Wykład 1:
1. Zestaw równań Maxwella i ich interpretacja fizyczna.
,
.
1
ρ
=
=
∇
D
div
D
,
0
.
2
=
=
∇
B
div
B
,
.
3
t
B
E
rot
E
∂
∂
−
=
=
×
∇
,
.
4
t
D
j
H
rot
H
∂
∂
+
=
=
×
∇
.
.
5
t
J
div
J
∂
∂
−
=
=
∇
ρ
ρ
- gęstość ładunku [C/m
3
],
J- gęstość prądu [A/m
2
],
D- gęstość strumienia elektrycznego,
B- gęstość strumienia magnetycznego,
ε
- bezwzględna przenikalność elektryczna ośrodka,
,
0
ε
ε
ε
⋅
=
r
ε
r
- względna przenikalność elektryczna ośrodka,
ε
0
- przenikalność elektryczna próżni,
.
10
834
,
8
12
0
⋅
=
−
m
F
ε
µ
- bezwzględna przenikalność magnetyczna ośrodka,
.
10
4
7
0
⋅
=
−
m
H
π
µ
Równanie 1 i 2 to równania Gaussa o ładunku zawartym wewnątrz pewnej przestrzeni.
1- pole elektryczne jest polem źródłowym.
2- pole magnetyczne jest polem wirowym, bezźródłowym.
2. Równania materiałowe na stałą elektryczną, magnetyczną i przewodność.
,
E
D
ε
=
,
H
B
µ
=
.
E
j
σ
=
3. Równanie falowe, postać ogólna, postać zespolona.
Dla ośrodka stratnego (
σ≠
0):
0
2
2
2
=
∂
∂
−
∂
∂
−
∇
t
E
t
E
E
µσ
µε
.
Dla ośrodka bezstratnego (
σ
=0):
−
∂
∂
=
∇
2
2
2
t
E
E
µε
dla pola elektrycznego,
−
∂
∂
=
∇
2
2
2
t
H
H
µε
dla pola magnetycznego.
Ponieważ prędkość światła wyraża się następującym wzorem:
c
r
r
=
⋅
=
=
0
0
1
1
1
ε
µ
ε
µ
µε
więc po podstawieniu mamy:
−
∂
∂
=
∇
2
2
2
2
1
t
E
c
E
pole elektryczne,
−
∂
∂
=
∇
2
2
2
2
1
t
H
c
H
pole magnetyczne.
n- współczynnik załamania.
4. Istota poprzeczności fali.
Fala poprzeczna jest to fala, w której kierunek drgań cząstek ośrodka jest prostopadły do
kierunku rozchodzenia się fali.
Fale elektromagnetyczne są falami poprzecznymi.
Fale mechaniczne poprzeczne nie mogą rozchodzić się w objętości ośrodków płynnych, gdyż te
nie przenoszą sił ścinających, a mogą rozchodzić się tylko w ciałach stałych. Na tej podstawie
stwierdzono, że jądro Ziemi jest płynne. Fale na granicy ośrodków (np. fale na wodzie) są z
natury falami poprzecznymi.
5. Zapis fali płaskiej propagującej się
Płaska
[
exp{
)
,
(
0
ω
±
=
kr
t
i
E
t
r
E
6. Co to jest impedancja falowa.
Wielkość opisująca własności ośrodka/urządzenia przeno
ośrodek/urządzenie przeciwstawia się sile wymuszającej drgania fali.
7. Wektor Poyntinga - natężenie fali elektromagnetycznej.
Szybkość przepływu energii przez j
można opisać wektorem Poyntinga:
8.
Polaryzacja
fali
eliptycznie, kołowo, liniową (prawoskretnie i lewoskretnie).
Jeżeli wektor ma określony kierunek i z
płaszczyznę prostopadłą do kierunku rozchodzenia się fali kreśli prostą
liniowo.
Polaryzacja kołowa lub eliptyczna: płaszczyzna wektora E „obraca się” wokół kierunku
rozchodzenia się światła, a koniec wektora zakreśla elipsę (lub okrąg).
Suma dwóch fal spolaryzowanych liniowo w płaszczyznach prostopadłych do siebie daje falę
spolaryzowaną eliptycznie. W danym punkcie przestrzeni koniec wektora elektrycznego
porusza się po elipsie (prawo- lub lewoskrętnej) opisanej parą równań:
)
cos(
0
x
x
x
t
E
E
ϕ
ω
+
=
)
cos(
0
y
y
y
t
E
E
ϕ
ω
+
=
Ponieważ prędkość światła wyraża się następującym wzorem:
n
c
⋅
0
,
elektryczne,
pole magnetyczne.
jest to fala, w której kierunek drgań cząstek ośrodka jest prostopadły do
elektromagnetyczne są falami poprzecznymi.
Fale mechaniczne poprzeczne nie mogą rozchodzić się w objętości ośrodków płynnych, gdyż te
nie przenoszą sił ścinających, a mogą rozchodzić się tylko w ciałach stałych. Na tej podstawie
jest płynne. Fale na granicy ośrodków (np. fale na wodzie) są z
ującej się w zadanym kierunku.
]
}
0
ϕ
+
kr
Kulista
{
[
exp
)
,
(
0
ω
=
i
r
E
t
r
E
6. Co to jest impedancja falowa.
Wielkość opisująca własności ośrodka/urządzenia przenoszącego falę biegnącą, opisująca
ośrodek/urządzenie przeciwstawia się sile wymuszającej drgania fali.
natężenie fali elektromagnetycznej.
Szybkość przepływu energii przez jednostkową powierzchnię płaskiej fali elektromagnetycznej
można opisać wektorem Poyntinga:
-
trzeba
umieć
zapisać
falę
spolaryzwaną
(prawoskretnie i lewoskretnie).
Jeżeli wektor ma określony kierunek i zawsze leży w jednej płaszczyźnie i rzut jego końca na
płaszczyznę prostopadłą do kierunku rozchodzenia się fali kreśli prostą to jest spolaryzowany
Polaryzacja kołowa lub eliptyczna: płaszczyzna wektora E „obraca się” wokół kierunku
a koniec wektora zakreśla elipsę (lub okrąg).
Suma dwóch fal spolaryzowanych liniowo w płaszczyznach prostopadłych do siebie daje falę
spolaryzowaną eliptycznie. W danym punkcie przestrzeni koniec wektora elektrycznego
lub lewoskrętnej) opisanej parą równań:
jest to fala, w której kierunek drgań cząstek ośrodka jest prostopadły do
Fale mechaniczne poprzeczne nie mogą rozchodzić się w objętości ośrodków płynnych, gdyż te
nie przenoszą sił ścinających, a mogą rozchodzić się tylko w ciałach stałych. Na tej podstawie
jest płynne. Fale na granicy ośrodków (np. fale na wodzie) są z
}
]
0
ϕ
ω
+
±
kr
t
szącego falę biegnącą, opisująca jak
ednostkową powierzchnię płaskiej fali elektromagnetycznej
trzeba
umieć
zapisać
falę
spolaryzwaną
awsze leży w jednej płaszczyźnie i rzut jego końca na
to jest spolaryzowany
Polaryzacja kołowa lub eliptyczna: płaszczyzna wektora E „obraca się” wokół kierunku
Suma dwóch fal spolaryzowanych liniowo w płaszczyznach prostopadłych do siebie daje falę
spolaryzowaną eliptycznie. W danym punkcie przestrzeni koniec wektora elektrycznego
Polaryzację eliptyczną można uważać za najogólniejszy rodzaj polaryzacji. Jej szczególnym
przypadkiem jest polaryzacja liniowa(gdy
)
0
ϕ
ϕ
ϕ
=
=
y
x
:
EOY
EOX
y
x
y
y
x
x
E
E
E
E
t
E
E
t
E
E
=
+
=
+
=
)
cos(
)
cos(
0
0
0
0
ϕ
ω
ϕ
ω
W przypadku gdy
ϕ
x
=0,
ϕ
y
=
π
/2oraz E
OX
=E
OY
=E
O
mamy do czynienia z polaryzacją kołową:
2
0
2
2
0
0
0
)
sin(
)
2
/
cos(
)
cos(
E
E
E
t
E
t
E
E
t
E
E
y
x
y
x
=
+
=
+
=
=
ω
π
ω
ω
9. Umieć przeliczyć pasmo wyrażone w długosci fali na pasmo wyrażone w częstotliwości
i odwrotnie.
λ[m] = 300/f[MHz]
10. Pasma optyczne - podczerwień, widzialne, ultrafiolet.
Podczerwień (promieniowanie podczerwone) (ang. infrared, IR) to promieniowanie
elektromagnetyczne o długości fal pomiędzy światłem widzialnym a falami radiowymi. Oznacza
to zakres od 780 nm do 1 mm.
Ultrafiolet (UV, promieniowanie ultrafioletowe, promienie pozafioletowe) to promieniowanie
elektromagnetyczne o długości fali krótszej niż światło widzialne i dłuższej niż promieniowanie
rentgenowskie (ang. en:X-rays). Oznacza to zakres długości od 10 nm do 380 nm.
Światło widzialne – ta część promieniowania słonecznego, na którą reaguje siatkówka oka w
procesie widzenia. Dla człowieka promieniowanie to zawiera się w przybliżeniu w zakresie
długości fal 380-780 nm.
1. Przejścia kwantowe w atomie, molekule.
2. Emisja spontaniczna.
Zachodzi wtedy, gdy elektrony znajdujące się na poziomach wzbudzonych w
spontaniczny wracają na niższe poziomy energetyczne, emitując przy tym fotony.
Zjawisko występuje powszechnie i odpowiada za niemal każde świecenie ciał, np. gazów
rozgrzanych, wzbudzonych atomów, ciał ciekłych i stałych, a także urządzeń elektroni
diodę elektroluminescencyjną (LED).
3. Absorpcja.
Proces pochłaniania energii fali przez ciało
zachowuje się jak cząstka elementarna i może być pochłaniane tylko w porcjach zależnych od
częstotliwości światła. Zjawisko to opisuje poprawnie mechanika kwantowa. Kwant energii fali
przenoszony jest przez foton, który zderza się z
Cząstka pochłania zawsze całą energię fotonu i tylko wtedy, gdy pozwalają
dopuszczalne stany kwantowe.
W wyniku absorpcji światła przechodzącego przez substancje (np. gaz) z widma światła zostają
usunięte pochłaniane częstotliwości, na tej podstawie można stwierdzić przez jakie substancje
przechodziło światło.
4. Emisja wymuszona.
W optyce emisja wymuszona
oddziaływania z innym fotonem. Foton inicjujący emisję nie jest pochłaniany przez materię,
wytwarzany foton ma fazę i częstotliwość taką samą jak foto
ważną rolę w emisji fotonów przez ciała
podstawą ich działania.
5. Rozklad Boltzmana - interpretacja fizyczna.
Rozkład Boltzmana mówi, że prawdopodobna ilość cząstek układu w równowadze w
temperaturze T, znajdujących się w stanie o energii
Wnioski z rozkładu Boltzmana:
•
W temperaturze zera bezwzględnego, wszystkie atomy znajdują się w stanie o niższej
energii,
•
Wzrost temperatury powoduje wzrost liczby atomów w stanie o większej energii
•
W dowolnej temperaturze w stanie o niższej energii (
Wykład 2:
1. Przejścia kwantowe w atomie, molekule.
achodzi wtedy, gdy elektrony znajdujące się na poziomach wzbudzonych w
spontaniczny wracają na niższe poziomy energetyczne, emitując przy tym fotony.
Zjawisko występuje powszechnie i odpowiada za niemal każde świecenie ciał, np. gazów
rozgrzanych, wzbudzonych atomów, ciał ciekłych i stałych, a także urządzeń elektroni
diodę elektroluminescencyjną (LED).
roces pochłaniania energii fali przez ciało w optyce. W procesie absorpcji (także emisji) światło
zachowuje się jak cząstka elementarna i może być pochłaniane tylko w porcjach zależnych od
tliwości światła. Zjawisko to opisuje poprawnie mechanika kwantowa. Kwant energii fali
przenoszony jest przez foton, który zderza się z cząstką, np. elektronem, czy jądrem atomowym.
Cząstka pochłania zawsze całą energię fotonu i tylko wtedy, gdy pozwalają
dopuszczalne stany kwantowe.
W wyniku absorpcji światła przechodzącego przez substancje (np. gaz) z widma światła zostają
usunięte pochłaniane częstotliwości, na tej podstawie można stwierdzić przez jakie substancje
emisja wymuszona (indukowana) to proces emisji fotonów przez materię w wyniku
oddziaływania z innym fotonem. Foton inicjujący emisję nie jest pochłaniany przez materię,
wytwarzany foton ma fazę i częstotliwość taką samą jak foton oryginalny. Zjawisko to odgrywa
ważną rolę w emisji fotonów przez ciała, a szczególne znaczenia odgrywa w laserach, będąc
interpretacja fizyczna.
mówi, że prawdopodobna ilość cząstek układu w równowadze w
, znajdujących się w stanie o energii E jest proporcjonalna do
Wnioski z rozkładu Boltzmana:
W temperaturze zera bezwzględnego, wszystkie atomy znajdują się w stanie o niższej
Wzrost temperatury powoduje wzrost liczby atomów w stanie o większej energii
W dowolnej temperaturze w stanie o niższej energii (E1) będzie więcej atomów niż w
achodzi wtedy, gdy elektrony znajdujące się na poziomach wzbudzonych w sposób
spontaniczny wracają na niższe poziomy energetyczne, emitując przy tym fotony.
Zjawisko występuje powszechnie i odpowiada za niemal każde świecenie ciał, np. gazów
rozgrzanych, wzbudzonych atomów, ciał ciekłych i stałych, a także urządzeń elektronicznych
. W procesie absorpcji (także emisji) światło
zachowuje się jak cząstka elementarna i może być pochłaniane tylko w porcjach zależnych od
tliwości światła. Zjawisko to opisuje poprawnie mechanika kwantowa. Kwant energii fali
, np. elektronem, czy jądrem atomowym.
Cząstka pochłania zawsze całą energię fotonu i tylko wtedy, gdy pozwalają jej na to jej
W wyniku absorpcji światła przechodzącego przez substancje (np. gaz) z widma światła zostają
usunięte pochłaniane częstotliwości, na tej podstawie można stwierdzić przez jakie substancje
) to proces emisji fotonów przez materię w wyniku
oddziaływania z innym fotonem. Foton inicjujący emisję nie jest pochłaniany przez materię,
n oryginalny. Zjawisko to odgrywa
a szczególne znaczenia odgrywa w laserach, będąc
mówi, że prawdopodobna ilość cząstek układu w równowadze w
jest proporcjonalna do
kT
E
e
−
W temperaturze zera bezwzględnego, wszystkie atomy znajdują się w stanie o niższej
Wzrost temperatury powoduje wzrost liczby atomów w stanie o większej energii
) będzie więcej atomów niż w
stanie o wyższej energii (E2).
6. Warunek wzmocnienia kwantowego.
Układ pompujący dostarcza energię do ośrodka czynnego, w ośrodku czynnym w odpowiednich
warunkach zachodzi akcja laserowa, czyli kwantowe wzmacnianie (powielanie) fotonów, a
układ optyczny umożliwia wybranie odpowiednich fotonów.
7. Co to jest inwersja obsadzeń.
W mechanice statystycznej pojęcie określające stan układu w którym w stanie o energii większej
(wzbudzonym) jest większa liczba cząstek niż w stanie o energii niższej (podstawowym).
Inwersja obsadzeń jest fundamentalnym pojęciem umożliwiającym zrozumienie działania
lasera.
8. Wzmocnienie różniczkowe, wzmocnienie ilorazowe.
Wzmocnienie różniczkowe:
Wzmocnienie jakiego doznaje światło po przejściu jednostkowego odcinka ośrodka
wzmacniającego.
dz
dI
I
g
v
v
0
0
1
⋅
=
c
h
B
N
N
g
ν
⋅
−
=
)
(
1
2
m
g
1
Wzmocnienie ilorazowe:
lg
e
I
I
G
we
wy
=
=
Wykład 3:
1. Co to jest laser pierścieniowy?
W laserze pierścieniowym zastosowana została pierścieniowa struktura rezonatora, w którym
generowana jest jednokierunkowa fala bieżąca. Pierścieniowa geometria powstaje dzięki
wewnętrznym odbiciom w pryzmatach Abby’ego. Wiązka laserowa wpada i wychodzi z
pryzmatów pod kątami Brewstera. Wiązka wyjściowa zostaje wyprowadzana przy użyciu płytki
światłodzielącej lub metodami całkowitego wewnętrznego odbicia.
2. Co to jest laser liniowy?
Laser liniowy to układ dwóch równolegle ustawionych do siebie zwierciadeł oddalonych od
siebie o pewną odległość L. Pomiędzy zwierciadłami został umieszczony układ wzmacniający.
3. Gdzie jest część wzmacniająca a gdzie sprzężenie zwrotne w laserze?
Część wzmacniająca lasera znajduje się w górnej części rysunku (g>0) natomiast do pętli
sprzężenia zwrotnego trafia część amplitudy fali świetlnej ze wzmacniacza a także część z
układu wejściowego (na wejściu wzmacniacza).
4. Co to jest rezonator Fabry-Perota.
Interferometr zbudowany z dwóch równoległych półprzepuszczalnych płaskich zwierciadeł,
ustawionych równolegle, powierzchniami zwierciadlanymi do siebie. Płaszczyzny te tworzą
rezonator Fabry-Perota. Światło dostające się do interferometru Fabry-Perota ulega
wielokrotnemu odbiciu od zwierciadlanych powierzchni i interferuje ze sobą.
5. Jakie znasz podstawowe parametry rezonatora Fabry-Perota.
dł. fali własnej:
częstotliwości rezonansowe:
Szerokość połówkowa linii
∆ν
r
wynosi
q- liczba całkowita;
n- współczynnik załamania
6. Na czym polega istota generacji laserowej.?
Na zjawisku całkowitego wewnętrznego odbicia.
7. Dlaczego w rezonatorze optycznym następuje gwałtowne zawężenie linii spektralnej
promieniowania laserowego - wzór Schawlowa-Townesa.
Jeśli
࢜ = ࢜
→ ࢍሺ࢜, ࢜
ሻ ≅
ࢍ
∆࢜
∆ࡺ
࢚
=
ૡ࣊࢜
∆࢜࣎
ࢉ
ࢍ
࣎
ࢉ
Gdzie:
∆࢜ jest szerokością linii przejścia laserowego
8. Podział laserów ze względu na medium wzmacniające.
Q
Ln
qc
q
L
r
r
q
q
ν
ν
ν
λ
=
∆
=
=
2
2
GAZOWE:
-atomowe (HE-NE)
-molekularne – CO
2
-ekstrymerowe (ośrodki SA zw gazów szlachetnych)
-submili..lowe (niewyraźnie pisało)
-chemiczne (ośrodek uzyskuje się przez reakcję chemiczną)
NA CIELE STAŁYM:
-pompowane lampami błyskowymi
-pompowane laserami półprzewodnikowymi
-półprzewodnikowe
-światłowodowe
Wykład 4:
1. Co to jest układ czteropoziomowy i trójpoziomowy lasera?
Laser trójpoziomowy.
Energie trzech poziomów atomowych i ich obsadzenia oznaczymy odpowiednio przez W
1
, W
2
,
W
3
i N
1
, N
2
, N
3
. Jeżeli W
3
>W
2
>W
1
to w układzie trójpoziomowym w równowadze termicznej
mamy N
1
>N
2
>N
3.
W tym przypadku najniższy stan 1 nie musi być stanem podstawowym atomu.
Atomy w stanie 1 zostają wzbudzone do stanu 3 przez zderzenie z elektronami, fotonami lub
wzbudzonymi atomami o odpowiedniej energii. Oznaczamy poprzez
Γ
prawdopodobieństwo
wzbudzenia atomu ze stanu 1 do stanu 3 dowolna metodą promieniowania.
Po przerwaniu pompowania wzbudzone atomy będą na ogół stopniowo powracać do stanu
równowagi termicznej. Nazywane jest to relaksacją. Jeżeli rozważamy te atomy osobno to
okazuje się że proces relaksacji atomów zachodzi równocześnie ze wzbudzaniem innych
atomów. Oprócz procesów radiacyjnych w których atomy wzbudzane przechodzą do stanów
niższych, emitując foton, zachodzą również procesy nieradiacyjne, jak zderzenia z cząsteczkami
w gazach lub oddziaływanie atomów z siecią krystaliczną (w ciałach stałych) gdzie wzbudzone
atomy przechodzą do stanu niższego, wyzwalając swoją energie w postaci energii kinetycznej
cząsteczek lub energii oscylacyjnej sieci krystalicznej. Ponieważ relaksacja stanowi wynik
procesów statystycznych, stałą relaksacji definiujemy jako średnią prawdopodobieństw
relaksacji wzbudzonych atomów w jednostce czasu. Prawdopodobieństwo termicznego
wzbudzenia atomu ze stanu dolnego W
L
do górnego W
U
związane jest z prawdopodobieństwem
procesu odwrotnego, tj. przejścia z W
U
do W
L,
zachodzącego na skutek relaksacji termicznej.
Jeżeli wzbudzenie jest na tyle silne, że:
+
>
Γ
32
31
21
1
γ
γ
γ
to N
2
> N
1
, mamy inwersję obsadzeń. Jak widać na podstawie powyższego wzoru w celu
uzyskania inwersji obsadzeń przy umiarkowanym pompowaniu wielkość
γ
21
powinna być mała,
a
γ
32
powinna być duża w porównaniu z
γ
31.
Oznacza to, że relaksacja z górnego stanu lasera do
dolnego powinna być powolna, a z poziomu 3 do poziomu 2 powinna być szybka.
Laser czteropoziomowy.
W laserze czteropoziomowym dolny poziom przejścia laserowego jest poziomem najniższym, co
powoduje że w równowadze termicznej większość atomów jest na tym poziomie. Zatem w celu
odwrócenia obsadzeń należy przez intensywne pompowanie zmniejszyć co najmniej do połowy
liczbę atomów na najniższym poziomie.
[
W3
γ
32
W2
γ
21
γ
31
W1
P
rz
ej
śc
ie
la
se
ro
w
e
Γ
[
3
γ
32
2
γ
21
1
γ
01
γ
10
0
P
rz
ej
śc
ie
la
se
ro
w
e
Γ
Rozważmy przedstawiony na rysunku atom mający cztery poziomy energetyczne. Chcemy
uzyskać inwersję obsadzeń dla poziomów 2 i 1. Jeżeli odległość dolnego poziomu laserowego 1
od poziomu podstawowego 0 jest większy od k
B
T, liczba termicznie wzbudzonych atomów na
poziomie 1 jest tak mała, że łatwo można uzyskać inwersję obsadzeń przez przepompowanie
stosunkowo małej liczby atomów na górny poziom 2.
Warunek na inwersje obsadzeń jest wyrażony wzorem:
31
2
32
21
10
32
3
2
01
γ
γ
γ
γ
γ
γ
γ
γ
γ
−
−
>
Γ
Stosując przybliżenie:
+
+
−
=
>
Γ
32
30
31
2
1
32
10
3
2
01
1
exp
γ
γ
γ
γ
γ
γ
γ
γ
γ
T
K
W
B
Zaletą takiego układu jest to, że inwersję obsadzeń można uzyskać nawet przy bardzo słabym
pompowaniu o ile poziom 1 leży w skali energii o kilka wielkości k
B
T ponad poziomem 0.
2. Wymień typy laserów ze względu na ośrodek aktywny.
1. LASERY GAZOWE
- LASERY ATOMOWE
- LASERY JONOWE
- LASERY MOLEKULARNE
- LASERY EKSCYMEROWE
2. LASERY NA CIELE STAŁYM
- LASERY POMPOWANE LAMPAMI WYŁADOWCZYMI
- LASERY POMPOWANE LASERAMI PÓŁPRZEWODNIKOWYMI
- LASERY ŚWIATŁOWODOWE
3. LASERY PÓŁPRZEWODNIKOWE
4. LASERY BARWNIKOWE
5. LASERY NA SWOBODNYCH ELEKTRONACH
6. LASERY CHEMICZNE
3. Wymień wszystkie fazy akcji laserowej.
- obecność stanów metastabilnych w materiale
- pompowanie atomów do stanów metastabilnych
- inwersja obsadzeń
- emisja wymuszona
- optyczne sprzężenie zwrotne.
4. Jakie znasz metody pompowania ośrodka aktywnego.
Układem pompującym nazywamy urządzenie, za pomocą którego możemy wytworzyć inwersję
obsadzeń. Rodzaj układu pompującego i sposób pompowania jest ściśle związany z rodzajem
ośrodka czynnego.
Wyróżniamy następujące metody pompowania:
- pompowanie lampą błyskową (laser rubinowy)
- wyładowanie elektryczne (lasery gazowe)
- wzbudzanie ośrodka czynnego innym laserem (lasery barwnikowe, stałe)
- wstrzykiwanie nośników mniejszościowych (lasery półprzewodnikowe).
- wykorzystywanie energii wyzwalanej w czasie reakcji chemicznych (lasery chemiczne)
inicjowanych światłem
- wybuchy atomowe
- rozprężenie adiabatyczne w dyszach naddźwiękowych.
5. Laser gazowy He-Ne. Jak działa?
W laserach He Ne mieszanina helu i neonu pod niskim ciśnieniem umieszczona w szklanej rurze.
Proporcje gazów to <15% neonu, resztę stanowi Hel. W rurze następuje stałoprądowe
wyładowanie podłużne, które tworzy plazmę. W wyniku zderzeń swobodnych elektronów z
atomami helu zostają wzbudzone elektrony.
6. Jak działa laser półprzewodnikowy?
Laser półprzewodnikowy inaczej złączowy jest takim laserem w którym ośrodkiem czynnym
jest półprzewodnik. Za pomocą złącza p-n (lub heterozłącza) spolaryzowanego w kierunku
przewodzenia wstrzykuje się mniejszościowe ładunki nośne, przez co uzyskuje się w
półprzewodniku
odwrócenie
obsadzeń
stanów
energetycznych.
Rezonator
lasera
półprzewodnikowego posiada kształt prostopadłościanu o krawędziach długości rzędu ułamka
milimetra. Sprzężenie optyczne uzyskuje się albo za pomocą pary zwierciadeł prostopadłych do
płaszczyzny obszaru czynnego, albo za pomocą pofałdowanej powierzchni równoległej do tego
obszaru, przy czym w pierwszym przypadku funkcję zwierciadeł spełniają dwie przeciwległe,
bardzo gładkie ścianki rezonatora. Obszar czynny lasera leży w płaszczyźnie złącza p-n i jest
zwykle ograniczony do wąskiego paska.
7. Jak w złączu półprzewodnikowym p-n powstaje inwersja obsadzeń?
Inwersję obsadzeń poziomów energetycznych (inaczej pompowanie) uzyskuje się poprzez
wstrzykiwanie mniejszościowych nośników ładunku do obszaru złącza p-n (lub heterozłącza)
spolaryzowanego w kierunku przewodzenia.
8. Narysować schematycznie laser półprzewodnikowy.
9. Jak selekcjonuje sie prace na jednej długości fali lasera półprzewodnikowego.
- poprzez modulacje współczynnika załamania – wymusza to długość fali, czyli zmusza laser do
działania na jednej częstotliwości – rozłożone sprzężenie zwrotne.
- stosując DFB lub DBR
10.
Typowa
charakterystyka
-
moc
wyjściowa
w
funkcji
prądu
lasera
półprzewodnikowego.
Charakterystyka emisyjna jest to zależność mocy promieniowania emitowanego od natężenia
prądu zasilającego. Idealna charakterystyka składa się z dwóch odcinków. Pierwszemu
odpowiada moc promieniowania spontanicznego, natomiast drugiemu, dla prądu większego od
prądu progowego, odpowiada moc promieniowania spójnego.
11. Co to jest laser DBF, DBR i czym się charakteryzują.
DFB – lasery z rozproszonym sprzężeniem zwrotnym.
Sprzężenie zwrotne dostarczaną przez uformowany nad lub pod warstwą aktywną falowód o
periodycznych zmianach współczynnika załamania. Sprzężenie zwrotne zachodzi w sposób
rozproszony na całej długości rezonatora poprzez odbicie na różnicach współczynnika
załamania falowodu. Jeden z końców struktury pokryty jest warstwa AR aby umożliwić
wyprowadzanie promieniowania.
DBR – z rozproszonym odbiciem Bragga.
Zwierciadła na końcach rezonatora zastąpiono siatkami dyfrakcyjnymi wykorzystującymi
odbicie Bragga. (periodyczne zmiany współczynnika załamania).
12. Jaka jest typowa moc wyjściowa lasera telekomunikacyjnego,
jakie są typowe jego parametry zasilania i sprawność.
2 – 2,5 V – maksymalne napięcie przyłożone do złącza
150 mA – natężenie prądu
30 mW – moc wyjściowa
10% – sprawność
13. Lasery półprzewodnikowe. Typowe parametry zasilania i sprawność.
Stosuje się prąd o natężeniu 2A i wtedy sprawność = ok. 50%.
O,6-2 µm – typowe długości, dla których pracują współczesne lasery półprzewodnikowe.
14. Co to są lasery macierzowe półprzewodnikowe?
Lasery półprzewodnikowe w których diody półprzewodnikowe są zgrupowane w struktury
macierzowe dzięki czemu możliwe jest zwiększenie mocy lasera.
Wykład 5:
1. Na czym polega istota propagacji światła w światłowodzie.
2. Co to jest apertura numeryczna światłowodu.
Apertura numeryczna NA (ang. Numerical Aperture) definiowana dla światłowodów jako sinus
kąta stożka akceptacji, tzn. maksymalnego kąta w stosunku do osi rdzenia włókna pod którym
światło wprowadzone do światłowodu nie będzie z tego włókna uciekać (z powodu
niezachowania warunku dla całkowitego wewnętrznego odbicia).
3.
Różnica miedzy światłowodem typu "step-index" a światłowodem gradientowym.
Skokowy, wielomodowy - Typ SI (Step Index)W grubym światłowodzie, jest możliwość
występowania różnych kątów odbicia i w związku z tym następuje rozmycie krawędzi
przesyłanego sygnału, czyli dyspersji.
Gradientowy, wielomodowy - Typ GI (Graded Index)W światłowodzie gradientowym
promienie uginają się w sposób ciągły.
4. Co to jest światłowód jednomodowy a co światłowód wielomodowy.
Światłowód jednomodowy - światłowód, w którym może być transmitowany tylko jeden mod
światłowodowy. Wymaga zachowania bardzo prostej ścieżki. Charakterystyka: mały rdzeń,
mniejsza dyspersja, przeznaczony do zastosowań na dużych odległościach.
Światłowód wielomodowy - charakteryzuje się tym, iż promień świetlny może być
wprowadzany pod wieloma kątami (modami). Niestety to rozwiązanie powoduje odbicia światła
zniekształcające wprowadzony sygnał oraz uniemożliwiające uzyskanie naprawdę dużych
prędkości przy dalekich odległościach (kłania się zjawisko dyspersji). Jako medium transmisyjne
służy kabel MMF (multi-mode optical fibers), źródłem światła są diody LED. Światłowód
wielomodowy jest stosowany w następujących standardach: 10Base-FL, 100Base-FX, 1000Base-
LX, 1000Base-SX
5. Proszę wyjaśnić zjawisko dyspersji w światłowodach.
Dyspersja zmienia kształt sygnału i powoduje jego „rozmycie” i „rozpływanie się” w czasie i
przestrzeni rosnące wraz z odległością. Zniekształcenia te mają ogromne znaczenie przy
szybkiej transmisji (sygnały są krótkie).
Dyspersją w ośrodku przeźroczystym nazywamy zależność prędkości fazowej fali świetlnej v od
jej długości. Od długości fali zależy również współczynnik załamania światła n=c/v.
Wykład 6:
1. Co to jest tłumienność światłowodu. Ile ona wynosi dla współczesnych światłowodów
telekomunikacyjnych.
Tłumienie nie powoduje zmiany kształtu sygnału, zmniejsza jedynie jego moc. Tłumienie
światłowodów kwarcowych zależy od długości fali światła, rodzaju i czystości szkła
kwarcowego, z którego zbudowany jest rdzeń [1]. Tłumienie rośnie wraz ze wzrostem długości
łącza - ma więc bezpośredni wpływ na zasięg łącza.
Tłumienie wywołane jest absorpcją światła (rdzeń przepuszcza promieniowanie o ograniczonej
długości fali), rozpraszaniem: chemiczne zanieczyszczenia włókna, niejednolitość światłowodu
wywołana w procesie technologicznym - różna gęstość rdzenia powodująca zmiany we
własnościach fizycznych, straty wynikające z niekontrolowanych zmian współczynnika
załamania wiązki światła - możliwość wyjścia poza rdzeń i płaszcz (rozpraszanie Rayleigha),
zanieczyszczenie szkła jonami metali i OH. Do skompensowania tłumienia wykorzystuje się
wzmacniacze optyczne: półprzewodnikowe lub światłowodowych EDFA [1]
Okno Transmisyjne Długość fali [nm] Tłumienie [dB/km]
I 850 ~3
II 1300 0,3 - 0,5
III 1550 0,18 - 0,3
dla danej długości fali świetlnej
λ
definiujemy następująco:
α
(
λ
) = 1/L 10 log P
1
/P
2
[dB/km],
gdzie L jest długością światłowodu, P
1
(λ) jest mocą wiązki wprowadzaną do włókna, P
2
(λ) jest
mocą wiązki wyprowadzaną z włókna.
2. Co to jest złączka światłowodowa?
Złączka światłowodowa łączy dwa włókna tak, że światło może przechodzić z jednego do
drugiego.
Złącza światłowodowe dzielimy na stale i rozłączane. Do pierwszej grupy zaliczamy złącza
spawane oraz złącza mechaniczne nierozłączne, do drugiej złącza wtykowe.
3. Co to jest sprzęgacz światłowodowy?
Sprzęgacz umożliwia wprowadzanie mocy świetlnej z kilku światłowodów do jednego, lub z
jednego do kilku. Zwykle element pasywny.
4. Co to jest kolimator światłowodowy?
Urządzenie optyczne do przekształcania rozbieżnych wiązek promieniowania w wiązki
równoległe; stosowany najczęściej jako część innych przyrządów optycznych.
5. Izolator światłowodowy.
- ważny element w systemach laserowych wielkiej mocy
- eliminuje promieniowanie laserowe nieuchronnie odbijane od elementów optycznych, które
mogłyby zakłócić pracę lasera i wzmacniaczy
6. Cyrkulator światłowodowy.
Urządzenie o trzech lub więcej portach wejściowych mające za zadanie kierowanie sygnału z
danego wejścia na ściśle określone wyjście.
7. Światłowodowe siatki Bragga.
Wykorzystuje się je do separacji kanałów w telekomunikacyjnej technice WDM.
Dyfrakcyjna siatka światłowodowa stanowi część rdzenia, w którym wytworzono periodyczną
zależność współczynnika załamania wzdłuż osi światłowodu. Jest ważnym elementem nie tylko
układów sprzęgających, ale jest również podstawową strukturą zwierciadeł, rezonatorów
laserów światłowodowych.
8. Cyrkulator typu add-drop.
Urządzenie zainstalowane w średnio zaawansowanym punkcie linii transmisyjnej które pozwala
nowym sygnałom na wejście i sygnałom istniejącym na wyjście. W tym zwykłym przykładzie
większość sygnałów przechodzi przez urządzenie lecz niektóre mogą zostać „odrzucone”
poprzez oddzielenie od linii. Sygnały powstałe w tym punkcie mogą zostać dodane do linii i
skierowane w innym kierunku.
Cyrkulator add/drop może zostać wykonany przy użyciu optycznych lub elektronicznych
sygnałów. Urządzenie może radzić sobie tylko z sygnałem optycznym lub może konwertować
pomiędzy sygnałem optycznym i elektronicznym TDM.
9. Na czym polega idea transmisji WDM?
Zwielokrotnianie w dziedzinie długości fali, jest to rodzaj technologii zwielokrotniania sygnałów,
za pomocą światła laserowego. Zasada działania polega na podziale światła laserowego na kilka
(nawet do kilkuset) fal o różnych długościach, przesyłanych w tym samym czasie, w tym samym
medium transmisyjnym (włóknie optycznym). Każda długość tworzy osobny "kanał", który
może przenosić informację. W zależności od liczby kanałów rozróżniamy technologię CWDM –
Coarse Wave Division Multiplexing i DWDM – Dense Wavelength Division Multiplexing. Przy
CWDM jest do dyspozycji 8 długości fal, przy DWDM ich liczba może sięgać 40, 80 i więcej.
10. Idea wzmacniacza światłowodowego
Wzmacniacze światłowodowe zastępują regeneratory sygnału, a ich zadaniem jest dodatkowo
kompensacja strat wzdłuż trasy włókna światłowodowego. Rozróżniamy wzmacniacze
domieszkowane (wpinane jako fragment światłowodu w aktualną linię): PDFA, EDFA
(najpopularniejszy, domieszkowany erbem), wykorzystujące diody laserowe (Fabry-Perota, z
falą bieżącą TWA) oraz stosujące efekty nieliniowe (Ramana, Brillouina).
11. Idea lasera światłowodowego liniowego, lasera pierścieniowego
Laser światłowodowy liniowy to układ 2 zwierciadeł ustawionych równolegle do siebie, w
pewnej odległości L, pomiędzy którymi znajduje się układ wzmacniający. W laserze
pierścieniowym jednokierunkowa fala bieżąca generowana dzięki odbiciom promienia pod
kątem Brewstera w pryzmatach Abby’ego, które ustawione są na zasadzie pierścienia.