Optoelektronika

Optoelektronika - koło 1

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

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

0x08 graphic
d =  / 4n grub. AR d = 87 , 5nm

=0 , = (4 n1 n2) / (n1+n2)^2 , =0,808

23= (4n1 n3) / (n+n3)^2
T=^8

max*T=2,8978E-3mK , max=c/T , max=579nm.

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 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]:

Luminacja energetyczna [s. radiometryczny]

v=683e()V()d w granicach 380 780

0x08 graphic

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

h) rekombinacja promienista - diody LED - emisja spontaniczna

i)akcja laserowa - emisja wymuszona

j) bioluminescencja - robaczki świętojańskie

-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.

-prąd progowy, optyczna moc wyjściowa, środkowa długość fali, temp. pracy, napięcie wsteczne, temp. gromadzenia, szerokość kątowa i
widmowa wiązki, sprawność.

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

0x08 graphic
/=35,25

11. Wyznacz maksymalne natężenie promieniowania powstającego ze złożenia

oddziaływania 4 źródeł o natężeniu I0 - a) koherentnych, b) nie koherentnych.

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

Ii=I1+I2+2( I1*I2)*cos(1)=2Io

Iii=I3+I4+2( I3*I4)*cos(2)=2Io

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)

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/

Edet=d/dA=/4pi*d^2=Iv/d^2=3183 lm/m^2

Str. świetlny padający na detektor:

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.

v=683*146,413=l00000 lm.

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

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

25. OKREŚL KRYTYCZNE SZEROKOSCI PASMA ZABRONIONEGO MATERIAŁÓW ZAPEWNIAJACYCH CAŁKOWITĄ ( IDEALNĄ) TRANSMISJĘ I CAŁKOWITĄ ABSORPCJĘ FOTONÓW z pasma widzialnego.

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 ?

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

Zwierciadło dielektryczne: (rozlicza dróg optycznych 0 /2)

n1= (n0*n); 2nld=2m/2

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

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 :

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

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.

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.

39. Bańka mydlana O GRUBOSCI d=0,5nm JEST OŚWIETLONA PROSTOPADLE
do warstw światłem słonecznym. WYZNACZ BARWĘ ŚWIATŁA TRANSMITOWANEGO i odbitego od bańki.

Z zależności 2nd= (2m+l) /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

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.

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

43. Włókno żarowe (PRZYBLIŻENIE ciała DOSKONALE CZARNEGO) JEST STOPNIOWO ogrzewane do temperatury 200C, 1000C, 1500C. Wyznacz DŁUGOŚCI fal dla których WŁÓKNO EMITUJE WIĘKSZOŚĆ ENERGII DO danej temperatury.

max*T=2,8978*10^(-3) [m*K]
T1=200C=473,15K max=6,12nm

T1=1000C=1273,15K max=2,276nm
T1=1500C=1723,15K max=1,68nm