Optické metody jsou analytické metody, které využívají interakce optického záření s hmotou. Světlo je jednou z forem elektromagnetického záření. Rozlišujeme několik typů elektromagnetického záření, lišících se vznikem, energií a schopností interagovat s látkou. Jednotlivé typy elektromagnetického záření se liší především energií, která je dána vlnovou délkou. Světlo, které vnímáme zrakem, je elektromagnetické záření o vlnové délce od 380-780nm. Optické záření je takové záření, které má podobné optické vlastnosti jako světlo. Jedná se o viditelné světlo, UV záření a IR záření.
Teoretický základ a význam spektra světla pro diagnostiku
Vlnová délka (λ -lambda) - základní veličina určující elektromagnetické záření. Energie záření je nepřímo úměrná vlnové délce světla. Čím kratší je vlnová délka, tím vyšší je energie fotonu. Spektrum - světlo je složená z mnoha vlnových délek, pokud jsou vlnové délky kompletní (např. od rozpáleného tělesa - halogenové žárovky) pak se jedná o spojité spektrum. Pokud je zdrojem světla výbojka, je spektrum tvořeno pouze některými vlnovými délkami, jedná se o emisní čárové spektrum (MH výbojky, sodíková výbojka, barevné LED diody, katodové trubice).
Při kontaktu světla s hmotou může dojít k několika typům interakce. Ve vakuu se světlo šíří rychlostí c = 299 792 458 m.s-1. Ve vzduchu, vodě, ve skle a jiných čirých materiálech dochází ke zpomalení paprsku. Na rozhranní fází dochází ke světelnému lomu. Pokud světlo vstupuje do opticky hustšího prostředí, láme se směrem ke kolmici. Poměr změny rychlosti světelného paprsku se rovná indexu lomu světla, čili poměru sinů úhlů dopadajícího a vystupujícího paprsku. Světlo je tvořeno vlněním. Některé povrchy odrážejí pouze vlny, které jsou shodně natočené. Takto odražené světlo, které má všechny vlny shodně natočené, se nazývá polarizované světlo. Průchodem skrz prostředí s opticky aktivními látkami dochází k otáčení polarizovaného světla.
Polarizační a interferenční principy
Při průchodu látkou dochází k pohlcení části světelného spektra. Oblast světla, která je pohlcována látkou, závisí na konkrétní látce. Jelikož intenzita absorpce závisí na koncentraci této látky, využívá se tohoto jevu v analytických několika metodách, především pro měření koncentrací. Obecně se tyto metody nazývají fotometrické. Mezi tyto metody patří spektrofotometrie, kolorimetrie, UV spektroskopie, IR spektroskopie. Schopnost pohlcovat část spektra mají i prvky, jsou-li v excitovaném stavu, např. v plameni. Světelnou emisi je možné vyvolat u prvků, které dostanou významné množství energie, např. v plameni nebo elektrickém výboji. Jelikož každý prvek má své vlastní emisní spektrum, lze tento jev využívat k chemické analýze.
Interferometrické, speckle a holografické metody se v optické diagnostice hojně používají pro určování povrchových a vnitřních deformací neprůhledných objektů jako důsledků tlakových, tahových, teplotních a vibračních namáhání vzorků. Interferometrie umožňuje sledovat změny optické dráhy způsobené deformacemi, speckle interferometrie poskytuje citlivost pro povrchové a vnitřní změny i při nerovnostech, a holografie nabízí rekonstrukci 3D rozložení deformačních polí s vysokou přesností.
Aplikace a výčet použitých metod
V poznámkách k literatuře jsou uvedeny významné práce a zdroje pro pochopení a praktické užití výše uvedených metod, zejména:
- Sochor, V.: Lasery a koherentní svazky, Academia, Praha 1990
- Balaš, J. - Szabó, V.: Holografická interferometria v experimentalnej mechanike, Veda, Bratislava 1986
- Sequens, J.: Technika zobrazení fyzikálních polí, Aacademia, Praha 1980
- Brož, J.: Základy fyzikálních měření II, A,B. SPedN, Praha 1961
- Fuka, J. - Havelka, B.: Optika, SPedN, Praha 1961
- Jones, S. R. - Wykes, C.: Holographic and Speckle Interferometry, Cambridge University Press, Cambridge 1985
- Kováč, S. - Ilavský, D. - Leško, J.: Metody kontroly technologických procesov. Spektrálne metody v organickéj chemii a technologii. Alfa, Bratislava 1987
- Bouška, V. - Kašpar, P.: Speciální optické metody, Academia, Praha 1983
Vrbová, M. uvádí základní pojmy o světle a elektromagnetickém záření, včetně definic jako vlnová délka, spektrum, monochromatické záření, polarizované světlo, a dále principy měření intenzity světla různými detektory od fotodiod až po fotonásobič. Popisuje rovněž rozptyl světla, nefelometrie a turbidimetrie jako prostředky měření koncentrací a koloidních roztoků, a jejich praktické využití při analýze prostředí jako prachu ve vzduchu.
Praktické očekávání a technická specializace
Interferometrické, speckle a holografické metody umožňují diagnostiku defektů a namáhání v různých aplikacích, a to jak pro transparentní, tak pro neprůhledné objekty. Případné zjištění deformací a změn ve vzorku slouží jako ukazatel kvality výrobních procesů a stability systémů.
