асс. Нестеренко Дмитрий Владимирович Кафедра ТК СГАУ Введение в оптическую информатику

Что такое «оптоинформатика»? В Японии используют термин «оптоэлектроника», объединяющий оптику и электронику. В Америке предпочитают использовать слово «оптроника» или «электрооптика» «Оптоинформатика» - область науки и техники, связанная с исследованием, разработкой, созданием и эксплуатацией новых материалов, технологий, приборов и устройств, направленных на передачу, прием, обработку, хранение и отображение информации на основе оптических технологий.

Почему оптоволокно может передавать свет на дальние расстояния? Структура оптоволокна Что такое полное внутреннее отражение? Как далеко оптоволокно может передавать свет? Каковы физические причины затухания света? –Затухание длинных длин волн –Затухание коротких длин волн –Оптимальная длина волны

Можете ли вы сказать какие типы дисплеев представлены на рынке?

Как много разновидностей оптических дисков вы знаете? Read-only memory (ROM) Direct read after write (DRAW) или Write-once Rewritable (RW) или Random access memory (RAM) CD, MD, MO, DVD, BD, HD-DVD

Компоненты оптоинформатики Светоизлучающие диоды Light emitting diodes (LED) Лазерные диоды Laser diodes (LD) Почему и как эти диоды излучают свет? Чтобы ответить на этот вопрос, нужно понимать: –диоды –полупроводники –pn переходы

Оптическая интегральная схема (ОИС) Сеть или группа связанных сетей, включающие миниатюрные твердотельные оптические компоненты на полупроводниковой или диэлектрической подложках. ОИС компоненты включают источники света, оптические фильтры, фотодетекторы, тонкопленочные оптические волноводы.

Оптоэлектронная интегральная схема Технологии для интегрирования оптоэлектронных устройств и электронных схем Классифицируются как гибридные или монолитные Развитие этих технологий полностью не закончено, но на рынке представлена ограниченная гибридная интеграция.

Лучевая оптика Основные постулаты 1. Свет распространяется в виде лучей. Лучи испускаются источниками света и могут быть обнаружены оптическим детектором. 2. Оптическая среда характеризуется индексом рефракции n. n = c 0 /c; c 0 : скорость света в свободном пространстве; c: скорость света в среде=> dn Время прохождения = d/c= nd/c 0 => оптический путь

3. Длина оптического пути вдоль заданной траектории между двумя точками A and B в неоднородной среде Длина оптического пути A B ds n(r)n(r) r(x,y,z) 4. Принцип Ферма: лучи света распространяются вдоль траектории наименьшее время Может быть больше одного пути

Применение принципа Ферма => закон Снеллиуса 1 2 n2n2 n1n1 d1d1 d2d2 d A B O минимизируя Минимизируем оптический путь => Закон Снеллиуса

Простые оптические компоненты 1. Зеркала: плоское, параболическое, эллиптическое, сферическое Сферическое зеркало – лучи идут в разные точки расплывчатое изображение Параллельные лучи в фокальную точку; Лучи из центра кривизны C идут в C Лучи из A идут в B следуя уравнению изображения Параболическое зеркало – лучи идут в одну точку точное изображение Телескопы

Вывод уравнения изображения: Свет под углом 1 распространяется из P 1 на расстоянии z 1 и должен пересечь ось в точке P 2 на расстоянии z 2. P2P2 C y f 0-R/2 -z2-z2 -R-R Фокальная точка Центр кривизны Параллельные оси зеркала лучи фокусируются в точку на расстоянии Фокальная длина Уравнение изображения

P 1 (y 1, z 1 ) P 2 (y 2, z 2 ) Формирование изображения: M (= z 2 /z 1 ) : увеличение f C R z 1 - R R – z 2

2. Плоские границы (a) Внешняя рефракция: свет проходит из среды с меньшим n в среду с большим n. ( 2 < 1 ) (б) Внутренняя рефракция: свет проходит из среды с большим n в среду с меньшим n. ( 2 > 1 ) n1n1 n2n2 n1n1 n2n2 c 1 2 n 1 = n c (b) c : критический угол 1 > c падающий луч полностью отражается, как если бы поверхность была зеркалом Полное внутреннее отражение: (a) (б)(a) Внешняя Внутренняя

Призмы: d n2n2 a b c d e g < 1 < 2 d Делители луча: разбивает падающий свет на отраженный и прошедший пучки

3. Сферические границы и линзы (a) Сферические границы P1P1 P2P2 C n1n1 n2n y R y1y1 y2y2 z1z1 z2z2 принимая <<1,и т.д. Подобным образом, увеличение (б) тонкие линзы R2R2 R1R1 n P1P1 P2P2 z1z1 z2z2 o y пренебрегая сдвигом исходящего пучка где

(a) Линзы (б) Зеркала: (в) Полное внутреннее отражение n1n1 n2n2 оболочка сердцевинаn 2 < n 1 Воздух a : угол падения NA: численная апертура 3. Световоды:

Матричная оптика Техника для трассировки параксиальных лучей. Подходит для лучей, распространяющихся в одной плоскости. Луч характеризуется своей позицией и углом по отношению к оптической оси. Оптическая система описывается 2 2 матрицей, называющейся передаточной (два линейных алгебраических уравнения). Матрица представляет связь (y 1, 1 ) с (y 2, 2 ) данной оптической системы. 1 2 Входная плоскость Выходная плоскость Оптическая система (y 1, z 1 )(y 2, z 2 ) Что такое A, B, C и D.

(a) Матрицы простых оптических компонентов: Распространение в свободном пространстве d Рефракция на плоской границе n1n1 n2n2 1 2 Рефракция на сферической границе Проверьте предыдущее уравнение; выпуклая R > 0; вогнутая R < 0 Рефракция через тонкую линзу Проверьте предыдущее уравнение; выпуклая f > 0; вогнутая f < 0

Ось z определяется положительной в направлении распространения света. Отражение от сферического зеркала M1M1 M2M2 M3M3 MNMN … n1d1n1d1 n2d2n2d2 nNdNnNdN … Отражение от плоского зеркала (б) Матрицы каскадов оптических компонент: n1,d1n1,d1 n0n0 n0n0 MaMa MbMb McMc Ряд параллельных прозрачных пластин: * рассмотрим передаточную матрицу одного слоя 0, 1 : малы

* Рассмотрим матрицу двойного слоя n1,d1n1,d1 n0n0 n0n0 MaMa MbMb McMc MdMd MeMe n2,d2n2,d2 * обобщим на n слоев Для n 0 =1

d f MaMa MbMb Свободное пространство и тонкая линза:

A B C D A B C D A B C D A B C D … y0y0 0 y1y1 1 y2y2 2 y3y3 3 ymym m y m+1 m A B C D y m-1 m-1 m (в) Периодическая оптическая система: Используем два уравнения выше (y m+1, m+1 ) для исключения m Подставим в Может быть решено численно или аналитически (1) где Для всех оптических компонент....n1n1 n2n2

* Предположим решение в виде Подставим в уравнение (1) Определим = cos -1 (b/F) b F (F 2 -b 2 ) 1/2 * Общее решение для ур. (1) для F =1 0 определяется через p и q

= cos -1 b, если |b| 1, - действительная. Иначе, - мнимая. - действительная => y m - гармоническая функция; - мнимая => y m – гиперболическая функция. Гармоническое решение => пучок ограничен (стабилен) Гиперболическая функция => пучок не ограничен * Условия для периодической траектории: =>