Optoelektronika - koło 1
Widzenie fotopowe i skotopowe - charakterystyki V() i V'().
Widzenie fotopowe- dzienne V() , lmax=555nm
Widzenie skotopowe - nocne V'() , lmax=507nm
V() - funkcja skuteczności świetlnej widmowej względnej
Widzenie fotopowe - widzenie za pomocą czopków, reagują na barwy
Widzenie skotopowe - widzenie za pomocą pręcików, zauważa zmiany luminacji, ale nie rozróżnia barw
WYKRESY!!!
2. Jaka grubość i współczynnik załamania powinna mieć warstwa antyrefleksyjna AR na granicy ośrodków powietrze - płytka materiału o n=2,56 dla =560nm. Wyznaczyć stosunek transmisji stosu 8 powierzchni granicznych bez i z warstwą AR dla =150 nm.
n - współczynnik warstwy AR
n= (n1*n2) , n=1,6
d = / 4n grub. AR d = 87 , 5nm
a) bez AR:
=0 , = (4 n1 n2) / (n1+n2)^2 , =0,808
T=[1-ρ^2] ()^8 =0,18
b) z AR:
12= (4n1 n) / (n+n1)^2
23= (4n1 n3) / (n+n3)^2
T=^8
Promień odbity od ośrodka o n=1,732 jest całkowicie spolaryzowany. Wyznacz kąt padania.
tg=n1/n2
tg=1,732
=60
Dla jakiej długości fali wystąpi maksimum mocy ciała doskonale czarnego o temperaturze T=5000K? Stała Wiena c=2,8978*10^-3 m*K.
max*T=2,8978E-3mK , max=c/T , max=579nm.
Wyznacz transmisję 3 idealnych polaryzatorów o następujących orientacjach (kąty względem osi układu współrzędnych):
a) 1-0 2-45 3-90
b) 1-90 2-0 3-30
c) 1-30 2-60 3-90
a) 1=0 , I1=Io*cos^2 (0) =Io uwzględniając, że jest to pierwszy polaryzator I1=0.5*Io
2=45 , I2=I1*cos^2 (45) =0.5*I1=0.25*Io
=45 , I3=I2*cos^2 (45) =0.5*I2=0.125*Io
Transmisja tego układu jest równa 1/8 , T=0.125 bo T=I3/Io = (1/8 Io)/Io
b) 1=0 , I1=Io*cos^2 (0) =Io ze względu na pierwszy polaryzator I1=0.5*Io
2=90 , I2=I1*cos^2 (90) =0
Transmisja tego układu jest równa 0 , T=0
c) 1=0 , I1=Io*cos^2 (0) =Io ze względu na pierwszy polaryzator I1=0.5*Io
2=30 , I2=I1*cos^2 (30) =0.5*0.75*Io=0.375 Io
=30 , I3=I2*cos^2 (30) =0.75*0.375*Io=0.28125 Io
Transmisja tego układu jest równa T=0.28125 , bo T=I3/Io = (0.28125 Io)/Io
Luminancja świetlna i energetyczna (związki).
Luminancja Lv (radiancja Le) z danego punktu przestrzeni w określonym kierunku (,) jest to strumień emitowany w jednostkowym kącie bryłowym zawierającym dany kierunek, przechodzący przez jednostkową powierzchnię prostopadłą do tego kierunku.
Luminacja świetlna [system fotometryczny]:
Lv=v/A [nit]
Luminacja energetyczna [s. radiometryczny]
Le=e/A [W/(m^2*sr]
Związek:
v=683e()V()d w granicach 380 780
Zjawiska fizyczne wykorzystywane w źródłach promieniowania.
a) katodo luminescencja - strumień elektronów
b) fotoluminescencja - pobudzenie światłem
- fluorescencja - szybka t(0,l-l0ms), gazy,pary
- fosforescencja-wolna t(l0ms-10s), ciała stałe
c) elektroluminescencja-energia pola elektr.
d) chemoluminescencja- bioluminescencja
e) mechanoluminescencja
f) Sonoluminescencja- en. akustyczna
g) świecenie żarowe
h) rekombinacja promienista - diody LED - emisja spontaniczna
i)akcja laserowa - emisja wymuszona
j) bioluminescencja - robaczki świętojańskie
Warunki wystąpienia akcji laserowej.
-istnienie stanów niestabilnych,
-dostarczanie energii do zmiany stanu na metastabilny -pompowanie,
-inwersja obsadzeń w stanie metastabilnym -więcej atomów w stanie w zbudzonym niż podstawowym
-musi nastąpić emisja wymuszona,
-sprzężenie zwrotne - wzmocnienie optyczne.
Parametry i charakterystyki robocze LD.
-prąd progowy, optyczna moc wyjściowa, środkowa długość fali, temp. pracy, napięcie wsteczne, temp. gromadzenia, szerokość kątowa i
widmowa wiązki, sprawność.
CHARAKTERYSTYKI!!!!
10. W jakim stopniu zmieni się szerokość połówkowa prążka transmisji interferometru Farby - Perrot, gdy współczynnik odbicia luster wzrośnie z ρ=0,5 do ρ=0,98.
=4/F, szerokość połówkowa prążka, F=4ρ/(1- ρ )^2
F1=2/0.25=8, =4/2,83=1,41
F2=3,92/0.0004=9800, =4/98,99=0,04
/=35,25
11. Wyznacz maksymalne natężenie promieniowania powstającego ze złożenia
oddziaływania 4 źródeł o natężeniu I0 - a) koherentnych, b) nie koherentnych.
koherentnych (spójnych) -mogą interferować,
cosmax=1,
Ii=I1+I2+2( I1*I2)*cos(1)=4Io
Iii=I3+I4+2( I3*I4)*cos(2)=4Io
Iiii=4*Io+4*Io+2(4*Io*4*Io)=16Io
nie koherentnych
cos,
Ii=I1+I2+2( I1*I2)*cos(1)=2Io
Iii=I3+I4+2( I3*I4)*cos(2)=2Io
Iiii=Ii+Iii=4Io
12. Wyznacz natężenie strumienia światła padającego prostopadle na powierzchnię graniczną woda / powietrze.
13. Jaką długością fali w powietrzu i w krysztale o n=2,0 będzie charakteryzowany strumień promieniowania o energii E=1500eV. Jaką energię maja fotony promieniowania o niebieskiej barwie w powietrzu ?
h=6,62*10^-34 J*sek=4,14*10^-15 eV*sek 1eV=1,6x*10^-19 J c=3*10^10 cm/sek
E=h*=(h*c) /c*), =hc/nE, n=c/v
dla powietrza: n1=1, =0,828nm
dla kryształu: n2=2, =0,414nm
zakres niebieskiej barwy to =455-492nm
wybieram z zakresu =475nm
więc w powietrzu: n=1, E=2,61 eV
14. Białe światło pada prostopadle na cienką warstwę o n=1,5 i d=500nm.
Dla jakiej długości fali z (pasma VIS) wystąpi maksimum natężenia strumienia odbitego.
2*d*n=(2m+1)*/2, =4dn/ (2m+1)
(380nm-780nm) -> m=2,3
dla m=2, czerwone - =750nm
dla m=3, zielone - =500nm
15. Wyjaśnij zjawiska: niebieskie niebo, czerwone zachody słońca, tęcza, migotanie gwiazd.
Niebieskie niebo - rozpraszanie Rayleigha na cząsteczki azotu i tlenu, krótsze fale są rozpraszane bardziej (wsp rozpraszania 1/ ^n).
Czerwone zachody słońca - najw. rozpraszanie dla fal krótszych stąd do Ziemi dociera najwięcej fal dłuższych - czerwony.
Migotanie gwiazd - wsp. załamania zależy od gest. gazu, temp., a atmosfera pod wpływem wiatrów zmienia swe wlasc - fluktuacje gest, nagrzewanie, natężenie z gwiazd jest b. małe.
Tęcza - fale dłuższe są mniej rozpraszane niż fale krótsze. W powietrzu muszą być rozpylone cząsteczki wody. Światło pada zza nas i na kropelkach wody następuje rozsuniecie barw jak w pryzmacie.
16.Luminancja źródła mierzona prostopadle do powierzchni jest równa L=1 cd/m^2.
Wyznacz luminancję źródła w kierunku =60 (wzgl. Normalnej do powierzchni źródła) zakładając, że I0()=const.
L=dI/ (dA*cos)=1cd/m^2, L0=dI/dA=1
L60=dI0/(dA*cos()=dI0/(dA*cos60)=2cd/m^2
17. Punktowe źródło światła o strumieniu =10 000 lm emituje jednorodnie
we wszystkich kierunkach. Odbiornik o powierzchni czułej A=0,01m^2 umieszczono
w odległości d=0,5 m od źródła. Wyznacz natężenie źródła światła, oświetlenie detektora,
strumień świetlny padający na detektor.
Nat. zr. światła: Iv=v/
Iv=v/4=795,7 lm/sr
Oświetlenie detektora :
Edet=d/dA=/4pi*d^2=Iv/d^2=3183 lm/m^2
Str. świetlny padający na detektor:
\sk=Edet*A=31,83 lm
18. Porównaj właściwości fotodetektorów: diody PIN, fototranzystora, fotopowielacza.
Fotopowielacz - dokładność poniżej 1%, b. szybkie, czułość 10^-18 W, b. duże wzmocnienie
Wada: konieczność dostarczenia wysokiego napięcia zasilania.
Dioda PIN - najszybsza, niski poziom napięcia zasilania, duża liniowość, najmniejsza czułość.
Fotorezystor: dość duża czułość, mała liniowość, najmniejsza szybkość, małe napięcie zasilania.
19. Spójność czasowa promieniowania.
Spójność czasowa promieniowania- zgodność fazowa miedzy wiązkami
promieniowania wychodzącego z jednego punktu po przebyciu przez
nie pewnej drogi optycznej. Charakteryzuje ją czas spójności.
20. Źródło monochromatyczne o =555 nm emituje strumień mocy 146,413 W.
Wyznacz strumień świetlny tego źródła.
1W=683 lumeny
146,413 W = v
v=683*146,413=l00000 lm.
21. = pytanie 11.
22. Porównaj natężenia strumieni PROMIENIOWANIA o długościach FAL 0 i 3 rozproszonego NA OBIEKTACH O WYMIARACH a<< , POD KĄTEM 36,5 względem KIERUNKU PROPAGACJI STRUMIENIA.
Współczynnik rozproszenia Rayleigha
CV^2*(^-4)
CV^2*(3^-4
(/3^-4=81
23. W JAKIM ZAKRESIE KĄTÓW PADANIA, STRUMIEŃ ŚWIATŁA PADAJĄCY NA GRANICĘ OŚRODKÓW WODA / POWIETRZE NIE BEDZIE WIDZIANY w POWIETRZU.
Aby strumień nie był widoczny w powietrzu musi nastąpić CWO. Z warunków Fresnela otrzymujemy
n2singr=n1sin90
singr=n1/n2=1/1, 33
gr=48,75
Dla kątów Z zakresu 48,75-90 promień z wody nie będzie widoczny w powietrzu.
24. Jaką Długością FALI w POWIETRZU I W KRYSZTALE o n=2,0 BĘDZIE CHARAKTERYZOWANY STRUMIEŃ PROMIENIOWANIA O ENIERGII 1500 eV.
JAKĄ ENERGIĘ MAJĄ FOTONY PROMIENIOWANIA O NIEBIESKIEJ BARWIE
h=4,14 * 10^(-15)eV*s
25. OKREŚL KRYTYCZNE SZEROKOSCI PASMA ZABRONIONEGO MATERIAŁÓW ZAPEWNIAJACYCH CAŁKOWITĄ ( IDEALNĄ) TRANSMISJĘ I CAŁKOWITĄ ABSORPCJĘ FOTONÓW z pasma widzialnego.
E= h*c/
E1=h*c/1=3,286eV
E2=h*c/=1,592eV
Jeżeli foton ma energie większa od E1 nastąpi transmisja, a jeżeli energia zawiera się poniżej E2 nastąpi całkowita absorpcja
Pasmo mniejsze od Ecz - absorpcja
Pasmo mniejsze od En- transmisja
26. STRUMIEŃ ŚWIATŁA PADA NA ŚCIANKĘ SZKLANEGO AKWARIUM WYPEŁNIONEGO WODĄ. JAKA Część STRUMIENIA ODBIJA SIE NA PRZEDNIEJ POWIERZCHNI SZKLA A Jaka NA JEGO TYLNEJ POWIERZCHNI ?
n1=1, n2=1,52, n3=1,33
ρ1=( (n2-n1)/(n2+n1))^2=0,0426=4,26% - tyle odbite od 1szej ścianki
Dalej transmitowane jest 0,9574
ρ2=( (n3-n2)/(n3+n2))^2=0,0044=0,44%
(1-ρ1)ρ2=0,425% - odbite od tylnej ścianki
Czyli z padającego promienia:
-na pierwszej powierzchni odbija się 4,26% strumienia
-na drugiej powierzchni odbija się 0,425% strumienia
27. CZTERY IDEALNE POLARYZATORY SA USYTUAWANE WZDLUZ PROSTEJ PROPAGACJI STRUMIENIA, A ICH PLASZCZYZNY POLARYZACJI SA SKRECONE O KAT 30 WZGLEDEM POPRZEDNIEGO. WYZNACZ TRANSMISJE TAKIEGO ZESTAWU POLARYZATORORÓW DLA STRUMIENIA SWIATLA NIE SPOLARYZOWANEGO PADAJACEGO NA WEJSCIOWY POLARYZATOR.
T-I/Imax=Imax*0.5*cos^2*cos^2*cos^2/Imax=27/128
28. ZAPROJEKTOJ WARSTWE ANTYREFLEKSYJNA I WARSTWE ZWIERCIADLA DIELELEKTRYCZNEGO DLA SZKLA o n=1,5 DLA PROMIENIOWANIA O =600 nm.
Warstwa antyrefleksyjna - wygaszana - warunek
2nd=((1/2)+m))
2nd=(2m+1) /2 dla m=0
d=/(4n) , d=122, 5 [nm]
Zwierciadło dielektryczne: (rozlicza dróg optycznych 0 /2)
n1= (n0*n); 2nld=2m/2
n1=1,22
29. Luminacja idealnego ŹRÓDŁA LAmBERTOwSKIEGO MIERZONA FOTOMETREM PROSTOPADLE DO POWIERZCHNI ZRODLA JEST ROWNA L=1,15 cd/m^2, a natężenie ŚWIATLA I=2,82 cd. WYZNACZ LUMINACJE I natężenie PROMIENIOWANIA W KIERUNKU =45 WZGL. NORMALNEJ DO ZRODLA.
Ponieważ jest to idealne źródło Lambertowskie to jego luminacja
Nie zależy od kąta. Zatem L=1, 15cd,/m^2
I=I0cos() =I\143cos (45) =1,994 [cd]
30. Jak zmieni SIĘ OSWIETLENIE E POWIERZCHNI, GDY ZRODLO EMITUJACE
równoległy strumień ŚWIATŁA =10 lumenów o średnicy d=2,521m zostanie pochylone tworząc KAT =60 Z NORMALNA DO OSWIETLANEJ powierzchni.
Ev=v/A*COS () =10/ ( \ 135 ( 1,26155 ) ^2) * cos ( 60) =11m/m^2
dla =O E' '=/A=10/((1,26155)^2)=21m/m^2
31. = pytanie 20.
32. = pytanie 17.
33. Naszkicuj zmianę mocy optycznej LD, sterowanej z źródła prądowego I0=3,5 , Ip=const w funkcji malejącej temperatury otoczenia.
34. Określ ILOSCIOWE WLASCIWOSCI MATERIALU - LUMINOFORU EMITUJĄCEGO Światło O barwie ZIELONEJ.
Jest to materiał, który szybko się pobudza i nieco wolniej wygasza.
Emituje światło o barwie zielonej zatem o dl. z zakresu 482-577 [nm]
Zatem przerwa energetyczna wynosi :
E=hc/ 2,15eV- 2,58eV
35. STRUMIEŃ SWIATLA PADA NA PLYTKE POLISTYRENU POD KATEM =10. WYZNACZ Kąt ZAŁMANIA PROMIENIA. STALA DIELEKTRYCZNA POLISTYRENU k=2,3.
sin (10) /sin () =n2/nl=vl/v2=c/v2= (l/ ( (n*\147) ) ) / (l/ (
(n*\147*k) ) )=k
sin()=sin(10)/ k=0,1145
=6,57
36. MATERIAŁ OPTYCZNY O WSPOLCZYNNIKU ODBICIA R=0,15 i WSPÓŁCZYNNIKU ABSORBCJI =100cm^(-1) ZASTOSOWANO JAKO EKRAN TLUMIACY STRUMIEN PROMIENIOWANIA. WYZNACZ GRUBOSC EKRANU, KTÓRY PRZEPUSCI JEDYNIE 1% STRUMIENIA. WYZNACZ CZASTKOWE ZMIANY STRUMIENIA NA KAZDYM ETAPIE ODDZIALYWANIA PROMIENIA Z WARSTWA EKRANU.
Iwy/Iwe=1/85=10^(-d) -z prawa Bougera
Log l/85=-d => d=log84/ =0,019cm
37. LASER He - Ne Z REZONATOREM O L=30cm I ZWIERCIADŁACH O R=0,99 EMITUJE PROMIENIOWANIE O =632,8nm. Wyznaczyć DROGE SPOJNOSCI promienia TEGO LASERA.
s=c/ f
V=c/2L* (1-R) / (R)
LS=C/ (2 V) =100/ [m]
38. Amplitudowy współczynnik odbicia w rezonatorze Fabry - Perot r=0,8944. Określ:
współczynnik FINESE F, SZEROKOSC POŁÓWKOWĄ prążka δ.
δ=r^2
F=4δ/ (1-δ)^2
F'=r/ (1-r)
Ksi\189=4/F
39. Bańka mydlana O GRUBOSCI d=0,5nm JEST OŚWIETLONA PROSTOPADLE
do warstw światłem słonecznym. WYZNACZ BARWĘ ŚWIATŁA TRANSMITOWANEGO i odbitego od bańki.
2nd=2*1,33*0,5nm=1,33nm
Z zależności 2nd= (2m+l) /2
Dla m=2
=2*1,33 nm/ (2m +1) =532nm -zielone
Dla m=3
=2*1,33 nm/ (2m +1) =380nm -fioletowe
40. Wyznacz transmisję SWIATLA NIE SPOLARYZOWANEGO PRZEZ NASTĘPUJĄCE układy optyczne (OZNACZENIE: POL-POLARYZATOR, L4-PLYTKA /4, L2 /2) O elementach ZORIENTOWANYCH WZGLEDEM OSI UKLADU WSPÓŁRZĘDNYCH .
a) POL 0 POL 30 POL 60
b) POL 0 L4 45 POL 90
c) POL 0 L2 35 POL 70
d) POL 0 L4 45 L4 135 POL 0
T1=1/2(cos^2(30))^2=9/32
T2=1/2cos^2 (45)=1/4
T3=1/2
T4=1/4
41. ZRODLO PROMIENIOWANIA EMITUJE 2 MONOCHROMATYCZNE WIAZKI
O 1=510nm O MOCY 20W, 2=610nm O MOCY 10W. WYZNACZ: a) STRUMIEN
PROMIENIOWANIA ZRODLA, b) STRUMIEN SWIETLNY ZRODLA, c) SKUTECZNOSC SWIETLNA PROMIENIOWANIA.
a) e=10W+20W=30W
b) 1W- 6831m
30W - x
V ( 1=510nm) =V ( 2=610) =1/2
V=683(1/2*20+1/2*10)
c) k=v/e
42.W ODLEGLOSCI h=25m OD POWIERZCHNI S ZNAJDUJE SIE ZRODLO z EMITUJACE RÓWNOMIERNIE WE WSZYSTKICH KIERUNKACH O NATEZENIU I=100 cd . WYZNACZ OŚWIETLENIE ELEMENTU POWIERZCHNI LEZACEGO NA POWIERZCHNI S WIDZIANEGO ZE ZRÓDŁA POD KATEM =30 WZGL. NORMALNEJ DO POWIERZCHNI S.
Ee=e/Ai=Ie/Ri^2= (Ie*A/ (R/cos) ^2) / (A/cos) =Ie/R^2Cos^3
Ee= I/R^2* cos^3 ( 3O )
Ee=0,104 [cd/n^2]=[lx]
43. Włókno żarowe (PRZYBLIŻENIE ciała DOSKONALE CZARNEGO) JEST STOPNIOWO ogrzewane do temperatury 200C, 1000C, 1500C. Wyznacz DŁUGOŚCI fal dla których WŁÓKNO EMITUJE WIĘKSZOŚĆ ENERGII DO danej temperatury.
Z prawa Wiena:
max*T=2,8978*10^(-3) [m*K]
T1=200C=473,15K max=6,12nm
T1=1000C=1273,15K max=2,276nm
T1=1500C=1723,15K max=1,68nm
8
www.eti.from.pl
www.eti.from.pl
ucz się pilnie! ;)
ucz się pilnie! ;)
ucz się pilnie! ;)
ucz się pilnie! ;)