Mintázat 2.óra

Az alábbi órán a különböző kísérleti technikák működési elvével foglalkoztunk. Fontos tudni, hogy a jelen órán vizsgált rendszereknél a válasz nem lineáris a perturbációval, azaz ha van két megoldásunk, akkor ezek lineárkombinációja nem lesz megoldás. A továbbiakban ezen az órán olyan technikákkal fogunk foglalkozni, amelyek segítségével a kis amplitudójú, vagy bonyolult geometriájú esetben a térbeli struktúrákat láthatóvá lehet tenni.

Kísérleti technikák

A következő technikákkal foglalkozunk az alábbiakban:

• Árnyékleképezés (shadowgraph), schlieren technika
• Polarizációs mikroszkópia (kettőstörés), fáziskontraszt és interferencia mikroszkópia
• Periodikus struktúrák detektálása diffrakcióval (helyérzékeny fotodetektorok)
• Sebességmérés áramlásokban (Particle Image Velocimetry - PIV, Particle Tracking)
• Nem átlátszó rendszerek belsejében lejátszódó jelenségek vizualizálása (index matching, PEPT, DWS, MRI, CT)
• CCD és CMOS szenzorok tulajdonságai

Árnyékleképezés (shadowgraph)

Lényege: intenzív, monokromatikus fényforrással optikai inhomogenitások árnyékképét hozzuk létre. A jelenség alapja, hogy a fény az optikailag sűrűbb közeg felé törik (hajlik el - lásd lentebb a bal oldali ábrát). Egy inhomogén optikai közeg (például egy gyertyaláng) különböző részei fókuszálják, más részei pedig defókuszálják a beérkező fénynyalábot, így kialakul egy árnyékkép. Az árnyékkép alakjából pedig következtetni tudunk a megfigyelt minta sűrűségeloszlására. Természetesen ez a technika csak optikailag átlátszó közegek esetén (pl. levegő, víz, üveg) alkalmazható.

• 

  A fénytörés jelensége

• 

  Gradiens indexű lencse fényfókuszálása

• 

  Az autó fölött "fodrozódó" levegő is a fent ismertetett hatás következménye

• 

  A gyertyaláng árnyékképe

A fenti, balról a második ábrán látható gradiens indexű lencse (gradient index lens) éppen úgy fókuszálja (vagy defókuszálja) a fényt, ahogy az árnyékleképezés során az inhomogén anyagok keresztülhaladó fénnyel is történik. A lencse működését a fenti ábra jól szemlélteti. Egy egyszerű, (például) kocka alakú tárgyról van szó, melynek törésmutatója inhomogén és így a domború lencsékhez hasonlóan fókuszálja a fényt.

Példa: Rayleigh-Bénard áramlás vizualizálása

Az árnyékleképezés bemutatására jó példa az alulról fűtött folyadékban (pl. szilikonolaj) kialakuló Rayleigh-Bénard áramlás. Ha elég nagy a függőleges hőmérséklet-gradiens (a pontos képletet egy későbbi órán), folyadékáramlás indul meg. Az alul lévő melegebb (emiatt kisebb sűrűségű) anyag fölfelé, míg a fölül lévő hidegebb (emiatt nagyobb sűrűségű) anyag lefelé igyekszik. Így kialakulhat egy körkörös föl- és leáramlás.

• A Rayleigh-Bénard áramlás vizualizálása árnyékleképezéssel
• 

  Az áramlás oldalnézetből

• 

  A berendezés vázlatos képe

• 

  Az áramlás árnyékképe felülről, 1 cm vastag olajréteg esetén, 1^oC-os hőmérsékletkülönbségnél.

Árnyékleképezés napfénnyel

A Nap, mint fényforrás előnyei, hogy intenzív és nagyon nagy objektumokra is alkalmazható. Hátránya, hogy nem pontszerű, emiatt a keletkező kép széle elmosódott lesz. A felbontási küszöböt az alábbi vázlatos ábra alapján a következő egyenletekkel becsüljük.

A Nap, mint fényforrás alkalmazása során a felbontási küszöb becslése

$\frac{\delta}{g} = tan \left( \frac{1}{2}^o \right) = 0,009$
$\Delta a = g \cdot tan \epsilon$
$\frac{\Delta a}{\delta} = \frac{tan \epsilon}{\tan \left( \frac{1}{2}^o \right)} \approx \frac{\epsilon}{\frac{1}{2}^o}$

A fenti képletekből látható, hogy túl nagy, vagy túl kicsi relatív ernyőtávolság $\left( \frac{g}{d} \right)$ esetén nem lesz jó a kép. Az optimális távolság: $20 \le \frac{g}{d} \le 30$ között van.

Schlieren technika

A Schliere-technikával működő berendezés vázlatos képe

A Schlieren-technika segítségével optikailag átlátszó anyagban vizsgálhatunk kis sűrűség-inhomogenitásokat. A technika lényege, hogy az "A" helyen lévő kis sűrűség-inhomogenitást úgy jelenítjük meg, hogy a párhuzamos nyalábot összefókuszáló lencse gyújtópontjába egy pengét tolunk. Ha az "A" helyen lévő közeg teljesen homogén, akkor a kép hirtelen tűnik el, amikor a penge a fókuszpontba ér. Ha azonban az "A" helyen lévő közeg inhomogén, akkor a penge betolásával az ernyőn folytonosan változik a kép, és a direkt nyalábot kitakarva az inhomogenitás jól láthatóvá válik.

• Néhány példa a Shlieren-technikával történő ábrázolásra
• 

  Borospohár körül áramló gáz képe

• 

  Az emberi lehellet képe

Plazmabuborék határán fellépő Richtmyer-Meshkov instabilitás vizualizálása Schlieren-technikával

Egy függőleges cső aljában parabolatükröt helyeznek el. A fölülről érkező nyalábot a tükör fókuszálja, ennek következtében a csőben lévő gázban egy plazmabuborék jön létre (az alábbi, jobb oldali képen fehér tartomány). A buborék keletkezésekor egy lökéshullám indul meg gömb alakban kifelé, mely a parabolatükörről visszaverődve párhuzamos hullámfrontként halad előre, majd nekiütközik magának a buboréknak, aminek határa a lökéshullámmal való kölcsönhatás következtében instabillá válik (112 $\mu s$): kialakul az úgynevezett Richtmyer-Meshkov instabilitás (mely a Rayleigh-Taylor instabilitás egy formája, mindkettőről szó lesz a 4. órán).

• A Richtmyer-Meshkov instabilitás vizualizálása Schlieren-technikával
• 

  A berendezés vázlatos képe

• 

  A plazmabuborékról készült képek

Polarizációs mikroszkópia (kettőstörés)

Bizonyos kristályokban a lineárisan poláros fény sebessége függ attól, hogy melyik kristálytengely irányában halad. Ennek oka az, hogy az anyag anizotróp, és különböző mértékben polarizálható a különböző irányokban.

A különböző polarizációk szemléltetése

Kettőstörés: A (kettőstörő) kristályba belépő fény két sugárra bomlik, amelyek közül az egyik, az úgynevezett rendes vagy ordinárius sugár szabály szerint követi a törés törvényét, a másik, a rendellenes vagy extraordinárius sugár azonban nem. Így törik meg a rendes sugár és a rendellenes sugár a kettős töréskor.

A jelenség azzal magyarázható, hogy míg a rendes (ordinárius - o) sugár esetén a hullámfront pontjaiból rendes kör- (gömb)hullámok indulnak ki, a rendellenes (extraordinárius - e) sugár esetén ezek az elemi hullámok ellipszis alakot vesznek fel, aminek az az oka, hogy a kristály szerkezete miatt a kristályban az adott irányban megváltozik a fény terjedési sebessége. A rendellenes (eo) sugár esetén a törésmutató a beeső sugár irányától is függ, és (a törés törvényével szemben) a megtört sugár általában nem marad a beesési síkban.

Egytengelyű kristályokban általános esetben az optikai tengely és a nyaláb iránya jelöli ki az ordinárius és extraordinárius nyalábok vibrációs irányát. A mteszetet, ami mindkét nyalábot tartalmazza, fősíknak (principal section) nevezzük. Az ordinárius nyalábban a tér a fősíkra merőlegesen, míg az extraordinárius nyalábban a fősíkban oszcillál.

A törésmutató anizotrópia az extraordinárius (az optikai tengellyel párhuzamos polarizációjú) és az ordinárius (a tengelyre merőleges polarizációjú) nyalábokra vonatkozó törésmutatók különbsége: $\Delta n = n_e - n_o$

• A kettőstörést szemléltető ábrák
• 

  Az ordinárius és extraordinárius nyalábok szemléltetése

• 

  A fősík szemléltetése

• 

  Kettőstörés kalcitban

• 

  Vizuális példa a kettőstörésre

A kettőstörő anyag a két nyaláb (o és e) fázisát eltolja egymáshoz képest. Így a bejövő lineárisan poláros fény a mintát elhagyva általában elliptikusan poláros lesz. Ez a jelenség a kettőstörő anyagokban jól használható orientációs inhomogenitások vizsgálatára és azok időbeli változásának nyomon követésére - méghozzá polarizátorokkal felszerelt mikroszkóp segítségével.

A polarizációs mikroszkóp vázlatos felépítése

A mikroszkópba vékony $\left( \sim 10 \mu m \right)$ szeletet téve a különböző orientációjú domének különböző mértékeben tolják el a két (o és e) nyaláb fázisát, így különböző színük (illetve monokromatikus fény esetén különböző intenzitásuk) lesz.

Megfelelően polarizált nyalábot használva a kettőstörő anyag árnyékleképezése optimalizálható.

• Példák a polarizációs mikroszkóppal készült felvételekre
• 

  Vitamin kristály

• 

  A folyadékkristály optikai mintázatai

• 

  Nematikus folyadékkristályban nyírás hatására kialakult hengeres áramlás képe

Fáziskontraszt mikroszkópia

A fáziskontraszt-mikroszkóp vázlatos képe

A kondenzorlencse alá olyan átlátszatlan lemezt helyeznek, amelyen a fényzáró réteg gyűrű alakú áteresztő területet tartalmaz („gyűrű-diafragma”). A kondenzorból a preparátum felé kilépő sugár ezért henger- vagy kúppalást mentén halad át a tárgyon, majd képeződik le az objektív gyújtópontjában. Az objektív felett gyűrű alakú rápárologtatott réteget tartalmazó lemez van, amely a hengerpalást mentén jövő (összehasonlító) fénysugarat a hullámhossz negyedrészével fázisban eltolja („fázislemez”). A vizsgálandó preparátum optikailag sűrűbb részleteiből jövő, fáziskésést szenvedett tört sugarak nem haladnak át a fázisgyűrűn és a képsíkban egyesülnek az összehasonlító sugarakkal, interferálnak azokkal. Ez ahhoz vezet, hogy a sugarak kioltják (vagy vastagabb struktúrák esetén erősítik) egymást, miáltal a tárgy különböző törésmutatójú és vastagságú komponensei különböző mértékben sötétnek (esetleg világosnak látszanak). A fázislemez azt a célt szolgálja, hogy az aránylag kis fáziskésést szenvedett sugarak esetén is aránylag nagy legyen a fáziskülönbség és így a kontraszt.

A mikroszkóp sugármenetének vázlatos képe

CCD és CMOS szenzorok tulajdonságai

<<<Vissza az óra nyitólapjára