FIZYKA LASERÓW XIII. Zastosowania laserów

Transkrypt

1 FIZYKA LASERÓW XIII. Zastosowania laserów

2 1. Grzebień optyczny Częstość światła widzialnego Sekunda to Problemy dokładności pomiaru częstotliwości optycznych Grzebień optyczny linijka częstotliwości Laser z synchronizacją modów producentem grzebienia Bernard Ziętek 2

3 2. Chłodzenie laserowe Chłodzenie optyczne do nanokelwinów Dalej inne metody, np. odparowanie Niech wiązki atomów i fotonów poruszają się przeciwbieżnie. Absorbowane fotony przekazują swój pęd atomom, Których prędkość zmniejszy się o Ponieważ średnia prędkość atomów w temp. T wynosi To po aktach absorpcji i emisji powinno nastąpić zatrzymanie atomu W rzeczywistości jest ograniczenie dopplerowskie do temperatury w praktyce: mk. Bernard Ziętek 3

4 Kondensat Bosego-Einsteina FAMO Toruń Bernard Ziętek 4

5 3. Szczypce i klucze laserowe Fotony przekazują swój pęd cząstkom materii. Fala płaska o energii E l. Całkowity pęd fotonów Siła Uwzględniając transmisję i odbicie siła działająca na cząstkę W kierunku propagacji światła Bernard Ziętek 5

6 Wypadkowy pęd fotonu Siła gradientowa Siły działające na cząstkę, znajdującą się za ogniskiem Bernard Ziętek 6

7 Mody Laguerra-Gaussa rzędu p=0 i l=2 Wytwarzanie z modów Hermita-Gaussa Bernard Ziętek 7

8 4. Transmisja światłowodowa Praktyczna górna granica pasma w telekomunikacji kablowej 40 MHz, światłowodowej ok. 30 GHz częstość światła (teoretyczna) Zalety: Bernard Ziętek 8

9 Pasma telekomunikacyjne Tłumienność SiO 2 Zalety wady pasm z punktu widzenia zastosowań telekomunikacyjnych Bernard Ziętek 9

10 Schemat toru światłowodowego Perspektywy wykorzystania wzmacniaczy światłowodowych i transmisji solitonowej Bernard Ziętek 10

11 Pierwszy system telekomunikacyjny w 1977 r. Zalety światłowodów ważne w telekomunikacji: -małe straty transmisji (<0.15 db) = duża odległość między regeneratorami (możliwe km wielokrotnie większa niż w transmisji kablami koncentrycznymi), - szerokie pasmo (powyżej 1 GHz), - niewielkie wymiary, ciężar i duża elastyczność, - brak sprzężeń, czułości na zakłócenia elektromagnetyczne, kłopotów z uziemnieniem, - dostępność surowców, -brak przesłuchów między kablami, -duża stabilność parametrów mechanicznych i termicznych. Wady: - łamliwość, -starzenie się materiałów, - kosztowne oprzyrządowanie Bernard Ziętek 11

12 Typy światłowodów używanych w telekomunikacji Bernard Ziętek 12

13 Zwielokrotnienie z podziałem czasowym TDM Zwielokrotnienie z podziałem częstotliwości (długości fal) WDM Każda długość fali kanał telekomunikacyjny Bernard Ziętek 13

14 DWDM (Dense Wavelength Division Multiplexing ): odstęp między kanałami nm, UDWDM (Ultra Dense Wavelength Division Multiplexing ): odstęp między kanałami nm Typowa odległość między kanałami 100 GHz W przypadku DWDM - 80 kanałów w jednym włóknie W 2000 r., na odcinku 168 km osiągnięto szybkość transmisji 6,4 Tb/s. Dyspersja i jej kompensacja Efekty nieliniowe -rozpraszanie Ramana, -skrośna modulacja, - mieszanie czterech fal, -inne. Przykładowy profil rdzenia Bernard Ziętek 14

15 SONET (Synchronous Optical Network) FDDI (Fiber Distributed Data Interface) Stacje: SAS i DAS Od 500 stacji, przyłączenie do pierścienia - token Topologia pierścieniowa, kratowa, kratowo-pierścieniowa token Bernard Ziętek 15

16 Systemy kodowania (najczęściej synchroniczne) Modulacja i modulatory światła Bernard Ziętek 16

17 Szybkość transmisji Przyjmuje się, że dwa impulsy są rozdzielone jeśli gdzie T odstęp między impulsami, T/2 szerokość impulsu, - poszerzenie dyspersyjne impulsu. Definicja stopy bitowej (bit rate) miara jakości sygnału W wielomodowych światłowodach Dla włókien: wielomodowych -względny współczynnik załamania jednomodowych Im dłuższy tor tym mniejsza szybkość transmisji Bernard Ziętek 17

18 Bilans mocy W db Bernard Ziętek 18

19 Przyczyny błędów transmisji: -za mały sygnał, -dyspersja, -szum sygnału i detektora Stopa błędu (bit-error rate) Błędne bity w czasie do całkowitej liczby odebranych bitów w tym czasie Dopuszczalna BER Jeżeli przyjmiemy BER = 10-9 Rozkład Poissona fotonów, to minimalna liczba fotonów, określających jedynkę wynosi Jest to kwantowa granica detekcji Przyjmuje się też, biorąc pod uwagę wszystkie bity, że Bernard Ziętek 19

20 Standardy transmisji Sieć FDDI Stacje SAS i DAS Topologia pierścieniowa, kratowa, kratowo-pierścieniowa token Bernard Ziętek 20

21 5. Plamkowanie Rodzaje plamek: - plamki obiektywne - plamki subiektywne Bernard Ziętek 21

22 Obraz gwiazdy w aperturze teleskopu Ψ Sagitarii Światło z odległej gwiazdy - spójne. Bernard Ziętek 22

23 Plamki Ψ Sagitarii Światło z odległej gwiazdy - spójne. Bernard Ziętek 23

24 Zastosowania: 1. fotografia plamkowa, 2. interferometria plamkowa. Bernard Ziętek 24

25 6. Anemometria laserowa Opis: - dopplerowski, -prążkowy. Efekt Dopplera w optyce Model dopplerowski Jeśli Bernard Ziętek 25

26 Zadanie: należy wyznaczyć prędkość cząstki. Światło pada na poruszającą się z prędkością v cząstkę. Wiązka rozproszona przez cząstkę jest emitowana przez poruszającą się cząstkę. Częstość obserwowanego światła jest przesunięta o Bernard Ziętek 26

27 Cząstkę oświetlamy dwoma skrzyżowanymi pod pewnym kątem wiązkami. Fale zdudniają się, a wypadkowe natężenie wynosi Częstość dudnień Bernard Ziętek 27

28 Model prążkowy Cząstka przechodzi przez prążki. Pojawiają się rozbłyski z częstością taką samą jak częstość dudnień. Bernard Ziętek 28

29 7. Holografia* 1920 r. M. Wolfke, 1948 r. Denis Gabor, 1960 rozwój zapisu i odtwarzania Hologram punktu *Patrz: Uzupełnienia i poprawki do Laserów www:/fizyka.umk.pl/~bezet Bernard Ziętek 29

30 Pole w punkcie (x, y) Natężenie Jest rejestrowane na kliszy fotograficznej. Załóżmy, że amplitudowy współczynnik transmisja kliszy wynosi Bernard Ziętek 30

31 Jeśli oświetli się kliszę wiązką odniesienia, to transmitowane pole wyniesie Czynnik jest zmodulowaną czynnikiem S 2 falą odniesienia (plamki) Czynnik Czynnik odpowiada polu wiązki odniesienia jest proporcjonalny do amplitudy fali rozproszonej na obiekcie odtworzony obraz ortoskopowy znajduje się w miejscu obiektu. Bernard Ziętek 31

32 Niech To pole transmitowane jest proporcjonalne do Bernard Ziętek 32

33 Rekonstrukcja hologramu Gabora Rekonstrukcja obrazu pozaosiowego Bernard Ziętek 33

34 Pozaosiowa rejestracja hologramów Wiązki przy odtwarzaniu hologramów pozaosiowych Bernard Ziętek 34

35 Rodzaje hologramów Hologramy: cienkie absorpcyjne grube fazowe Hologramy: transmisyjne, odbiciowe, tęczowe, kolorowe, syntetyczne. Bernard Ziętek 35

36 Hologram transmisyjny Hologram odbiciowy Bernard Ziętek 36

37 Hologram tęczowy Bernard Ziętek 37

38 Interferometria Zastosowania - obrazowanie trójwymiarowe, - interferometria holograficzna, -pamięci holograficzne, - optyczne przetwarzanie danych, - znaki towarowe Optyczne przetwarzanie hologram Bernard Ziętek 38

39 8. Separacja izotopów Dysocjacja dwustopniowa Bernard Ziętek 39

40 Separacja przy wzbudzeniu linią 605 nm lasera barwnikowego Separacja przy wzbudzeniu wielofotonowym Bernard Ziętek 40