Pobieranie prezentacji. Proszę czekać

Pobieranie prezentacji. Proszę czekać

1 Podstawy fotoniki (2 h wykładu + 1 h laboratorium ) Michał Malinowski Zakład Optoelektroniki IMiO pokój 123 GR tel. 234 7783

Podobne prezentacje


Prezentacja na temat: "1 Podstawy fotoniki (2 h wykładu + 1 h laboratorium ) Michał Malinowski Zakład Optoelektroniki IMiO pokój 123 GR tel. 234 7783"— Zapis prezentacji:

1 1 Podstawy fotoniki (2 h wykładu + 1 h laboratorium ) Michał Malinowski Zakład Optoelektroniki IMiO pokój 123 GR tel optoelectronics

2 2 Podstawy fotoniki Podstawy fotoniki regulamin przedmiotu optoelectronics 1. Przedmiot składa się z wykładu i laboratorium 2. Warunkiem zaliczenia przedmiotu jest uzyskanie pozytywnej oceny zarówno z wykładu jak i laboratorium. 3. Wykład zaliczany jest na podstawie dwóch kolokwiów; pierwszego w połowie, drugiego pod koniec semestru. Warunkiem zaliczenia jest uzyskanie pozytywnej oceny z każdego z kolokwiów. Studentowi przysługuje jeden termin poprawkowy każdego z kolokwiów. Ocena końcowa jest średnią z wszystkich ocen cząstkowych. 4. Ocena końcowa z laboratorium jest średnią ocen z poszczególnych ćwiczeń. 5. Ocenianie odbywa się w skali od 0 do 5. Osoby które wykazały rażące nieprzygotowanie bądź nie przystąpiły do sprawdzianu lub laboratorium otrzymują ocenę zero. 6. Tablica informacyjna przed wejściem do Zakładu Optoelektroniki IMiO, na 1 piętrze Gmachu Radiotechniki jest właściwym miejscem uzyskania informacji o przedmiocie. 7. Wszelkie wątpliwości i sytuacje nie objęte niniejszym regulaminem chętnie wyjaśni prowadzący wykład.

3 3 Podstawy fotoniki optoelectronics Schemat systemu komunikacji światłowodowej źródło generacja propagacja przetwarzanie i modulacja detekcja

4 4 Podstawy fotoniki optoelectronics Wykład dotyczy całokształtu zjawisk fizycznych leżących u podstaw działania urządzeń optoelektronicznych związanych z wytwarzaniem, propagacją, przetwarzaniem i detekcją promieniowania elektromagnetycznego z zakresu optycznego. Omawiane zjawiska ilustrowane są konkretnymi zastosowaniami i rozwiązaniami technicznymi. Wykład ma charakter podstawowy, stanowi również wstęp do przedmiotów z obszaru optoelektroniki laserowej, techniki światłowodowej, przetwarzania obrazu i układów optoelektronicznych rozwijanych w ramach specjalności EIK. Jednym z zasadniczych celów jest zwrócenie uwagi na właściwości i specyfikę światła jako nośnika informacji (szczególnie dla potrzeb telekomunikacji i techniki cyfrowej) oraz na aplikacje wynikające z oddziaływania promieniowania z materią. -wstęp; relacje pomiędzy optyką geometryczną, falową, elektromagnetyczną i kwantową -generacja i otrzymywanie promieniowania, -propagacja światła, -przetwarzanie i modulacja, -detekcja promieniowania. Wykład traktuje osobno zagadnienia związane z współczesnymi aplikacjami i perspektywami rozwoju systemów optoelektronicznych w telekomunikacji i informatyce. Inna grupa zagadnień związanych z wykorzystaniem oddziaływania promieniowania z materią zostanie przedstawiona na przykładzie zastosowań laserów w procesie produkcji półprzewodnikowych układów scalonych oraz zastosowań laserów w medycynie.

5 5 Podstawy fotoniki optoelectronics Literatura H. HakenŚwiatło - fale, fotony, atomy C. KittelWstęp do fizyki ciała stałego J. PetykiewiczOptyka falowa J. PetykiewiczPodstawy fizyczne optyki scalonej I.W. SawiliewWykłady z fizyki 3 J. HelsztyńskiModulacja światła spójnego F. KaczmarekWstęp do fizyki laserów K. GniadekOptyczne przetwarzanie informacji K. ShimodaWstęp do fizyki laserów J.I. PankoveZjawiska optyczne w półprzewodnikach R. FeynmanWykłady z fizyki T1/2 M. BertolottiMasery i lasery A. Kujawski, P. SzczepańskiLasery - podstawy fizyczne M. MalinowskiLasery światłowodowe B. SalechFundamentals of photonics

6 6 optyczneelektrycznemechaniczne czas Ludzkość uczy się kształtować właściwości materii: Ostatnie osiągnięcia Pinceta laserowa Pinceta laserowa Optyczne schładzanie Optyczne schładzanie Stany kwantowe splątane Stany kwantowe splątane Czujniki światłowodowe Czujniki światłowodowe Optyczne Mikro-Elektro- Optyczne Mikro-Elektro- Mechaniczne Systemy Mechaniczne Systemy optoelectronics

7 7 Podstawy fotoniki optoelectronics silne oddziaływanie elektron-elektronsłabe oddziaływanie foton-foton ELEKTRONIKA FOTONIKA

8 8 NanoelektronikaNanofotonika Lampy (1904) Tranzystory (1947) Układy scalone (1958) Układy VLSI ( ) Elektronika molekularna (~ 2000) Laser (1960) Optyka światłowodowa Światłowody planarne Zintegrowane układy optyczne OIC Kryształy fotonowe PBG (~ 2000) Czas Rozmiar optoelectronics

9 Nowe osiągnięcia: laser włókna światłowodowe półprzewodnikowe urządzenia optyczne Nowe dziedziny: optoelektronika zagadnienia związane z wzajemną konwersją promieniowania świetlnego i sygnału elektrycznego elektro-optyka elektronika kwantowa optyka kwantowa technika światłowodowa Historia, geneza optoelectronics fotonika

10 10 Historia Historia and the foot of it of brass, of the looking glasses of the women assembling, (Exodus 38:8) Prostoliniowa propagacja (Euclid) Najkrótsza droga (Prawie prawda!) (Hero of Alexandria) Płaszczyzna padania Zwierciadła wklęsłe (Al Hazen) Empiryczne prawa załamania (Snell) Światło i ciśnienie fali (Descartes) Zasada najkrótszego czasu (Fermat) v

11 11 Historia współczesna Laser (Maiman) Mechanika Kwantowa Włókno optyczne (Lamm) SM włókno (Hicks) HeNe (Javan) folie Polaroid (Land) Kontrast fazowy (Zernicke) Holografia (Gabor) Maser optyczny (Schalow, Townes) GaAs CO 2 (Patel) FEL (Madey) Teleskop Hubblea Prędkośc/Światło (Michaelson) Emisja Spontaniczna (Einstein) Inne lasery EDFA Komercyjne łącze światłowodowe (Chicago) optoelectronics

12 Einstein przewiduje emisję wymuszoną Townes pierwszy MASER Schawlow and Townes propose LASER Maiman pierwszy LASER (rubinowy) Javan invents He-Ne laser Faist builds quantum cascade laser Nakamura niebieska dioda laserowa nanowire laser UCB Alferov buduje laser heterozłączowy odtwarzacz CD IBM - pierwsza drukarka laserowa Hall buduje laser półprzewodnikowy Spectra -laser szafir-tytan pierwszy system komunikacji optycznej (Chicago) Kroki milowe optoelektroniki Chapin, Fuller Pearson ogniwo słoneczne optoelectronics

13 Optoelektronika w życiu codziennym czytniki kodów paskowych drukarki laserowe odtwarzacze CD, DVD Wyświetlacze obrazu, monitory... fotografia cyfrowa optoelectronics

14 14 Światło promień, fala czy cząstka? cząstka - Isaac Newton ( ) cząstka - Isaac Newton ( ) fala - Huygens ( ) fala - Huygens ( ) dualizm-korpuskularno-falowy De Broglie (1924) dualizm-korpuskularno-falowy De Broglie (1924) optoelectronics

15 15 Fale elektromagnetyczne optoelectronics

16 Dlaczego używamy światło? - Pasmo!' The rate at which you can transmit information is limited to a fraction of the frequency of the 'carrier wave' FaleNazwaCzęstotliwość MF Radio1MHz, 1000,000Hz HF Radio10MHz, 10,000,000Hz VHF Radio100MHz 100,000,000Hz Microwaves10GHz 10,000,000,000Hz Infrared Light200THz 200,000,000,000,000Hz! Dlatego dla multi-GHz transmisji musimy używać światło! Dlatego dla multi-GHz transmisji musimy używać światło! optoelectronics

17 17 Fale elektromagnetyczne optoelectronics

18 18 Światło widzialne optoelectronics f Hz

19 19 optoelectronics od 360 do 720 nm długość fali 400 nm 450 nm 550 nm 500 nm 600 nm 650 nm 700 nm Światło widzialne

20 20 optoelectronics od 360 do 720 nm Światło widzialne

21 21 optoelectronics od 360 do 720 nm Światło widzialne Komunikacja optyczna

22 22 OPTYKA KWANTOWA TEORIA POLA EM OPTYKA FALOWA OPTYKA GEOMETRYCZNA czas optoelectronics

23 23 Zlokalizowane w przestrzeni. Zlokalizowane w przestrzeni. Tor prostoliniowy. Tor prostoliniowy. Mają zdefiniowany pęd. Mają zdefiniowany pęd. Nie mogą się nawzajem przenikać. Nie mogą się nawzajem przenikać. Fale Cząstki Rozciągłe w przestrzeni. Rozciągłe w przestrzeni. Mogą zakrzywiać swój bieg. Mogą zakrzywiać swój bieg. Charakteryzują się zakresem pędu. Charakteryzują się zakresem pędu. Mogą się sumować (interferować) konstruktywnie bądź destruktywnie. Mogą się sumować (interferować) konstruktywnie bądź destruktywnie. optoelectronics

24 Podstawy fotoniki wykład 1 Optyka geometryczna

25 25 Optyka geometryczna Podstawowe pojęcia i postulaty Światło rozprzestrzenia się w postaci promieni Ośrodek optyczny jest scharakteryzowany współczynnikiem załamania n: Czas potrzebny na przebycie drogi d: t = d/c = nd/c 0 droga optyczna : nd Ośrodek optycznie niejednorodny: n(r) r=(x,y,z) czas jaki jest potrzebny by światło pokonało drogę od punktu A do B jest proporcjonalny do drogi optycznej c c n 0 B A dsrn)( Droga Optyczna = DO optoelectronics

26 26 prędkość światła w próżni prędkość światła w ośrodku n = x 10 8 m/s (niezależnie od ruchu obserwatora) c 0 = x 10 8 m/s (niezależnie od ruchu obserwatora) sekunda jest definiowana przy pomocy zegarów atomowych jako x 10 9 okresów promieniowania odpowiadającego przejściu pomiędzy poziomami atomu Cezu 133 w 0 K, metr to dystans jaki pokonuje światło w próżni w czasie 1/( x 10 8 ) s 1 rok świetlny = (3.00×10 5 km/sec) × (3.16×10 7 sec) = 9.42×10 12 km (odległość do najbliższej gwiazdy (Proxima Centauri) wynosi około 4.2 lat świetlnych) optoelectronics Współczynnik załamania

27 27 Dlaczego światło zwalnia w czasie propagacji przez ośrodek? Dlaczego światło zwalnia w czasie propagacji przez ośrodek? w zasadzie prędkość światła się nie zmniejsza, w zasadzie prędkość światła się nie zmniejsza, wydaje się, że tak się dzieje ponieważ światło jest wielokrotnie absorbowane i reemitowane (po pewnym czasie) przez atomy, molekuły ośrodka. wydaje się, że tak się dzieje ponieważ światło jest wielokrotnie absorbowane i reemitowane (po pewnym czasie) przez atomy, molekuły ośrodka. optoelectronics

28 28 prędkość światła w próżni prędkość światła w ośrodku n = 1 Dyspersja n = n( ) optoelectronics Dyspersja n = n( )

29 29 Tęcza Dyspersja n = n( ) optoelectronics

30 30 Odbicie światła

31 31 Prawo Snella W 1621 r, Duński fizyk Willebrord Snell ( ), odkrył zależność pomiędzy kątami padania i załamania światła przy jego przechodzeniu przez granicę różnych ośrodków: Załamanie światła optoelectronics

32 32 Załamanie światła optoelectronics

33 33 dla c : Całkowite wewnętrzne odbicie dla > c optoelectronics Całkowite wewnętrzne odbicie

34 34 Najlepsza droga? Najlepsza droga? V biegu = 2V pływania V biegu = 2V pływania ocean ląd optoelectronics Droga optyczna

35 35 prędkość na lądzie prędkość w wodzie t r = czas na uratowanie pływaka (X 1, Y 1 ) (0, Y) (X,0) d1d1 d2d2 OCEAN LAND t r d 1 v 1 d 2 v 2 d 1 X 1 X 2 Y 1 2 1/2 d 2 X 2 Y o 2 1/2 v 1 v 2 optoelectronics Droga optyczna; DO

36 36 minimumPromienie optyczne biegną od punktu A do B po trajektoriach dla których droga optyczna posiada ekstremum- minimum = czas na przebycie drogi jest najmniejszy W ośrodku jednorodnym: n=const światło porusza się po liniach prostych w 1657 r.– Pierre Fermat zaproponował zasadę najkrótszego czasu ( ) rachunek wariacyjny: optoelectronics Zasada najkrótszego czasu

37 37 Droga optyczna; DO Czas przejścia od A do B Czas przejścia od A do B m i ii snDO 1 P S dssnDO)( P S ds v c optoelectronics

38 38 A B n(r) r=(x,y,z) Czas dt niezbędny na przebycie drogi od x do x+dx wynosi: Szukamy drogi która zminimalizuje Rozwiązaniem jest równanie Eulera optoelectronics Droga optyczna; DO

39 39 Łatwo pokazać, że rozwiązanie jest równoważne prawu Snella zakładając bieg światła w serii warstw o różnej wartości współczynnika załamania. Ośrodek niejednorodny optoelectronics

40 40 Odbicie światła

41 41 optoelectronics Odbicie światła

42 42 optoelectronics Załamanie światła

43 43 optoelectronics Ośrodek niejednorodny

44 44 Na skutek refrakcji atmosfery obserwujemy opóźnione, eliptyczne zachody słońca Ziemia Słońce Refrakcja atmosferyczna, czyli pozorne przesunięcia lub deformacje obiektów obserwowanych poprzez grube warstwy powietrza, np. gwiazd, tarczy słonecznej lub odległych budowli oraz wzniesień widocznych na horyzoncie. Atmosfera optoelectronics Ośrodek niejednorodny

45 45 Gorące powietrze Chłodne powietrze Powierzchnia wody? Gorące powietrze Chłodne powietrze Miraże optoelectronics

46 46 Rysunek ukazuje jak w atmosferze ziemskiej zakrzywia się kierunek światła słonecznego odbitego od oazy na pustyni. Jeśli podczas bezwietrznej pogody obserwator znajdzie się tam, gdzie do chodzi światło odbite od oazy, to na przedłużeniu promieni wpadających do jego oka zobaczy on obraz prosty tej oazy nad horyzontem na tle nieba- to właśnie będzie miraż. Sama oaza ukryta jest przed obserwatorem za wypukłością powierzchni ziemi. optoelectronics Miraże górne

47 47 optoelectronics

48 48 optoelectronics

49 49 Promienie świetlne mogą być charakteryzowane przez powierzchnie do których są prostopadłe. Niech S(r) będzie funkcją skalarną taką, że powierzchnie o stałej wartości S (ekwipotencjalne) S(r) = const. są w każdym punkcie do promieni. Równanie eikonału optoelectronics S(r) = const Jeżeli znamy S(r) to łatwo wyznaczyć bieg promieni gdyż normalna do powierzchni w punkcie r jest określona przez gradient wektora

50 50 Równanie eikonału optoelectronics gradient wektora Funkcję S(r) nazywamy EIKONAŁEM Eikonał jest analogiem do funkcji potencjału V(r) w elektrostatyce, w której rolę promieni świetlnych spełniają linie sił pola elektrycznego E = - V. Aby spełniać zasadę Fermata (główny postulat optyki geometrycznej) eikonał S(r) musi spełniać cząstkowe równanie różniczkowe zwane równaniem eikonału

51 51 Równanie eikonału optoelectronics Całkując równanie eikonału wzdłuż trajektorii promieni, między dwoma punktami A i B mamy: to oznacza, że przedstawia drogę optyczną A-B (w elektrostatyce odpowiednikiem drogi optycznej jest różnica potencjałów) W ośrodku jednorodnym n(r) = const S jest stałe promienie świetlne są liniami prostymi

52 52 Optyka geometryczna Definiujemy promienie jako kierunki w przestrzeni odpowiadające z grubsza wektorom falowym K fali świetlnej. Każdy system optyczny posiada oś optyczną i zakładamy, że wszystkie promienie propaguję się pod małymi kątami do tej osi. oś x in, in x out, out Promień świetlny można zdefiniować dwiema zmiennymi: położenie, x nachylenie, oś optyczna promień x optoelectronics

53 53 Przykład Jeśli x in i in są położeniem i nachyleniem na wejściu, to x out i out są położeniem i nachyleniem po przejściu drogi od z = 0 do z. x in, in z = 0 x out out z Można zapisać to wyrażenie w postaci macierzowej: optoelectronics Optyka geometryczna

54 54 Dla wielu układów optycznych, można zdefiniować 2x2 Macierze promieni" Wpływ układu na promień = iloczynowi Macierzy promieni i Wektora promieni Macierze promieni mogą opisywać zarówno proste jak i złożone układy. Takie matryce zwane są często macierzami ABCD System optyczny Macierz 2x2 o o f oof DCx BAxx optoelectronics Optyka macierzowa

55 55 Dla połączenia kaskadowego, mnożymy macierze O1O1 O3O3 O2O2 optoelectronics Optyka macierzowa

56 56 optoelectronics

57 57 in n1n1 out n2n2 x in x out z f optoelectronics Optyka macierzowa


Pobierz ppt "1 Podstawy fotoniki (2 h wykładu + 1 h laboratorium ) Michał Malinowski Zakład Optoelektroniki IMiO pokój 123 GR tel. 234 7783"

Podobne prezentacje


Reklamy Google