1. Co to jest optoelektronika?

Jest to dziedzina techniki, która łączy optykę, zajmującą się światłem z elektroniką, w której głównym elementem są elektrony.

1. Co to jest foton? Ile wynosi energia fotonu?

Foton jest uważany za kwant promieniowania o zerowej masie i energii wyrażanej wzorem
E = h • ν
gdzie h jest stałą Plancka h = 6, 62 • 10⁻³⁴Js, a ν jest częstotliwością promieniowania(w s⁻¹).

3.Co to jest wzbudzanie, jonizacja i deeksctacja atomów?

Wzbudzanie występuje gdy jeden lub więcej elektronów zostało przeniesionych z orbitalu bliższego jądra na dalszy orbital, czyli ze stanu o mniejszej energii do stanu o większej energii. Przeniesienie elektronu na dalsze orbitale może być spowodowane zdarzeniami atomu z zewnętrznym atomem, jonem lub fotonem.

A + e → A^*

A + e → A⁺ + 2e

A^* → A + hν

A + hν → A^*

Emisja spontaniczna zachodzi gdy elektron atomu A przechodzi z wyższego poziomu energetycznego na niższy.
W wyniku tego energia hν zostaje wyemitowana.

A₆^* → A₃^* + hν

Emisja wymuszona zachodzi gdy elektron będący na wyższym poziomie energetycznym pod wpływem energii fotonu zostaje przeniesiony na niższy stan energetyczny. W wyniku tego otrzymuje my dwa fotony.

A₆^* + hν → A₃^* + 2hν

5.Co to jest stan równowagi termodynamicznej układu atomów?

Układ atomów jest w stanie równowagi termodynamicznej w tedy gdy jego energia, a co za tym idzie temperatura jest stała raz gdy nie wymienia się energią z innym układem.

6.Jakim rozkładem opisany jest zbiór atomów o temperaturze T według energii kinetycznej w równowadze termodynamicznej?

Dany jest rozkładem Maxwella w postaci

$$\text{dn}_{E_{k}} = \frac{2n}{\sqrt{\pi}}{\ \left( \text{kT} \right)\ }^{\frac{3}{2}}\text{\ e\ }^{- \frac{E_{k}}{\text{kT}}}\ \sqrt{E_{\text{k\ }}}dE_{k}$$

gdzie $E_{k} = \frac{mV^{2}}{2}$ jest energią kinetyczną, n jest całkowitą liczną atomów w układzie, T jest temperaturą, k jest stałą Boltzmana równą 1,38•10⁻²³JK⁻¹.

Inna postać rozkładu Maxwella to

$$\frac{dn_{E_{k}}}{n} = f\left( E_{k} \right)dE_{k}$$

7.Co to jest temperatura?
Jest to wielkość fizyczna, określająca stopień nagrzania ciał.  Temperaturę można ściśle zdefiniować tylko dla stanów równowagi termodynamicznej, bowiem z termodynamicznego punktu widzenia jest ona wielkością reprezentującą wspólną własność dwóch układów pozostających w równowadze ze sobą. Temperatura jest związana ze średnią energią kinetyczną ruchu i drgań wszystkich cząsteczek tworzących dany układ i jest miarą tej energii.

$$dn_{E_{p}} = \left( E_{p},E_{p} + dE_{p} \right) = nf\left( E_{p} \right)dE_{p} = \frac{n}{E_{p}} \bullet e^{- \frac{E_{p}}{\text{kT}}}dE_{p}$$

9.Co to jest populacja atomów w stanie A* (populacja stanu A*)?
Populacja atomów jest to liczna atomów Nn w stanie energetycznym A^*.
W równowadze termodynamicznej liczna atomów Nn w dyskretnym stanie A^* wyrażona jest

$$\text{Nn}\left( E_{n} \right) = N_{0}e^{\left( - \frac{E}{\text{kT}} \right)}$$

E = E_n − E₀

10.Co się dzieje z promieniowaniem padającym na zbiór atomów (materię) w stanie równowagi termodynamicznej?

Ponieważ liczba atomów o energii mniejszej jest większa od liczby atomów o energii większej (N_m>N_n), to więcej fotonów z padającego promieniowania jest absorbowana niż dodawanych do niego w skutek emisji wymuszonej. Absorpcja promieniowania jest większa od generacji promieniowania, co oznacza, że natężenie promieniowania wychodzącego jest mniejsze od promieniowania padającego.

I_wyj < I_wej

11.Co to jest inwersja populacji stanów energetycznych?
Inwersja ma miejsce gdy na układ w równowadze termodynamicznej działamy energią która odwróci ten stan, a w wyniku otrzymamy liczbę atomów o stanie energii większej jest większa od liczby atomów w stanie energetycznym mniejszym. N_n > N_m,  dla E_n > E_m. Jest to odwrócony przypadek populacji stanów.

I_wyj < I_wej

13.Kiedy zbiór atomów może stać się wzmacniaczem promieniowania
W tedy kiedy układzie atomów wytworzono inwersję populacji stanów energetycznych i oddziałuje na niego foton o energii hν. W tedy zachodzi proces lawinowego wzmocnienia, opierający się na emisji wymuszonej.

14.Jak zbudować generator promieniowania ?

Należy dokonać inwersji populacji stanów w ośrodku( np. za pomocą wyładowań elektrycznych w gazach), ośrodek nabywa w tedy zdolność wzmacniania promieniowania, czy staje się wzmacniaczem promieniowania. Dodać układ dodatniego sprzężenia zwrotnego do wzmacniacza promieniowania.

15.Jak zbudowany jest laser?

16. Co to jest radiometria?
Radiometria zajmuje się ilościowym pomiarem wielkości charakteryzujących promieniowanie elektromagnetyczne. Wprowadza trzy rodzaje wielkości:
-energetyczne;
-fotometryczne(świetlne);
-fotonowe;

17.Jakie mamy wielkości radiometryczne?
Wielkości radiometryczne:
-energetyczne;
-fotometryczne(świetlne);
-fotonowe;

18.Podaj energetyczne wielkości energetyczne opisujące źródło promieniowania.

19.Podaj energetyczne wielkości energetyczne opisujące ilość promieniowania padającego na odbiornik.

$$E_{e} = \frac{I_{e}}{r^{2}}\cos^{2}\alpha$$

21.Co to jest ciało doskonale czarne?
Jest to ciało, które całkowicie pochłania promieniowanie (współczynnik absorpcji promieniowania jest równy 1) oraz którego emisja promieniowania jest największa z pośród ciał o tej samej temperaturze (zdolność emisji promieniowania jest największa).

22.Prawa Plancka, Stefana-Boltzmanna i przesunięć Wiena, dopisujące właściwości ciała doskonale czarnego.

Prawo Plancka:

$$M_{e,\lambda,cc} = \frac{C_{1}}{\lambda^{5}}\left\lbrack \exp\left( \frac{C_{2}}{\text{λT}} \right) - 1 \right\rbrack^{- 1}$$

C₁ = 2πhc² = 3, 74 • 10⁻¹⁶  Wm²

Prawo Stefana-Boltzmana mówi, że całkowita moc wypromieniowywana (egzytancja) przez ciało czarne jest proporcjonalna do czwartej potęgi temperatury.

M_{e cc} = σT⁴

Współczynnik emisyjności (ελ,T) jest funkcją temperatury tego ciała i długości fali promieniowania. Dla ciał rzeczywistych jest zawsze mniejszy od 1.
Ciałem szarym nazywamy ciało, którego współczynnik emisyjności ελ,T ciała nie zależy od długości fali.

24.Co to jest światło białe?
Promieniowanie ciała doskonale czarnego o temperaturze 5200K nazywa się umownie światłem białym.
Lub
Jest to promieniowanie ciała doskonale czarnego, gdzie maksymalna wartość gęstości monochromatycznej egzytancji ciała doskonale czarnego dla długości promieniowania równej 555nm występuje dla temperatury około 5200K.

25.Omówic źródła światła szerokopasmowe i źródła światła o dyskretnym widmie promieniowania.
Słońce jak i rozżarzone włókno wolframowe zachowują się tak, jak ciało doskonale czarne, a więc ich widmo promieniowania jest szerokie, podobnie do widma promieniowania doskonale czarnego. Ich widmo promieniowania jest widmem ciągłym, obejmującym szeroki zakres fal elektromagnetycznych.

Źródło o dyskretnym widmie promieniowania jest źródłem o widmie składającym się z linii widmowych. Przykładem takiego źródła są elektryczne lampy wyładowcze, które działają w wyniku przepływu prądu elektrycznego w gazie. W lampach tych światło powstaje w wyniku przejść między poziomami energetycznymi atomów lub cząsteczek gazu. Dlatego energie i długości fal są ściśle określone.

26.Źródła emitujące linie widmowe.

Przykładem źródła emitującego linie widmowe są elektryczne lampy wyładowcze, które działają w wyniku przepływu prądu elektrycznego w gazie. W lampach tych światło powstaje w wyniku przejść między poziomami energetycznymi atomów lub cząsteczek gazu. Dlatego energie i długości fal są ściśle określone.

27.Szerokość linii widmowej odizolowanego atomu i zbioru atomów gazu

Linia widmowa odizolowanego atomu charakteryzuje się szerokością naturalną, która wynika z zasady nieoznaczoności Heisenberga :

$$E \bullet t = \hslash = \frac{h}{2\pi}$$

Szerokość linii widmowej określa się za pomocą tzw. Połówkowej szerokości linii widmowej.
Kształt linii widmowej opisuje zależność jej intensywności od częstotliwości luj długości fali.

Przykładowe szerokości linii widmowych niektórych źródeł światła:
-lampa wyładowcza neonowa λ=632,8 nm, $\upsilon_{\frac{1}{2}} = 1,5\ GHz$;

-lampa sodowa λ=589 nm, $\upsilon_{\frac{1}{2}} = 510\ GHz$;

-wielomodowy laser λ=632,8 nm, $\upsilon_{\frac{1}{2}} = 1,5\ GHz$;

-jednoczęstotliwościowy laser He-Ne λ=632,8 nm, $\upsilon_{\frac{1}{2}} = 1\ MHz$;