2015_08_21 - Atomic Physics

FAFF25 - 2015-08-21
FAFF25 ‐ 2011‐08‐25 FAFF25 ‐ 2011‐08‐25 Tentamen i Fotonik - 2015-08-21, kl. 08.00-13.00
Tentamen i Fotonik ­ 2011­08­25, kl. 08.00­13.00 FAFF25FAFF25 ­ Fysik för C och D, Delkurs i Fotonik -Tentamen i Fotonik ­ 2011­08­25, kl. 08.00­13.00 Fysik för C och D, Delkurs i Fotonik
FAFF25 ­ Fysik för C och D, Delkurs i Fotonik • TillåtnaHjälpmedel: Miniräknare, godkänd formelsamling (t ex TeFyMa), utdelat formelblad. hjälpmedel: Miniräknare, godkänd formelsamling (t ex TeFyMa), utdelat formelblad.
Börja varje ny uppgift på ett nytt blad och skriv bara på en sida av pappret. Hjälpmedel: Miniräknare, godkänd formelsamling (t ex TeFyMa), utdelat formelblad. • OBS! Mobiltelefon
får ej finnas i fickan eller framme på bordet!
Skriv namn på varje blad och numrera sidorna i övre högra hörnet. Börja varje ny uppgift på ett nytt blad och skriv bara på en sida av pappret. • Börja varje
ny uppgift på ett nytt blad och skriv bara på en sida av pappret.
Lösningarna ska vara renskrivna, väl motiverade och försedda med svar. Uppgifter utan svar ger inte full Skriv namn på varje blad och numrera sidorna i övre högra hörnet. • Skriv namn
på varje blad och numrera sidorna i övre högra hörnet.
poäng! Lösningarna ska vara renskrivna, väl motiverade och försedda med svar. Uppgifter utan svar ger inte full • Lösningarna
ska vara renskrivna och väl motiverade. Uppgifter utan svar ger inte full poäng!
Betyg: Varje korrekt löst uppgift ger 3 poäng efter en helhetsbedömning. För godkänt krävs minst 12 poäng! poäng. Betyg: Varje korrekt löst uppgift ger 3 poäng efter en helhetsbedömning. För godkänt krävs minst 12 • Varje korrekt
löst uppgift ger 3 poäng efter en helhetsbedömning. För godkänt krävs minst 12 poäng.
poäng. 1. Diagrammen
ovan visar
hos hos det
elektriska
fältet
i en
elektromagnetisk
våg
Diagrammen ovan svängningen
visar svängningen elektriska fältet i en våg som
som 1. 1. Diagrammen ovan svängningen hos det det elektriska fältet i elektromagnetisk en elektromagnetisk våg som utbreder sig i ett icke‐magnetiskt material (
=1). Bestäm med hjälp av diagrammen: r r=1). Bestäm med hjälp av diagrammen: utbreder
sig i ett icke-magnetiskt material (µr=1).
Bestäm med hjälp av diagrammen:
utbreder sig i ett icke‐magnetiskt material (
Vågens våglängd i materialet a)a) Vågens våglängd i materialet b)
Vågens frekvens Vågens
våglängd i materialet
b) Vågens frekvens Vågens hastighet Vågens
frekvens
c)c) Vågens hastighet d) Vilken riktning vågen rör sig i Vågens
hastighet
d) Vilken riktning vågen rör sig i e) Materialets brytningsindex Vilken
riktning
vågen rör sig i
e)f) Materialets brytningsindex Vågens vakuumvåglängd Materialets
brytningsindex
f) Vågens vakuumvåglängd a)
b)
c)
d)
e)
f) Vågens vakuumvåglängd
2. En kombination av en negativ lins med brännvidden fA=‐20 mm och en positiv lins med kombination
av en=9 mm används för att avbilda ett objekt på en skärm enligt figuren ovan. negativ lins med brännvidden fA = –20 mm och en positiv lins med
brännvidden f
B
2. En
2. En kombination en negativ med ett
brännvidden mm och figuren
en positiv lins med A=‐20 brännvidden
fB = 9 mmav används
för attlins avbilda
objekt på fen
skärm
enligt
ovan.
a) Var hamnar bilden av objektet som skapas av enbart den negativa linsen? brännvidden f
B=9 mm används för att avbilda ett objekt på en skärm enligt figuren ovan. b) Är denna bild virtuell eller reell? a) Vara)c)
hamnar
bilden
av objektet
som
skapaslinsen av enbart
denpositiva negativa
linsen?
Var hamnar bilden av objektet som skapas av enbart den negativa linsen? På vilket avstånd s från den negativa skall den linsen placeras för att b) Är denna bild virtuell eller reell? bilden av objektet skall bli skarp på skärmen? vilket avstånd s från den negativa linsen skall den positiva linsen placeras för att b) Är c)
denna
bild virtuell
eller
reell?
d) På Är bilden på skärmen reell eller virtuell? e) bilden av objektet skall bli skarp på skärmen? Är bilden på skärmen rättvänd eller felvänd? f) Är bilden på skärmen reell eller virtuell? Rita en strålkonstruktion för fallet med de båda linserna. c) På d)
vilket
avstånd s från den negativa linsen skall den positiva linsen placeras för att
e)
Är bilden på skärmen rättvänd eller felvänd? bilden av objektet skall bli skarp på skärmen?
f) Rita en strålkonstruktion för fallet med de båda linserna. 1 d) Är bilden på skärmen reell eller virtuell? 1 e) Är bilden på skärmen rättvänd eller felvänd?
f) Rita en strålkonstruktion för fallet med de båda linserna.
1
dopas med Neodymium‐joner till en koncentration av 1,38∙1020 joner/cm3 i vilka laserövergången sker. Lasring från Neodymium‐jonerna sker från en övre nivå med en livstid på FAFF25 - 2015-08-21
230 s vid en vakuumvåglängd på 1064 nm. Degenerationsfaktorn (g) är densamma för den och den övre lasernivån i Neodymium‐jonerna och linjebredden för laserövergången är 3. undre Diskussionsuppgift.
126 GHz. Brytningsindex för YAG vid 1064 nm är 1,8. Antag att 50,1% av Neodymium‐jonerna är Ändras förstoringen om man använder en lupp under vatten istället för i luft?
exciterade till den förstoringen?
övre lasernivån. För varje rundtripp i kaviteten förloras en viss del av Ökar eller minskar
intensiteten, dels vid reflektion i ändspeglarna och dels genom interna förluster, så att Motivera ditt svar.
intensitetsförändringen under en rundtripp är: · 1
4. Hur Bilden
nedan visar intensitetsmönstret hos ljus som har passerat ett antal likadana spalter.
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)
b)
c)
c)
Hur många spalter har belysts? Vilket är förhållandet mellan spaltavståndet och spaltbredden? Motivera! På vilket sätt påverkas intensitetsmönstret ovan om ytterligare en likadan spalt belyses?
På vilket sätt påverkas intensitetsmönstret ovan om ytterligare en likadan spalt belyses? Motivera (t.ex. genom att göra en ”skiss” över det nya intensitetsmönstret i vilken det
Motivera (t.ex. genom att göra en ”skiss” över det nya intensitetsmönstret i vilken det tydligt framgår hur mönstret förändras)!
tydligt framgår hur mönstret förändras)! 5. SPOT 5 är en av de satelliter som förser till exempel TM
med 5. GoogleEarth
SPOT 5 är en av
de högupplösta satelliter sombilder förserav tilljorden. exempel GoogleEarthTM
Bilden till höger visar en avbild av Aten tagen med visar en bild av
med högupplösta
bilder
jorden.
Bilden
till höger
denna satellit. 5 satellit.
kretsar SPOT
i en bana 832 km Paris tagen
medSPOT denna
5 kretsar
i en bana 832 km över
över jordytan och ett av dess avbildningssystem jordytan och ett av dess avbildningssystem kan på detta avstånd
kan på föremål
detta avstånd upplösa föremål med upplösa
med storleken
10 m.
Satelliten
avbildar ett 120 km
storleken 10 m. Satelliten avbildar ett 120 km brett brett stycke av jorden på en bildsensor som är 84 mm lång och bara
stycke på en bildsensor har en av radjorden av bildelement
(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
begränsas
av diffraktion? Räkna på en våglängd mitt i det synliga området.
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 6. Lasrar görs begränsas av diffraktion? Räkna på en våglängd mitt i det synliga området. ofta med Brewsterfönster så att de ger linjärpolariserat ljus. I ett fall faller laserljuset
som har intensiteten I0 = 0,2 W/m2, vars polarisationsriktning är horisontell, in mot ett system
av två polaroider (polarisationsfilter). Den första polaroiden har genomsläppsriktningen 45°
medsols från horisontalplanet och för den2 andra är genomsläppsriktningen vriden 60° medsols
från horisontalplanet. Vad är ljusets intensitet
efter genomgång av hela systemet?
2
FAFF25 ‐ 2011‐08‐25 FAFF25 - 2015-08-21
6. Lasrar görs ofta med Brewsterfönster så att de ger linjärpolariserat ljus. I ett fall faller laserljuset som har intensiteten I0=0,2 W/m2, vars polarisationsriktning är horisontell, in mot ett system av 7. En två glasögonlins
är tillverkad
av plast med
brytningsindex
nplast = 1,74.
Linsen skall
polaroider (polarisationsfilter). Den första polaroiden har genomsläppsriktningen 45˚ antireflexbehandlas
för våglängden λ = 550 nm och du väljer att använda ett dielektriskt
medsols från horisontalplanet och för den andra är genomsläppsriktningen vriden 60˚ medsols material
med brytningsindex n = 1,34.
från horisontalplanet. Vad är ljusets intensitet efter genomgång av hela systemet? a) Vilken
är den fysikaliska
förklaringen
till med att linser
med högt brytningsindex
börskall 7. En glasögonlins är tillverkad av plast brytningsindex nplast=1,74. alltid
Linsen antireflexbehandlas?
antireflexbehandlas för våglängden =550 nm och du väljer att använda ett dielektriskt material med brytningsindex n=1,34. b) Beräkna
den minsta skikttjocklek som kan användas som antireflexbehandling för
a) Vilken är den fysikaliska förklaringen till att linser med högt brytningsindex alltid bör normaltantireflexbehandlas? infallande ljus. Du behöver bara ta hänsyn till en reflex i vardera ytan. Rita en
figur
och
markera
eventuella
fasförskjutningar.
b) Beräkna den minsta skikttjocklek som kan användas som antireflexbehandling för normalt infallande ljus. Du behöver bara ta hänsyn till en reflex i vardera ytan. Rita c) Beräknaen figur och markera eventuella fasförskjutningar. hur stor del av den inkommande intensiteten som reflekteras.
c) Beräkna hur stor del av den inkommande intensiteten som reflekteras. 8. 8.
Du Du villvill använda
en en linslins medmed en brännvidd
f =10
cmcm tilltill attatt koppla
in in laserljus
med
våglängden
använda en brännvidd f=10 koppla laserljus med våglängden 780780 nm i en fiber enligt bilden nedan. Vid den aktuella våglängden är brytningsindex 1,444 för nm i en fiber enligt bilden nedan. Vid den aktuella våglängden är brytningsindex 1,444 för
materialet
i fiberns
kärnakärna och 1,441
för materialet
i fiberns
mantel.mantel. Linsen Linsen placerasplaceras så att så att materialet i fiberns och 1,441 för materialet i fiberns laserljuset
fokuseras
på
fiberänden
och
till
din
hjälp
har
du
en
bländare
med
diameter
D till att
laserljuset fokuseras på fiberänden och till din hjälp har du en bländare med diameter D till att begränsa
laserstrålens
storlek
på
linsen.
begränsa laserstrålens storlek på linsen. a) Vilken
den största bländaröppning D du kan använda så att det ljus som kopplas in i
a) är
Vilken är den största bländaröppning D du kan använda så att det ljus som kopplas fiberänden
propagerar i fiberns kärna och inte läcker ut till fiberns mantel?
in i fiberänden propagerar i fiberns kärna och inte läcker ut till fiberns mantel? b) För att allt ljus skall kopplas in i fibern gäller det att storleken på laserstrålen i b) För att linsens fokus är mindre än kärnans diameter. Om du använder den bländaröppning allt ljus skall kopplas in i fibern gäller det att storleken på laserstrålen i linsens
fokus ärdu bestämde i uppgift a), vilken är den minsta diameter fiberns kärna kan ha så att mindre än kärnans diameter. Om du använder den bländaröppning du
bestämde
i uppgift
a), vilkeni ärdiffraktionsmönstret den minsta diameter
fiberns
kärna
kankärna? ha så att
hela
hela centralmaximat faller inom fiberns Har du inte centralmaximat
i
diffraktionsmönstret
faller
inom
fiberns
kärna?
Har
du
inte
fått
något
fått något resultat i uppgift a) kan du räkna med D=1 cm. resultat i uppgift a) kan du räkna med D=1 cm.
3 3