Tentamen i Fotonik , kl

Transkript

1 Tentamen i Fotonik , kl Tentamen i Fotonik , kl FAFF FAFF FAFF FAFF25 FAFF25 - Tentamen Fysik för Fysik C och i för Fotonik D, C och Delkurs D, Delkurs , i Fotonik i Fotonik kl Tillåtna FAFF25 Hjälpmedel: hjälpmedel: Fysik för Miniräknare, C Miniräknare, och D, Delkurs godkänd godkänd i formelsamling Fotonik formelsamling (t ex TeFyMa), (t ex TeFyMa), utdelat formelblad. utdelat formelblad. Börja varje ny uppgift på ett nytt blad och skriv bara på en sida av pappret. OBS! Mobiltelefon Hjälpmedel: Miniräknare, får ej finnas godkänd i fickan formelsamling eller framme (t ex på TeFyMa), bordet! utdelat formelblad. Skriv Börja namn varje på ny varje uppgift blad på ett och nytt numrera blad och sidorna skriv bara i övre på högra en sida hörnet. av pappret. Börja varje ny uppgift på ett nytt blad och skriv bara på av pappret. Lösningarna Skriv namn på ska varje vara blad renskrivna, och numrera väl motiverade sidorna i övre och högra försedda hörnet. med svar. Uppgifter utan svar ger inte full Skriv namn poäng! Lösningarna på varje ska blad vara och renskrivna, numrera väl sidorna motiverade i övre och högra försedda hörnet. med svar. Uppgifter utan svar ger inte full Lösningarna Betyg: poäng! ska Varje vara korrekt renskrivna löst uppgift och väl ger motiverade. 3 poäng efter Uppgifter en helhetsbedömning. utan svar ger För inte godkänt full poäng! krävs minst 12 Varje korrekt poäng. Betyg: löst Varje uppgift korrekt ger löst 3 uppgift poäng ger efter 3 poäng en efter en helhetsbedömning. För godkänt För godkänt krävs krävs minst 12 poäng. poäng. 1. Diagrammen Diagrammen ovan visar ovan svängningen visar svängningen hos det hos det det elektriska fältet fältet fältet i en i en i en elektromagnetisk våg som våg som utbreder utbreder sig i ett sig icke-magnetiskt i i ett icke magnetiskt material material (µ r =1). ( r ( =1). r =1). Bestäm med med hjälp hjälp av av av diagrammen: a) Vågens våglängd i materialet a) Vågens våglängd i materialet a) Vågens b) b) Vågens våglängd frekvens i materialet b) Vågens c) Vågens frekvens hastighet c) Vågens hastighet c) Vågens d) Vilken hastighet riktning vågen rör sig i d) Vilken riktning vågen rör sig i e) Materialets brytningsindex d) Vilken e) Materialets riktning vågen brytningsindex rör sig i f) Vågens vakuumvåglängd e) Materialets f) Vågens brytningsindex vakuumvåglängd f) Vågens vakuumvåglängd 2. En kombination av en negativ lins med brännvidden f A = 20 mm och en positiv lins med 2. En kombination brännvidden av f en negativ lins med brännvidden f A = 20 mm och en positiv lins med B =9 mm används för att avbilda ett objekt på en skärm enligt figuren ovan. brännvidden 2. En kombination f B = 9 mm av används en negativ för att lins avbilda med ett brännvidden objekt på fen A = 20 skärm mm enligt och figuren positiv ovan. lins med brännvidden a) Var hamnar f bilden av objektet som skapas av enbart den negativa linsen? B =9 mm används för att avbilda ett objekt på en skärm enligt figuren ovan. b) Är denna bild virtuell eller reell? a) Var a) c) hamnar Var På hamnar vilket bilden avstånd bilden av objektet s av från objektet den som negativa som skapas skapas linsen av enbart av skall enbart den den den positiva negativa linsen linsen? placeras för att b) Är bilden denna av bild objektet virtuell skall eller bli skarp reell? på skärmen? b) Är c) denna d) På Är vilket bilden virtuell avstånd på skärmen eller s från reell? den eller negativa virtuell? linsen skall den positiva linsen placeras för att e) bilden Är bilden av objektet på skärmen skall rättvänd bli skarp eller på felvänd? skärmen? c) På d) vilket f) Är Rita avstånd bilden strålkonstruktion på s skärmen från den reell negativa för eller fallet virtuell? linsen med de skall båda den linserna. positiva linsen placeras för att bilden e) Är av bilden objektet på skärmen skall bli skarp rättvänd på eller skärmen? felvänd? f) Rita en strålkonstruktion för fallet med de båda linserna. 1 d) Är bilden på skärmen reell eller virtuell? e) Är bilden på skärmen rättvänd eller felvänd? 1 f) Rita en strålkonstruktion för fallet med de båda linserna. 1

2 dopas med Neodymium joner till en koncentration av 1, joner/cm 3 i vilka laserövergången sker. Lasring från Neodymium jonerna sker från en övre nivå med en livstid på FAFF s vid en vakuumvåglängd på 1064 nm. Degenerationsfaktorn (g) är densamma för den 3. undre Diskussionsuppgift. och den övre lasernivån i Neodymium jonerna och linjebredden för laserövergången är 126 Ändras GHz. förstoringen Brytningsindex om för man YAG använder vid 1064 en nm lupp är 1,8. under Antag vatten 50,1% istället av för Neodymium jonerna i luft? är exciterade Ökar eller minskar till den förstoringen? övre lasernivån. För varje rundtripp i kaviteten förloras en viss del av intensiteten, Motivera ditt dels svar. vid reflektion i ändspeglarna och dels genom interna förluster, så att intensitetsförändringen under en rundtripp är: 1 4. Bilden nedan visar intensitetsmönstret hos ljus som har passerat ett antal likadana spalter. Hur stora förluster,, kan man tillåta utan att lasringen upphör om YAG kristallens längd är 1 mm? a) Hur många spalter har belysts? 4. Bilden nedan visar intensitetsmönstret hos ljus som har passerat ett antal likadana spalter. b) Vilket är förhållandet mellan spaltavståndet och spaltbredden? Motivera! a) Hur många spalter har belysts? b) c) Vilket På vilket är förhållandet sätt påverkas mellan intensitetsmönstret spaltavståndet ovan och spaltbredden? om ytterligare Motivera! en likadan spalt belyses? c) På Motivera vilket sätt (t.ex. påverkas genom intensitetsmönstret att göra skiss ovan över det om nya ytterligare intensitetsmönstret likadan spalt i vilken belyses? det Motivera tydligt framgår (t.ex. genom hur mönstret att göra förändras)! en skiss över det nya intensitetsmönstret i vilken det tydligt framgår hur mönstret förändras)! 5. SPOT 5 är en av de satelliter som förser till exempel 5. GoogleEarth SPOT 5 är en TM av med de högupplösta satelliter som bilder förser av till jorden. exempel GoogleEarth TM Bilden med högupplösta till höger visar bilder en av bild jorden. av Aten Bilden tagen till höger med visar en bild av denna Paris tagen satellit. med SPOT denna 5 satellit. kretsar SPOT i en bana 5 kretsar 832 km i en bana 832 km över över jordytan jordytan och ett och av ett dess av avbildningssystem dess avbildningssystem kan på detta avstånd kan upplösa på föremål detta avstånd med storleken upplösa 10 m. föremål Satelliten med avbildar ett 120 km storleken brett stycke 10 av m. jorden Satelliten på en avbildar bildsensor ett 120 som km är brett 84 mm lång och bara stycke har en av rad jorden av bildelement på en bildsensor (pixlar). som är 84 mm lång och bara har en rad av bildelement (pixlar). a) Anta att avbildningen sker med en tunn lins och bestäm linsens brännvidd. b) Hur stor diameter måste den avbildande linsen minst ha om inte avbildningen ska a) begränsas Anta att av avbildningen diffraktion? sker Räkna med på en en tunn våglängd mitt i det synliga området. lins och bestäm linsens brännvidd. b) Hur stor diameter måste den avbildande linsen minst ha om inte avbildningen ska 6. Lasrar görs begränsas ofta med Brewsterfönster av diffraktion? Räkna så att på de en ger våglängd linjärpolariserat mitt i det ljus. synliga I ett området. fall faller laserljuset som har intensiteten I 0 = 0,2 W/m 2, vars polarisationsriktning är horisontell, in mot ett system av två polaroider (polarisationsfilter). Den första polaroiden har genomsläppsriktningen 45 medsols från horisontalplanet och för den 2 andra är genomsläppsriktningen vriden 60 medsols från horisontalplanet. Vad är ljusets intensitet efter genomgång av hela systemet? 2

3 FAFF FAFF Lasrar görs ofta med Brewsterfönster så att de ger linjärpolariserat ljus. I ett fall faller laserljuset som har intensiteten I 0 =0,2 W/m 2, vars polarisationsriktning är horisontell, in mot ett system av 7. En två glasögonlins polaroider är tillverkad (polarisationsfilter). av plast med Den brytningsindex första polaroiden n plast = 1,74. har genomsläppsriktningen Linsen skall 45 antireflexbehandlas medsols från horisontalplanet för våglängden och λ för = 550 den nm andra och är du genomsläppsriktningen väljer att använda ett dielektriskt vriden 60 medsols material från horisontalplanet. med brytningsindex Vad n är = ljusets 1,34. intensitet efter genomgång av hela systemet? 7. En a) Vilken glasögonlins är den fysikaliska är tillverkad förklaringen av plast till med att linser brytningsindex med högt brytningsindex n plast =1,74. alltid Linsen bör skall antireflexbehandlas? för våglängden =550 nm och du väljer att använda ett dielektriskt material med brytningsindex n=1,34. b) Beräkna a) Vilken den minsta är den skikttjocklek fysikaliska förklaringen som kan användas till att linser som med antireflexbehandling högt brytningsindex för alltid bör normalt antireflexbehandlas? infallande ljus. Du behöver bara ta hänsyn till en reflex i vardera ytan. Rita en figur b) och Beräkna markera den eventuella minsta skikttjocklek fasförskjutningar. som kan användas som antireflexbehandling för normalt infallande ljus. Du behöver bara ta hänsyn till en reflex i vardera ytan. Rita c) Beräkna en hur figur stor och del markera av den eventuella inkommande fasförskjutningar. intensiteten som reflekteras. c) Beräkna hur stor del av den inkommande intensiteten som reflekteras Du Du vill vill använda använda en en lins lins med med en brännvidd en brännvidd f =10 f=10 cm cm till till att att koppla koppla in in laserljus laserljus med med våglängden våglängden nm nm i en i fiber en fiber enligt enligt bilden bilden nedan. nedan. Vid Vid den den aktuella aktuella våglängden våglängden är brytningsindex är brytningsindex 1,444 1,444 för för materialet materialet i fiberns i fiberns kärna kärna och 1,441 och 1,441 för materialet för materialet i fiberns i fiberns mantel. mantel. Linsen Linsen placeras placeras så att så att laserljuset laserljuset fokuseras fokuseras på fiberänden på fiberänden och och till till din din hjälp hjälp har har du du en en bländare bländare med med diameter diameter D till D till att att begränsa begränsa laserstrålens laserstrålens storlek storlek på linsen. på linsen. a) Vilken a) är Vilken den är största den största bländaröppning bländaröppning D du kan D du använda kan använda så att så det att ljus det som ljus kopplas som kopplas in i fiberänden in i fiberänden propagerar propagerar i fiberns kärna i fiberns och kärna inte läcker och inte ut läcker till fiberns ut till mantel? fiberns mantel? b) För att allt ljus skall kopplas in i fibern gäller det att storleken på laserstrålen i b) För att linsens allt ljus fokus skall kopplas är mindre in än i fibern kärnans gäller diameter. det att Om storleken du använder på laserstrålen den bländaröppning i linsens fokus är du mindre bestämde än kärnans i uppgift diameter. a), vilken Om är den du använder minsta diameter den bländaröppning fiberns kärna kan du ha så att bestämde hela i uppgift centralmaximat a), vilken i är diffraktionsmönstret den minsta diameter faller fiberns inom kärna fiberns kan kärna? ha så att Har hela du inte centralmaximat fått något i diffraktionsmönstret resultat i uppgift a) kan faller du räkna inom med fiberns D=1 kärna? cm. Har du inte fått något resultat i uppgift a) kan du räkna med D=1 cm. 3 3

4

5

6

7

8

9

10

11