111 (Билеты на зачёт)

10

Темы билетов для зачета по курсу

«Квантовая и оптическая электроника»

1. Шкала электромагнитных волн. Основные характеристики излучения (спектральные, поляризационные, фотометрические, пространственные).

2. Элементы атомной физики (строение атома, квантовые числа, принцип Паули).

3. Оптические переходы (скорость перехода, вероятность перехода, коэффициенты Эйнштейна, дипольное приближение, правила отбора).

4. Типы уширения спектральных линий.

5. Основные виды и классификация источников излучения.

6. Лазер (устройство, основные элементы). Классификация лазеров.

7. Механизмы создания инверсной населенности.

8. Коэффициенты усиления (спектральный, ненасыщенный, насыщенный, интегральный). Превышение.

9. Резонаторы. Добротность. Потери.

10. Классификация и устойчивость оптических резонаторов.

11. Частотные характеристики лазерного излучения.

12. Фотометрические характеристики лазерного излучения.

13. Поляризационные характеристики лазерного излучения.

14. Преобразование параметров лазерного излучения в оптической системе. Фокусировка и коллимация лазерного пучка. Расчет с помощью лучевых матриц.

15. Непрерывный и импульсный режимы работы.

16. Газовые лазеры. Гелий-неоновый лазер. Лазер на углекислом газе.

17. Полупроводниковые лазеры (полупроводники, электропроводность, примесные и вырожденные полупроводники, оптические свойства, уровень Ферми, p – n переход, механизм создания инверсной населенности, инжекционные лазеры).

18. Устройства для управления лазерным излучением (затворы, модуляторы, дефлекторы, умножители частоты).

19. Применения лазеров.

20. Элементы нелинейной и волоконной оптики

21. Фотоприемники для лазерного излучения

Примеры дополнительных вопросов

1. Каковы функции оптического резонатора? Какие существуют типы оптических резонаторов?

2. Что такое гауссов пучок? В чем состоят его отличия от плоской и сферических волн?

3. Что такое перетяжка гауссова пучка? Чему равна кривизна волнового фронта в перетяжке?

4. В какой зоне гауссова пучка определяется расходимость: в ближней или дальней? Каким образом расходимость гауссова пучка связана с радиусом пучка (размером пятна) в перетяжке?

5. Чем отличается одномодовый и многомодовый режимы генерации лазера?

6. От чего зависит устойчивость резонатора? Является ли устойчивым резонатор с плоскими зеркалами?

7. Чем отличаются продольные моды резонатора от поперечных?

8. От чего зависит длина волны лазерного пучка?

9. Почему лазерное излучение является полностью поляризованным?

10. С какой целью пластины, герметизирующие активную среду в газовых лазерах, располагаются под углом Брюстера к оси лазерного пучка?

11. В каких пределах изменяется угол эллиптичности?

12. Чем отличается свет с правой и левой круговой поляризацией?

13. Как отличить свет с круговой поляризацией от естественного света?

14. Чем отличается Лэмбовский провал от провала Беннета?

15. Как влияет температура на ширину доплеровского контура усиления?

16. Является ли устойчивым конфокальный резонатор?

17. Каким образом можно перейти от многомодового режима генерации к одномодовому?

18. Какова разница в частотах продольных мод кольцевого лазера?

19. Каков порядок расположения линз для коллимации лазерного излучения?

20. Если перетяжка располагается в передней фокальной плоскости собирающей линзы, то на каком расстоянии от линзы располагается перетяжка преобразованного лазерного пучка?

21. Оценить величину силы излучения в дальней зоне для гелий-неонового лазера.

1. Что такое оптические гармоники?

2. Что показывает оптическая ось кристалла?

3. Как ориентируется вектор Е обыкновенного луча в одноосном кристалле?

4. Чему равна кривизна волновой поверхности в перетяжке?

5. Как можно увеличить угол расходимости лазерного излучения?

6. Существует ли инверсная населенность при насыщенном режиме генерации?

7. Можно ли создать инверсию при наличии всего двух энергетических уровней?

8. Как влияет длина резонатора на частоту генерации?

9. Какова неточность в определении длины волны лазерного излучения в пределах доплеровского контура?

10. Перечислите механизмы создания инверсной населенности в газовых лазерах?

11. Как получить лазерное излучение в видимом диапазоне от лазера на иттрий-аллюминиевом гранате с неодимом?

12. На каком расстоянии от перетяжки кривизна волновой поверхности пучка максимальна?

13. Определите размерность коэффициента Эйнштейна для спонтанного излучения

14. Что такое децибел?

15. Чем волноводные моды отличаются от радиационных?

Задачи

1. Чему равна сила света и сила излучения СО₂ – лазера мощностью 1 КВт и расходимостью 2 милирадиана?

2. Ненасыщенный логарифмический коэффициент усиления лазера на парах меди децибел. Найти условие для коэффициента обратной связи , при котором возможна генерация.

3. Под каким углом к оптической оси одноосного кристалла нужно направить луч света, чтобы его состояния поляризации не изменилось?

4. Ненасыщенный показатель преломления рубинового лазера _  см^-1, а длина активной среды l = 10 см. Найти условие для коэффициента обратной связи , при котором возможна генерация.

5. Во сколько раз можно увеличить освещенность поверхности, на которую падает лазерное излучение мощностью 1 милливатт и расходимостью 1 миллирадиан с помощью линзы с фокусным расстоянием 10 см ?

6. Если перетяжка располагается в передней фокальной плоскости собирающей линзы, то на каком расстоянии от линзы располагается перетяжка преобразованного лазерного пучка?

7. Каким должен быть угол расходимости излучения лазера мощностью 1 милливатт, чтобы сила излучения равнялась 10 ⁴ Вт/стерад. Изменяется ли сила излучения для лазерного пучка в дальней зоне?

8. На каком расстоянии от перетяжки кривизна волновой поверхности гауссова пучка становится максимальной? Во сколько раз при этом возрастает поперечный радиус пучка?

9. Определите размерность интегрального коэффициента Эйнштейна для спонтанного излучения.

10. Сравните освещенность от точечного источника (лампы) мощностью 100 Вт на расстоянии 10 м и от гелий-неонового лазера мощностью 1 милливатт на расстоянии 1000 м (радиус пучка – 0.5 мм в перетяжке).

11. Полуширина доплеровского контура усиления равна 1600 МГц. Оцените число продольных мод, генерируемых лазером с длиной резонатора 0.5 м. Каким образом можно обеспечить одночастотный режим генерации?

12. Оценить величину силы излучения в дальней зоне для гелий-неонового лазера.

13. Оцените минимальную длину когерентности излучения гелий-неонового лазера, если его потери равны 0.1 %.

14. Чему равен коэффициент обратной связи при возникновении генерации в лазере?

15. Чему равна длина волны излучения второй гармоники излучения рубинового лазера?

16. Во сколько раз нужно уменьшить угол расходимости лазерного излучения, чтобы сила излучения возросла в два раза?

17. При каких значениях интенсивности света возникают нелинейные оптические эффекты?

18. Интенсивность лазерного пучка уменьшилась в два раза на расстоянии 1 мм от оси пучка. Чему равен при этом поперечный радиус пучка w (размер пятна)?

19. Оцените размер пятна лазерного излучения на расстоянии 100 км от перетяжки, если в перетяжке размер пятна w₀ равен 0.5 мм. С помощью линз с каким фокусным расстоянием можно уменьшить размер пучка в 100 раз?

20. Во сколько раз увеличится ширина уровня энергии, если вероятность спонтанных переходов с этого уровня на более низкие уровни увеличится в два раза?

21. Чему равно естественное уширение уровня энергии атома, если время жизни равно 10 ^{– 8} с.

22. Во сколько раз изменится полуширина лоренцова контура спектральной плотности интенсивности спонтанного излучения, если время жизни верхнего уровня возрастет в два раза?

23. Гауссов пучок ( мкм) имеет радиус в перетяжке мм. Определите расходимость пучка в дальней зоне. На каком расстоянии от перетяжки следует поставить собирающую линзу мм), чтобы уменьшить радиус преобразованного пучка в перетяжке до мм. На каком расстоянии от линзы при этом будет располагаться перетяжка преобразованного пучка и как изменится расходимость пучка после линзы.

24. Гауссов пучок ( мкм, мм) проходит через телескопическую систему из двух собирающих линзы мм, мм), при этом расстояние между линзами равно сумме фокусных расстояний линз и первой по отношению к падающему пучку стоит длиннофокусная линза. Как изменится радиус пучка в перетяжке и расходимость. Найти расстояние от новой перетяжки до последней линзы.

25. Гауссов пучок ( мкм, мм) проходит через телескопическую систему из двух собирающих линзы мм, мм), при этом расстояние между линзами равно сумме фокусных расстояний линз и первой по отношению к падающему пучку стоит короткофокусная линза. Как изменится радиус пучка в перетяжке и расходимость. Найти расстояние от новой перетяжки до последней линзы.

26. Естественное излучение проходит через поляризатор и четвертьволновую фазовую пластинку. При какой ориентации пластинки относительно поляризатора прошедшее излучение будет иметь левую круговую, правую круговую, линейную поляризацию.

27. При каком угле падения естественного света на стеклянную пластинку ( ) степень поляризации отраженного света равна . Какое состояние поляризации будет при этом наблюдаться в прошедшем свете.

28. Определить размер пятна и угол расходимости основной моды гауссова пучка резонатора с параметрами: L = 1 м; R₁ = R₂ = 1 м;  = 1 мкм.

29. Определить для резонатора с параметрами: L = 1 м; R₁ = R₂ = 2 м;  = 0.6328 мкм размер пятна в перетяжке и угол расходимости основной моды.