Материалы для студ 3 курса каф РЭС / Материалы 2012_2013 уч. г / Вопросы к кол. 1 ОЭиКПиУ 2013г

Вопросы к коллоквиуму №1

по дисциплине «Оптоэлектронные и квантовые приборы и устройства» (2013 г.)

1. Определение, особенности и основные приборы оптической квантовой электроники.

2. Классические подходы к описанию оптического излучения: а) в рамках геометрической оптики; б) в рамках волновой оптики (классической электродинамики).

3. Квантовая природа излучения. Законы сохранения энергии и импульса. Связь между волновыми и корпускулярными свойствами света. Граница между квантовомеханическим и классическим описанием электромагнитного поля.

4. Понятие когерентности оптического излучения. Два вида когерентности света и характеризующие их параметры. Связь параметров когерентности с реальными параметрами оптического излучения. Сравнение параметров когерентности теплового излучения и излучения лазера.

5. Явление полного внутреннего отражения. Поверхностная волна и её свойства. Скачок фазы отражённой волны на границе раздела сред при полном внутреннем отражении.

6. Симметричный планарный диэлектрический волновод: конструкция и основные закономерности формирования структуры э.м. поля в волноводе. Собственные моды волновода и условия их существования. Максимальное число мод в волноводе. Фазовые скорости мод. Примеры распределения поля в поперечном сечении волновода для низших типов мод.

7. Конструкция, материалы и принцип работы оптического волокна (ОВ). Типы волн в ОВ. Условия обеспечения в ОВ одномодового режима. Типичные геометрические размеры конструкции различных видов ОВ в поперечном сечении. Классификация ОВ по профилю показателя преломления.

8. Причины потерь энергии светового излучения в ОВ. Спектральная зависимость коэффициента затухания в ОВ. Достигнутые уровни минимального затухания в современных ОВ. Перспективные материалы для ОВ с низким уровнем затухания.

9. Факторы, ограничивающие рабочую полосу частот в ОВ. Параметры, характеризующие частотные свойства ОВ. Виды дисперсии в ОВ и их причины.

10. Межмодовая дисперсия в ОВ и её причины. Оценка ограничения на полосу частот и уширение импульса при межмодовой дисперсии в ступенчатых и градиентных кварцевых ОВ. Влияние взаимодействия мод в ОВ на параметры межмодовой дисперсии.

11. Материальная и волноводная дисперсия в ОВ: физические причины, параметры дисперсии. Особенности частотной зависимости удельной материальной и волноводной дисперсии. Точка нулевой дисперсии в кварцевом ОВ. Методы смещения точки нулевой дисперсии. Волокна со смещённой нулевой и смещённой ненулевой дисперсией и их назначение.

12. Причины возникновения в ОВ поляризационно-модовой дисперсии (ПМД). Каким параметром оценивается ПМД и как он зависит от длины ОВ? В каких случаях ПМД оказывает существенное влияние на частотные свойства ОВ?

13. Как определяется числовая апертура ОВ и от каких параметров ОВ она зависит? На какие свойства ОВ влияет его числовая апертура? Оцените величину апертуры кварцевых ОВ. Как влияет на величину апертуры изгиб ОВ?

14. Чем отличается многомодовое волокно от одномодового? Нормированная частота для ступенчатого и градиентного ОВ. При каких значениях нормированной частоты в ОВ существуют одномодовый и многомодовый режимы? Как определяется количество мод в многомодовых ступенчатых и градиентных волокнах?

15. Назначение оптических резонаторов. Основные свойства закрытых объёмных резонаторов (ОР). Собственные частоты ОР. Обозначения собственных мод в ОР. Добротность ОР. Причины потери резонансных свойств ОР в оптическом диапазоне частот.

16. Открытые оптические резонаторы и отличие их свойств от закрытых ОР. Собственные моды открытого оптического резонатора Фабри-Перо. Аксиальные и поперечные моды. Спектр собственных частот системы активная среда-открытый резонатор в радиочастотном и оптическом диапазонах.

17. Зависимость спектральных свойств открытых оптических резонаторов от потерь. Полуширина спектральной линии резонатора. Время жизни фотона в резонаторе.

18. Причины потерь энергии в открытых оптических резонаторах. Добротность резонатора, связанная с потерями на излучение. Формула для полной добротности резонатора (при учёте всех видов потерь).

19. Устойчивые и неустойчивые оптические резонаторы и их конструктивные схемы.

20. Оптический резонатор с плоскими зеркалами. Собственные частоты резонатора и их спектр. Вырождение собственных мод в резонаторе. Физический смысл индексов m и n в обозначении резонаторных мод. Число Френеля и его влияние на потери и распределение поля различных мод в резонаторе. Недостатки плоских резонаторов.

21. Оптические резонаторы со сферическими зеркалами. Конфокальный резонатор и общий вид функции распределения поля в нём. Распределение поля в конфокальном резонаторе для моды ТЕМ₀₀. Ширина пятна моды ТЕМ₀₀ и её зависимость от продольной координаты z вдоль оси волновода. Графики распределения амплитуды поля для мод низших порядков воль поперечной координаты х. Гауссовы оптические пучки в резонаторе и их свойства. Собственные частоты конфокального резонатора. Преимущества и недостатки конфокальных резонаторов.

22. резонаторы с произвольными сферическими зеркалами и условие их сведения к устойчивому эквивалентному конфокальному резонатору. Условие и диаграмма устойчивости оптических резонаторов.

23. Неустойчивые оптические резонаторы и селекция поперечных типов колебаний. Составные и дисперсионные резонаторы. Селекция продольных типов колебаний.

24. Кольцевой оптический резонатор и его преимущества. Резонатор с распределённой обратной связью.

25. Виды энергетических уровней микрочастиц и квантовых переходов. Разрешённые и запрещённые, излучательные и безызлучательные, спонтанные и вынужденные переходы. Метастабильные уровни.

26. Определение спонтанного перехода. Свойства и параметры спонтанного излучения. Вероятность спонтанного перехода. Изменение населённости возбуждённого уровня со временем. Время жизни частицы на возбуждённом уровне. Вероятность спонтанного перехода и время жизни частицы при многоуровневых переходах. Мощность спонтанного излучения.

27. Вынужденные переходы. Вероятности вынужденных переходов. Формулы для числа вынужденных переходов сверху вниз и снизу вверх. Соотношение между коэффициентами Эйнштейна для спонтанных и вынужденных переходов.

28. Релаксационные переходы. Процессы обмена энергией между частицами при релаксационных переходах. Соотношение между вероятностями релаксационных переходов вниз и вверх.

29. Ширина спектральной линии излучательных квантовых переходов. Естественное уширение спектральной линии.

30. Причины уширения спектральной линии в газах и твёрдых телах (кроме естественного уширения). Гауссова форма спектральной линии. Однородное и неоднородное уширение спектральной линии.

31. Взаимодействие излучения с активной средой. Инверсия населённостей, отрицательная температура. Положительная обратная связь в активной среде, её назначение и методы реализации. Коэффициент усиления среды. Условия усиления и генерации излучения в квантовых системах. Насыщение усиления в активной среде и его влияние на ширину спектральной линии.

32. Принципы работы квантовых усилителей и генераторов. Коэффициент поглощения излучения в активной среде. Назначение накачки в активной среде. Методы накачки. Общая схема лазера.

33. Двухуровневая энергетическая схема лазера. Анализ двухуровневой схемы на предмет возможности её использования для усиления и генерации излучения.

34. Анализ возможностей трёхуровневой схемы активной среды для усиления и генерации излучения.

35. Четырёхуровневая схема лазера и её особенности.

36. Условие самовозбуждения активной среды. Оптимальная обратная связь в резонаторе.

37. Условия перехода активной среды в режим насыщения усиления. Населенность уровней и коэффициент усиления в режиме насыщения. Особенности проявления характера насыщения усиления при различных механизмах уширения спектральной линии. Эффекты частотного и пространственного выжигания дырок в режиме насыщения усиления в активной среде. Усиление излучения активной средой при учёте насыщения.

38. Особенности работы лазера в режиме нестационарной генерации.

39. Работа лазера в режиме модулированной добротности

40. Работа лазера в режиме синхронизации мод.

41. Свойства лазерного излучения.

Литература:

1. Пихтин, А.Н. Оптическая и квантовая электроника: Учеб. для вузов/ А.Н. Пихтин. – М.: Высш. шк., 2001. – 573 с.: ил.

2. Малышев В.А. Основы квантовой электроники и лазерной техники: Учеб. пособие для вузов/ В.А. Малышев. - М.: Высш. шк., 2001.

3. Гринёв, а.ю. и др. Оптические устройства в радиотехнике: Учеб. пособие для вузов/ Под ред. В.Н. Ушакова. – М.: Радиотехника, 2005. – 240 с.: ил.