Практикум по специальности 210404 Многоканальные телекоммуникационные системы Новосибирск 2010 удк 621. 316

Министерство связи и массовых коммуникаций Российской Федерации Федеральное агентство связи Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Сибирский государственный университет телекоммуникаций и информатики» М.Г. Бородихин, Ю.Ю. Бородихина Основы физической и квантовой оптики Практикум по специальности 210404 Многоканальные телекоммуникационные системы Новосибирск 2010 УДК 621.316 М.Г. Бородихин, Ю.Ю. Бородихина. Основы физической и квантовой оптики. Практикум./ Сиб. Гос. Ун-т телекомм. и информ. – Новосибирск, 2010.-16с. Практикум предназначен для студентов заочной формы обучения по специальности: 210404 Многоканальные телекоммуникационные системы. Кафедра "Многоканальной электросвязи и оптических систем" Утверждено редакционно-издательским Советом СибГУТИ в качестве практикума. © ГОУ ВПО «Сибирский государственный университет телекоммуникаций и информатики», 2010 г. Содержание Основные требования к выполнению и правила оформления контрольного задания 4 Программа дисциплины 5 Контрольное задание 7 1 Общие понятия об электромагнитной волне 7 2 Взаимодействие света с веществом 8 3 Интерференция света 10 4 Дифракция света 12 5 Дисперсия 14 6 Поляризация 15 7 Основы фотометрии 15 Список литературы 16 Основные требования к выполнению и правила оформления контрольного задания 1. Согласно учебному плану студент должен выполнить контрольную работу, которая состоит семи разделов. Необходимо письменно ответить на контрольные вопросы, используя конспект лекций и указанную литературу, решить задачи по индивидуальным вариантам и обязательно сделать выводы. На вопросы, приведенные в отдельных разделах, следует отвечать кратко, по существу. Все задачи составлены по 100-вариантной системе. Вариант задания в каждой задаче определяется двумя последними цифрами зачетной книжки, причем предпоследняя цифра пароля обозначена в таблицах контрольного задания буквой «M», а последняя буквой «N». Номер варианта задания указываются студентом в начале контрольной работы. 2. Контрольное задание должно быть подготовлено в формате редактора Microsoft Word с размером шрифта 14 пунктов и графического редактора, например, Microsoft Visio. 3. Прежде чем приступить к выполнению контрольной работы, необходимо изучить по учебнику те разделы курса, по материалам которых она составлена. Условие задачи должно быть переписано полностью. Помимо того, нужно выписать из таблиц исходные числовые данные соответствующего варианта задания и, если имеется, воспроизвести рисунок. 4. В каждом пункте решения задачи первоначально нужно указать цель последующего расчета и привести (а в требуемых случаях вывести) в общем виде расчетные формулы. При этом необходимо указать литературный источник, из которого взята данная формула, со ссылкой на номер страницы или формулы. К расчетным формулам, а также ко всем входящим в них и вводимым в процессе решения задач условным обозначениям физических величин нужно дать подробные комментарии (объяснения). Недопустимо представлять решения без пояснительного текста в виде голого набора формул и вычислительных операций. 5. Расчет следует начать с подстановки в расчетную формулу числовых значений известных величин. С целью сведения к минимуму возможных ошибок, исходные данные должны быть подставлены в формулу в основных единицах физической величины, предусмотренной международной системой единиц СИ. В то же время конечный результат должен быть проставлен в удобном для прочтения виде с использованием как основных, так и кратных или дольных величин. Например, если в результате расчета получено, что длина волны = 1.55*10-6 м, то в ответе к решению следует записать = 1.55мкм. При подстановке числовых значений физических величин в расчетные формулы, а также в процессе выполнения промежуточных вычислений размерность не проставляется. 6. В конце контрольной работы необходимо привести список литературных источников, использованных при ее выполнении. Программа дисциплины 1 Структура твердых тел, типы связей между ионами, дефекты в кристаллах [1, с.8-20] 2 Система уравнений Максвелла и понятие об электромагнитной волне [1, с.34-45; 2, с.24-39] Система уравнений Максвелла в различных формах Вектор Пойнтинга Интенсивность электромагнитной волны 3 Волновые уравнения для электромагнитного поля [1, с.46-55; 2, с.24-39] Волновые уравнения Волновой фронт Волновая поверхность Плоская электромагнитная волна Фаза электромагнитной волны Временная и пространственная характеристики фазы Фазовая скорость Волновой вектор Монохроматическая электромагнитная волна 4 Взаимодействие света с веществом [1, с.56, 57, 167-201; 2, с.249-258, с.428-445] Оптическая и геометрическая длина пути электромагнитной волны в веществе Законы отражения и преломления света Принцип Ферма Полное внутреннее отражение Планарный диэлектрический волновод Цилиндрический диэлектрический волновод Расчет коэффициентов пропускания и отражения. Закон Брюстера 5 Когерентность оптического излучения [1, с.68-76; 2, с.57-86] Когерентные электромагнитные волны Временная когерентность Пространственная когерентность Объём когерентности 6 Интерференция [1, с.61-63, с.77-89; 2, с.110-138] Интерференция когерентных монохроматических электромагнитных волн Двулучевая интерференция. Интерферометр Майкельсона Многолучевая интерференция. Интерферометр Фабри-Пеpo Интерференционный светофильтр 7 Дифракция света [1, с.104-144; 2, с.138-215] Суть явлений дифракции Принцип Гюйгенса-Френеля Зоны Френеля Дифракция Френеля и дифракция Фраунгофера Распределения интенсивности света в дифракционном спектре Дифракционная решётка проходящего света Условие максимумов и минимумов дифракционной решётки Отражательная дифракционная решётка (эшелетт) 8 Поляризация оптического излучения [1, с.60, 145-164; 2, с.338-365] Естественный или неполяризованный свет Поляризация как физическое явление Двойное лучепреломление в анизотропной среде Линейно-поляризованная и циркулярно-поляризованная электромагнитные волны Эффект Керра Оптически активные вещества Эффект Фарадея Закон Малюса 9 Показатель преломления вещества [1, с.90-103; 2, с.490-520] Определение показателя преломления. Физический смысл. Электронная теория материальной дисперсии Зависимость 10 Уширение импульсных сигналов в процессе их распространения по стекловолокну [1, с.202-214] Распределение Гаусса Внутримодовая волноводная хроматическая дисперсия Внутримодовая материальная хроматическая дисперсия Хроматическая дисперсия Межмодовая (многолучевая) дисперсия Градиентное распределение профиля показателя преломления в стекловолокне Соотношение между длительностью гауссового импульса на входе в стекловолокно и его длительностью на выходе 11 Физическая природа ослабления сигналов в процессе их распространения по стекловолок­нам [1, с.215-228; 2, с.524-552] Поглощение света в стекловолокне Потери, связанные с рэлеевским рассеянием света и тепловыми флуктуациями абсолютного показателя преломления стекловолокна Комбинационное рассеяние света (эффект Рамана-Кришнана-Ландсберга-Мандельштама) Рассеяние света на макроскопических дефектах Потери, связанные с изгибом стекловолокон Потери за счёт полного внутреннего отражения Термо-механические потери Закон Бугера-Ламберта, коэффициент поглощения, коэффициент пропускания и оптическая плотность Коэффициент затухания передаваемого сигнала в децибелах и его взаимосвязь с оптической плотностью 12 Основы фотометрии [1, с.230-246; 2, с.39-57] Энергетические и фотометрические характеристики оптического излучения Функция видности Телесный угол, световой поток Сила света Освещённость поверхности Светимость излучающей поверхности конечных размеров Яркость светящейся поверхности Контрольное задание 1 Общие понятия об электромагнитной волне Изучите конспект, учебную литературу [1, с.34-54, с.64-67; 2, с.24-57] и ответьте письменно на следующие вопросы: Приведите систему уравнений Максвелла. Понятие вектора Пойнтинга. Дайте определения волнового фронта, волновой поверхности, волнового вектора. Какая электромагнитная волна называется плоской? Понятие фазовой скорости. Какая взаимосвязь фазовой скорости с групповой? Какая электромагнитная волна называется монохроматической? 2 Взаимодействие света с веществом Изучите конспект, учебную литературу [1, с.55-60, с.178-201, с.230-232; 2, с.57-60, с.249-256, с.428-443] и ответьте письменно на следующие вопросы: Укажите диапазон длин волн видимого света. Физический смысл абсолютного показателя преломления. Понятие оптической и геометрической длины пути электромагнитной волны в веществе. Какие волны называются когерентными? Параметры когерентности. Принцип Ферма. Записать и пояснить рисунком закон отражения и закон преломления света. В чем заключается явление полного внутреннего отражения света? Когда оно возможно? (ответ сопроводить рисунком) Задача к разделу 2 Имеется оптическое волокно со следующими параметрами nс - абсолютный показатель преломления сердцевины волокна, nо - абсолютный показатель преломления оболочки волокна. Определить предельный угол (), числовую апертуру оптического волокна (NA), апертурный угол (). Значения nс, nо приведены в таблицах 2.1 и 2.2 Таблица 2.1 N 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 nс 1.48 1.482 1.484 1.486 1.488 1.490 1.478 1.476 1.474 1.472 Таблица 2.2 M 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 nо 1.47 1.468 1.466 1.464 1.462 1.46 1.458 1.456 1.454 1.452 Рисунок 2.1 – Оптическое волокно Теоретические сведения к задаче из раздела 2 Для решения задачи необходимо внимательно изучить материал по этому разделу. Взаимосвязь угла падения луча на торец стекловолокна с пре­дельным углом следует из закона преломления: . (2.1) Из : . (2.2) Согласно закону преломления, в окрестности точки , . (2.3) Величина NA носит название номинальной числовой апертуры стекловолокна и является одной из его фундаментальных лучевых ха­рактеристик, поскольку определяется только значениями и . Угол называют апертурным углом. . В задаче принять =1. 3 Интерференция света Изучите конспект, учебную литературу [1, с.77-89, с.187-201; 2, с.65-86, с.120-133] и ответьте письменно на следующие вопросы: Поясните суть терминов «двулучевая» и многолучевая интерференция. Привести схему интерферометра Майкельсона. Кратко пояснить принцип работы. Привести схему интерферометра Фабри-Перо. Кратко пояснить принцип работы. Какая интерференция называется конструктивной (деструктивной)? Задача к разделу 3 Определить толщину планарного волновода (d), при которой интерференция внутри него будет иметь максимум. Данные приведены в таблицах. - угол, при котором наблюдается полное внутреннее отражение внутри волновода; - длина электромагнитной волны в вакууме; - абсолютный показатель преломления волновода; - абсолютный показатель преломления подложки; - абсолютный показатель воздуха; m=1. Таблица 3.1 N 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 , градус 76 77 78 79 80 81 82 83 84 85 λ, мкм 0,63 0,65 0,67 0,69 0,71 0,73 0,75 0,77 0,79 0,81 Таблица 3.2 M 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 1,5 1,52 1,53 1,54 1,55 1,56 1,57 1,58 1,59 1,6 1,45 1,43 1,41 1,39 1,37 1,35 1,33 1,31 1,29 1,27 Рисунок 3.1 – Фрагмент планарного диэлектрического волновода Теоретические сведения к задаче из раздела 3 В диэлектрических волноводах, как и в любых реальных оп­тических устройствах обычно распространяются не "лучи", а свето­вые пучки конечного поперечного размера. Рассмотрим механизм многократных переотражений светового пучка ширины AM в волноводном слое (пленке), полагая форму волны, для простоты, плоской, рисунок 3.1. Значения фазы волны в точках А и М одинаковы, а приращение пространственной компоненты фазы за время , в процес­се перемещения волнового фронта AM на расстояние DC сос­тавляет , (3.1) где - длина электромагнитной волны в вакууме, а - оп­тическая длина пути. Из рисунка 3.1 видно, что за то же время крайняя левая часть светового пучка, отразившись от границы раздела "плёнка-воздух" в точке A, распространяется в направлении AB, отражается от границы раздела "пленка-подложка" в точке B, распространяется в направлении BC и приходит в точку . Приращение пространственной компоненты фазы волны на пути составляет: , (3.2) где и приращения фазы волны в окрестности точек и , обусловленные эффектом Гуса-Хенхена, суть которого заключается в следующем. Отражение волны от границы раздела двух сред происходит не в "точке" как показано на рисунке 3.1, а в окрестности этой точ­ки. Рисунок 3.2 – Эффект Гуса-Хенхена Отражаемая волна (в данном случае) из плёнки проникает на несколько микрон в воздух, распространяется в нем по траектории abc и вновь возвращается в плёнку (рисунок 3.2). Распространение волны по траектории приводит к появ­лению приращения фазы на , (3.3) Аналогично ведет себя волна и в окрестности точки , рис. 14.6, где она, проникнув на несколько микрон в подложку, снова возвра­щается в пленку, получив приращение фазы . (3.4) Таким образом, световой пучок, частично разделившись в окрестности точки , вновь сходится в окрестности точки С, рисунок 3.1. Взаимное непогашение указанных частей светового пучка аналогично условию максимума при интерференции двух когерентных световых волн. Сле­довательно, , (3.5) где Выражения (3.1) и (3.2) необходимо подставить в (3.5). Для дальнейшего решения задачи рекомендуется достроить рисунок, проведя высоту в треугольнике ABC из точки B. Далее путем геометрических соотношений сторон в треугольниках и углов найти взаимосвязь толщины d со сторонами AB, BC, CD. Заменить AB, BC, CD в выражении (3.5) на эти соотношения. Из этого выражения и находится величина d. 4 Дифракция света Изучите конспект, учебную литературу [1, с.104-144; 2, с.138-201] и ответьте письменно на следующие вопросы: Суть явления дифракции. Отличие дифрагированного света от недифрагированного. В чем заключается принцип Гюйгенса-Френеля? Приведите условия разбиения на зоны Френеля. В чем заключается отличие дифракции Френеля от дифракции Фраунгофера? Условие минимумов и максимумов при дифракции на одной щели (ответ сопроводить рисунком). Что такое дифракционная решетка? Период и длина решетки. Разрешающая способность. Область свободной дисперсии. Условие главных минимумов и максимумов для дифракционной решетки (ответ сопроводить рисунком). Какому закону подчиняется распределение интенсивности в дифракционном спектре? Суть критерия Рэлея. Задача к разделу 4 Свет с длиной волны падает на дифракционную решетку (ДР) с периодом d, освещая N щелей ДР. При этом ясно видны первые m дифракционных максимумов. Определить минимальное значение длины волны видимого света, которая может наблюдаться одновременно с длиной волны на интерференционной картине. Данные приведены в таблица 4.1 и 4.2. Таблица 4.1 N 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 , мкм 0,4 0,42 0,44 0,46 0,48 0,5 0,52 0,54 0,56 0,58 d, мкм 2 2,5 3 3,5 4 4,5 5 5,5 6 6,5 Таблица 4.2 M 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 m 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 N 20 22 24 26 28 30 32 34 36 38 Теоретические сведения к задаче из раздела 4 Отношение длины волны к разнице длин волн , подчиняющихся критерию Рэлея, называется разрешающей способностью решетки: . (4.1) С другой стороны, разрешающая способность дифракционной решетки пропорциональна порядку спектра и числу рабочих щелей : . (4.2) 5 Дисперсия Изучите конспект, учебную литературу [1, с.202-223; 2, с.490-520] и ответьте письменно на следующие вопросы: Какое явление называется «материальной дисперсией»? Постройте зависимость абсолютного показателя преломления от частоты в случае, когда диэлектрик неидеален и имеет 2 валентных электрона с различными собственными частотами. Дайте понятия областей нормальной и аномальной дисперсии. Объяснить влияние дисперсии на форму импульса при распространении по оптическому волокну. Понятие длительности импульса (ответ сопроводить рисунком). Перечислите виды внутримодовой дисперсии. Как уменьшить влияние межмодовой дисперсии? Задача к разделу 5 Определить длительность импульса на выходе из стекловолокна, если длительность гауссовского импульса на входе в стекловолокно равна , величина хроматической дисперсии составляет , межмодовая дисперсия равна . Данные приведены в таблица 5.1 и 5.2. Таблица 5.1 N 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 , нс 100 110 120 130 140 150 160 170 180 190 Таблица 5.2 M 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 , пс 150 155 160 165 170 175 180 185 190 195 , пс 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 Теоретические сведения к задаче из раздела 5 Если длительность Гауссового импульса на входе в стекло­волокно равна , величина хроматической дисперсии состав­ляет , межмодовая дисперсия равна , длитель­ность импульса на выходе из стекловолокна определяет­ся выражением (рисунок 5.1): Рисунок 5.1 – Длительность импульса на входе и выходе стекловолокна 6 Поляризация Изучите конспект, учебную литературу [1, с.145-165, с.175-177; 2, с.338-351, с.552-563] и ответьте письменно на следующие вопросы: Что такое поляризация электромагнитного излучения? Назовите оптические устройства, в которых осуществляется поляризация. Какие бывают виды поляризаций электромагнитной волны? Поляризация света в изотропных и анизотропных веществах. В каких случаях обнаруживается искусственное двойное лучепреломление? Что такое угол Брюстера? Суть закона Малюса. Суть эффекта Фарадея. Задача к разделу 6 Два поляризатора (П1 и П3) расположены так, что оси поляризации образуют прямой угол, а третий поляризатор (П2) размещается между ними так, что ось поляризации его составляет угол с осью поляризации первого поляризатора (П1). Во сколько раз уменьшится интенсивность света, проходящего через такое устройство, если все поляроиды идеальны (потерь нет)? Данные приведены в таблице 6.1 Таблица 6.1 N 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 , градусы 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 Теоретические сведения к задаче из раздела 6 Любой неполяризованный свет можно представить в виде суммы двух ортогональных линейно поляризованных колебаний. Так как на выход поляризатора П1 пройдет только один вектор, который параллелен плоскости П1, то интенсивность света на выходе первого поляризатора будет равна: , (6.1) где I0 – интенсивность неполяризованного света на входе П1. Сущность закона Малюса: . (6.2) При решении задачи в формуле (6.2) принять величину П=0, то есть потерь нет. 7 Основы фотометрии Изучите конспект, учебную литературу [1, с.230-246; 2, с.39-57] и ответьте письменно на следующие вопросы: Понятие функции видности. Понятие телесного угла, светового потока, силы света, освещенности, яркости, светимости. Понятие стерадиана, люмена, канделы, люкса. Какой источник называется ламбертовским? Список литературы Основы оптики: учебное пособие/сост. К.Е. Заславский. - Новосибирск: Веди, 2007. - 248с. Ландсберг Г.С. Оптика. Учеб. пособие: Для вузов. - 6-е изд., - М.: ФИЗМАТЛИТ, 2003. - 848с.

Похожие:

	Конспект урока с использованием цор Практикум предназначен для студентов заочной формы обучения по специальности: 210404 Многоканальные телекоммуникационные системы		Савина Ольга Александровна мбоу «сош №12» г. Северодвинска Практикум предназначен для студентов заочной формы обучения по специальности: 210404 Многоканальные телекоммуникационные системы
	План-конспект урока учитель физики цо то «Технологии обучения» Зуковская Ю. Э Практикум предназначен для студентов заочной формы обучения по специальности: 210404 Многоканальные телекоммуникационные системы		Рабочая программа по учебной дисциплине Сети связи и системы коммутации (сс и ск) Рабочая программа предназначена для преподавания дисциплины «Сети связи и системы коммутации (сс и ск)» студентам очной полной формы...
	Рабочая программа обсуждена на заседании кафедры №1 Протокол №1 от «29» Рабочая программа предназначена для преподавания дисциплины «Основы технологии сети Интернет» студентам очной полной формы обучения...		Рабочая программа по учебной дисциплине Информатика Рабочая программа предназначена для преподавания дисциплины «Информатика» студентам очной полной формы обучения специальностей 210404...
	Рабочая программа по учебной дисциплине Вычислительная техника и... Физика и техника оптической связи, 210402 – Средства связи с подвижными объектами, 210403 – Защищенные системы связи, 210404 – Многоканальные...		Рабочая программа по учебной дисциплине Основы автоматической коммутации Рабочая программа предназначена для преподавания дисциплины «Основы автоматической коммутации» студентам очной полной формы обучения...
	Рабочая программа по учебной дисциплине Сети следующего поколения (ссп) Рабочая программа предназначена для преподавания дисциплины «Сети следующего поколения (ссп)» студентам очной полной формы обучения...		Аннотация рабочих программ учебных дисциплин (модулей) специальности...
	Колледж связи Дисциплина «Компьютерное моделирование» относиться к циклу специальных дисциплин для студентов специальности 210723 – Сети связи...		Рабочая программа дисциплины цифровые многоканальные телекоммуникационные системы Рабочая программа дисциплины «Цифровые многоканальные телекоммуникационные системы»
	Программа по формированию навыков безопасного поведения на дорогах... Рабочая программа учебной дисциплины является частью основной профессиональной образовательной программы в соответствии с фгос по...		Дипломному проектированию Книги Астрецов Д. В. Теория электрической связи [Текст] : методические указания к выполнению курсовой работы для студентов специальностей...
	Новосибирск: "Светлица", 2010. 110 с. Isbn удк ббк isbn Чвалюк А. Я. Экономика здравого смысла. – Новосибирск: "Светлица", – 2010. – 110 с. 2		Институциональная экономика практикум К. э н., доцент Кулешова Т. А. институциональная экономика: Практикум./ Сибгути. – Новосибирск, 2010 г., 21 с