Материал: 1700

41

41.Что такое естественная ширина спектральной линии?

42.Какие причины приводят к однородному уширению спектральных линий?

43.Какие причины приводят к неоднородному уширению спектральных линий?

44.Какое из условий принципа квантового усиления электромагнитных волн определяет большую длину когерентности лазерного излучения? С какими физическими явлениями это связано?

45.Какое из условий принципа квантового усиления электромагнитных волн определяет высокую пространственную когерентность лазерного излучения? С какими физическими явлениями это связано?

46.Запишите выражение для добротности оптического резонатора с учетом полезных и дифракционных потерь. Поясните все обозначения.

15.3 Теоретические вопросы для письменной контрольной работы по темам «Физические принципы интегральной оптоэлектроники и волоконной оптики. Планарные волноводы»

1.Запишите выражения для электрического и магнитного полей волноводной моды тонкопленочного волновода, с точки зрения геометрической оптики. Поясните все обозначения.

2.Опишите физические принципы, на которых базируется волноводное распространение света в тонких диэлектрических слоях, в том числе градиентного типа.

3.Дайте описание излучательной моды тонкопленочного волновода.

4.Дайте описание излучательной моды подложки тонкопленочного волновода.

5.Дайте описание волноводной моды тонкопленочного волновода.

6.Как в устройствах интегральной оптоэлектроники можно реализовать планарную линзу?

7.Как в планарных устройствах интегральной оптоэлектроники можно реализовать фотодетектор?

8.Как в планарных устройствах интегральной оптоэлектроники можно реализовать инжекционный гетеролазер?

9.Дайте определения для планарного оптического волновода и для полоскового оптического волновода.

10.Каковы отличия в распространении света в пленочных и градиентных волноводах, с позиций геометрической оптики?

11.Дайте краткую характеристику поперечно-электрическим, поперечно-магнитным и гибридным модам планарного волновода.

12.Выведите дисперсионное уравнение для тонкопленочного волновода на основе подхода геометрической оптики.

42

13. Как выражается постоянная распространения волноводной моды через угол, под которым распространяется по зигзагообразному пути свет в тонкопленочном волноводе?

14. Запишите дисперсионное уравнение для тонкопленочного волновода. Поясните все обозначения.

15.Запишите выражение для «эффективного показателя преломления» волноводной моды и поясните его физический смысл. Поясните все обозначения.

16.В каких пределах изменяются эффективные показатели преломления для: а) волноводных мод; б) излучательных мод подложки; в) излучательных мод.

17.Запишите выражение для минимальной толщины пленочного волновода, при которой по нему может распространяться волноводная мода ТЕ0. Поясните все обозначения.

18.Запишите выражение для минимальной толщины пленочного волновода, при которой по нему может распространяться волноводная мода ТМ1. Поясните все обозначения.

19.Запишите выражение для эффективной толщины пленочного волновода и дайте ее трактовку с позиций геометрической оптики. Все обозначения поясните.

20.Запишите дисперсионное уравнение для градиентного планарного волновода в ВКБ-приближении. Поясните все обозначения.

21.Для градиентного планарного волновода, чему равен показатель преломления волноводного слоя в точке поворота?

22.Исходя из уравнений Максвелла, запишите систему уравнений для составляющих светового поля распространяющейся вдоль оси z волноводной ТЕ-моды планарного волновода, не ограниченного вдоль оси y.

23.Исходя из уравнений Максвелла, запишите систему уравнений для составляющих светового поля распространяющейся вдоль оси z волноводной ТМ-моды планарного волновода, не ограниченного вдоль оси y.

24.Для планарного волновода, не ограниченного по оси y, запишите волновое уравнение для ТЕ-мод, распространяющихся вдоль оси z. Поясните все обозначения.

25.Для планарного волновода, не ограниченного по оси y, запишите волновое уравнение для ТМ-мод, распространяющихся вдоль оси z. Поясните все обозначения.

26.Запишите общие решения волнового уравнения для ТЕ-мод, распространяющихся вдоль оси z планарного тонкопленочного волновода. Поясните все обозначения.

27.Запишите решения волнового уравнения для ТЕ-мод, распространяющихся вдоль оси z планарного тонкопленочного волновода,

сучетом условия конечности для светового поля. Поясните все обозначения.

43

28.Запишите дисперсионное уравнение для ТЕ-мод тонкопленочного волновода. Поясните все обозначения.

29.Запишите выражения для компонент Ey светового поля

волноводной ТЕ-моды тонкопленочного волновода в подложке, волноводном слое и покровной среде. Поясните все обозначения.

30. Нарисуйте картину распределения компоненты светового поля Ey (x) для моды ТЕ0 в планарном тонкопленочном волноводе. Поясните,

по какому закону изменяется поле в подложке и в покровной среде.

31. Нарисуйте картину распределения компоненты светового поля Ey (x) для моды ТЕ1 в планарном тонкопленочном волноводе. Поясните,

по какому закону изменяется поле в подложке и в покровной среде.

32.Запишите условие ортонормировки для двух мод, распространяющихся в одном направлении в оптическом волноводе. Поясните все обозначения.

33.Как найти мощность, переносимую по планарному волноводу вдоль его оси z, модами ТЕ и ТМ?

34.Запишите выражение для мощности, переносимой по планарному волноводу единичной ширины, ТЕ-модой. Поясните все обозначения.

35.Запишите выражение для мощности, переносимой по планарному волноводу единичной ширины, ТМ-модой. Поясните все обозначения.

Заключение

В итоге изучения тем студент должен твердо знать ответы, как минимум, на следующие вопросы.

1.В чем заключается принцип квантового усиления электромагнитных волн?

2.Перечислите виды квантовых переходов между уровнями и опишите характерные особенности каждого вида переходов.

3.Выведите уравнения баланса для числа частиц, находящихся на верхнем энергетическом уровне в трехуровневой системе, при наличии поля накачки с частотой 31 , обеспечивающего вероятность

индуцированного перехода Wpump для одной частицы в единицу времени.

4.Каковы значения диагональных элементов оператора

электродипольного перехода pmm? Дайте пояснения результату с использованием соответствующего математического аппарата.

5.Запишите математическое выражение для напряженности электрического поля плоской электромагнитной волны, распространяющейся в произвольном направлении. Поясните все обозначения.

6.Каковы основные особенности поглощения электромагнитного поля двухуровневой системой частиц в режиме слабого поля?

44

7.В чем заключается эффект насыщения при взаимодействии электромагнитного поля с двухуровневой системой частиц? Каковы физические причины эффекта насыщения?

8.Запишите выражение для формы спектральной линии излучения (поглощения) вещества в случае однородного уширения.

9.Выведите выражение для собственных частот продольных мод резонатора Фабри-Перо. Найдите межмодовый интервал и выразите его в Гц.

10.Нарисуйте распределение поля на выходном зеркале лазера, генерирующего поперечную моду ТЕМ21q.

11.Какое поле называют поляризованным, а какое неполяризованным?

12.Каков физический смысл диагональных элементов матрицы плотности?

13.Каков физический смысл недиагональных элементов матрицы плотности? Чему они равны в стационарном состоянии?

14.Дайте определение времени когерентности и длины когерентности оптического излучения. Найдите длину когерентности лазера, генерирующего излучение в спектральной полосе 1 МГц.

15.Нарисуйте схему уровней и переходов между ними для лазера, работающего по трехуровневой схеме накачки. Поясните принципы получения генерации в таком лазере.

16.Нарисуйте схему уровней и переходов между ними для лазера, работающего по четырехуровневой схеме. Поясните принцип получения генерации в такой схеме.

17.Дайте описание основных механизмов создания инверсии населенностей в газоразрядных лазерах и основных требований, которым должны удовлетворять используемые газы.

18.Поясните механизм реализации состояния инверсии населенностей в газоразрядном He-Ne лазере.

19.Какие колебательные состояния молекул CO2 используются в соответствующем газоразрядном лазере? Какой газ используется в качестве вспомогательного, и почему?

20.Чем отличаются друг от друга планарные градиентные и пленочные волноводы? Нарисуйте траектории лучей для волноводных мод

втаких волноводах и поясните наблюдаемые различия.

21.Нарисуйте картины хода лучей в планарном волноводе при возбуждении в нем излучательных мод, излучательных мод подложки и волноводных мод. Укажите условия, при которых тот или иной тип мод будет наблюдаться.

22.Нарисуйте примерный вид дисперсионных зависимостей для мод планарного пленочного волновода. Перечислите основные особенности дисперсионных зависимостей для волноводных мод.

23.Запишите в общем виде выражение для распределений электрического и магнитного полей в волноводной моде планарного

45

волновода при распространении её вдоль оси Z в структуре, не ограниченной по оси Y.

24. Нарисуйте распределение электрического поля в волноводной моде TE2 пленочного планарного волновода, при показателях преломления подложки n1 и n2, удовлетворяющих условию n1 > n2. Каков закон изменения поля в этих средах?

3.Введение в квантовую и оптическую электронику: учеб. пособие.

-2-е изд., испр. / С.М. Шандаров, А.И. Башкиров. – Томск: ТУСУР, 2012. – 98 с., http://edu.tusur.ru/training/publications/1578.

4.Основы физической и квантовой оптики: учеб. пособие / В.М. Шандаров; Томск. гос. ун-т систем упр. и радиоэлектроники, 2012. – 197 с. http://edu.tusur.ru/ training/publications/750.

5.Верещагин И.К., Косяченко Л.А., Кокин С.М. Введение в оптоэлектронику: Учебное пособие для вузов. - М.: Высшая школа, 1991. - 191 с.

6.Информационная оптика / Под ред. Н.Н. Евтихеева. Учебное пособие – М., Издательство МЭИ, 2000. - 516 с.

7.Квасница М.С. Квантовые и оптоэлектронные приборы: Учебное пособие. – Томск: ТУСУР, Томский межвузовский центр дистанционного образования, 2002.– 73 с.

8.Малышев В.А. Основы квантовой электроники и лазерной техники: Учебное пособие для вузов. - М.: Высшая школа, 2005. - 542 с.

9.Пихтин А.Н. Оптическая и квантовая электроника. Учебник для

ВУЗов.- М.: Высшая школа, 2001. – 574 с.

10.Семенов А.С., Смирнов В.Л., Шмалько А.В. Интегральная оптика для систем передачи и обработки информации. - М.: Радио и связь, 1990. - 225 с.

11.Шандаров С.М., Башкиров А.И. Введение в квантовую и оптическую электронику. Учебное пособие. – Томск: ТУСУР, 2007. – 100 с.

12.Волноводная оптоэлектроника / под ред. Т. Тамира. –

М.:Мир,1991. – 575 с.