Rok akademicki 2014 / Laboratorium Specjalistyczne WF PW

Transkrypt

1 Rok akademicki 2014 / 2015 Laboratorium Specjalistyczne WF PW dla studentów kierunku Fizyka Techniczna na specjalnościach: Fizyka Komputerowa, Materiały i Nanostruktury, Optoelektronika Regulamin 1. Informacje ogólne Laboratorium Specjalistyczne (LS) dla studentów VI sem. WF ma na celu poznanie specyfiki badań naukowych prowadzonych w pracowniach naukowych Wydziału Fizyki PW i innych wyspecjalizowanych pracowniach badawczych związanych z określoną specjalnością. Studenci mają obowiązek podporządkowania się rygorom i procedurom obowiązującym w pracowniach naukowych, w których realizują ćwiczenia i ścisłego wykonywania poleceń opiekuna prowadzącego ćwiczenie, szczególnie w zakresie bezpieczeństwa i obsługi aparatury badawczej. 2. Organizacja zajęć ogólne zasady a) Laboratorium Specjalistyczne obejmuje 30 h zajęć w semestrze 6-tym (3 ECTS) (realizacja dwóch ćwiczeń naukowych (2 15h=30h) w kolejnych tygodniach semestru + spotkanie organizacyjne na początku semestru (1h) ). b) W planie zajęć, na realizację LS są przewidziane cotygodniowe pięciogodzinne (Optoelektronika) sesje naukowo-badawcze według ustalonego Harmonogramu. W zależności od potrzeb i okoliczności, po uzgodnieniu z prowadzącym ćwiczenie, umiejscowienie LS w planie zajęć może być modyfikowane. c) Podczas laboratorium studenci będą realizowali 2 ćwiczenia naukowe (w pierwszej i w drugiej połowie semestru) z listy dostępnych ćwiczeń, w pracowniach innych niż te, w których realizują prace inżynierskie. Ćwiczenia będą realizowane w zespołach dwu- lub jednoosobowych. d) Przedstawienie studentom oferty ćwiczeń, podział studentów na zespoły, procedura przypisywania ćwiczeń zespołom, a także ustalenie harmonogramu wykonywania ćwiczeń (pierwsza lub druga połowa semestru) zostaną omówione na spotkaniu organizacyjnym. Terminy spotkań organizacyjnych dla studentów różnych specjalności zostaną ustalone na początku semestru. Obecność studentów na tych spotkaniach jest obowiązkowa.

2 3. Zasady zaliczenia a) Wykonanie ćwiczenia (przebieg pracy badawczej i opracowanie sprawozdzania) ocenia prowadzący ćwiczenie b) Za wykonanie każdego z ćwiczeń będzie można uzyskać maksymalnie 100 punktów, na które, w zależności od specyfiki ćwiczenia, będą się składały: punkty za przygotowanie do wykonywania ćwiczenia (na podstawie materiałów polecanych przez prowadzących), punkty za pracę badawczą, punkty za przygotowanie sprawozdania (studenci są zobowiązani przygotować i przedłożyć prowadzącym sprawozdania w ciągu maksymalnie dwóch tygodni od zakończenia wykonywania ćwiczenia. Niespełnienie tego wymagania może spowodowc obniżenie oceny lub nawet nie zaliczenie ćwiczenia.). Ocenione punktowo sprawozdania (w formie drukowanej) należy złożyć u właściwego koordynatora specjalności (zob. pkt. 4) c) Do zaliczenia laboratorium wymagane jest uzyskanie powyżej 50% punktów z każdego ćwiczenia. d) Końcowa ocena wystawiana jest przez koordynatora przedmiotu wg przelicznika: 51pt 60pt ocena 3 61pt 70pt ocena 3,5 71pt 80pt ocena 4 81pt 90pt ocena 4,5 91pt 100pt ocena 5 4. Koordynatorzy Laboratorium Specjalistycznego w roku akademickim 2014 / 15: a) Dr hab. Agata Fronczak (dla specjalności Fizyka Komputerowa, agatka@if.pw.edu.pl, pok. 6 GF) b) Prof. nzw.dr hab. Marek Sierakowski, (dla specjalności Optoelektronika, sierak@if.pw.edu.pl, pok. 301 GF) c) Dr Aleksander Urbaniak (dla specjalności Materiały i Nanostruktury, aleksander.urbaniak@if.pw.edu.pl, pok. 322 GMechatr.)

3 Opisy Tematów Ćwiczenie nr 1-15 (GR3) Temat: Badanie półprzewodnikowych źródeł światła Opiekun: dr Irena Gronowska - p. 713 GMechatroniki, tel. (22) , e-m: igron@if.pw.edu.pl Diody elektroluminescencyjne i lasery półprzewodnikowe emitują promieniowanie optyczne powstałe w wyniku zjawiska rekombinacji w materiale półprzewodnikowym zawierającym złącze prostujące umożliwiające wstrzykiwanie nośników. Do budowy diod i laserów wykorzystuje się materiały półprzewodnikowe o prostej przerwie energetycznej. Natężenie emitowanego promieniowania zależy od natężenia płynącego przez złącze prądu. Dioda elektroluminescencyjna emituje promieniowanie o emisji spontanicznej, niespolaryzowane. Długość fali emitowanego promieniowania zależy od struktury pasmowej materiału półprzewodnikowego, natomiast natężenie - od natężenia przepływającego prądu. Diody elektroluminescencyjne konstruuje się w postaci homozłącza - otrzymanego w monokrysztale z jednego rodzaju półprzewodnika oraz w postaci hetero złącza złącza pomiędzy pomiędzy różnymi półprzewodnikami. Diody elektroluminescencyjne wykonane w postaci homozłącza emitują fotony nieukierunkowane. Kierunkowość wychodzącej wiązki zależy tylko od warunków geometrycznych i soczewki diody. Znacznie lepszą kierunkowość mają diody heterozłączowe, bo możliwy jest odpowiedni dobór współczynników załamania poszczególnych obszarów struktury. W złączach wykonanych z materiałów silnie domieszkowanych możliwe jest otrzymanie inwersji obsadzeń, co jest warunkiem emisji wymuszonej. Przy dużych wartościach prądu można uzyskać akcję laserową. Przy odpowiedniej konstrukcji, umożliwiającej podtrzymanie akcji laserowej, dioda może stać się źródłem spójnego, kierunkowego promieniowania - staje się laserem półprzewodnikowym. Wykonane będą badania przedstawione w punktach a, b, c: a. Badanie charakterystyk prądowo-napięciowych diod elektroluminescencyjnych. b. Badanie widm diod elektroluminescencyjnych w funkcji prądu. c. Badanie rozkładów przestrzennych gęstości mocy świetlnej diody elektroluminescencyjnej. d. Badanie widma diody laserowej w funkcji prądu. Wykrywanie akcji laserowej. e. Literatura [1] M. A. Herman, Heterozłącza półprzewodnikowe PWN, Warszawa 1987 [2] B. Mroziewicz, M. Bugajski, W. Nakwaski, Lasery półprzewodnikowe PWN, Warszawa 1985 [3] Rajmund Bacewicz, Optyka ciała stałego, Oficyna Wydawnicza Politechniki Warszawskiej, Warszawa 1995, [4] Adam Kujawski, Paweł Szczepański Lasery, Oficyna Wydawnicza Politechniki Warszawskiej 1999, [5] Zdzisław Kaczmarek Światłowodowe czujniki i przetworniki pomiarowe, Agencja Wydawnicza PAK, Warszawa 2006

4 Ćwiczenie nr 2-15 (GR2) Temat: Badanie struktur biologicznych za pomocą mikroskopu akustycznego Opiekun: dr Irena Gronowska - p. 713 GMechatroniki, tel. (22) , e-m: igron@if.pw.edu.pl Skaningowy mikroskop akustyczny (SAM) to urządzenie służące do uzyskiwania powiększonych obrazów drobnych ciał oraz do obrazowania wnętrza optycznie nieprzezroczystych obiektów za pomocą analizy zjawisk zachodzących przy odbiciu od badanych ośrodków fal akustycznych wysokiej częstotliwości (w zakresie MHz). Obraz akustyczny powstaje w wyniku skanowania powierzchni lub pewnej płaszczyzny wewnątrz badanego obiektu. SAM stosowany jest również do badania własności materiałów, uśrednionych lokalnie (w małych obszarach próbek). Wyznaczyć można długość fali powierzchniowej badanego obiektu na podstawie tak zwanych charakterystyki V(z), którą otrzymuje się przy ruchu głowicy mikroskopu w kierunku prostopadłym do powierzchni próbki, a która jest wynikiem nałożenia się fali odbitej z falą odpromieniowaną od powierzchni W przypadku materiałów anizotropowych korzystne jest stosowanie głowic o specjalnej konstrukcji - głowic kierunkowych. Za pomocą SAM wykonane zostaną badania przedstawione w punktach a, b, c: a. Badanie obrazów powierzchni struktur biologicznych (tkanki kostne, rogowe, drewno), b. Wykrywanie anizotropii na podstawie obrazów akustycznych oraz na podstawie pomiaru długości fali, c. Badanie anizotropii wymuszonej. Literatura [1] Bergmann L. "Der Ultraschall und Seine Anwendung in Wissenschaft und Technik ", Zurich, S. Hirzel. (1954) [2] Krasilnikow W. A., "Zwukowyje i ultrazwukowyje wołny", Moskwa, Gos. Izw. Fiz.-Mat. Liter. (1960) [3] Cheeke J. D. N., Alippi A., Mayer W. G. "Cryogenic acoustic microscopy", s. ( ), (1987) [4] Wiktorow I. A. "Zwukowyje powierchnostnyje wołny w twiordych tiełach", Moskwa, Nauka, (1984) [5] A. Sliwiński, "Ultradźwięki i ich zastosowania", WNT 1993, 2001 [6] R. Lemons, "Acoustic microscopy by mechanical scanning", Internal Memorandum, The J.A. Hartford Foudation, Stanford 1975 [7] C. Quate, A. Atalar, H. Wickramasinghe, "Acoustic microscopy with mechanical scanning" - A Review, Procc. of IEEE, 67, 8, ( ), (1979 [8] E.A.Ash, "Acoustic Microscopy", Academic Press, Oxford Science Publications, London, (23-55) (1992) [9] A. Brigss, A. Atalar, "A physical model for acoustic signature", J.Appl. Phys. (50), ( ), (1979) [10] Parmon E, H.Bertoni, "Ray interpretation of the material signature in the acoustic micriscope", Elec. Lett. 15, 21, ), (1979) [11].Weglein,R.,.Wilson, R., "Characteristic material signature by acoustic microscopy", Elec. Lett. 14, ( ), (1978) [12] J.Litniewski, "An acoustic microscope in measureements of mechanical properties of surface layers - V(z)", Archives of Acoustic, 11, 3, ( ),

5 (1986) [13].Weglein R, "Acoustic microscopy applied to SAW dispresion and film thicness measurement", IEEETrans. Sonics Ultrason. SU-27, 2, (82-86), (1980) [14].Wilson R, R.Weglein R, "Acoustic microscopyof materials and surface layers", J.Appl. Phys., 55, 9, ( ), (1981) [15] J. Litniewski, "Subsurface imaging of samples", Archives of Acoustics 4, (1984) [16] B. Hałaciński, E. Kotlicka, A. Latuszek; Acta Physica Slovakia 42, 3, ( ), (1992) [17] Mikroskop akustyczny [18] OPTYKA 45(1/2), 5-18 (2005) I. Gronowska, D. Karasiewicz, Zastosowanie skaningowego mikroskopu ultradźwiękowego do badania tkanek kostnych Ćwiczenie nr 3-15 (UL1) Temat: Solitony optyczne w ciekłych kryształach. Opiekun: dr Urszula Laudyn, Laboratorium Optyki Nieliniowej GF, pok. 12A, tel (22) , , e-m: ulaudyn@if.pw.edu.pl Przy dużych mocach wiązka światła może modyfikować ośrodek zmieniając między innymi współczynnik załamania, który staje się zależny od natężenia światła. W rezultacie może dojść do samoogniskowania, a przy pewnej mocy do utworzenia bezdyfrakcyjnie propagującej się wiązki światła, nazywanej przestrzennym solitonem optycznym. Jest to zjawisko nieliniowe optycznie i w typowych ośrodkach materialnych jest obserwowane przy bardzo dużych natężeniach światła. Inaczej jest w nematycznych ciekłych kryształach, w których samoogniskowanie oraz tworzenie się solitonów przestrzennych (zwanych nematykonami) zachodzi przy stosunkowo niskich mocach. Ze względu na swoje wyjątkowe właściwości nematykony mogą być wykorzystane w całkowicie optycznych układach do przełączanie i przetwarzania informacji zakodowanej w sygnałach optycznych. Niniejsze ćwiczenia będzie zawierało przygotowanie komórki ciekłokrystalicznej, ustawienie układu z laserem dużej mocy, zaobserwowanie zjawiska samoogniskowania oraz wytworzenie nematykonu a także zbadanie jego właściwości i pomiar parametrów, przy których tworzy się nematykon. Ćwiczenie nr 4-15 (NA1) Temat: Światłowodowy pomiar grubości soczewek Na zajęciach studenci zapoznają się z koncepcją oraz zasadą działania interferometru światłowodowego jako układu do pomiaru grubości soczewek, a następnie dokonają pomiaru przygotowanego zestawu próbek. W ramach zajęć zostaną także przeprowadzone analizy dot. wpływu parametrów takich jak: odchylenia kątowe i poprzeczne mierzonych soczewek, temperatury oraz dyspersji szkła na dokładność pomiaru. Temat ten jest konsekwencją opracowywania prototypu zamówionego przez producentów soczewek. Każda grupa studentów otrzyma inny zestaw soczewek do pomiaru.

6 Ćwiczenie nr 5-15 (NA2) Temat: Pomiar dyspersji chromatycznej światłowodów specjalnych Na zajęciach studenci zapoznają się z koncepcją oraz zasadą działania interferometru światła białego, jednej z najbardziej precyzyjnych metod pomiarowych, do pomiaru dyspersji chromatycznej specjalnych (nietypowych) światłowodów, a następnie dokonają pomiaru przygotowanego zestawu próbek. Tego typu światłowody specjalne wykorzystywane są m.in. do kompensacji dyspersji w telekomunikacji optycznej, konstrukcji nowych źródeł światła oraz jako nowoczesne czujniki światłowodowe. Temat ten wynika z konieczności dokonywania pomiarów innowacyjnych światłowodów opracowywanych na zamówienie partnerów przemysłowych. Ćwiczenie nr 6-15 (NA3) Temat: Badanie odpowiedzi temperaturowej i naprężeniowej światłowodowych siatek Bragga na włóknach mikrostrukturalnych W ramach pracy badane będą charakterystyki odbiciowe i transmisyjne światłowodowych siatek Bragga (FBG) wykonanych na włóknach mikrostrukturalnych. Na podstawie charakterystyk wyznaczane będą podstawowe parametry FBG długość fali Bragga, szerokość połówkowa, współczynnik odbicia. Ponadto badane będą czułości długości fali Bragga (szeregu różnych FBG) na naprężenia wzdłużne oraz temperaturę. Wymagana podstawowa wiedza z zakresu światłowodowych siatek Bragga. Ćwiczenie nr 7-15 (NA4) Temat: Badanie czułości fazowej światłowodów specjalnych W ramach ćwiczenia badane będą temperaturowe oraz naprężeniowe czułości fazowe światłowodów specjalnych (m.in. mikrostrukturalnych, z przesuniętą długością fali odcięcia, dwójłomnych). W ćwiczeniu wykorzystany będzie układ pomiarowy wykorzystujący światłowodowy interferometr Macha-Zehndera. Wymagana podstawowa wiedza z zakresu interferometrów światłowodowych. Ćwiczenie nr 8-15 (JP1)

7 Temat: Badania szumów przetwornika ciekłokrystalicznego w układzie interferometrycznym. Opiekun: prof. Janusz Parka, Wydz. Elektroniki i Technik Informacyjnych, Instytut Mikro i Optoelektroniki, Zakład Fotoniki Obrazowej i Mikrofalowej, pok. 157, tel , e-m: jparka@wat.edu.pl Zadanie naukowe polega na zestawieniu układu interferometrycznego i wykonaniu pomiarów szumów przetwornika mikrofalowego wg wskazówek prowadzącego. Ćwiczenie nr 9-5 (PC1) Temat: Badanie widzenia kontrastu Opiekun: dr Krzysztof Petelczyc, p. 135b GF, tel , e-m: petelczyc_m@if.pw.edu.pl Celem pracy jest zaprojektowanie i oprogramowanie testu widzenia kontrastu. Aby go osiągnąć studenci będą musieli zapoznać się z metodami i testami używanymi w ocenie jakości widzenia, terminologią optyczną i okulistyczną, a także metodami statystycznymi prowadzenia badań psychofizycznych. Zadanie polegać będzie na stworzeniu oprogramowania, które wyświetli na ekranie komputera specjalny wzorzec testu w kształcie dwóch półkoli na jednolitym tle w min. 16-bitowej przestrzeni barw. Następnie studenci przy użyciu własnych oczu zbadają próg widzenia kontrastu w zależności od natężenia i barwy tła. Zgodnie z teorią zależność ta powinna być liniowa, co określane jest w literaturze prawem Webera-Fechnera. Ćwiczenie nr 10-5 (SA1) Temat: Badanie światłowodowych czujników dynamicznych odkształceń w strukturach kompozytowych Opiekun: dr Piotr Sobotka, pok. 118 GF, tel , sobotka@if.pw.edu.pl W trakcie realizacji projektu studenci będą mogli zapoznać się z budową i zasadą działania światłowodowych czujników naprężeń umieszczonych wewnątrz struktury kompozytowej. Podczas realizacji tego ćwiczenia studenci będą zobligowani do realizacji następujących elementów: 1. Optymalizacja budowy stanowiska pomiarowego (zestawienie i oprogramowanie układu wymuszającego naprężenia dynamiczne) 2. Poprawne wprowadzenie światła do struktury światłowodu 3. Detekcja światła wychodzącego z czujnika swiatłowodowego 4. Analiza uzyskanego sygnału Praca będzie miała charakter eksperymentalny