This subject provides an overview on optical and electrical properties of glasses and ceramic materials based on the classical theory of electromagnetism, i.e. the Maxwell equations, including the Mie theory of scattering, which is the basis for modeling the transmittance of transparent heterogeneous materials and at the same time the key to understanding modern instrumentál applications such as laser diffraction for the characterization of particles. The relation between electrical and optical properties is explained in single crystals, polycrystalline materials and glasses, including electro-optical properties. The presentation takes into account the tensorial and complex character as well as the frequency dependence of the of the respective quantities and also includes nonlinear phenomena and the calculation of effective electrical properties of heterogeneous materials in the long-wavelength approximation. Part of the subject concerns the quantum theory of lasers. Within this subject the student gets acquainted with the preparation of materials with controlled optical and electro-optical properties, with their properties in dependence of the composition and microstructure, including the measurement of these properties, and with challenging modern applications (transparent impact-resistant windows, photonic crystals and metamaterials, solid state lasers and electro-optical devices).
Last update: Pabst Willi (17.01.2018)
Předmět podává přehled o optických a elektrických vlastnostech skelných a keramických materiálů na základě klasické teorie elektromagnetismu, tj. Maxwellových rovnic, včetně Mieovy teorie rozptylu, která je základem modelování transmitance průhledných heterogenních materiálů a zároveň předpokladem pro pochopení moderních přístrojových aplikací jako laserová difrakce pro charakterizaci částic. Je vysvětlena souvislost mezi elektrickými a optickými vlastnostmi v monokrystalech, v polykrystalických materiálech (keramika) a ve skle, včetně elektrooptických vlastností. Výklad bere v úvahu tenzorový a komplexní charakter stejně jako frekvenční závislost zúčastněných veličin a zahrnuje nelineární jevy a výpočet efektivních elektrických vlastností heterogenních materiálů pro případ dlouhých vln. Součástí předmětu je též kvantová teorie laserů. V rámci předmětu se student seznámí s přípravou materiálů s řízenými optickými a elektrooptickými vlastnostmi, s jejími vlastnostmi v závislosti na složení a mikrostruktuře, včetně měření těchto vlastností, a se zajímavými moderními aplikacemi (transparentní okna s vysokou odolností proti mechanickým rázům, fotonické krystaly a metamateriály, pevnolátkové lasery, elektrooptické součástky).
Last update: Pabst Willi (17.01.2018)
Aim of the course -
The students will be able to:
Understand and explain the relation between electrical and optical properties, calculate the effective electrical properties of heterogeneous materials, calculate the (in-line) transmittance of homogeneous materials from the complex refractive index and of heterogeneous materials according to Mie scattering theory and its approxmations (Fraunhofer, Rayleigh), explain the preparation of transparent ceramics and optical glasses, the priciples of lasers and electro-optical materials and modern applications in the fields of optics and electro-optics.
Last update: Pabst Willi (17.01.2018)
Studenti budou umět:
Pochopit a vysvětlit souvislosti mezi elektrickými a optickými vlastnostmi, vypočítat efektivní elektrické vlastnosti heterogenních materiálů, vypočítat (přímočarou) transmitanci homogenních materiálů podle komplexního indexu lomu a heterogenních materiálů podle Mieovy teorie rozptylu a jejích aproximací (Fraunhofer, Rayleigh), referovat o přípravě transparentní keramiky a optických skel, referovat o principech a vlastnostech laserů a elektrooptických materiálů, referovat o moderních aplikacích v oblasti optiky a elektrooptiky.
Last update: Pabst Willi (17.01.2018)
Course completion requirements -
In order to complete the subject the student has to pass a written classification test and an oral exam.
Last update: Pabst Willi (15.02.2018)
Podmínka zakončení předmětu je úspěšné absolvování zkouškového testu a ústní zkoušky.
Physics of electronic ceramics. (Part A), Hench, L. L., Dove, D. B., 1971
Physics of electronic ceramics. (Part B), Hench, L. L., Dove, D. B., 1972
Absorption and scattering of light by small particles, Bohren, Craig F., Huffman, Donald R., 2004
Volitelná:
Ceramic lasers, Ikesue, Akio, Aung, Yan Lin, Lupei, Voicu, 2013
Journal of the European Ceramic Society, Pabst, W., Hostaša, J., Esposito, L., 2014
Last update: Pabst Willi (06.08.2024)
Syllabus -
1. Introduction: History of optics and electromagnetism, classification of electrical and optical properties of materials, with special focus to crystals
2. Maxwell equations: Classical electromagnetic theory of light and connection between dielectric function and refractive index
3. Crystal optics: Dielectric tensor, indicatrix, birefringence in optically uniaxial and biaxial crystals, absorption and pleochroism
4. Electrical and electro-optical properties of single crystals and polycrystalline materials: Properties of single-phase and multiphase materials (composites) and porous materials, nonlinear effects
5. Complex dielectric constant and complex refractive index: Frequency dependence for different materials, photonic crystals, optical metamaterials
6. Classical theory of scattering and its application: Mie theory and its approximations (Rayleigh, Fraunhofer), influence of inclusions (and grain size) on the transmittance of ceramics
7. Preparation and application of transparent and translucent ceramics
8. Dielectric and optical properties of glass in dependence of composition
9. Electro-optical properties of glass and ceramics
10. Application and use of electro-optical properties of glass and ceramics
11. Quantum theory of lasers
12. Solid-state lasers
13. Preparation of optical and electro-optical glasses
14. Measurement of optical and electro-optical properties
Last update: Pabst Willi (15.02.2018)
1. Úvod: historie optiky a elektromagnetismu, klasifikace elektrických a optických vlastností materiálů, se zvláštním ohledem na vlastnosti krystalů
2. Maxwellovy rovnice: klasická elektromagnetická teorie světla a souvislost mezi dielektrickou funkcí a indexem lomu
3. Krystalová optika: dielektrický tenzor, indikatrix, dvojlom u uniaxiálních a biaxiálních krystalů, absorpce a pleochroismus
4. Elektrické a elektrooptické vlastnosti monokrystalů a polykrystalických materiálů: vlastnosti jedno- a vícefázových materiálů (kompozitů) a porézních materiálů, nelineární jevy
5. Komplexní dielektrická konstanta a komplexní index lomu: frekvenční závislost pro různé materiály, fotonické krystaly, optické metamateriály
6. Klasická teorie rozptylu a její aplikace: Mieova teorie a její aproximace (Rayleigh, Fraunhofer), vliv inkluzí (a velikosti zrn) na transmitanci keramiky
7. Příprava a aplikace transparentní (průhledné) resp. průsvitné keramiky
8. Dielektrické a optické vlastnosti skla v závislosti na složení
9. Elektrooptické vlastnosti skelných a keramických materiálů
10. Aplikace a využití eletrooptických vlastností skelných a keramických materiálů
11. Kvantová teorie laserů
12. Pevnolátkové lasery
13. Příprava optických a elektrooptických skel
14. Měření optických a elektrooptických vlastností
Last update: Pabst Willi (15.02.2018)
Teaching methods
Activity
Credits
Hours
Účast na přednáškách
1.5
42
Příprava na přednášky, semináře, laboratoře, exkurzi nebo praxi
