• 30 . Co to są okna transmisyjne?

Są to miejsca w paśmie częstotliwości z zakresu fal optycznych, w których tłumienie fal jest niższe niż w innych miejscach tego pasma.

Wyróżniamy:

I okno: obejmuje fale w okolicy 0,85 μm, dość wysokie tłumienie powyżej 1 dB/km. Zakres jego zastosowań sprowadza się tylko do małych odległości transmisyjnych rzędu kilkunastu kilometrów (7-10km)

II okno: na fali 1,3 μm, tłumienie około 0,4 dB/km zasięg transmisji około 60 km.

III okno: na fali 1,55 μm, tłumienie mniejsze od 0,2 dB/km, zasięg powyżej 100 km

• 29. Rodzaje światłowodów (włóknistych)

Jednomodowe, (SMF = Single Mode Fiber)

W światłowodach SMF sygnał -wytworzony przez laser - prawie wcale nie ulega rozproszeniu (brak dyspersji międzymodowej). Strumień danych przesyłany jest równolegle do osi i dociera do końca włókna w jednym modzie tzw. modzie podstawowym (nie ma odbić). Konsekwencją tego faktu jest: mała średnica włókna zwykle od 5 do 10 mikronów, a także skokowy współczynnik załamania światła. Ten rodzaj światłowodów nadaje się do dalekosiężnej telekomunikacji światłowodowej, gdyż sygnał może być transmitowany bez wzmacniania na odległość do 100 km. Źródłem światła w światłowodach jednomodowych jest laser o długości fali 1,3 lub 1,5 mikrometra. Możliwości transmisyjne światłowodów jednomodowych ogranicza tłumienie szkła i dyspersja chromatyczna. Dzięki domieszkowaniu, w pewnych granicach, można zmieniać parametry światłowodu, zmniejszając jego dyspersję chromatyczną.

Wielomodowe, (MMF = Multi Mode Fiber)

Charakteryzują się zwykle średnicą rdzenia 50 lub 62,5 mikrometra. W światłowodzie wielomodowym fala o takiej samej długości fali może rozchodzić się wieloma drogami zwanych modami. Prędkość ruchu modów wzdłuż falowodu może być różna powodując zniekształcenie (rozmycie) impulsu, co za tym idzie, ograniczenie prędkości transmisji lub odległości transmisji.

Światłowody wielomodowe dzielimy na skokowe i gradientowe:

Światłowód gradientowy ma budowę warstwową. Każda jest inaczej domieszkowana, dzięki czemu współczynnik załamania światła zmienia się w sposób ciągły. Wartość największą ma na osi rdzenia zaś najmniejsza na granicy z płaszczem. Światłowody gradientowe zapewniają - dla różnych modów (poruszających się po łukach) - tę samą prędkość rozchodzenia wzdłuż kabla. Dzieje się tak, gdyż fale rozchodzące się w większej odległości od środka poruszają się w warstwach o mniejszym współczynniku załamania, oznacza to że mają większą prędkość liczoną wzdłuż drogi poruszania się promienia.

Światłowód skokowy W światłowodzie tym współczynnik załamania zmienia się skokowo pomiędzy rdzeniem i płaszczem. Poszczególne promienie świetlne podążają "zygzakami" odbijając się od granicy rdzeń-płaszcz. Każdy mod pada pod innym kątem i ma własną drogę przejścia odcinka światłowodu. Najkrótsza droga wiedzie wzdłuż osi włókna, natomiast najdłuższa "zygzakiem" o najmniejszym kącie odbicia. Prędkość rozchodzenia się światła jest stała w całym obszarze rdzenia, dlatego czasy przejścia promieni przez światłowód są różne. Jest to przyczyną tzw. dyspersji międzymodowej, która powoduje poszerzenie impulsu docierającego na koniec światłowodu. Powoduje to ograniczenie pasma i odległości, na jaką mogą być przesyłane sygnały.

Zastosowanie światłowodów: telekomunikacja, medycyna, systemy oświetleniowe oraz czujniki.

• 28.Jak zbudowany jest światłowód, jakie zjawisko umożliwia propagacje światła w światłowodach?

Kable światłowodowe wykonane są dwóch warstw o różnej stałej dielektrycznej, nałożonych na siebie współosiowo. Warstwa wewnętrzna - rdzeń, stanowi medium propagacyjne sygnału. Wykonany jest ze szkła kwarcowego, lub plastiku. Szkło kwarcowe o wysokiej czystości jest najczęściej z domieszką germanu. Na warstwę zewnętrzną światłowodu składają się płaszcz, powłoka lakiernicza, płaszcz ochronny, wzmocnienie oraz osłona zewnętrza.

Płaszcz wykonany jest z materiału o niższym współczynniku załamania światła niż rdzeń, dlatego zachowuje się podobnie jak lustro, kierując padające na niego promienie świetlne do wnętrza rdzenia. powstaje dzięki temu tzw. fala optyczna. Powłoka lakiernicza chroni warstwę płaszcza. Wykonana jest z materiałów termoplastycznych i specjalnego żelu chroniącego włókno przed uszkodzeniami mechanicznymi (np. wskutek wibracji). Wzmocnienie ochrania włókna światłowodu podczas instalacji oraz przed wpływem środowiska zewnętrznego. Wykonana jest z materiałów o znacznej wytrzymałości i odporności, jak np.: stal, czy Kevlar. Osłona zewnętrzna jest ostatnią warstwą ochronną kabla i służy do ochrony przed uszkodzeniami powstałymi w wyniku oddziaływania niekorzystnych warunków środowiska w jakim znajduje się światłowód.

Zjawisko całkowitego wewnętrznego odbicia umożliwia propagację światła w światłowodach.

• 27. Rodzaje polaryzatorów, prawo Malusa.

Wyróżniamy 2 rodzaje filtrów polaryzacyjnych:

liniowy - najprostszy filtr polaryzacyjny. Efekt działania ma taki sam jak polaryzator kołowy, jednak może zakłócać działanie elementów światłoczułych bądź automatykę ostrości - Auto Focus (AF) w nowoczesnych aparatach, ponieważ tylko 25% światła wpadającego przez soczewkę jest transponowane na element mierzący ostrość (AF). Są tańsze od filtrów kołowych.

Rys. Schemat działania filtru polaryzacyjnego liniowego.

Filtrem tym można wygasić (przytłumić) refleksy od wody, czy innych nie metalowych obiektów.

Źródło światła Z emituje promieniowanie nie spolaryzowane, w którym drgania odbywają się we wszystkich kierunkach prostopadłych do kierunku rozchodzenia się. Po odbiciu się od powierzchni wody lub innej nie metalowej powierzchni, światło jest częściowo spolaryzowane, drgania wektora elektrycznego odbywają się głównie w płaszczyźnie równoległej do powierzchni odbijającej światło.

Jeżeli na drodze takiej wiązki światła ustawimy polaryzator liniowy P, przepuszczający światło o drganiach w jednej tylko płaszczyźnie, to zależnie od wzajemnej orientacji płaszczyzny polaryzacji światła padającego i płaszczyzny polaryzacji filtra przepuszczona zostanie tylko część światła. Obracając filtr polaryzacyjny wokół jego osi możemy regulować stopień wygaszania odblasków, które mogły by zakłócić zdjęcie

kołowy - bardziej zaawansowany rodzaj polaryzatora. Można go stosować z każdym rodzajem aparatu. Daje niewiele słabsze efekty w porównaniu do filtru liniowego.

Rys. Zasada działania filtru polaryzacyjnego kołowego.

Filtr polaryzacyjny kołowy składa się z polaryzatora liniowego i przyklejonej do niego płytki z materiału o specjalnych własnościach optycznych, tzw. dwójłomnego. Światło padające na polaryzator liniowy P zostaje spolaryzowane w płaszczyźnie pionowej a przechodząc przez druga płytkę, ulega rozdzieleniu na dwie wiązki o płaszczyznach polaryzacji wzajemnie prostopadłych, co obrazują dwa przecinające się wektory pola elektrycznego po przejściu przez obie płytki, tworzące filtr polaryzacyjny kołowy.

Polaryzator P spełnia rolę identyczną, jak w prostym polaryzatorze liniowym. Druga płytka, zwana w optyce ćwierćfalówką, "rozkłada" spolaryzowane światło na dwie składowe, co zapewnia prawidłowe działanie elementów autofokusa i pomiaru ekspozycji.

Prawo Malusa - prawo określające natężenie światła po przejściu przez polaryzator.

Natężenie światła spolaryzowanego liniowo po przejściu przez idealny polaryzator optyczny jest równe iloczynowi natężenia światła padającego i kwadratu cosinusa kąta między płaszczyzną polaryzacji światła padającego a płaszczyzną światła po przejściu przez polaryzator.

• 25. Polaryzacja fali elektromagnetycznej, sposoby opisu, dwójłomność kryształów

Polaryzacja to własność fali poprzecznej (np. światła). Fala spolaryzowana oscyluje tylko w pewnym wybranym kierunku. Fala niespolaryzowana oscyluje we wszystkich kierunkach jednakowo. Fala niespolaryzowana może być traktowana jako złożenie wielu fal drgających w różnych kierunkach.

W naturze większość źródeł promieniowania elektromagnetycznego wytwarza fale niespolaryzowane. Polaryzacja występuje tylko dla fal rozchodzących się w ośrodkach, w których drgania ośrodka mogą odbywać się w dowolnych kierunkach prostopadłych do rozchodzenia się fali. Ośrodkami takimi są trójwymiarowa przestrzeń lub struna.

Gdy ośrodek fali nie może drgać w dowolnych kierunkach prostopadłych względem rozchodzenia się fali zjawisko polaryzacji jest niemożliwe. Dotyczy to np. drgań na powierzchni membrany i na granicach faz. Przykładem tego są m.in. fale morskie. Fale dźwiękowe również nie podlegają zjawisku polaryzacji, gdyż są falami podłużnymi.

Światło może być spolaryzowane:

- liniowo - drgania pola elektrycznego odbywają się tylko w jednym kierunku;

- kołowo - kierunek drgań obraca się cyklicznie (koniec wektora pola elektrycznego fali biegnącej zakreśla linię śrubową o przekroju kołowym).

Polaryzacja światła zachodzi podczas:

- załamania;

- rozpraszania;

- odbicia.

Dwójłomność - zdolność ośrodków optycznych do podwójnego załamywania światła (rozdwojenia promienia świetlnego). Substancje, dla których zjawisko zachodzi nazywamy substancjami dwójłomnymi. Dwójłomność wykazuje wiele substancji krystalicznych, a także wszystkie ciekłe kryształy. Przykładami substancji dwójłomnych mogą być kryształy rutylu i kalcytu.

Miarą dwójłomności jest różnica między współczynnikiem załamania promienia nadzwyczajnego
, a współczynnikiem załamania promienia zwyczajnego
.

Po oświetleniu takiego kryształu wiązką światła jednorodnego można zaobserwować dwa promienie światła. Oba z nich spełniają prawo załamiania światła, jednak załamanie to odbywa się z innym współczynnikiem. Różnice we współczynnikach załamania światła wynikają z faktu różnej polaryzacji wiązki światła padającego na kryształ. Można to wytłumaczyć zakładając iż substancja dwójłomna ma różne współczynniki przenikalności dielektrycznej ε zależnie od płaszczyzny drgania fali elektromagentycznej.

W krysztale jednoosiowym podczas załamania promień wchodzący do kryształu rozdziela się na dwa. Jeden z nich to promień zwyczajny, spełnia on prawo Snelliusa, leży w płaszczyźnie padania, oznaczany jest symbolem „o”.Dla tego promienia kierunek drgań pola elektrycznego jest prostopadły do jego płaszczyzny głównej.

Drugi promień to promień nadzwyczajny. Nazywa się go tak, bo w ogólności nie spełnia on prawa Snelliusa, oznacza się go przez „e”.Promień ten nie musi leżeć w płaszczyźnie padania. Co więcej - może się załamać nawet wówczas, gdy promień pada prostopadle do powierzchni kryształu. To w jaki sposób zmieni on kierunek przy takim padaniu, zależy od kierunku osi optycznej w krysztale. Nie załamie się, jeśli oś optyczna jest prostopadła lub równoległa do powierzchni, na którą pada promień. Dla promienia nadzwyczajnego kierunek drgań pola elektrycznego jest równoległy do jego płaszczyzny głównej. Warto zauważyć, że ponieważ płaszczyzny główne obu promieni mogą być inne, polaryzacje obu promieni nie muszą być do siebie prostopadłe. W krysztale dwuosiowym oba promienie zachowują się jak promienie nadzwyczajne.

• 24. Związek pomiędzy monochromatycznością i koherencją czasową światła

Koherencja(spójność) - W ujęciu tradycyjnym spójność to miara stałości różnicy faz dwóch fal (zgodność fazowa), gdy zachodzi w dwóch punktach przestrzeni to jest to koherencja przestrzenna, gdy w jednym punkcie przestrzeni w odstępie czasu to jest to koherencja czasowa.

Koherencja czasowa - określa zdolność do interferencji w danym ptk.. ,przestrzeni dwóch fal świetlnych wychodzących z tego samego źródła światła i biegnących w tym samym kierunku, lecz w różnych chwilach czasu.

Światło spójne (światło koherentne)

Światło zdolne do interferencji.

Mówimy, że dwa promienie są spójne, jeśli mają tę samą długość fali (światło monochromatyczne), amplitudę, stałą w czasie różnicę faz oraz taką samą płaszczyznę polaryzacji, dzięki czemu w wyniku interferencji dają stałe obszary wzmocnienia i osłabienia w postaci prążków interferencyjnych, pierścieni i innych.

• 23. Zasada działania lasera, właściwości promieniowania laserowego, rezonator Fabry-Perota

Laser jest źródłem promieniowania elektromagnetycznego. Od klasycznego źródła światła różni się on zasadą działania i wynikającymi z niej właściwościami emitowanego promieniowania.

Działanie lasera opiera się na dwóch zjawiskach: inwersji obsadzeń i emisji wymuszonej. Emisja wymuszona zachodzi gdy atom wzbudzony zderza się z fotonem o takiej częstotliwości, że jego energia kwantu jest równa różnicy energii poziomów między stanem wzbudzonym a podstawowym. Foton uderzający nie ulega pochłonięciu, ale przyspiesza przejście atomu ze stanu wzbudzonego do podstawowego i dlatego z atomu wylatują w tym samym kierunku dwa spójne, to znaczy zgodne w fazie fotony o tej samej energii więc i częstotliwości.

Aby mogła zachodzić w dużych ilościach emisja wymuszona należy w ośrodku wzmacniającym stworzyć odpowiednie warunki, to znaczy spowodować, by więcej elektronów było w stanie wzbudzonym niż w stanie podstawowym. Taki proces nosi nazwę inwersji obsadzeń (odwrócenia obsadzeń). Wtedy rezonansowy foton wyzwala emisje wielu fotonów naraz o tej samej fazie i częstotliwości. Aby to dokonać trzeba znaleźć taki materiał aby na pewnym poziomie wzbudzonym czas przebywania elektronu był dostatecznie długi. Taki poziom nazywamy poziomem metastabilnym. Do tej pory zbudowano wiele typów laserów i uzyskano efekt laserowy w setkach ośrodków czynnych (stałych, ciekłych i gazowych). Odwrócenie obsadzeń uzyskuje się za pomocą oświetlenia światłem (pompowanie optyczne), innym laserem, światłem błyskowym, wyładowaniem prądu w gazach, reakcjami chemicznymi albo wykorzystać rekombinację w półprzewodnikach.

Wzmacniacz laserowy zamienia się w generator, gdy ośrodek wzmacniający zostanie umieszczony w rezonatorze. Wówczas promieniowanie wprowadzone wzdłuż osi rezonatora odbija się od zwierciadła umieszczonego na jednym końcu rezonatora oraz od półprzeźroczystego zwierciadła na drugim końcu. Pomiędzy zwierciadłami fale są wzmacniane wskutek emisji wymuszonej. Promieniowanie wychodzi z rezonatora przez półprzeźroczyste zwierciadło w postaci spójnej, monochromatycznej, równoległej wiązki światła o dużej mocy. Emitowana wiązka jest doskonale równoległa, bowiem fale, które nie wędrują tam i z powrotem między zwierciadłami, szybko uciekają na boki ośrodka drgającego bez wzmocnienia.

Lasery znalazły wiele zastosowań; są na przykład używane do spawania, w medycynie np. chirurgii, holografii, drukarkach, telekomunikacji optycznej oraz do odczytywania informacji cyfrowej.

Cechy charakterystyczne światła laserowego:

- rozbieżność (równoległość) wiązki,

- pasmo spektralne,

- gęstość mocy

- spójność (koherencja).

Interferometr Fabry - Perota może służyć jako wnęka rezonansowa lasera. Zwykle (rys. 1.6) w rezonatorach laserowych jedno ze zwierciadeł jest całkowicie odbijające (Z0), a drugie (ZT) częściowo przepuszczalne (transmisyjne) umożliwiające wyprowadzenie promieniowania laserowego na zewnątrz rezonatora.

W celu spełnienia fazowego warunku generacji tak stworzona pętla sprzężenia zwrotnego powinna być dodatnia. Jeśli startująca półosiowo z dowolnego punktu w rezonatorze fala o długości l powróci po odbiciu od dwóch zwierciadeł w to samo miejsce to przebędzie wtedy drogę 2L. Dla zachowania tej samej fazy musi być spełniony warunek 2L=ml, co oznacza, że między zwierciadłami rezonatora musi się zmieścić całkowita liczba półfal m:

Wtedy w rezonatorze powstanie fala stojąca ,a jej częstotliwość jest jedną z nieskończenie wielu częstotliwości rezonansowych rezonatora odpowiadającym różnym wartościom m. Otrzymuje się wtedy podłużne (poosiowe) rodzaje drgań rezonansowych zwanymi modami podłużnymi lub poosiowymi rezonatora.

22. Najważniejsze typy interferometrów i ich zastosowania

Interferometry

Przyrząd pomiarowy oparty na zjawisku interferencji fal. Zasada działania opiera się na nakładaniu na siebie dwóch fal spójnych, co prowadzi do powstania obszarów, wygaszania oraz wzmacniania drgań. Obserwacja powstających wzorów interferencyjnych umożliwia po odpowiednich obliczeniach uzyskanie bardzo dokładnych pomiarów.

Cechy charakterystyczne instrumentów:

• Bezdotykowe i płaszczyznowe (szybkie) ujęcie trójwymiarowej topografii powierzchni

• Wyliczenie danych przez matematycznie i fizycznie złożone algorytmy

Interferometr Michelsona to jeden z najczęściej stosowanych interferometrów. Posiada dwa prostopadłe do siebie ramiona. Monochromatyczne światło ze źródła A wpada do wnętrza układu i w centralnej części rozdziela się na dwie wiązki na półprzepuszczalnym zwierciadle B. Na końcu obu ramion znajdują się zwierciadła C, które zawracają bieg promieni. Jedno ze zwierciadeł dodatkowo jest ruchome i za jego pomocą zmienia się drogę optyczną jednej z wiązek w celu ustawienia interferometru. Po odbiciu obie wiązki padają ponownie na półprzepuszczalne zwierciadło, gdzie biegną już w jednym kierunku (do obserwatora D) i interferują ze sobą.

Interferometr Mirau

Instrument ten może być wyposażony w kilka obiektywów i posiada obszar pomiaru o wielkości maksymalnie 1 mm². Praktyczny brak konieczności konserwacji oraz wytrzymała konstrukcja predystynują urządzenie do zastosowania w produkcji. Typowym przykładem zastosowania jest ilościowy pomiar strukturowy powierzchni.

Cechy:

Mikroskopowe badanie powierzchni chropowatych i gładkich

Szybkie pomiary w zakresie sekundowym

Rozdzielczość boczna około 1 µm

Rozdzielczość pionowa < 1 nm

Wynik pomiaru jest niezależny od koloru i rodzaju powierzchni

W interferometrze Macha-Zehndera promień świetlny padający na wejście układu rozdzielany jest układem luster na dwa promienie, z których każdy przechodzi przez interferometr inną drogą. Następnie oba promienie ponownie spotkają się na wyjściu układu. Obraz interferencyjny, oglądany na ekranie, zależy od różnicy faz obu promieni; a zatem jest on czuły na najdrobniejsze detale, które mogą wpływać na różnicę dróg optycznych pomiędzy ramionami interferometru. Jeśli w jednym z ramion interferometru (nazywanym ramieniem sygnałowym) umieścimy tak zwany obiekt fazowy (dowolny obiekt przezroczysty o nieznacznie zmieniającym się w czasie lub przestrzeni współczynniku załamania) to efekty tych zmian widoczne będą na obrazie interferencyjnym w postaci układu prążków. Można to wykorzystać do badania subtelnych niejednorodności obiektów przezroczystych - np. przestrzennego rozkładu naprężeń w przezroczystym ośrodku stałym, lub rozkładu temperatury (i zarazem gęstości) gazu.

Interferometr Macha - Zehndera: S - źródło światła; P1, P2 - płytki półprzepuszczalne; Z1, Z2 - zwierciadła; O - ekran do obserwacji prążków interferencyjnych; A - badany obiekt fazowy

Interferometr Sagnaca - to rodzaj inteferometru dwuwiązkowego, przy pomocy którego można wyznaczać obrót poruszających się pojazdów. Urządzenie to stosuje się w samolotach jako precyzyjny żyroskop.

Światło padając na płytkę półprzepuszczalną P rozdziela się na dwa promienie, które w układzie interferometru propagują się po tej samej drodze lecz w przeciwnych kierunkach. Promienie łączą się ponownie na płytce P i interferują za płytką, obraz interferencyjny można obserwować na ekranie O. Różnica faz obu wiązek ulega zmianie, gdy interferometr obraca się. Różnica faz wynika z tego, że w obracającym się układzie układ "ucieka" przed wiązką, a dla drugiej "biegnie do niej". Zgodnie z efektem Dopplera wiązki przebywają tę drogę w różnym czasie. Pozorne prędkości wiązek propagujących się w przeciwnych kierunkach wynoszą: V+rω oraz V-rω, gdzie ω to prędkość obrotu wokół osi interferometru, a V to prędkość światła wewnątrz interferometru, r - (promień) wielkość interferometru.

Układ zwierciadeł może być zastąpiony światłowodem. Układy takie są precyzyjne i umożliwiają rozpoznanie obrotu o 0,0001 stopnia na godzinę.

Interferometr Sagnaca: S - źródło światła; P - płytka półprzepuszczalna; Z1, Z2 - zwierciadła; O - ekran

Interferometr Twymana-Greena - przyrząd optyczny podobny do interferometru Michelsona. Służy do badania elementów optycznych (np. pryzmatów, soczewek) oraz całych układów optycznych (np. obiektywów).

Zbudowany jest, podobnie jak interferometr Michelsona, z dwóch ramion. Na jednym z ramion umieszcza się badany element. Na drugim ramieniu znajduje się lustro odbijające porównawczą wiązkę światła. Wszelkie niejednorodności i niedoskonałości badanego elementu powodują powstanie prążków interferencyjnych uzyskanych z superpozycji wiązki porównawczej z wiązką, która przeszła przez element. Prążki te, w zależności od charakteru niedoskonałości elementu, mogą być liniowe, lub mogą przypominać poziomice na mapach. Jeżeli badany element optyczny pozbawiony jest jakichkolwiek niedoskonałości, wówczas obie wiązki światła są dokładnie zgodne w fazie i obraz jest jednolity - bez jakichkolwiek wzmocnień i osłabień.

• 21. Warstwy przeciwodbiciowe, zasada działania, zastosowania

Powłoki antyrefleksyjne (mniej refleksów to lepsze widzenie)

Tak jak w wielu dziedzinach optyki Carl Zeiss był jednym z pionierów w rozwoju powłok uszlachetniających. Sposób działania powłok antyrefleksyjnych został wynaleziony i opatentowany przez Carl Zeiss w 1935 r. Do dzisiaj warstwy antyrefleksyjne podlegają ciągłej ewolucji i teraz praktycznie są prawie doskonałe.

Powłoka antyrefleksyjna składa się z licznych bardzo cienkich warstw, które są nakładane na szkła w warunkach wysokiej próżni i sterylności. Fizyczne właściwości powłok antyrefleksyjnych zostały tak obliczone, że odbite promienie światła są wytłumiane i wzajemnie wygaszane. Im wyższa jest jakość powłok tym antyrefleks jest bardziej skuteczny.

Szkło z wielowarstwową powłoką antyrefleksyjną Carl Zeiss odbija tylko 1% przechodzącego światła zamiast 10%. Im mniej refleksów tym więcej światła dociera do Twoich oczu i dlatego lepiej widzisz.

---