Materialoptik, 6 hp

Huvudområde

Utbildningsnivå

Fördjupningsnivå

Kursen ges för

• Civilingenjör i teknisk fysik och elektroteknik
• Fysik och nanovetenskap, masterprogram
• Materials Science and Nanotechnology, masterprogram
• Civilingenjör i teknisk fysik och elektroteknik - internationell

Särskild information

Kursen ges ej 2017.

Förkunskapskrav

OBS! Tillträdeskrav för icke programstudenter omfattar vanligen också tillträdeskrav för programmet och ev. tröskelkrav för progression inom programmet, eller motsvarande.

Rekommenderade förkunskaper

Grundkurser i linjär algebra och komplexa tal

Lärandemål

Kursens syftar till att ge fördjupade kunskaper om fysiken bakom fasta materials och metamaterials linjära optiska egenskaper samt beskriva metoder att bestämma dessa egenskaper. Tillämpningsexempel väljs från områdena materialfysik, biologi, m fl och avser att belysa forskning och utveckling inom universitet och industri. Tonvikt i exemplen läggs på bestämning av optiskt relaterade materialegenskaper såsom brytningsindex, fononstruktur och bandgap samt på bestämning av nano- och mikrostruktur såsom tjocklek av tunna ytskikt och analys av avancerade multilagrade system, materialsammansättning, porositet mm. Som en annan viktig tillämpningsdel ingår studier av anisotropa material och metamaterial. Kursen avser att förmedla grundläggande kunskaper i optik på en sådan nivå att det räcker för att förstå resultat från pågående internationell forskning inom kursens område samt för att förbereda för industriella tillämpningar. Ambitionen är att beskriva hela vägen från fysik till tillämpning och samtidigt tillhandahålla modeller, metodologi och verktyg som är praktiskt användbara. För den nyfikne fysikern ingår grundläggande teori med förankring i fysik med syfte att ge en förståelse för den optik/fysik som är relevant för materials linjära optiska egenskaper. För ingenjören ingår studier av matematiska modeller för analys med syfte att tillhandahålla fysikaliska/matematiska verktyg som är användbara för att utveckla och beskriva de optiska system, metoder och komponenter som finns i olika miljöer i samhället och som behöver utvecklas vidare. Kursens verklighetsförankring sker genom tillämpningsexempel för att visa att det är ett kort steg mellan universitetsstudierna och den kunskap och de metoder som används inom forskning och utveckling. I laborationer och simuleringar testas teorier och modeller för att belysa deras användbarhet och begränsningar. Kursens specifika mål. Efter kursen ska studenten:

• kunna förklara relationen mellan materials mikroskopiska egenskaper och materials makroskopiska optiska egenskaper, kunna använda parametriska modeller för optiska egenskaper, förstå anisotropa optiska egenskaper, samt vara orienterad om bianisotropa egenskaper;
• kunna förklara sammansatta materials optiska egenskaper och kunna beräkna dessa med effektivamediamodeller;
• kunna beskriva metamaterials optiska egenskaper inklusive negativa brytningsindex;
• förstå polarisation av ljus, inklusive partiell polarisation, och kunna modellera detta med matrismodeller;
• kunna förklara och använda den teori som beskriver yt- och tunnfilmsoptik inklusive anisotropa material och avancerade multilagerstrukturer: 2x2 matrismodeller samt 4x4 matrismodeller för anisotropa material
• kunna förklara de optiska mätmetoderna reflektans, ellipsometri och ytplasmonresonans samt generaliserad ellipsometri för avancerad materialanalys.

Kursinnehåll

Ljus och material

• Optiska egenskaper: Komplexa dielektricitetsfunktionen, komplexa brytningsindex och optisk konduktivitet; koppling mellan dipoler (mikro) och dielektricitetsfunktionen (makro), Clausius-Mossotti; symmetriegenskaper för dielektricitetsfunktionen, kausalitet, Kramers-Kronigsamband, beskrivning av dielektricitetsfunktionen som poler i komplexa talplanet; anisotropa material, tensoregenskaper hos dielektricitetsfunktionen, dubbelbrytning, dikroism, optisk aktivitet; optiska egenskaper som funktion av våglängd: fononer och molekylära processer i IR, elektroniska processer i UV/VIS; modeller för dielektricitetsfunktionen: Lorentz, Drude, empiriska, semi-empiriska, parametriska; från optik till andra områden: ledningsförmåga, van der Wahlskrafter, kristallorientering, temperaturutvidgning, …..
• Heterogena media: effektiva media-konceptet: dielektricitetsfunktionen genom lösning av Maxwell’s ekvationer i komplexa geometrier; några exakt lösbara geometrier: skiktade material; sfärer i vakuum: Lorentz-Lorents modellen; modeller enligt Maxwell-Garnett, Bruggeman; effekter av partikelform; begränsningsteorem för dielektricitetsfunktionen
• Polarisation: plana vågor; komplex-talbeskrivning av polarisation; polarisationsellips; Jones formalism;
• Reflektion: gränsyteoptik: Fresnel’s ekvationer för snett infall och komplexa brytningsindex; total internreflektion, evanescenta fält; reflektion mot ytor med ett skikt: Airy-modellen; reflektion mot ytor med flera skikt: beskrivning med spridningsmatrisformalism
• Metodöversikt: reflektans, transmittans; ellipsometri; ytmodbaserade (TM - ytpolaritoner)
• Ellipsometri: teori och instrumentering; mikrostrukturbestämning, bestämning av optiska egenskaper

Materialoptisk fördjupning

• Partiell polarisation: Stokes/Mueller formalism; depolarisation
• Anisotropa material: 4x4 matriser för reflektion; Eulervinkelrotation; magnetooptik
• Metamaterial: definition och klassificering; artificiell magnetism; kiralitet; negativa brytningsindex
• Generaliserad ellipsometri; Mueller-matrisellipsometri
• Avancerade multilager: strukturella färger och optiskt funktionella strukturer hos insekter; artificiella nanostrukturer

Undervisnings- och arbetsformer

Kursen ges i form av föreläsningar där även tillämpningsexempel behandlas. Gästföreläsare inbjuds för att ge kursinnehållet ett bredare perspektiv.

Examination

Betygsskala

Övrig information

Påbyggnadskurser: Kursen kombineras gärna med kurser i Optoelektronik och Materiefysik

Kursen bedrivs på ett sådant sätt att både mäns och kvinnors erfarenhet och kunskaper synliggörs och utvecklas.

Planering och genomförande av kurs skall utgå från kursplanens formuleringar. Den kursvärdering som ingår i kursen skall därför genomföras med kursplanen som utgångspunkt. 

Institution

Studierektor eller motsvarande

Examinator

Kurshemsida och andra länkar

Undervisningstid

Kurslitteratur