OPTIC EXAMEN

SUBIECTE DE TIP A

1. Propagarea luminii n fibrele optice. Lumina se propag n fibra optic pe baza fenomenului de reflexie intern total. Pentru a avea reflexie intern total la interfaa fibr-nveli, trebuie ca unghiul de inciden s depeasc unghiul critic.

2. Tipuri de fibre optice. Fibrele optice se pot clasifica n dou categorii:

Fibre optice multimod a) Cu profil de indice treapt b) Cu profil de indice gradat

Fibre optice monomod

3. Metoda creuzetului de producere a fibrei optice.

Metoda creuzetului este utilizat n general pentru obinerea fibrelor optice de sticl, care au un punct de topire cobort. Materialele componente, pure, aflate iniial n stare de pulbere sunt nclzite ntr-un creuzet de siliciu sau platin. Pentru nclzire se poate folosi radiaia emis de pereii unui cuptor electric n care sunt introdui componenii, acetia neintrnd n contact cu pereii cuptorului. De cele mai multe ori, miezul din sticl este sub form de bar i este introdus ntr-un tub care constituie nveliul, iar apoi, ansamblul celor dou este tras, pentru a se obine fibra optic. Cu ajutorul unui creuzet dublu, se pot obine fibre optice care au diametrul mare i, implicit, o apertur numeric mare. Cuptorul electric nclzete topitura pn la cca. 1000-1200C. n interiorul cuptorului este introdus un gaz inert pentru a se evita contaminarea componentelor.

4. Inversia de populaie i amplificarea radiaiei n dispozitivele laser.

5. Ecuaiile ratelor pentru un sistem atomic cu 2 nivele energetice.

1

= 1 +(2 1) +1

212

2

= 1 +(1 2) 1

212

Wp rata de pompaj dintre nivelele 1 i 2 Wi rata de emisie stimulat i de absorbie 21 constanta de timp de relaxare spontan ntre nivelul 2 i nivelul 1 (timpul de via radiativ al atomului)

1 + 2 = 0 = .0

= 0 1

+2

= 0

N0 numrul total de atomi

6. Ecuaiile ratelor pentru un sistem atomic cu 3 nivele energetice. 1

= (3 1) +(2 1) +331

221

2

= (1 2) +332

221

3

= (1 3) 332

331

n cazul staionar: 1

+

2

+

3

= 0

Wp rata de pompaj Wi rata de emisie stimulat i de absorbie constanta de timp de relaxare spontan ntre nivele

7. Mecanisme de realizare a inversiei de populaie n dispozitivele laser.

a) Pompaj optic Se realizeaz cu ajutorul unor surse de radiaii de band larg sau monocromatice. Cnd procesele de excitare optic rezonant depesc pe cele de dezexcitare se poate crea n mediul studiat inversia de populaie caracteristic dispozitivelor laser. De exemplu, laserul cu rubin este pompat optic cu un flash cu xenon, laserul cu iod este pompat tot cu flash cu Xe, iar laserul cu cesiu este pompat cu o surs coninnd He.

b) Ciocniri electronice Acest mecanism de realizare a inversiei de populaie este foarte comun laserelor cu gaz. A + e- A* + e- - T A atom A* - atomul n stare excitat T energia cinetic pe care electronul o va ceda atomului pentru ca acesta s efectueze tranziia de pe un nivel pe altul. Aceste ciocniri se numesc ciocniri de spea I. Electronii necesari ciocnirii sunt emii n urma unei descrcri electrice. c) Transfer rezonant de excitaie A + B* A* + B + E A,B atomi n starea iniial A*,B* - atomi n starea excitat E energia obinut n urma ciocnirii Poart numele de ciocniri de spea II. d) Reacii chimice Printr-o reacie chimic se poate realiza inversia de populaie datorit energiei degajate n urma reaciei. Energia chimic va fi ulterior transformat n energie electromagnetic. Acest mecanism de realizare a inversiei de populaie este specific laserelor chimice (laserul cu HCl, laserul cu iod). Pentru a realiza inversia de populaie prin reacie chimic, acea reacie trebuie s fie exoterm.

8. Proprietile radiaiei laser. Strlucirea radiaiei laser este legat de faptul c lumina laser este emis cu o putere foarte mare pe unitatea de suprafa, ceea ce determin o definire clar a marginilor fasciculului. Strlucirea este de obicei notat cu B i este dat de relaia:

=

=2

2

Imax intensitatea maxim (la vrf) P puterea radiaiei lungimea de und a radiaiei unghiul solid Unghiul solid n cazul fasciculului laser este dat de relaia: =2 , unde este unghiul de divergen.

Direcionalitatea este proprietatea cea mai evident pentru un fascicul laser. Fasciculul emergent dintr-un laser este foarte ngust i i pstreaz diametrul constant pe distane foarte mari, spre deosebire de lumina emis de un bec, care este mprtiat n toate direciile. Direcionalitatea este dat de unghiul de divergen.

=2 1

Coerena reprezint proprietatea undelor de a avea aceeai lungime de und i diferen de faz constant n timp. Prin suprapunerea undelor coerente se poate obine fenomenul de interferen. Monocromaticitatea: sursele laser emit pe o gam ngust de lungimi de und. Gradul de monocromaticitate este dat de raportul:

9. Clasificarea laserilor i aplicaiile lor.

DUP MEDIUL ACTIV (n care are loc inversia de populaie)

Laseri cu mediul activ solid

Laseri cu mediul activ gazos

Laseri cu mediul activ lichid

Plasma laser DUP LUNGIMEA DE UND PE CARE O EMIT Laseri care emit n:

Ultraviolet Ex: laserul cu ioni de Ar+ (folosit n chirurgie sau spectacole cu lumini); laserul cu N

Vizibil Ex: laserul cu He-Ne (folosit n cercetare, n holografie, la giroscopul cu laser); laserul cu rubin (aplicaii n chirurgie, n telemetrie sau pentru gaurire); laserul cu Kr (aplicaii n telecomunicaii, la imprimeurile laser, inscripionarea CD-urilor); laserul cu Cu

Infrarou Ex: laserul cu CO2 (aplicaii n domeniul industrial, n prelucrarea materialelor, sudur, chirurgie, oncologie); laserul YAG;Nd ; laserul cu El (eliu aplicaii n telecomunicaii) DUP MODUL DE OPERARE Laseri care funcioneaz:

In regim continuu

Cu impulsuri DUP LUNGIMEA DE UND

Emit pe lungime de und fix (toate exemplele de mai sus)

Acordabili Ex: laser cu colorant (rodamina 6G aplicaii n spectroscopie, reacii fotochimice); laserul cu Ti-safir (aplicaii n cercetarea pentru generarea de pusuri scurte)

10. Laserul cu He-Ne

SUBIECTE DE TIP B

1. Definii: fibra optic, fibra optic monomod, fibra optic multimod. Fibra optic este un ghid de und dielectric cilindric ce transmite lumina de-a lungul axei sale, prin procesul de reflexie intern total. Fibra const dintr-un miez nconjurat de un nveli. Fibrele optice multimod au diametrul miezului de 50-200 m i pot transmite fascicule laser de mare putere. Un model standard de fibr multimod este de 50 m diametrul miezului i 125 m diametrul nveliului. Profilul indicelui de refracie pentru o fibr multimod poate fi: profil uniform (de tip dreapt) i profil parabolic (de tip gradat). Aceste fibre sunt foarte des utilizate n domeniul medical i mai ales n cel industrial (pt tiere, sudare, etc.). Fibrele optice monomod pot localiza lumina ntr-un diametru al miezului mult mai mic (3-12 m). Diametrul miezului pentru o astfel de fibr depinde de lungimea de und pentru care este desemnat optic. Profilul indicelui de refracie pentru o fibr optic monomod este uniform (de tip dreapt). Sunt foarte utilizate n domeniul telecomunicaiilor i la realizarea senzorilor cu fibr optic. Datorit diametrului mic al miezului, alinierea n cazul acestor fibre devine un factor critic.

2. Prezentai avantajele transmisiei de date prin fibrele optice. Pierderile de propagare sunt mici. Viteza de transmitere a datelor este mai mare dect n cazul cablurilor coaxiale Securitatea: nu pot afla datele transmise fr a afecta semnalul. Absena interferenelor. Greutate redus (avantaj esenial n construcia avioanelor). Sigurana: nu se aprind uor, nu produc scntei i nu conduc electricitatea.

3. Definii atenuarea n fibrele optice. Lumina care se propag ntr-o fibr optic, sufer o atenuare, adic are loc o pierdere de energie. Aceste pierderi trebuie s rmn mici, pentru a putea parcurge mari distane, fr regenatori intermediari. Calitatea unei fibre optice este dat de pierderile la propagarea luminii. Pierderile sunt definite de coeficientul de atenuare, dat de relaia urmtoare:

=10 log

10

1 0

P0 , P1 puterile msurate n poziiile z0 i z1

[dB/km]

4. Ce este un laser? Care sunt componentele de baz ale unui laser?

http://ro.wikipedia.org/w/index.php?title=Ghid_de_und%C4%83&action=edit&redlink=1http://ro.wikipedia.org/w/index.php?title=Dielectric&action=edit&redlink=1http://ro.wikipedia.org/w/index.php?title=Reflexie_intern%C4%83_total%C4%83&action=edit&redlink=1

Laserul (Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation) este un dispozitiv optic bazat pe fenomenul de amplificare a radiaiei electromagnetice ce folosete emisia stimulat. Laserul este format din: Mediu activ ce conine substana n care se poate realiza inversia de populaie. Sistemul de pompaj care este format dintr-o surs intens de lumin i oglinz pentru focalizarea luminii din mediul activ, i respectiv dintr-o surs de tensiune aplicat unor electrozi dintr-un tub de descrcare. Rezonatorul optic format din dou oglinzi care asigur reacia pozitiv a sistemului oscilator prin reflexia repetat a fotonilor ntre oglinzi.

5. Definii procesul de emisie spontan. Dac n starea iniial atomul se afl n starea cu energie W2>W1 , acesta tinde s treac pe nivelul cu energie mai mic, emind un foton de energie h= W2 - W1.

6. Definii procesul de emisie stimulat. Prin ciocnirea unui foton cu cu un atom aflat ntr-o stare excitat, acesta se dezexcit cu emisie de 2 fotoni n faz. Acesta reprezint procesul de emisie stimulat.

7. Definii procesul de absorbie. Procesul de absorbie de fotoni pentru un atom, implic un proces de excitare al atomului (ai electronilor atomului) trecnd de pe un nivel de energie mai mic pe un nivel de energie mai mare (stare excitat), saltul energetic fiind egal cu energia fotonului absorbit. Pentru un sistem macroscopic , cnd radiaia electromagnetic traverseaz materia, o parte din ea se transmite i o parte este absorbit de ctre atomi.

8. Definii fenomenul de inversie al populaiei n dispozitivele laser. n mod natural, majoritatea atomilor, ionilor sau moleculelor mediului activ se afl, din punct de vedere energetic, n starea fundamental. Pentru a genera raza laser, dispozitivul care realizeaz pompajul energetic trebuie s genereze ceea ce se numete o inversiune de populaie n mediul activ, adic s se formeze o majoritate de atomi/ioni/molecule (dup caz, n funcie de mediul activ) care se gsesc pe nivele de energie superioare strii fundamentale.

9. Definii fenomenul de amplificare a radiaiei. La trecerea radiaiei printr-un mediu activ, aceasta este amplificat. Amplificarea radiaiei este proporional cu drumul parcurs de lumin prin mediul activ n care se realizeaz inversia de populaie. Pentru a asigura un parcurs ct mai lung al radiaiei prin mediul activ, acesta este nchis ntr-o cavitate rezonant (rezonator optic sau cavitate Fabry-Perot) format din dou oglinzi plane sau sferice cu coeficientul de reflexie mare (98-99%) aezate perpendicular pe axa mediului activ la o distan de ordinul decimetrilor una fa de alta.

10. Prezentai cteva aplicaii importante ale laserilor.

Laserii au aplicaii n domenii precum: medicin (n chirurgie, pentru repararea vederii sau n oncologie, pentru eliminarea esuturilor canceroase), domeniul industrial (prelucrarea materialelor, sudur, gurire), comunicaii, spectroscopie, holografie, imprimeuri sau inscipionarea CD-urilor.