Федеральное агентство связи

Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования

«Сибирский государственный университет телекоммуникаций и информатики»

Контрольная работа по курсу:

Основы физической и квантовой оптики Вариант № 24

Выполнил: Самарин Д.С

Проверил: Варданян В.А

Новосибирск 2017

Содержание:

1. Введение в оптику. Основы геометрической оптики, законы отражения и преломления света……………………………………………………………3-6

   1. Задача 1…………………………………………………………….7-9

2. Явление интерференции………………………………………………10-15

   1. Задача 2………………………………………………………….16-17

3. Явление дифракции…………………………………………………...18-24

   1. Задача 3………………………………………………………….25-27

4. Взаимодействие света со средой. Зависимость показателя преломления от частоты. Формула Селмейера……………………………………………28-30

   1. Задача 4………………………………………………………….31-33

5. Свет, как электромагнитная волна. Явление поляризации света. Разновидности поляризации………………………………………………...34-36

   1. Задача 5………………………………………………………….37-38

6. Основы квантовой оптики…………………………………………….39-43

   1. Задача 6………………………………………………………….44-45

Список использованной литературы………………………………………...46

1. Введение в оптику. Основы геометрической оптики, законы отражения и преломления света

Изучите конспект, учебную литературу [3, с.55-60; 3, с.167-201; 4, с.249-290] и ответьте письменно на следующие вопросы:

1. Укажите начальную и конечную длину волны оптического диапазона, определите инфракрасную, ультрафиолетовую и видимую области.

Оптический диапазон спектра составляют электромагнитные волны оптического диапазона с длиной волн λ

от 1 мм до 1 нм. Внутри оптического диапазона:

- инфракрасное излучение с длиной волны λ=0,78…1000 мкм;

- ультрафиолетовое излучение с λ=0,0001…0,38 мкм;

- видимый свет с λ=0,38…0,78 мкм.

2. Понятие показателя преломления среды и оптического пути луча света в среде.

Физический смысл относительного показателя преломления (иначе показателя преломления второй среды относительно первой):  он показывает во сколько раз скорость света в той среде, из которой луч выходит, больше скорости света в той среде, в которую он входит.  Кроме того, каждая среда, через которую проходит луч света, характеризуется абсолютным показателем преломления:  Абсолютный показатель преломления - это показатель преломления среды относительно вакуума. Он равен отношению скорости света в вакууме к скорости света в данной среде. Среда с меньшим абсолютным показателем преломления называется оптически менее плотной средой.  Оптическая длина пути, произведение длины пути светового луча на показатель преломления среды (путь, который прошел бы свет за то же время, распространяясь в вакууме).

3. Принцип Ферма.

    В оптически однородном веществе свет распространяется прямолинейно, но на границах раздела сред – отражается и преломляется и его путь становится ломаным. В неоднородной среде, где показатель преломления непрерывно меняется, лучи света являются кривыми линиями. Если не рассматривать дифракцию, то распространение светового луча описывается общим принципом, носящим название принцип Ферма. Сам Ферма сформулировал свой принцип в 1679 году так. Свет при распространении от одной точки к другой выбирает путь, которому соответствует наименьшее время распространения.

4. Запишите и поясните рисунком закон отражения и закон преломления света (формула Снеллиуса).

Закон отражения света – падающий и отраженный лучи, а также перпендикуляр к границе раздела двух сред, восстановленный в точке падения луча, лежат в одной плоскости (плоскость падения). Угол отражения равен углу падения.

Закон преломления света – падающий и преломленный лучи, а также перпендикуляр к границе раздела двух сред, восстановленный в точке падения луча, лежат в одной плоскости.

5. В чем заключается явление полного внутреннего отражения света? При каких условиях оно возможно? (Ответ сопроводить рисунком).

Рисунок 1.1 – Явление полного внутреннего отражения

Вещество, имеющее больший абсолютный показатель преломления, считается оптически более плотным. Пусть свето­вой луч переходит из оптически более плотной среды в оптиче­ски менее плотную, т.е. n₂ < n₁. Из закона Снеллиуса следует, что при этом i < r. Если увели­чивать угол падения (рис. 1.2), можно найти такой угол i_пр, при котором угол преломления r станет равным π/2 (лучи 3-3’). Такой угол i_пр называется пре­дельным. При углах падения i > i_пр световой луч уже не прохо­дит во вторую среду, а полно­стью отражается от границы раздела. Это явле­ние называется полным внут­ренним от­ражением. Таким образом, яв­ление полного внутреннего от­ражения наблю­дается только при переходе из более плотной в менее плотную среду и при i > i_пр. Если, например, луч перехо­дит из стекла (n₁ = 1,5) в воздух (n₂ = 1), предельный угол паде­ния составляет ≈ 42º.

Явление полного внутреннего отражения широко исполь­зуется в биноклях, перископах, световодах и рефрактометрах.

6. Конструкция волоконно-оптического световода. Что характеризует числовая апертура световода?

Рассмотрим распространение света в волокне. Для того чтобы луч распространялся вдоль световода, он должен входить в него под углом не более некоторого критического относительно оси волокна, то есть попадать в воображаемый входной: конус. Синус этого критического угла называется числовой апертурой световода NA и определяется через абсолютные показатели преломления слоев по формуле:

Оптоволокно в буфере: а – одномодовое, б – многомодовое. 1 – сердцевина, 2 – оптическая оболочка, 3 – защитное покрытие, 4 – буфер (необязательный).

Числовая апертура характеризует все компоненты оптического капала — световоды, источники и приемники излучения. Для минимизации потерь энергии апертуры соединяемых элементов должны быть согласованными друг с другом.

Задача 1

Волоконно-оптический световод изготовлен из стекла с диаметром d=10 мкм и показателем преломления сердцевины n₁. Показатель преломления оболочки n₂. Свет от источника рассеянного света S падает на один из торцов световода через воздух (n_воздух=1). Линза (Л) фокусирует лучи в сердцевину. На расстоянии L от другого торца световода размещен экран (см.рис.1.1.).

1. Найти числовую апертуру световода и критический угол ввода света в световод.

2. Найти диаметр D светового пятна на экране, если предположить, что световое пятно сконцентрировано только в сердцевине световода и потери отсутствуют.

Значения n₁, n₂, L приведены в табл. 1.1 и табл. 1.2.

Таблица 1.1

X	2
n1	1,484
L (мкм)	75

Таблица 1.2

Y	4
n2	1,462