תירגול – מבוא לאלקטרואופטיקה
Transcription
תירגול – מבוא לאלקטרואופטיקה
מבוא לאלקטרואופטיקה – תירגול מתרגל :אסף שחמון. מייל[email protected] : ספרים מומלצים: Hecet .1 photonic .2 .forier optics/Goodman .3 |1 תירגול מבוא לאלקטרואופטיקה -סיכום ועריכה מאת שי ידרמן תירגול :1 השיעור נדבר על חוק סנל. מגדירים את מקדם השבירה כהָיחס בין מהירות האור בריק לבין מהירות האור בחומר: c vp .n חוק סנל מדבר על היחס בין הסינוסים של זוויות השבירה ומקדמי השבירה של החומרים. איור -1תיאור הגדלים של חוק סנל חוק סנל. n1 sin 1 n 2 sin 2 : זווית קריטית: בתהליך שקורה במעבר אלומת אור מתווך צפוף לדליל , n1 n 2 :נגדיר 2 90 :ונקבל: n2 n1 . sin c המשמעות היא שמעבר לזווית cנקבל החזרה גמורה. שאלה: נתון סיב אופטי מסוג Step index :כמתואר באיור הסמוך: הסיב בנוי משכבה מרכזית ) (coreהמצופה בשכבה נוספת ).(cladding מקדם השבירה של הליבה ) (N1גדול משל השכבה המצפה כפי שניתן לראות. נזריק אלומת אור לליבה של הסיב. כאשר נעשה חתך באמצע הסיב נקבל את המתואר באיור .3 איור -2תיאור ליבה של סיב .Step index מהי הזווית המקסימלית mעבורה האור שנכנס יישאר בסיב? כדי למצוא את הזווית הנ"ל נדרוש כי בפגיעה הראשונה הזווית פגיעה תהיה שווה ל c -כמתואר באיור הסמוך (:)3 נקבל את המשוואה הראשונה בכניסה לסיב: . n 0 sin m n co sin t cladding המשוואה השנייה תהיה בהתנגשות בתוך הסיב: core n cl n co n cl c t . n co sin c n cl sin 90 sin c n0 n co cladding מהגיאומטריה ניתן לקבל את הקשר: c 2 t וכאשר נציב נקבל: n 2 sin c n co cos c n co 1 sin c n co 1 cl2 n co 2 איור -3תיאור חתך ליבה ואלומות האור. 2 n co n cl 2 2 n 0 sin m n co sin t n co ניקח מקרה שבו n cl 1.45 , n co 1.5 :ונקבל. n 0 sin m n co2 n cl2 0.38 : מקובל להתייחס ל n 0 1 -ולכן sin m 0.38 :ויש לנו את הזווית . m |2 תירגול מבוא לאלקטרואופטיקה -סיכום ועריכה מאת שי ידרמן m שאלה – עומק מדומה: נתבונן בגוף הנמצא בתווך אחר .אנו רוצים למצוא את העומק המדומה ' . h מחוק סנל נקבל. n 2 sin n1 sin : נעזר בקצת מתמטיקה בסיסית: x , tan h x ' n1 tan נקבל. h ' tan h tan : h נניח זוויות קטנות ואז tan sin :ונוכל לכתוב. h ' sin h sin : נחלק משוואות ונקבל: n1 h h ' n1 n2 n2 h ' ' h n2 h n 2 sin n1 sin .: h sin h sin ' h x איור -4תיאור המקרה של השאלה. כעת נניח כי n 2 1.5 :ויש לנו מטבע בקרקעית .אם גובה הבריכה הוא מטר אז באיזה גובה המטבע יראה? נציב בביטוי שקיבלנו: m 2 1 1 3 . h' 1 .5 n0 1 כעת נוסיף שכבה נוספת של נוזל עם n1לא ידוע לגבוה של 20ס"מ כמתואר באיור :5 הגוף נראה בגובה של 37ס"מ מהקרקעית ויש למצוא את . n1 h2 ממה שקיבלנו מקודם נוכל לרשום: n1 2 3 1 n1 1 .5 . h1 לכן נקבל: h1 0.2 n1 n2 h1 נשים לב כי בשלב הבא ה"-גובה" החדש של הבריכה הוא. h1 0.2 m : n0 ? n1 0 .2 m 1m . h2 מהנתון של 37ס"מ אנו יודעים כי. h2 1.2 0.37 0.93 m : נציב ונקבל בסוף. n1 1.22 : איור -5תיאור המקרה שבו קיים נוזל נוסף. תירגול :2 הוכחה לחוק סנל: נניח שיש לנו איזשהו טווח המחולק ל n1 -ו n 2 -ונניח. n 2 n1 : יש לנו את חזית הגל אשר מאונכת לקרן הפוגעת והמרחק בין משטחים שווי אנרגיה. 1 : 1 C מההנחה n 2 n1 :נקבל גם . 2 1 :נקרב את החלק של מישור הפגיעה. מהגיאומטריה ניתן לקבל: 0 n1 נחלק משוואות ונקבל: n2 n1 1 A B sin 1 ו- sin 1 sin 2 0 n2 . 2 A B sin 2 או. n1 sin 1 n 2 sin 2 : 1 1 A 2 B 2 D איור -6גיאומטריה של הוכחת חוק סנל. דיספרסיה כרומטית: נדון במקרה שבו מקדם השבירה הוא פונקציה של אורך הגל . n בתחום זה נראה שככל שאורך הגל קצר יותר ה n -גדול יותר. בעמוד הקודם דּנו על החזרה פנימית .כשאנו מסתכלים לטווח מסוים אנו יכולים לראות תחום מסוים של גלים המגיע לעין שלנו ,מעבר לתחום זה נקבל החזרה. |3 תירגול מבוא לאלקטרואופטיקה -סיכום ועריכה מאת שי ידרמן איור -7תיאור מצב בו מקדם השבירה תלוי באורך הגל והתוצאה היא שבירה של צבעים שונים. שאלה: נתון מקור אור נקודתי המונח בקרקעית בריכה כמתואר באיור. מהו רדיוס המעגל של הפנס על פני . n 2 R n3 1 0 .4 m n 1.5 2 פתרון: c נדרוש החזרה פנימית מלאה בין n 2ל. n 2 sin c n 3 : n 3 - נקבל. c 0.729 rad : מגיאומטריה בסיסית נקבל. R1 0.4 tan c 0.35 m : נמשיך עם חוק סנל. n1 sin n 2 sin c 0.848 : מגיאומטריה נקבל פעם נוספת. R 2 0.4 tan 0.45 m : לכן הרדיוס של המעגל הוא. R R1 R 2 0.8 m : R1 R2 4 3 n1 0 .4 m איור -8תיאור השאלה. שאלה: יש לנו קרן שמש הנכנסת בזווית ונשברת בזווית ' :כמתואר. מהגיאומטריה נקבל. ' 2 4 ' : ע"י השלמת זוויות נקבל. 2 2 4 ' 2 : ' ' כאשר היא הזווית בין הקרן שפוגעת (השמש) לבין הקרן היוצאת. ' ' הקרן יכולה להגיע או בזווית של אפס מעלות לנורמל או ב 90-מעלות. נמצא נקודת קיצון לפונקציה: d 0 d ונקבל: ' d 2 המשוואה השנייה שתקשר בין ' , היא חוק סנל: נגזור לפי ונקבל: 1 sin ' co s d n co s ' d 1 sin 2 נבצע: n sin 2 2 2 ' d d ' n 1 sin 2 2 1 sin cos ' n cos 2 נציב חזרה במשוואה הראשונה ונקבל 2 : עבור צבע אדום: עבור צבע כחול: 4 n sin 2 2 איור -9תיאור השאלה. ' . co s n co s 2 ' n n sin 2 d d d ' . 1 sin n sin 1 sin 2 4 ' 2 4ובסוף: 4n ' d d .מכיוון ש. sin n sin ' : . sin 2 3 n ולכן 5 9 .5 8 ' 4 0 .4 2 :ואז. 42 : 3 n 1.343 ולכן 59.83 ' 39.57 :ואז. 4 0 .6 : קרן שניונית: איור -10איור מגניב מגוגל שמתאר בדיוק את המצב האמור בסמוך. קרן שניונית היא "עוד קשת" שנוצרת כתוצאה משתי החזרות שבתוך הטיפה. ברמת העיקרון ישנן קרניים נוספות אלא שאנו לא רואים אותן בגלל העוצמה הקטנה שלהן. נחשב פעם נוספת את זווית היציאה כאשר :היא הזווית בין הקרן שפוגעת ולבין הקרן היוצאת. מהגיאומטריה ניתן לקבל . 2 6 ' 2 :נבצע את אותו התהליך: עבור צבע אדום: עבור צבע כחול: |4 4 n ואז. 50.89 : 3 n 1.343 ואז. 53.47 : תירגול מבוא לאלקטרואופטיקה -סיכום ועריכה מאת שי ידרמן 0 d d 2 ונקבל: 9n 8 . sin 2 תירגול :3 מקדמי פרנל וסוגי קיטובים: יש לנו שני קיטובים ,קיטוב אנכי וקיטוב מקביל (למישור הפגיעה) מתייחסים בטרמיניאולוגיה לשדה החשמלי. מגדירים את מקדמי ההחזרה וההעברה: pr 2 pt R ו- pi pi 2 n1 cos t t n cos 2 i . מקרים פרטיים: .1עבור i 0 :נקבל t 0 :ואז: n 2 n1 n 2 n1 . r , p עבור n 2 1.5 , n1 1 :נקבל 0.2 :ו . R 0.04 -ז"א 96%מהאור עובר מזכוכית לאוויר. 2בקיטוב מקבילי , i t 0.5 :נקבל - 0 :אין גל מוחזר. במקרה זה ראינו כי זווית ברוסטר היא: n2 n1 . n1 sin B n 2 sin t n 2 cos t B arctan שאלה :1 א .נקבל ישירות. B arctan 1.5 56.3 : עפ"י סנל( sin B 1.5 sin t t 33.6 :וזה גם מתקבל מהשלמה לזווית ישרה). נציב את הזוויות במקדמים שבדף העזר ונקבל: 8 13 , t 2 3 - t יחסי השדות ,וכן - 1 , 0.85 :במובנים של הספקים. קיבלנו כי בקיטוב המקבילי 15%חוזר ו 85%-עובר. ב .ב 5 -לוחות ,לכל לוח יש 2פאות וראינו כי - 0.85 0.726 :עבור לוח בודד .ואז 0.726 0.201 :לכולם. 5 2 שאלה :2 נפתח בהסבר קצר על חוק מאלוס: כאשר אלומת אור עוברת דרך מקטב ,נטיל את האלומה לפי זווית המקטב ונמצא את עוצמת האור העוברת. מקרה פרטי הוא כאשר מדובר באלומה לא מקוטבת (שזה מקוטבת בכל הכיוונים) ואז תמיד נקבל כי עובר חצי מעוצמת האור. אצלנו אכן מדובר באלומת אור לא מקוטבת ולכן: I0 1 2 . I 1 אנו מקוטבים כעת ב1 5 - למישור הפגיעה (נתון). נרצה להשתמש בפרנל כדי לדעת את המקדמים ולכן נבצע I 1 50W E 50 :בזווית של 1 5 -למישור הפגיעה. נפרק את השדה לרכיב מקביל ואנכי. E p , E cos 15 6.8 V / m , E S , E sin 15 1.8 V / m : נצטרך גם לדעת את tוזאת נעשה עם חוק סנל. 1 sin 45 1.6 sin t t 26.22 : נקבל 0.34 : sin i t sin i t 0.115 , S , tan i t tan i t . p , השדות עבור הקרן המוחזרת הם. E r , p E p p 6.8 0.115 0.782 V / m , E r , S E S S 1.8 0.34 0.612 V / m : זווית הקיטוב: 38 0 .6 1 2 0 .7 8 2 . tan כדי לדעת את העוצמה. I 2 E r2, S E r2, p 0.98 : בסוף נקבל את העוצמה מחוץ למקטב :קיטוב מקבילי I 3 I 2 cos 2 I 2 cos 2 38 :אנכי. I 3 I 2 sin 2 I 2 sin 2 3 8 : |5 תירגול מבוא לאלקטרואופטיקה -סיכום ועריכה מאת שי ידרמן תירגול :4 מהודים :interferometer - הרעיון מתואר באיור הסמוך ,כאשר יש לנו שכבה בעובי. l : יש לנו קרן שנכנסת לשכבה וחוזרת הרבה פעמים ,חלק מהקרניים יוצאות וחלק מוחזרות. B2 B3 B1 'n ' A n l C 'n A2 A3 נקבל את הנוסחא: / 2 / 2 2 2 הנוסחה השנייה: היחס: It / 2 2 2 4 R sin 4 R sin 2 1 R 1 R 2 4 R sin הוא מקסימלי כאשר: 1 R A1 Ir כאשר :הוא הפרש העוצמה בין מישורי שווי פאזה. Ii It .נקבל בכללי: 1 Ii Ir Ii Ii הערך המירבי של It הוא: 1 Ii ואז מקבלים: .היחס: Ii v m 1 / 2 It Ii .הנוסחה למציאת היא: Ii , כאשר נציב בביטוי ל -נקבל: 2 m It It 4 nl cos m v 2 n co s v . .l הוא מינימלי כאשר. / 2 m 1 / 2 sin 2 / 2 1 : . l m in 2 n cos It Ii במונחים של תדר נקבל את הגרף הבא: c נזכור כי : mc ולכן: 2 n l co s המחזור המקובל לסימון הוא: m c 2 nl cos -התדר בו מתקיימת העברה מקסימלית. מגדירים גם: |6 R 1 R 1/ 2 1/ 2 . F SR m 1 m מגדירים גם מידה נוספת והיא מחצית מרוחב הפס: F SR 1 R F כאשר: F SR R 1 2 It Ii 1 1 R R c 1 2 nl cos 1 2 m 2 m 2 m 1 2 m 1 . F W H M 1/ 2 קשור ל 1/ 2 -והוא קובע עד כמה ה"-פיקים" חדים. תירגול מבוא לאלקטרואופטיקה -סיכום ועריכה מאת שי ידרמן m שאלה :1 על פלטת זכוכית מפזרים שכבה דקה בעלת מקדם שבירה . n 1 .3 6 מאירים את הפיסה באור לבן ב 0 -ההחזר הינו ירוק בלבד . 500 nm מהו עובי הפיסה. פתרון: חישבנו את lשבו יש העברה מקסימלית ומינימאלית – אותנו מעניינת העברה מינימלית. 9 1 / 2 לכן נוכל לחבר את המשוואה 9.2 m : 500 10 2 1.36 v m 1 / 2 2 n cos . l m in שאלה :2 תכנן מהוד פברי-פרו (שתי מראות ובניהם תווך בעל מקדם ) nכך שיסנן ערוץ בודד WDMשל תקשורת אופטית באורך גל של , 1 5 5 0 n mרוחב סרט 0 .0 8 n m :כאשר תחום העבודה הספקטראלי הוא . 1 0 0 n m מצא את המרחק בין המראות ואת הרפלקטיביות .כמו כן דורשים שערוץ WDMהשכן הנמצא במרחק 0 .8 n mיהיה מונחת פי .10000 פתרון: יש לנו את הנתונים בצורה הבאה: c היות והמשוואות הן באורכי גל ואותנו מעניין תדר נעבור לפי: 9 נקבל: 1.248 10 H z 13 8 וכן 8.01 m : 13 3 10 100 10 c 8 2 1550 10 9 3 10 2 1.5 1.248 10 הרוחב של כל פיק הוא 9.98 10 H z : 7 1 R עכשיו נעבור לחדות של הפיק. כעת/ 2 0.99 : |7 2 sin 1 10000 c 2 nl 8 12500 / 2 1550 10 2 . FSR 3 10 0.08 10 9 . F SR l 2 n FSR 9 הרפלקטיביות היא R 0.997 : 2 c R 2 c לפי גזירה. 2 1/ 2 6 9 1550 0.8 10 2 4 nl 2 . 1/ 2 .F 1 R 4 R sin 4 1.5 8.01 10 c 1/ 2 1 R It Ii . קיבלנו תנאי שהוא הרבה יותר מחמיר מכיוון תירגול מבוא לאלקטרואופטיקה -סיכום ועריכה מאת שי ידרמן ש. R 0 .9 8 - :5 תירגול . r n r n r s s :משוואת האקונל x :1 שאלה n0 . n z az b :לפי in d :נתון הסיב הבא -מקדם השבירה משתנה עד ל . n z d 2 :מקדם השבירה הוא 0 tan B tan in z d 10 m n2 n z 0 n1 לאחר d : נכנסים בזווית ברוסטר ולכן.א n1 . n z 0 3 b : ולכן ניתן למצוא B 60 :נתון . a 10 b 2 a S x 2 3 : נדרוש רציפות של מקדם השבירהa כדי למצוא את 10 : נמצא את מסלול הקרן בסיב.ב z . sin z . x n z 0 S S :ואז n x x S , co s 0 :מקבלים z S , tan x z n 0 sin 0 n z n 0 sin 0 2 z xz 0 . n 0 sin 0 a : ונקבל. sin nz 2 n 0 sin 0 : נציב. tan z n z n 0 sin 0 2 n 0 sin 0 2 dz n 0 sin 0 0 az b az b 2 n sin 2 0 0 ln 2 2 b b n 0 sin 0 x dz n z n 0 sin 0 2 x S sin z :נקבל z במשוואה הקרטזית הראשונה . n z sin n 0 sin 0 : או. n z . x co n st. -ש 1 sin 2 ז"א :כעת נכתוב 2 :לכן . n 0 sin 0 n z d sin out 1 sin 60 2 sin out out 25.67 : in : נעשה חוק סנל עם.ג :2 שאלה x n nc . n 2 n c2 1 2 x 2 :כעת 0 . x ביחס לציר 0 והזוויתz היא ביחס לציר 0 הזווית :נקבל את המשולש הבא 0 z . xz x z 0 cos 0 S . z x tan 0 z sin 0 z sin sin sin 0 cos 0 sin 0 1 sin 0 :ז"א 2 :לאחר שנפתור ונציב נקבל : כיוון ההתקדמות של הקרן בתוך הסיב הוא. 0 90 0 :כאשר סיכום ועריכה מאת שי ידרמן- תירגול מבוא לאלקטרואופטיקה |8 תירגול :6 להלן מתוארות המידות המקובלות: כאשר .O-Object I-Image :ו R1 -רדיוס העקמומיות .הנוסחא: n 2 n1 R1 n2 v n1 v I . u u n2 O n1 כאשר R1 :מקבל נוסחה של עומק מדומה (עיין עמוד .)3 במקרה השני נקבל: n2 n n n1 R2 עבור n 2 n1 1 :נקבל: n2 R1 1 1 f n1 v 1 v . 2 u n2 1 n כאשר: R R2 u n 1 R1 1 1 R n1 n . f סימנים: מניחים שהקרן מגיעה משמאל לימין תמיד. מבחינת הרדיוסים R1 0 :במצב R1 0 . ( :במצב . ) :הרדיוס חיובי כאשר העדשה קמורה ביחס לקרן הפוגעת ושלילי אחרת. עבור : uאם הוא משמאל למשטח אז הוא חיובי ושלילי אם הוא מימין. u v . למשטח עבור : vאם הוא מימין למשטח אז הוא חיובי ושלילי אם הוא משמאל ימין - + שמאל + - עדשה נקראת מרכזת אם מרכזה עבה יותר מקצותיה ומפזרת אחרת: מרכזת מפזרת שאלת חימום: יש לנו 2דשות בעלות אורך מוקד של 20ס"מ ונמצאות במרחק של מטר אחד אחת מהשנייה. עצם נמצא במרחק 60ס"מ משמאל לעדשה. מצא את מיקום הדמות. f 20 פתרון: אנו יודעים ש- 70 1 f עדשה שמאלית: עדשה ימנית: f 20 1 1 v u 2 u . נפתור בסופרפוזיציה עבור כל עדשה. v1 30 cm v 2 28 cm 1 20 1 20 1 60 1 70 1 v1 1 v1 3 0 .מנתון המרחק אנו יודעים. v1 30 cm u 2 70 cm : .מש"ל .ההגדלה הכללית היא: v2 v1 v 2 u2 u1 .MT M1 M 2 טלסקופ: u L יש לנו גוף מרוחק מאוד ואני רוצים לראות מה קורה לדמות בסופו של דבר. נסרטט קרן אחת (סגול) ונקבל דמות שנמצאת בתחום. 2 f ob u1 : מכאן מקבלים כי . f ob v1 2 f ob :בשלב השני מכיוון ש u 2 f oc -נקבל v 2מדומה. אנו יודעים v1 u 2 L :וכן: u1 6 0 1 f ob 1 v1 1 u1 ו- 1 f oc 1 v2 1 . 1 0 u 1 ' i H ob v f 2 v u oc f 0 i H H u2 כשמתכננים טלסקופ יש לדאוג ש v 2 -יהיה גדול ממרחק הראייה המינימלי ,אחרת לא נראה אותו בבירור (מדובר על 25ס"מ). לא איכפת לנו ש u 2 -יהיה קטן מ 25-ס"מ כל עוד התנאי שלנו מתקיים. |9 תירגול מבוא לאלקטרואופטיקה -סיכום ועריכה מאת שי ידרמן v v כאשר נסתכל על ההגדלה הקווית 2 1 : H u 2 u1 ' Hi Hi ' i Ho Hi Ho .MT ' i נגדיר זוויות 0 , uכמתואר באיור .ההגדלה הזוויתית היאM T : u v2 v1 H u2 ' i u2 H 0 u . M P hase M P v1 (קיצורים.)ob=object oc=ocular u=unable : שאלה: נתון טלסקופ אשר מסתכלים על עצם של 1ק"מ .נרצה . v 2 25 cm :אורך הטלסקופ הוא . l 55 cm נדרשת הגדלה . M P 10מצא את. v1 , u 2 , f ob . f oc : פתרון: נכתוב את הנוסחאות, v1 u 2 0.55 : 1 1 f ob v1 1 1000 , 1 f oc 1 0.25 1 v1 , u2 . 10 u2 נקבל את המידות הבאות. f ob 0.499 m , f oc 0.0625 m , u 2 0.05 m : כעת M T 2.5 10 3 :ז"א קיבלנו משהו קטן. תירגול :7 מטריצת :ABCD מטריצה המאפשרת מעקב אחר זוג קרניים בכל מיני מצבים. בתווך הומוגני: d 1 1 כאשר dהוא המרחק האופקי של השטח החופשי. 0 במעבר בין שני תווכים המטריצה היא: תמיד מתקיים: n 'n n / n ' 0 1 . בעדשה דקה: 0 1 . 1 f 0 1 במשטח כדורי: 1 . n ' n n'R 0 n n ' . d et A B C D דוגמא: n 1 נתונה המערכת הבאה: נמצא את המטריצה ABCDהמתאימה למערכת. n d ראינו בהרצאה כי מערכות משורשרות עם M iנותנות הגדלה של. M T M i : i נקבל. M M 1 M 2 M 3 M 4 M 5 M 6 M 7 M inter M f . s M R M f . s M R M f . s M inter : כאשר :תווך .f.s=free space , inter – interface -נכתוב לפי המטריצות: 1 0 1 n | 10 0 1 n 0 2 1 1 n 1 -R 0 1 1 0 n n פתרון: 1 d 1 0 n 1 n 1 1 d n 1 1 nR 01 n0 תירגול מבוא לאלקטרואופטיקה -סיכום ועריכה מאת שי ידרמן 1 .M 0 7 M 6 M 2 5 M R 1 4 M d R 3 M 2 M 1 M הערת אגב: אם 0 :נקבל שהמטריצות: ז"א: 0 1 0 1 2 n 1 n nR לכן ניתן לקבל: nR 2 n 1 0 n 1 1 n 1 -R 0 1 1 1 n n -R f 2 n 1 0 1 1 0 n 1 . n 1 nR nR 1 1 n 1 nR מתקזזות למטריצת יחידה. התוצאה דומה למטריצה של עדשה דקה. . f קיבלנו מרחק מוקד חיובי בעדשה מפזרת בסתירה למה שאמרנו בתירגול קודם. הפתרון הוא שמקדמי השבירה כאן שונים ובתוך ה"-מראה" השקולה הנ"ל מקדם השבירה קטן יותר מאשר "בחוץ" ואז למעשה תפקיד העדשות מתחלף. המטריצה הכללית יוצאת: d d 2 n f d 1 f d 1 f .M n f בתירגול הבא נדבר על התכונות של מטריצה של מערכת. נמשיך את הדוגמא ונוסיף סעיפים בתירגול הבא: תירגול :8 נמשיך את התרגיל הקודם ונדבר על מישורים עיקריים. מישורים עיקריים הם שני מישורים בנמצאים במרחקים ' l , lמהמערכת שמאופיינית ע"י מטריצת ABCDוהמאפיין שלהם הוא שיש בניהם יחס הדמאה ויחס ההגדלה הוא .1 כדי למצוא את המישורים נבצע: B ' D ' ' l ' A ' 1 C B 1 D 0 l A 1 C 1 B D 'l . 0 שתי המטריצות שבקצוות הן של .Free Space D נדרוש B ' 0 :ו A ' 1 -וכן נוכל למצוא את מרחקי המישורים: C l A C n ' l nו- 1 A C .l ' n הגדלים ' l , lמוגדרים בחיוביים מחוץ למערכת .בד"כ מגדירים את h , hבאופן הבאn ' : 1 2 D , h1 l C 1 A C . h2 l ' (הגדלים הם חיובים h1 , h 2ימינה). h 2 כעת נמצא את המישורים העיקריים: נקבל: d 1 1 f d , h1 n n f d 1 1 f d . h2 n n f באיור הסמוך ,החצים השחורים מתארים את הכיוון החיובי של כל גודל. | 11 h 1 תירגול מבוא לאלקטרואופטיקה -סיכום ועריכה מאת שי ידרמן h2 l ' h1 l המשך הדוגמא: עצם נמצא במרחק lמשמאל למישור הכניסה .מהו המרחק lשבו יש להציב את העצם על מנת לקבל דמות ממשית? נתון כי. n 1.5 , d 0.25 m , R 1m : פתרון: l A l ' C Al B l ' C l D נחבר את מכפלת המטריצות הבאה : 1 C Cl D כדי לקבל דמות (המערכת צריכה להיות הדמאתית) נדרוש. B ' 0 : נקבל Al B l ' C l D 0 :או: Al B Cl D l ' ונדרוש: 275 9 5 6 עבור n 1.5 , d 0.25 m , R 1m :נקבל: B 1 D 0 1 l ' A 1 C . 0 Al B 0 Cl D . 5 .M 6 1 100 1 ואז. l 8 3 cm : 3 שאלה מבחינה: עצם ממוקם על גבי ציר אופטי הראשי במרחק 40ס"מ לפני עדשה מפזרת .מראה קעורה בעלת רדיוס של 50ס"מ ממוקמת במרחק של 40ס"מ מאחורי העדשה .תמונת העצם והדמות מתלכדות אך תמונת הדמות הפוכה. א .חשב את מטריצת ABCDבין הכניסה ליציאה. ב .מהו המקוד של העדשה? d -v v ג .מצא מישורים עיקריים. 2 2 2 u 1 v 1 u פתרון: 40 cm א .המטריצה תהיה. M T M m irror M F . S M R M F . S M m irror : זה כך מכיוון שמישור הכניסה הוא גם מישור היציאה כמתואר. כאשר כותבים את המטריצה יש ללכת אחורנית. 16 0.6 f נקבל: ב .לפי נוסחת מלטשי העדשות: 1 f וגם: 1 f 1 40 ג .נציב בנוסחאות: | 12 R 50 cm 40 40 0.6 1 f f 40 40 1 40 1 1 0.6 1 1 f f f f 25 f 16 1 40 v 2 10 1 v 1 נקבל: u 1 f 1 v1 1 40 1 ו- 25 2 R ABCD .MT 1 f m irror 1 v2 .נקבל בסוף. v 2 50 cm , v1 10 cm , f 13.3 cm : 1 D C h1 ו 1 0 - 1 A C 40 cm . h2 תירגול מבוא לאלקטרואופטיקה -סיכום ועריכה מאת שי ידרמן 1 40 v1 . תירגול :9 מערכות מחזוריות: אנו עוסקים במערכת אופטית המורכבת ממספר תאי יחידה. מגדירים כל תא יחידה ע"י מטריצה .ABCD נכנס למטריצה: B y m , m D B ... D A C A C B y1 , 1 D A . y, C 0 0 m Ay m B m y A B y0 y . m 1 m או: מכיוון שכל המטריצות זהות ניתן לכתוב : m C D 0 m 1 C y m D m y A y m 1 y Aym . m 1 m 2 , m m 1נקדם ב:1- נבודד מהמשוואה הראשונה: B B y m 2 A y m 1 Aym y C y m D m C y m D m 1 נשווה למשוואה השנייה : B B AD . y m 2 2נגדיר A D B C : נאחד ונקבלy m 1 A D B C y m : 2 2 F . m 1 , d et M AD 2 .b נקבל כעת . y m 2 2 by m 1 F 2 y m :קיבלנו כי y mתלוי בשני ערכיו הקודמים ללא תלות בזווית. ננחש פתרון מהצורה , y m y 0 h m :נציב ונקבל y 0 h m 2 2 by 0 h m 1 F 2 y 0 h m :או( h 2 2 bh F 2 0 :משוואה ריבועית). הפתרון הוא . h b j F 2 b 2 :נגדיר משתנה עזר: b b F cos F . arccos כעת הפתרון הוא . h F cos j sin F e j :נציב זאת חזרה בניחוש. y m y 0 h m y 0 F m e j : נפתח להרמוניות ונקבל בסוף. y m y m ax F m sin m 0 : בעיקרון כשנרשום עבור תאי יחידה נתחיל ממקום אחד ונסיים במקום אחר .ראינו כי: n1 n2 det M ולכן 1 : det M כי יוצאים וחוזרים לאותו התווך (מדובר בד"כ האוסף עדשות ולכן קרן מגיע מהאוויר וחוזרת אליו וכו'). על מנת לקבל פתרון הרמוני נדרוש :ממשי: בגלל הקוסינוס נדרוש :-1 1 AD b arccos b F . arccos .b 2 כדי שמסלול יהיה מחזורי צריך להתקיים y m s y m :ולכן. S 2 q : הפונקציה מחזורית אם קיים מספר שלם S כך ש- q S 2 ( q S צריך להיות ספר רציונאלי כלשהו). שאלה: נתונה מערכת עדשות: נתחיל לנתחM M lence M F . S : d 1 F d נקבל: התנאי הוא: 1 1 d 1 1 f AD 2 .לכן: d 0 1 1 0 1 d 1 .M 1 f b 1 או: d 4F .0 2F עבור תנאי זה המערכת תהיה יציבה (קרן הנכנסת לא תתבדר ביציאה). | 13 תירגול מבוא לאלקטרואופטיקה -סיכום ועריכה מאת שי ידרמן d d d כאשר: d 2F נבדוק מחזוריות: נקבל: q 2 1 S . arcco s b arcco s 0 0 .5 2 4 2 -המערכת מחזורית כל 4תאי יחידה. תיאור ציורי של מערכת 4מחזורים להמחשת המחזור: עבור נקבל: d F 1 ולכן: 3 6 2 -מחזורי ב 6-תאי יחידה. F F F F שאלה: R 0 יש לנו שתי מראות כמתואר: 1 2d 2 1 R d4 1 R 2d נקבל: נבדוק יציבות: 1 d R 0 1 10 AD 1 2 R . M M R M F . S M R M F . S M R .2 d M F . S .2 d . d 2 עבור 2סיבובים נקבל: R 2d את: R 1 1 . M 2כעת: R 0 1 1 0 2 - Mהקרן התהפכה גם בזווית וגם בסיבוב. תירגול :10 קרן גאוסית: קרן גאוסית מתארת בצורה טובה יותר את ההתפלגות של כל גל בתוך חומר. ˆy 0 הפרמטרים של קרן גאוסית הם: 0.5 2 z 0 1 2 0 w0 0.5 2 z - z 0 1 z R 2w z מרחק ריילי: רדיוס העקמומיות: זווית הפתיחה: B ˆz z=0 רוחב הקרן. ככל שנתרחק נקבל במישור xy מעגל מפולג עם פילוג גאוסי 2 ˆx 2w . z0 2 2 02 z0 . R z z 1 z 1 z z 0 z z . 0 ניתן לראות כי יש Trade-offבין . 0 , 0ככל ש 0 -גדול יותר כך 0קטנה יותר אך z גדול ככל שמתרחקים מהראשית. שאלה :1 נתבונן ב ִמ ְפתָח של מצלמה: המטרה היא לקבוע את גודלו המינימלי של החריר כך שבמרחק 0 d יתקבל כתם מינימלי. d | 14 תירגול מבוא לאלקטרואופטיקה -סיכום ועריכה מאת שי ידרמן 2 2 עלינו לגזור את הביטוי: z 1 2 0 ( . z 0נעלה בריבוע לפני הגזירה כי זה לא משנה את נקודת הקיצון). נקבל: 2 2z2 2 2 z 2 2 0 3 0 2 2 2 0 0 נאפס: 2 2 z 2 0 0 3 2 0 z 2 z d 1 2 0 d 0 . 2 0 עבור: d המפתח צריך להיות: z d נקבל: 02 d0 d d d z 2 d0 . .0 . 2 0 2 מעבר של גל גאוסי במטריצת :ABCD נגדיר פרמטר מרוכב q z שמכיל בתוכו את כל הפרמטרים של האלומה. ה q z -מוגדר להיות: i z 2 w 1 R z 1 qz הפרמטר q z לאחר מעבר במטריצת ABCDהוא: d 1 למשל בF.S- . Aq B Cq D A B 1 / q . q ' בד"כ נוח להסתכל על הביטוי: C D 1 / q .q ' 1 מקבלים. q ' q d : 0 שאלה :2 z , R z אלומת גאוסית יוצאת ממותניה במרחק fמהעדשה ופוגעת בעדשה. חשב את רוחב האלומה ורדיוס העקמומיות במרחק dמהעדשה. 2 פתרון: נקבל: d d 1 f f 1 1 f f 0 נעזר בפישוט שהּוכח בהרצאה: נשארנו עם: i 0 1 2 1 qz d 1 1 1 / f 01 10 i z 2 w i 2 2 1 R2 z 1 R z 1 0 1 qz F .S M f lens f . M M F .S M .בגלל שהאלומה נמצאת במותניה אז 0 : 1 R z . .כאשר 01 :הוא רוחב הקרן לפני העדשה. 1 נדרוש: R 1 R f i d 1 f 2 f 01 1 q ' z .כאשר חיברנו את הגודל 1 q ' z מהנוסחה: A B 1 / q C D 1 / q q' המתייחסת למעבר במטריצת .ABCDמעצם הדרישה אנו נמצא את הפרמטרים הרלוונטים למרחק של האלומה ביציאה מהמערכת. 2 2 2 f 2 01 1 f נשווה חלקים ממשיים ומדומים : , R2 z d d f 2 2 d f 01 01 f | 15 תירגול מבוא לאלקטרואופטיקה -סיכום ועריכה מאת שי ידרמן 2 . 2 z d d f תירגול :11 אופטיקת פורייה: על סמך השדה בכניסה E x ', y ', 0 נרצה לדעת את השדה E x , y , z בכל מקום במרחב. השדה יחושב לפי הקונבולוציה h x x ', y y ', z E x ', y ', 0 : . E x, y, z jkr 1 1 e jk 0 z 2 2 r r כאשר: נוסחת ריילי: h x x ', y y ', z כאשר. r 2 x x ' y y ' z 2 : 2 ik r e 0 ' E x ', y ', 0 d x ' d y z 2 r 1 jk 0 2 r 1 2 . E x, y, z נציג 2הנחות/הזנחות אשר מפשטות את נוסחת ריילי לשתי הנוסחאות הבאות: נוסחת הויגנס :עבור rמתקיים: 1 r 2 נוסחת פרנל :נבצע הנחה על המרחק : r0 ' dx ' dy k 0 ואז מקבלים: y y ' 2 x x ' 2 z E x ', y ', 0 y y ' 2 2z 2 jk 0 r 2 e z r x x ' jn 0 . E x, y, z . r0 z 1 z עבור rבמכנה ניקח . r 2 z 2 :עבור rהאקספוננט ניקח את הביטוי המלא. jk 2 2 x x ' y y ' e 2z נקבלdx ' dy ' : E x ', y ', 0 jk 0 z jne 0 z . E x, y, z ניתן לכתוב את הביטוי שבתוך האינטגרל כקונבולוציה: ' E x ', y ', 0 h x x ', y y ' dx ' dy . E x, y 2 y y x כאשר: jk x '2 y '2 2z F E x ', y ', 0 e 2 2 2 x jk e 2z jk 2z jk 0 z 0 z jk 0 z e jne jne 0 z . h x , y כאשר נציב את הקירובים באינטגרל הראשון נקבל את הקשר: dx ' dy ' x x ' y y ' z j E x ', y ', 0 e e 0 z jk x '2 y '2 2z F E x ', y ', 0 e נקבל בסוף: e jk x '2 y '2 2z 2 y 2 x jk 2z jk 0 z 2 y 2 x jk 2z jk 0 z e jne 0 z jne E x, y, z . E x , y , z כדי למצוא את השדה במרחב לפי פרנל יש לקחת את השדה בכניסה ,להכפיל אותו באקספוננט ,לבצע התמרת פורייה ובסוף לכפול בקבוע. שאלה: נתון גל כדורי מתכנס בעל רדיוס עקמומיות Rהפגוע בניצב לסדק עגול בעל רדיוס יחידה. חשב את תמונת עקיפת פרנל במרחק Rמהסדק. פתרון: z 2 המרחק הוא: x y 2 2 z x y השדה הרחוק הוא: R 2 2 2z 2 | 16 R z 1 2 z x y z 2 2 .r 2 x y jk 2z e z jkz e . E x, y, z E0 תירגול מבוא לאלקטרואופטיקה -סיכום ועריכה מאת שי ידרמן 2 השדה בכניסה: 2 'x' y jkR jk 2R e e 0 R E ( E x ', y ', 0נתון.) r R : r השדה לאחר הכניסה הוא. E x ', y ', 0 E x ', y ', 0 circ : 1 'x' y jk jkR x '2 y '2 jk e r 2R F E0 e circ e 2 R R 1 השדה במרחב הוא: לאחר צמצום נקבל: 2 E r F 0 circ 1 R ההתמרה של עיגול היא : J 1 2 fx fy 2 2 y 2 x 2 fx fy 2 2 2 jk e 2R jn 2 2 y 2 x jk jk 0 R e 2R jne 0 R E x, y, z R . E x, y, z R 0 R . F circ r שאלה :2 x נתון משטח ובו פוגע גל מישורי בניצב אליו ויוצר תבנית עוצמה . I x , z k מהו האפקט על העוצמה אם נוצרת זווית קטנה ביחס לגל המקורי. z פתרון: עבור זוויות קטנות. E 0 E 0 e jk sin x E 0 e jk x : פירוט החישוב: jk x I0 e j k sin x sm all נקבל את היטל השדה על ציר ה : z - I0 e z0 dx fˆ k k j k sin x k cos z . I0 e jk x e j k k x f xe dx jkx e jk x f xe . F f x e jk x קיבלנו הזזה של פורייה לפי הזווית. תירגול :12 שדה רחוק (פרנהופר): הפאזה הכדורית היא: 2 ' y 2 'x k j 2z 2 למעשה ניתן לכתוב את התנאי: . eעבור שדה רחוק: / 2 d m ax 2 'x' y k 2 z 2 ואז יש לנו רק התמרת פורייה על ה ִמפְתח. z כאשר - d 2 x ' y ' :קוטר ה ִמפְתח. 2 2 שאלה 2מתוך מבחן 2005מועד א': א .הביטוי לשדה . E x , y , 0 e jk sin x e jk sin x :העוצמה היא ריבוע מהשדה: k sin x 2 2 1 co s 2 k sin x 4 co s נסמן 2 f 0 2 k sin :ואז: sin 2 2 jk sin x e 2 jk sin x 2e 2 jk sin x e jk sin x I x, y, 0 e . f 0 להלן תיאור גרפי של תבנית ההשחרה על לוח הצילום: 4 z L | 17 תירגול מבוא לאלקטרואופטיקה -סיכום ועריכה מאת שי ידרמן . 1m m 1m m וכי גודל הסריג הוא 0.488 m - כעת מניחים כי מאירים את לוח הצילום שנוצר ב.ב .1 נתון כי מאירים את התבנית בגל מישור בעל אמפליטודה. d 3 m יש לתאר את תבנית העקיפה בפרנהופר עבור x y rect W W . T x , y 2 1 cos 2 f 0 x rect :פונקצית השקיפות היא 2 0.5 d / 0.512 m :התנאי לשדה רחוק הוא 2 . אשר מתקייםz E x , y , z 3 m F 1 T x , y f 2 f y x 1 2 fx f0 1 2 fx f 0 * sinc W f x sinc W f y :נקבל :השדה הכולל הוא . E x, y, z d f 2W jk 2 j0 d e jkd e 2d x 2 y 2 1 sinc W f y sinc W f y sinc W 2 fx f0 1 2 sinc W x ים בשני-sinc ניתן לראות כי הציור של. להלן התיאור הגרפי. f x y f x , fy z f0 fx y z :כאשר .הצירים שמוכפלים זה בזה יוצרים עיגולים של עוצמה ההולכת ודועכת עם המרחק . zf 0 2 1 1 z 2W 2 1 : התנאי לשדה הרחוק הוא.ג :' מועד ב2006 מתוך מבחן2 שאלה x x0 y y0 x y rect rect rect 2a 2a a a . t x , y rect :נקבל את פונקצית השקיפות . F T x , y 4 a 2 sin c 2 af x sin c 2 af y a 2 sin c af x sin c af y e . E x, y je jkz z j e k 2 x 2 y 2 2 j x0 f x y 0 f y :נבצע התמרה F T x , y :השדה הרחוק הוא סיכום ועריכה מאת שי ידרמן- תירגול מבוא לאלקטרואופטיקה | 18