffekte). Sie wird in der Nähe von intensiven Absorptionslinien wegen der Beeinflussung der Elektronenbewegung bes. stark (Voigt-Effekt). Bei paramagnet. Substanzen kommt zu der diamagnet. Drehung noch eine (i.d.R. größere) paramagnet. Drehung hinzu. Sehr große Drehungen bewirken dünne ferromagnet. Materialien (Kundt-Effekt), bei denen die Orientierung der magnet. Momente sich auch durch die Veränderung der Polarisation bei der Reflexion von Licht an der Oberfläche bemerkbar macht (magnetooptischer Kerr-Effekt).
Englischer Artikel
The Voigt Effect, is one of a class of effects, resulting in what is called magnetic birefringence, or magnetic double refraction. It is a magneto-optical phenomenon with a similar origin to the Faraday effect. In the Faraday effect, the polarization of light can be rotated when passed through a transparent medium to which an external magnetic field is applied. The Voigt Effect is similar, but while the Faraday effect is linear in the applied field, this effect is quadratic. This quadratic scaling stems from an arrangement whereby the external magnetic field is applied at right angles to the direction of propagation. In this case, all the effects that are proportional to the magnetic field vanish.
The term, the Voigt effect is usually reserved for the observation of the aforementioned polarization shift when a vapor plays the role of the transparent medium. When a liquid plays this role, the effect is much stronger (i.e. the proportionality to the square of the magnetic field is greater), and is known as the Cotton-Mouton effect.
This effect is utilized in Voigt filters, a type of Atomic line filter. In this circumstance, the Voigt Effect makes a vapor cell act as a half wave plate.
Einzelnachweise
- ↑ S. Paker, 1987 Webster's Biographical Dictionary 1959
Quellen
- Brockhaus. 2003.
- Magnetooptik
- w:en:Voigt effect
Die HREEL-Spektroskopie (englisch High Resolution Electron Energy Loss Spectroscopy, HREELS, dt. „hochaufgelöste Elektron-Energieverlust-Spektroskopie“) ist eine analytische Methode der Oberflächenforschung.
Sie basiert auf der ineleastisch Streuung von Elektronen an der Oberfläche, um elektronische Anregungen oder Schwingungsmodi von Molekülen im Bereich der Oberfläche zu charakterisieren. Im Gegensatz zu anderen Elektronenenergieverlustspektroskopien (EELS) werden somit kleine Energieverluste im Bereich von 10 meV bis 1 eV analysiert.
Die resultierenden Spektren ähneln denen anderer Molekülspektroskopien wie der Infrarot- bzw. Raman-Spektroskopie.
HREELS wird unter anderem bei der Untersuchung von Oberflächenstrukturen (beispielsweise bei der Analyse von dünnen Schichten) und Oberflächenreaktionen (wie katalytische Reaktionen) eingesetzt.