İçeriğe atla

Çift kırılma

Çift kırılma (ya da ikili kırılma), bir ışının (foton huzmesi) anisotropik (eşyönsüz) maddelerden geçerken iki ışına ayrışmasıdır. Kalsit ya da boron nitrit bu türden maddelere örnek olarak verilebilir. Bu etki ilk olarak Danimarkalı bilim adamı Rasmus Barthonlin tarafından 1669da kalsit üzerinde gözlemlendi.[1] Bu etkinin belli plastik, manyetik, çeşitli kristal yapıda olmayan maddeler ve sıvı kristallerde de olur.[2]

Bu etkiye verilecek en basit örnek tek eksenli eşyönsüz maddelerde görülür. Yani, maddenin yapısında bulunan bir simetri ekseni ona dik düzlemlerde ona denk başka simetri eksenlerine sahip değildir. (Böylece kübik kristaller elenmiş oluyor.) Bu eksene maddenin optik ekseni denir ve bu eksene paralel ya da dik polarizasyonlarda gelen ışığın kırılma indisi farklıdır. Bu indislerin simgesi ne ve no dur. (e o ve İngilizce extraordinary (sıra dışı) ve ordinary(sıradan) kelimelerinin baş harfleridir. Bu isimler gösterir ki; eğer apolarize bir ışık bir maddeye optik eksenle sıfırdan büyük bir dar açı yaparak gelirse, eksene dik polarize olmuş bileşen standart kırılma yasasına göre kırılacaktır. Aynı zamanda tümleyen bileşen ise standart olmayan-geliş açısına ve kırılma indislerinin farkına göre belirlenen- bir açıyla kırılacaktır. Kırılma indisleri arasındaki fark çift kırılma büyüklüğü olarak bilinir:

Böylelik ışık doğrusal biçimde polarize olmuş sıradan ve sıra dışı olarak adlandırılan iki ışına ayrılır.[3] Işık optik eksene paralel ya da dik giderken istisnalar oluşabilir. İlk durumda, hem polarizasyon hem de ışınlar sıradandır ve ayrılmazlar. İkinci durumda ise, bileşenlere ayrılma olmaz fakat iki bileşen farklı hızlarda hareket ederler ve bu etki doğrusal polarizasyonla çembersel ya da elipssel polarizasyon arasında dönüşüm yapmak için kullanılabilir.

Çift kırılma aynı zamanda çift eksenli anizotropik maddelerde de oluşur, buna üçlü kırılma da denir, ama onun tanımı tabiî ki daha karmaşıktır.[4]

Oluşumu

Çift kırılma doğal olarak rahatça bulunabileceği gibi (özellikle kristallerde), optik olarak isotropik maddelerde de oluşması için çeşitli yöntemler vardır:

  • Esnetme eğriltme gibi yöntemlerle madde isotropisi bozularak elde edilebilir. Örneğin5 Haziran 2011 tarihinde Wayback Machine sitesinde arşivlendi.
  • Elektrik alan uygulanarak isotropi bozulabilir. (bakınız Pockels effect)
  • Ses dalgası ile izotropik bir madde anizotropik hale getirilebir. (Akusto-optik etki)
  • Manyetik alan uygulamak maddeyi çembersel olarak çift-kırılır hale getirebilir. (bakınız Faraday effect)
  • Polar moleküller kullanılarak üretilen ince filmler, iyi birer çift kırılır maddedir.

Tek eksenli çift kırılır maddelere örnekler

Tek Eksenli Maddeler, 590 nm[5]
MaddenoneΔn
beryl Be3Al2(SiO3)61.6021.557-0.045
calcite CaCO31.6581.486-0.172
calomel Hg2Cl21.9732.656+0.683
ice H2O1.3091.313+0.004
lithium niobate LiNbO32.2722.187-0.085
magnesium fluoride MgF21.3801.385+0.006
quartz SiO21.5441.553+0.009
ruby Al2O31.7701.762-0.008
rutile TiO22.6162.903+0.287
peridot (Mg, Fe)2SiO41.6901.654-0.036
sapphire Al2O31.7681.760-0.008
sodium nitrate NaNO31.5871.336-0.251
tourmaline (complex silicate)1.6691.638-0.031
zircon, high ZrSiO41.9602.015+0.055
zircon, low ZrSiO41.9201.967+0.047

Bu alanda en iyi çalışılabilen maddeler kristallerdir. Silikon carpit özellikle iyi bir çift kırılır maddedir.

Birçok plastik çift kırılma gösterir, çünkü yapılarındaki maddeler ‘donmuş’ halde bulunurlar.[6] Örneğin selefon ucuz bir çift kırılır maddedir ve Polaroid levhalar genellikle diğer plastiklerin çift kırılma yönünü bulmakta kullanılır. Çift kırılır maddeler ışığın polarizasyonunu değiştiren birçok alette kullanılır. Bakınız polarize prizmalar, and Lyot filtreleri.

Yukarıda da belirtildiği gibi manyetik maddelerde de bu özellik gözlemlenebilir, ama optik frekanslar da bu özellik nadir olarak ortaya çıkar.

Çift kırılma amiloid plaklarda da gözlemlenebilir, Alzheimer hastalarının beyinlerinde bu maddeden vardır. İmmunoglobulin gibi değiştirilmiş proteinler hücrelerin arasında birikerek fibrilleri oluştururlar. Çok katlı bu fibril yapılar polarize ışık altında incelendiğinde çift kırılma gösterirler.

Pamuk iplikçikleri ikincil hücre çeperindeki yüksek seviyedeki selülozdan dolayı çift kırılırdır. Optik fiberlerdeki ufak pürüzler çift kırılmaya yol açabilir ki bu da iletişimde bozulmaya sebep olur. Bu pürüzler geometrik hatadan ya da fotoelastik etkilerden kaynaklanabilir.

Hızlı ve yavaş ışınlar

Tek eksenli negatif maddelerin kırılma indsileri
İlerleme
yönü
Sıradan ışın Sıra dışı ışın
Polarizasyon neffPolarizasyon neff
zxy-plane n/a n/a
xy-plane xy-plane z
xz-plane yxz-plane
diğer xz düzlemine benzer

Genellikle maddeler için öyle iki polarizasyon yönü vardır ki madde tek bir kırılma indisi varmış gibi davranır. Tek eksenli maddelerde, bu polarizasyonlar sıradan ve sıra dışı olarak adlandırılırlar (e ve o). Çift eksenli maddelerde ise buna benzer üç tane indis vardır ve iki ışın yavaş ve hızlı olarak adlandırılırlar. Yavaş ışın en yüksek kırılma indisine sahiptir. Tek eksenli maddelerde z-ekseni optik eksen olarak tanımlanır. xz düzleminde ilerleyen ışınların indisi ve arasında z ekseni ile yaptığı açıya göre değişir.

Pozitif ya da negatif

Tek eksenli çift kırılır maddeler pozitif ve negatif olmak üzere ikiye ayrılır. Eğer optik eksen doğrultusunda gelen ışığın kırılma indisi, eksene dik gelen ışığınkinden büyükse pozitif; küçükse negatiftir.[7] Diğer bir deyişle, pozitif çift kırılmaya sahip maddelerde, yavaş ışığın polarizasyonu optik eksene paraleldir ya da tam tersi.

Çift eksenli kristallerde, eğer yavaş(ya da hızlı) ışın optik eksenle oluşan dar açıyı ikiye bölerse madde pozitif(negatif) çift kırılmaya sahiptir.[8]

Pratikte, kırmızı ışık yayan optik düzenleyici kullanırken, pozitif çift kırılır madde mavi gözükür; negatif ise sarı gözükür. Bunun sebebi pozitif çift kırılmaya sahip maddelerde yayılan ışığın dalgaboyu daha fazla kayar; çünkü yavaş ışın, düzenleyicinin yavaş eksenine paraleldir. Bu şekilde elde edilen ışık tayfında renklerin sırası tipik bir tayftan farklıdır: sarı-turuncu-kırmızı-mor-mavi

Ölçüm

Çift kırılma ve ilgili optik etkiler (optik rotasyon gibi) maddeden geçen ışığın polarizasyonundaki değişimlerle ölçülür. Bu ölçümlere polarimetre denir.

Lipid ikili-katmanlarının çift kırılması ikili polarizasyon interferometresiyle ölçülür. (dual polarisation interferometry) Bu katmanlardaki sıranın derecesinin ölçümünü verir ve diğer biomoleküllerle etkileşmenin bu sıraya nasıl etki ettiğini. Optik mikroskopların genel bir özelliği bir çift polarize filtreye sahip olmalarıdır. Bu çapraz polarize filtrelerin arasında, çift kırılır bir madde koyu bir arka planda parlak olarak gözükür.

Kalsiyum karbonat, kalsit gibi sabit bileşiklerde, kırılma indisi gelen ışığın yönüne bağlıdır. Kırılma aynı zamanda bileşiğe de bağlıdır ve Gladstone-Dale bağıntısı kullanılarak hesaplanabilir.

Uygulamaları

Çift kırılma, LCD’ler, ışık ayarlayıcıları, renk filtreleri, dalga levhaları, optik eksen ızgaraları gibi birçok optik alette kullanılır. Aynı zamanda ikinci harmonik oluşumu gibi doğrusal olmayan işlemlerde önemli rol oynarlar.

Elektronik kameralarda alçak frekansları geçiren filtreler olarak kullanılırlar. Kristalin kalınlığı kontrol edilerek görüntü bir tarafa dağıtılabilir. Bu bütün televizyonların ve elektronik kameraların doğru çalışabilmesi için önemlidir.

Ecza

Çift kırılma medikal tanılarda kullanılır. Gut hastalarından alınan sıvı negatif çift kırılma gösterir. (Urate kristalleri) Kalsiyum pyrophosphate ise pozitif kırılım gösterir.[9] Böylece düzenleyici filtre altında kırmızı ya da sarı renklere bakılarak ayırt edilebilirler.

Göz biliminde ise, lazer polarimetresi tarayıcısı retinadaki sinir ağ tabkalarının çift kırılma özelliğini kullanarak kalınlığını ölçer, bu da glokom hastalığının değerlendirilmesinde kullanılır.

Sperm başlarının çift kırılma özelliği, yapay döllenmede sperm seçmek için kullanılır.[10] Benzer biçimde, en yüksek olasılıklı döllenmeyi sağlamak için yumurtayı seçmede kullanılır.[11] Bunların yanı sıra silikoz hastalığının tespitinde de kullanılır.

Kaynakça

  1. ^ Erasmus Bartholin, Experimenta crystalli islandici disdiaclastici quibus mira & infolita refractio detegitur [Experiments on birefringent Icelandic crystal through which is detected a remarkable and unique refraction] (Copenhagen, Denmark: Daniel Paulli, 1669). See also: Erasmus Bartholin (January 1, 1670) "An account of sundry experiments made and communicated by that learn'd mathematician, Dr. Erasmus Bartholin, upon a chrystal-like body, sent to him out of Island," Philosophical Transactions of the Royal Society of London, vol. 5, pages 2039-2048.
  2. ^ The Science of Color, by Steven K. Shevell, Optical Society of America. Published 2003. ISBN 0444512519
  3. ^ "Eric Weisstein's World of Physics on Birefringence". 27 Nisan 2006 tarihinde kaynağından arşivlendi. Erişim tarihi: 22 Mayıs 2011. 
  4. ^ Landau, L. D., and Lifshitz, E. M., Electrodynamics of Continuous Media, Vol. 8 of the Course of Theoretical Physics 1960 (Pergamon Press), §79
  5. ^ Elert, Glenn. "Refraction". The Physics Hypertextbook. 6 Haziran 2017 tarihinde kaynağından arşivlendi. Erişim tarihi: 11 Haziran 2017. 
  6. ^ "The Use of Birefringence for Predicting the Stiffness of Injection Moulded Polycarbonate Discs". 25 Temmuz 2011 tarihinde kaynağından arşivlendi. Erişim tarihi: 22 Mayıs 2011. 
  7. ^ Brad Amos.Birefringence for facetors I : what is birefringence? 14 Aralık 2013 tarihinde Wayback Machine sitesinde arşivlendi. First published in StoneChat, the Journal of the UK Facet Cutter's Guild. January–March. edition 2005
  8. ^ Page 509 in:McClatchey, Kenneth D. (2002). Clinical laboratory medicine. Philadelphia: Lippincott Wiliams & Wilkins. ISBN 0-683-30751-7.  [1][]
  9. ^ Hardy RH, Nation B (Haziran 1984). "Acute gout and the accident and emergency department". Arch Emerg Med. 1 (2). ss. 89-95. PMC 1285204 $2. PMID 6536274. 
  10. ^ Gianaroli L, Magli MC, Ferraretti AP; ve diğerleri. (Aralık 2008). "Birefringence characteristics in sperm heads allow for the selection of reacted spermatozoa for intracytoplasmic sperm injection". Fertil. Steril. 93 (3). ss. 807-13. doi:10.1016/j.fertnstert.2008.10.024. PMID 19064263. 
  11. ^ Ebner T, Balaban B, Moser M; ve diğerleri. (Mayıs 2009). "Automatic user-independent zona pellucida imaging at the oocyte stage allows for the prediction of preimplantation development". Fertil. Steril. 94 (3). ss. 913-920. doi:10.1016/j.fertnstert.2009.03.106. PMID 19439291. 

İlgili Araştırma Makaleleri

<span class="mw-page-title-main">Optik</span> fizik biliminin bir alt dalı

Optik, ışık hareketlerini, özelliklerini, ışığın diğer maddelerle etkileşimini inceleyen; fiziğin ışığın ölçümünü ve sınıflandırması ile uğraşan bir alt dalı. Optik, genellikle gözle görülebilen ışık dalgalarının ve gözle görülemeyen morötesi ve kızılötesi ışık dalgalarının hareketini inceler. Çünkü ışık bir elektromanyetik dalgadır ve diğer elektromanyetik dalga türleri ile benzer özellikler gösterir.

Refraktometri, her ortamın kırılma indisinin farklı olması prensibini kullanarak, konsantrasyon ve madde miktarı gibi tayinleri yapmaya yarayan bir yöntemdir.

<span class="mw-page-title-main">Snell yasası</span> Kırılma açıları için madde formülü

Snell yasası ışığın geldiği ortamın kırıcılık indisiyle geliş doğrultusunun normalle yaptığı açının sinüsünün, ışığın gittiği ortamın kırıcılık indisiyle gidiş doğrultusunun normalle yaptığı açının sinüsüyle çarpımına eşitlenmesiyle oluşan formüle dayalı fiziğin optik dalında yer alan bir yasadır.

Optik yalıtıcı veya diğer adıyla optik diyot, ışığın sadece bir tarafa geçmesine izin veren, diğer yöne geçmesini engelleyen bir optik bileşendir. Genel olarak, bir optik salınıcının içinde oluşabilecek, ters yönde ilerleyen istenmeyen ışığı engellemek için kullanılır. Ana bileşeni bir Faraday döndürücüsüdür. Faraday döndürücüsü, bir manyeto-optik etki olan Faraday etkisini kullanarak çalışır.

<span class="mw-page-title-main">Polarizasyon</span>

Polarizasyon dalganın hareket yönüne dik gelen düzlemdeki salınımların yönünü tanımlayan yansıyan dalgaların bir özelliğidir. Bu kavram dalga yayılımı ile ilgilenen optik, deprembilim ve uziletişim gibi bilim ve teknoloji sahalarında kullanılmaktadır. Elektrodinamikte polarizasyon, ışık gibi elektromanyetik dalgaların elektrik alanının yönünü belirten özelliğini ifade eder. Sıvılarda ve gazlarda ses dalgaları gibi boyuna dalgalar polarizasyon özelliği göstermez çünkü bu dalgaların salınım yönü uzunlamasınadır yani yönü dalganın hareketinin yönü tarafından belirlenmektedir. Tersine elektromanyetik dalgalarda salınımın yönü sadece yayılımın yönü ile belirlenmemektedir. Benzer şekilde katı bir maddede yansıyan ses dalgasında paralel stres yayılım yönüne dik gelen bir düzlemde her türlü yönlendirmeye tabi olabilir.

Fizikte, Faraday etkisi ışığın ve manyetik alanın bir ortam içindeki ilişkisini ele alan bir manyeto-optik olgudur. Faraday etkisi, yayınım yönündeki manyetik alan bileşenine neredeyse dik olan bir polarize levhanın dönmesine neden olur.

<span class="mw-page-title-main">Brewster açısı</span>

Brewster açısı, belirli bir polarizasyona sahip ışığın transparan bir dielektrik yüzeyden mükemmel şekilde geçip hiç yansımadığı geliş açısıdır. Bu açıda "polarize olmamış" bir ışık gelirse, yüzeyden yansıyan bu ışık dolayısıyla mükemmel polarizedir. Bu özel geliş açısına İskoç fizikçi Sir David Brewster'dan sonra (1781-1868) kendisinin ismi verilmiştir.

<span class="mw-page-title-main">Polarizör</span>

'Polarizör tanımlanmamış ya da karışık polarizasyona sahip elektromanyetik dalgalardan oluşan bir ışın demetini iyi-tanımlanmış bir polarizasyona sokan bir alettir. Genel polarizör tipleri doğrusal polarizörler ve dairesel polarizörlerdir. Polarizörler birçok optik teknikle ve aletle, polarize filtreler ise fotoğrafçılık uygulamalarında ve sıvı kristal ekran teknolojisinde kullanılmaktadır.

<span class="mw-page-title-main">Polarizörler</span>

Polarizörler belirli bir polarizasyondaki ışığı geçirip diğer polarizasyondaki dalgaları bloke eden optik filtrelerdir. Tanımlı olmayan veya karışık bir polarizasyona sahip bir ışık demetini iyi tanımlanmış polarizasyondaki bir demete dönüştürür. Yaygın polarizör çeşitleri lineer(doğrusal) polarizörler ve dairesel polarizörlerdir. Polarizörler birçok optik teknik ve alette kullanılır, polarize filtreler de fotoğrafçılıkta ve sıvı kristal ekranlarda uygulama sağlar. Polarizörler aynı zamanda ışıktan başka elektromanyetik dalgalar, örneğin radyo dalgaları, mikrodalgalar, X-ışınları için de yapılabilir.

<span class="mw-page-title-main">Mercek</span>

Mercek ya da lens ışığın yönünü değiştiren (kıran), ışık ışınlarını birbirine yaklaştıran ya da uzaklaştıran optik alet.
Basit mercek tek bir optik elemanın kullanıldığı, bileşik mercek ise iki optik elemanın bir arada olduğu mercek tipidir. Bileşik mercek, basit mercek kullanıldığında ortaya çıkan sapınç olayının etkisini azaltmak için kullanılır. Mercekler genelde camdan ve saydam plastikten yapılır. Lensler, gereken şekle göre taşlanır, parlatılır veya kalıplanır. Bir mercek, ışığı odaklamadan kıran bir prizmadan farklı olarak, bir görüntü oluşturmak için ışığı odaklayabilir. Mikrodalga lensler, elektron lensler, akustik lensler veya patlayıcı lensler gibi görünür ışık dışındaki dalgaları ve radyasyonu benzer şekilde odaklayan veya dağıtan cihazlara da "mercekler" denir.

Refraktometre kırılma indisinin (refraktometri) ölçümü için laboratuvar ya da saha cihazıdır. Kırılma indisi Snell's yasasından hesaplanır ve Gladstone–Dale bağıntısının kullanımıyla maddenin kompozisyonundan da hesaplanabilir. Bir refraktometre, bir ışık demetinin bir malzemeden diğerine geçerken bükülmesini ölçer; bu tür cihazlar, örneğin şeker çözeltilerinin bileşimini veya ketçaptaki domates salçası konsantrasyonunu belirlemek için kullanılır.

<span class="mw-page-title-main">Optik lif</span>

Optik lif(optical fiber) veya bilinen diğer adıyla ışıklifi(fiberoptic), yüksek kaliteli püskürtülmüş cam veya plastikten yapılmış olan esnek ve şeffaf bir lifdir. Kabaca insan saçından daha kalındır. Işığı lifin iki ucuna iletmek için bir ışık kılavuzluğu veya ışık borusu görevini görür. Işıkliflerin dizayn ve uygulaması ile ilgilenen uygulamalı bilim ve mühendislik dalı “fiber optik” olarak bilinir. Optik lifler, iletişimin diğer formlarına göre iletimin daha uzun mesafelerde ve daha geniş bant genişliği ile olmasına imkân veren “ışıklifi iletişim” alanında yaygın olarak kullanılır. Liflerin metal kablolar yerine kullanılmasının nedeni sinyallerin lifler üzerinde daha az kayıpla ilerlemesi ve aynı zamanda elektromanyetik engellerden etkilenmemesidir. Lifler aynı zamanda ışıklandırma için de kullanılır ve yığınlar halinde sarılır. Bu şekilde sınırlı alanlarda görüntülemeye imkân verecek şekilde görüntü taşımak için kullanılabilirler. Işıklifleri özel tasarlanmış lifli sensörler ve lifli lazerler dâhil, birçok değişik uygulama içinde de kullanılırlar.

Elektrooptik sensör, ışığı dönüştüren veya bir elektronik sinyal halinde ışıktaki değişimi sağlayan elektronik detektörlerdir. Bu sensörler birçok endüstriyel ve tüketici alanlarda kullanılır. Örneğin:

Elektrooptik etki, bir maddenin optik özelliklerinin ışık frekansına göre daha yavaş değişen elektrik alana tepkisidir. Terim, alt bölümlere ayrılabilir birçok farklı olguyu kapsar.

<span class="mw-page-title-main">Elektrooptik modülatör</span>

Elektro-optik modülatör(EOM), genellikle lityum niobat (LiNbO3) veya lityum tantalat (LiTaO3) maddelerinden yapılır. Amacı ise bu maddelerden geçen elektromanyetik dalgayı kondansatör vazifesi gören maddenin iki tarafına yerleştirilen elektrot vasıtasıyla modüle etmektir. Bir paralel plaka kondansatörün içindeki elektrik alan potansiyele doğrusal olarak bağlı olduğu için, kırılma indisi uygulanan alana doğrusal bağlıdır (Pockels etksinin görüldüğü kristaller için) ve faz da, kırılma indisine doğrusal olarak bağlıdır. Dolayısıyla faz modülasyonu EOM'e uygulanan potasiyel ile doğrusal bağlı olması gerekir. Modüle etme faz, frekans, genlik veya polarizasyon şeklinde olabilir.

Geometrik optik veya ışın optiği, ışık yayılmasını ışınlarla açıklar. Geometrik optikte ışın bir soyutlama ya da enstrumandır; ışığın belirli şartlarda yayıldığı yola yaklaşmada kullanışlıdır.

<span class="mw-page-title-main">Doğrusal olmayan optik</span>

Doğrusal olmayan optik ya da nonlineer optik, ışığın doğrusal olmayan sistem ve malzemelerdeki davranışı ile özelliklerini inceleyen optiğin bir alt dalıdır. Bu malzemelerde elektrik alan () ile polarizasyon yoğunluğu () arasındaki ilişki doğrusal değildir; bu durum daha çok yüksek genlikte (108 V/m seviyelerinde) ışık veren lazerlerde ve lityum niobat gibi kristal yapılarında görülür. Schwinger sınırından daha kuvvetli alanlarda vakum da doğrusallığını kaybeder. Süperpozisyon prensibi bu malzemeler için geçerli değildir.

RealD 3D RealD tarafından yapılan ve satılan bir dijital stereoskopik projeksiyon teknolojisidir. Günümüz sinemalarda 3D film izlemek için en yaygın kullanılan teknolojidir. RealD 3D, dünya çapında 26.500'den fazla oditoryuma, Haziran 2015 itibarıyla 72 ülkede yaklaşık 1.200 katılımcı tarafından kurulmuştur.

<span class="mw-page-title-main">Küresel sapınç</span> Optik sapma

Optikte, küresel aberasyon , küresel yüzeylere sahip elemanlara sahip optik sistemlerde bulunan bir sapma türüdür. Lensler ve kavisli aynalar başlıca örneklerdir çünkü bu şeklin üretimi daha kolaydır. Merkez dışında küresel bir yüzeye çarpan ışık ışınları, merkeze yakın gelenlerden daha fazla veya daha az kırılır veya yansıtılır. Bu sapma, optik sistemler tarafından üretilen görüntülerin kalitesini düşürür.

Fotokırılma etkisi, belirli kristallerde ve ışığa kırılma indekslerini değiştirerek tepki veren diğer malzemelerde görülen doğrusal olmayan bir optik etkidir. Bu etki, geçici, silinebilir hologramları saklamak için kullanılabilir ve holografik veri depolaması için kullanışlıdır. Aynı zamanda bir faz eşlenik ayna veya optik uzaysal soliton oluşturmak için de kullanılabilir.