appendice - UniNa STiDuE

APPENDICE
PROVETTE
Provetta n° 1 del '96
Un’immagine di dimensioni 10x10 mm ha una banda di frequenze spaziali di 2
linee/mm. Si esegua il progetto di massima di un sistema ottico di elaborazione a fascio
divergente che consenta di ottenere una trasformata ottica di F. con dimensioni utili di
almeno 5mm e invii l’immagine ricostruita su una telecamera il cui sensore ha
dimensioni di 7x7 mm.
~o~
Spiegare il ruolo dell’emissione spontanea nel funzionamento del laser. Cosa si intende
con la sigla ESA?
~o~
Si determini la lunghezza di coerenza di una sorgente con una larghezza di linea di 5
MHz.
~o~
Un’immagine di dimensioni 10x10 mm ha una banda di frequenze spaziali di 2
linee/mm. Si esegua il progetto di massima di un sistema ottico di elaborazione a fascio
convergente che consenta di ottenere una trasformata ottica di F. con dimensioni utili di
almeno 5mm e invii l’immagine ricostruita su una telecamera il cui sensore ha
dimensioni di 7x7 mm.
~o~
Quali sono le possibili cause di allargamento di riga?
~o~
Quali sono le dimensioni massime che un laser a gas avente una larghezza della linea
atomica di 1Ghz deve avere per poter funzionare su un solo modo longitudinale?
~o~
Si esegua il progetto di massima di un sistema ottico per elaborazione di immagini a
fascio parallelo con lente singola e immagine ricostruita reale. Si vuole che il sistema
sia adatto ad elaborare immagini di 12x12 mm, con frequenza spaziale massima di 200
linee/mm e che la trasformata abbia dimensioni massime di 2cm. La telecamera
impiegata per visualizzare l’immagine ha un sensore di 7x7mm.
~o~
Fate una breve sintesi degli impieghi industriali del laser.
~o~
Un laser a gas lungo 15 cm funziona su un solo modo longitudinale. Qual è
presumibilmente l’ampiezza della linea atomica del gas?
~o~
Si dispone di un obiettivo fotografico di grande apertura avente una distanza focale di
80 mm. Se ne discutano i possibili impieghi in sistemi per l’elaborazione ottica delle
immagini.
~o~
Cosa sono e a cosa servono gli assorbitori saturabili?
~o~
Due fenditure molto sottili sono illuminate da una ipotetica sorgente monocromatica
estesa totalmente incoerente. Quale potrebbe essere l’andamento della funzione
(Q1,Q2) che rappresenta il grado di coerenza complesso tra due punti Q1,Q2 illuminati
dalla sorgente?
~o~
Provetta n° 1 del 98
Un’immagine occupa una banda di frequenze spaziali di 5 linee/mm. Impiegando un
sistema ottico costituito solo da una sorgente puntiforme e una lente avente una distanza
focale di 10 cm, si produca una trasformata di Fourier che occupi tutta la superficie di
un sensore di 6,3.x6,3 mm.
~o~
Si vuole mandare contemporaneamente su una telecamera un’immagine di una scena
reale e un’immagine prodotta da un sistema ottico di elaborazione. La scena è a 20 m
dalla telecamera. Per il sistema di elaborazione si dispone di una sorgente puntiforme e
di una lente da 10 cm di focale. Si preveda la possibilità di eseguire un filtraggio sul
piano della trasformata. Descrivere il sistema ottico.
Si scelgano opportunamente eventuali dati mancanti. Per la composizione delle due
immagini si può usare un cubo divisore di raggio.
~o~
Un laser a He-Ne ha una spaziatura fra i modi longitudinali di 566 MHz.
Quale deve essere la lunghezza massima che consente al laser di essere unimodale?
~o~
La popolazione di un livello eccitato decade esponenzialmente secondo la legge
n2  et (t misurato in s). Quanto vale il coefficiente di probabilità di emissione
dn
spontanea? Nel tempo di 0,1 s quale è la percentuale 2 che sarà decaduta?
n2
~o~
Dite che tipi di laser usereste per le seguenti applicazioni:
taglio di pellicole plastiche
taglio di lamiere
microlavorazioni
279
chirurgia
oculistica
diagnostica ambientale
allineamento di scavi, di costruzioni
radar per usi automobilistici.
Provetta n° 2 del '96
Studiate il sistema ottico per l'elaborazione di immagini illustrato in figura.
~o~
Sicurezza laser: illustrate i criteri di pericolosità nell'uso di un laser, sia dal punto di
vista del raggio principale, che da quello dei rischi collaterali.
~o~
Calcolate gli angoli di deviazione di un reticolo con passo di 1m alla lunghezza d'onda
 = 632 nm.
~o~
Illustrate le cautele da osservare nella costruzione degli alimentatori per diodi laser di
piccola potenza.
~o~
Disegnate lo schema a blocchi di un alimentatore per laser a CO2.
~o~
Illustrate la tecnica di allineamento con due specchi di un raggio laser su un asse
geometrico predefinito.
~o~
Cercate di inquadrare l'elaborazione ottica delle immagini nell'ambito dell'elaborazione
del segnale, sottolineandone gli aspetti peculiari, le interazioni con l'elaborazione
numerica, la multidisciplinarietà, gli aspetti didattici.
~o~
Progettate un sistema ottico-numerico per il riconoscimento di immagini basato sulla
correlazione a trasformata di Fourier congiunta. Il sistema deve essere in grado di
confrontare un'immagine incognita con tre immagini campione. Le immagini, supposte
circolari, devono avere una dimensione minima di 5 mm di diametro.
~o~
In un materiale a tre livelli(figura), i tempi di vita della banda 3 e del livello 2 sono:
3 = 1,5 ms; 2 = 1,2 ms. È possibile costruire un laser con il materiale in questione?
280
3
2
1
~o~
In un ipotetico laser a cristallo a tre livelli la potenza di uscita costituisce il 60% delle
perdite della cavità mentre l'eccitazione supera quella di soglia del 20%. Sapendo che il
laser in questione funziona a 0,7 m, che il tempo di vita del livello superiore della
transizione laser è di 5 ms, che N = 2 1020 e l'inversione di popolazione critica ncr = 2
1019, calcolare il volume minimo che il materiale attivo deve avere perché il laser possa
emettere una potenza di almeno 2 W.
~o~
Un Led di Ga0,75Al0,25As risulta contaminato con impurità che esercitano sull'elettrone
un'energia di legame di 300 meV. Calcolare lo spostamento nella lunghezza d'onda di
emissione dovuto alla contaminazione.
~o~
Indicate quelli che secondo voi potrebbero essere i laser più adatti per le seguenti
applicazioni:
fotolitografia per circuiti VLSI
radar per impieghi automobilistici
fotografia ultrarapida
olografia
Aggiungete, in modo sintetico, tutte le considerazioni che ritenete opportune.
~o~
Provetta n° 2 del '97
Un diodo laser emette a 405,83 nm. La sua struttura è una eterostruttura multipla in cui
il materiale attivo è In 0,15 Ga 0,85 N separato da strati di In 0,02 Ga 0,98 N. Si cerchi di
descrivere il funzionamento di questo tipo di laser. In particolare si calcoli il valore del
salto energetico che si verifica nel materiale attivo.
~o~
In un laser a doppia eterostruttura a pozzi quantici la funzione del pozzo quantico è
essenzialmente quella di selezionare per gli elettroni coinvolti nella transizione solo
quelli i cui livelli di energia sono compatibili con il pozzo quantico. Un laser di questo
tipo emette a 416 nm. Fate ragionevoli ipotesi sulla struttura e i materiali impiegati.
~o~
281
In un certo materiale fotoconduttore la conduzione è affidata praticamente ai soli
elettroni. Si determini per due valori di tensione applicata (figura), V = 1 V e V = 10 V,
la corrente che attraversa il dispositivo quando la luce che lo illumina è 0,1 W/cm 2 e
0,01 W/cm2.
Si supponga che:
la corrente di oscurità sia trascurabile
la radiazione sia completamente assorbita
il tempo di vita dei portatori fotogenerati sia 8 s
la lunghezza d’onda della radiazione sia 550 nm.
1 mm
1 mm
0,1 mm
V
I
Determinare il numero di dinodi che consente di minimizzare la tensione di
alimentazione di un fotomoltiplicatore avente un guadagno G = 108. Calcolare il valore
della tensione di alimentazione e la variazione percentuale del guadagno in funzione
della variazione percentuale della tensione di alimentazione.
~o~
Il fotocatodo di un tubo fotomoltiplicatore presenta una soglia fotoelettrica di 600 nm.
Determinare la velocità dei fotoelettroni emessi da questo fotocatodo, quando esso viene
illuminato con impulsi di luce alla lunghezza d’onda di 440 nm. Discutere l’influenza
della velocità iniziale degli elettroni sulle caratteristiche di risposta temporale del tubo.
~o~
Si esegua il progetto di massima di un sistema ottico per elaborazione di immagini a
fascio parallelo con lente singola e immagine ricostruita reale. Si vuole che il sistema
sia adatto ad elaborare immagini di 20x20 mm, con frequenza spaziale massima di 100
linee/mm e che la trasformata abbia dimensioni massime di 1cm. La telecamera
impiegata per visualizzare l’immagine ha un sensore di 7x7mm.
~o~
Un’immagine di dimensioni 10x10 mm ha una banda di frequenze spaziali di 2
linee/mm. Si esegua il progetto di massima di un sistema ottico di elaborazione a fascio
convergente che consenta di ottenere una trasformata ottica di F. con dimensioni utili di
almeno 5mm e invii l’immagine ricostruita su una telecamera il cui sensore ha
dimensioni di 7x7 mm.
~o~
282
Un’immagine di dimensioni 10x10 mm ha una banda di frequenze spaziali di 20
linee/mm. Si esegua il progetto di massima di un sistema ottico di elaborazione a fascio
divergente che consenta di ottenere una trasformata ottica di F. con dimensioni utili di
almeno 5mm e invii l’immagine ricostruita su una telecamera il cui sensore ha
dimensioni di 7x7 mm.
~o~
Un sistema ottico filtra la trasformata di Fourier di un’immagine di fase con un filtro la
cui trasparenza è data da: H( u, v )  u, per ogni u , v  R; H( u, v )  0 altrove .
R è un parametro che definisce la banda passante del filtro. Descrivete l’effetto del
filtro.
~o~
La velocità media dei fotoelettroni emessi da un fotocatodo, quando esso viene
illuminato con impulsi di luce alla lunghezza d’onda di 440 nm, è di 345 103 m/s.
Determinare la soglia fotoelettrica del fotocatodo.
~o~
In un sistema ottico per l’elaborazione di immagini l’immagine di uscita viene acquisita
su un piano su cui non è a fuoco. Quale può essere l’effetto di tale operazione se
l’immagine di ingresso è un’immagine di fase?
~o~
Un Led di Ga0,75Al0,25As risulta contaminato con impurità che esercitano sull'elettrone
un'energia di legame di 8 meV. Calcolare la lunghezza d'onda emessa.
Provetta n° 2 del '98
È possibile correlare con il metodo della trasformata di Fourier congiunta due immagini
di 1 cm di diametro, impiegando una lente da 50 cm di focale e una telecamera con
risoluzione di 30 l/mm?
Si
No
Perché
~o~
Un ipotetico laser a cristallo a tre livelli produce una potenza di uscita di 2W. Si
supponga che essa costituisca il 60% delle perdite della cavità mentre l'eccitazione
superi quella di soglia del 20%. Sapendo che il laser in questione funziona a 0,7 m, che
il tempo di vita del livello superiore della transizione laser è di 5 ms, che N = 2 10 19 cm3
e che il volume occupato dal modo nel materiale attivo è di 2 cm 3, si calcoli
l'inversione di popolazione critica.
~o~
283
Illustrate in sintesi il problema della pericolosità del laser e classificate i laser in classi
di sicurezza.
~o~
Con il metodo della trasformata di Fourier congiunta si correlano due immagini poste in
finestre circolari uguali con il diametro di 1 cm. La trasformata congiunta viene
acquisita da una telecamera avente una risoluzione di 40 l/mm. Quale risulta la
percentuale di sovrapposizione tra le zone di correlazione?
~o~
In un ipotetico laser a cristallo a tre livelli la potenza di uscita costituisce l’80% delle
perdite della cavità mentre l'eccitazione supera quella di soglia del 10%. Sapendo che il
laser in questione funziona a 0,7 m, che il tempo di vita del livello superiore della
transizione laser è di 5 ms, che N = 2 1019 cm-3 e l'inversione di popolazione critica ncr =
2 1018 cm-3, calcolare il volume minimo che il materiale attivo deve avere perché il laser
possa emettere una potenza di almeno 2 W.
~o~
Descrivete un alimentatore per laser a gas di potenza.
Provetta n° 3 del '96
In un certo materiale fotoconduttore la conduzione è affidata praticamente ai soli
elettroni. Per due valori di tensione applicata (figura) V = 1 V e V = 10 V, si determini
la corrente che attraversa il dispositivo quando la luce che lo illumina è 0,1 W/cm 2 e
0,01 W/cm2.
Si supponga che:

la corrente di oscurità sia trascurabile

la radiazione sia completamente assorbita

il tempo di vita dei portatori fotogenerati sia 10 s

la lunghezza d’onda della radiazione sia 500 nm.
~o~
Impiegando il fotodiodo BPY12 (caratteristiche allegate) si dimensioni un semplice
circuito che fornisca una variazione di tensione da 1 a 10 V per una variazione di luce
da 250 a 1250 W/cm2 alla lunghezza d’onda di 900 nm.
1 lux = 1 lumen/m2 = 1 W/m2 a 550 nm.
~o~
Il fotocatodo di un tubo fotomoltiplicatore presenta una soglia fotoelettrica di 500 nm.
Determinare la velocità dei fotoelettroni emessi da questo fotocatodo, quando esso viene
284
illuminato con impulsi di luce alla lunghezza d’onda di 440 nm. Discutere l’influenza
della velocità iniziale degli elettroni sulle caratteristiche di risposta temporale del tubo.
~o~
Determinare il numero di dinodi che consente di minimizzare la tensione di
alimentazione di un fotomoltiplicatore avente un guadagno G = 108.
~o~
Un dispositivo a CCD è realizzato in Silicio n.
Ricordando i principi di funzionamento del dispositivo (trasferimento di cariche
generate da impulsi di comando o luce per mezzo dello scorrimento di pozzi di
potenziale), aiutandosi con la figura allegata, si determini il valore massimo che può
essere assunto dal potenziale di superficie s (legato al valore massimo che può essere
assunto dalla tensione che genera i pozzi di potenziale), perché non si crei
spontaneamente una carica di superficie (il semiconduttore deve lavorare in
svuotamento).
Nota:
~o~
Descrivete brevemente gli amplificatori ottici AFA - amplificatori a fibra attiva e OSA amplificatori ottici a semiconduttore.
~o~
Dimensionare un modulatore ottico di ampiezza a semiconduttore.
~o~
Alla lunghezza d’onda di 1300 nm che variazione di densità di corrente si dovrebbe
fornire al dispositivo per ottenere una modulazione di ampiezza del 10%?
~o~
Dimostrare che un materiale ottico non lineare con una non-linearità del 1° ordine
produce una duplicazione di frequenza.
Si supponga che non siano presenti effetti legati all’anisotropia e alla polarizzazione,
così che tutte le grandezze in gioco possano essere ritenute scalari.
~o~
Si studi il sistema ottico di figura
1
3
FWM
2
NL materiale non lineare del 2° ordine:
285
~o~
Illustrate un sistema a coniugio ottico di fase da utilizzare nel campo dell’elaborazione
ottica delle immagini.
~o~
Calcolare lo spessore di una lamina in quarto d’onda ricavata da un cristallo uniassiale,
sapendo che n0 = 1,5 e ne = 2,2.
~o~
Si consideri una lamina tagliata da un cristallo elettroottico uniassiale. Viene applicato
un campo elettrico lungo l’asse z di 10 kV/cm. Si calcoli lo spessore della lamina in
grado di trasformare da lineare lungo l’asse x a circolare la polarizzazione di un’onda di
ingresso.
n0 = 1,55 r63 = 0.83  = 630 nm.
Provetta n° 3 del '97
Un materiale elettroottico con una non linearità del secondo ordine è illuminato come in
figura e costituisce un miscelatore a quattro onde.
Disegnare il quarto raggio e dare una spiegazione intuitiva del processo.
~o~
Quale deve essere la risoluzione della lastra olografica per poter registrare l’ologramma
dell’oggetto O nella disposizione di figura?
60°
45°
O
~o~
È possibile correlare con il metodo della trasformata di Fourier congiunta due immagini
di 1 cm di diametro, impiegando una lente da 50 cm di focale e una telecamera con
risoluzione di 30 l/mm?
Si
No
286
Perché
~o~
È possibile correlare con il metodo della trasformata di Fourier congiunta due immagini
di 1 cm di diametro, impiegando una lente da 50 cm di focale e una telecamera con
risoluzione di 80 l/mm?
Si
No
Perché
~o~
È possibile correlare con il metodo della trasformata di Fourier congiunta due immagini
di 1 cm di diametro, impiegando una lente da 50 cm di focale e una telecamera con
risoluzione di 70 l/mm?
Si
No
Perché?
~o~
Con il metodo della trasformata di Fourier congiunta si correlano due immagini poste in
finestre circolari uguali con il diametro 1 cm. La trasformata congiunta viene acquisita
da una telecamera avente una risoluzione di 40 l/mm. Quale risulta la percentuale di
sovrapposizione tra le zone di correlazione?
~o~
Con il metodo della trasformata di Fourier congiunta si correlano due immagini poste in
finestre circolari uguali con il diametro 1 cm. La trasformata congiunta viene acquisita
da una telecamera avente una risoluzione di 40 l/mm. Quale risulta la percentuale di
sovrapposizione tra le zone di correlazione?
~o~
Con il metodo della trasformata di Fourier congiunta si correlano due immagini poste in
finestre circolari uguali con il diametro 1 cm. La trasformata congiunta viene acquisita
da una telecamera avente una risoluzione di 40 l/mm. Quale risulta la percentuale di
sovrapposizione tra le zone di correlazione?
~o~
Con il metodo della trasformata di Fourier congiunta si correlano due immagini poste in
finestre circolari uguali con il diametro 1 cm. La trasformata congiunta viene acquisita
da una telecamera avente una risoluzione di 40 l/mm. Quale risulta la percentuale di
sovrapposizione tra le zone di correlazione?
~o~
Breve descrizione e parametri fondamentali del laser a CO2.
~o~
287
Qual è il parametro massimo che non si può superare in un laser a diodo?
~o~
In un alimentatore switching quale è il parametro che controlla l’impedenza di uscita
del generatore?
~o~
Descrivete un alimentatore per scarica impulsata nei gas, con interruttore a tyratron.
~o~
Quali sono le cause della deformazione dell’impulso nelle fibre monomodali?
~o~
Un sistema di trasmissione di impulsi in fibra monomodo eccitato da un Led nella
banda dei 1300 nm da quale distorsione è prevalentemente affetto e perché?
~o~
Calcolare l’angolo di accettazione di una fibra ottica multimodale in cui il core ha un
indice di rifrazione di 1,543 e il cladding di 1,540.
~o~
Citate i principali parametri di qualità dei fasci di fibre per endoscopi.
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Indice del capitolo
Indice generale
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