Квантовая электроника и нелинейная оптика выписка из гос впо (радиофизика и электроника 013800)
| Вид материала | Документы |
- Программа по дисциплине теория свч-цепей для специальности 013800 Радиофизика и электроника, 163.1kb.
- Учебная программа Дисциплины дс. 05 «Квантовая радиофизика» по специальности 010801, 162.47kb.
- 013800 радиофизика и электроника, 439.92kb.
- Н. Г. Чернышевского кафедра радиофизики и нелинейной динамики рабочая программа, 187.9kb.
- Н. Г. Чернышевского кафедра радиофизики и нелинейной динамики рабочая программа, 147.36kb.
- Н. Г. Чернышевского кафедра радиофизики и нелинейной динамики рабочая программа, 171.04kb.
- Н. Г. Чернышевского кафедра радиофизики и нелинейной динамики рабочая программа, 171.82kb.
- Методические указания по дисциплине физические основы оптической связи (специальность, 172.03kb.
- М. К. Аммосова рабочая программа, 148.46kb.
- Н. Г. Чернышевского кафедра радиофизики и нелинейной динамики рабочая программа, 126.66kb.
ОПИСАНИЕ КУРСА «КВАНТОВАЯ ЭЛЕКТРОНИКА И НЕЛИНЕЙНАЯ ОПТИКА»
1. Выписка из ГОС ВПО (радиофизика и электроника - 013800)
| ДС.05 | Квантовая радиофизика Основные типы лазеров, отклик среды на действие электромагнитного поля, механизмы оптической нелинейности сред, многофотонные процессы, лазерная спектроскопия. |
2. Лектор – доцент, к.ф.-м.н. Реутов Адольф Тимофеевич.
.rudn.ru/web-local/prep/prep_1631/
3. Цель курса - приобретение студентами знаний по теории квантовых переходов в активных средах мазеров и лазеров, применение полученных знаний для изучения физики работы мазеров и лазеров, ознакомление с возможностями применения лазерного излучения для реализации нелинейно-оптических эффектов.
4. Содержание и организационно-методическое построение курса
Лекционный курс состоит из трех разделов и читается в седьмом семестре студентам 4-го курса по специальности «Радиотехника и электроника». В первом и втором разделах курса рассматриваются основные свойства активных сред мазеров и лазеров, анализируются особенности принципа действия, конструкций и характеристик мазеров и лазеров. Третий раздел посвящен анализу свойств нелинейных оптически прозрачных сред и основных нелинейных оптических эффектов в них.
В течение семестра студенты должны выполнить два индивидуальных домашних задания, состоящих из одного вопроса по теории и одной задачи и пройти компьютерное тестирование, состоящее из десяти вопросов по основам квантовой теории и принципам работы мазеров и лазеров. В конце семестра студенты сдают экзамен.
В восьмом семестре в качестве продолжения этого курса студенты выполняют 4 лабораторные работы в Специальном учебном практикуме. В конце семестра при условии выполнения всех работ и результатов собеседования по теории изучаемых эффектов выставляется зачет.
| 5. Календарный план учебных занятий по дисциплине “КВАНТОВАЯ ЭЛЕКТРОНИКА И НЕЛИНЕЙНАЯ ОПТИКА” (54 часа) | недели |
| Лекция N.1. Предмет и задачи курса. Индуцированные переходы и их роль в работе квантовых усилителей и генераторов. Принцип действия и классификация квантовых генераторов и усилителей. История развития квантовой электроники и нелинейной оптики. | 1 |
| Лекция N.2. Основные положения квантовой теории. Эрмитовы операторы. Уравнение Шредингера. Свойства волновых функций. Некоторые важные случаи решения уравнения Шредингера: ротатор, гармонический осциллятор, квантование в потенциальном ящике, туннельный эффект. Векторная модель атома. | 2 |
| Лекция N.3. Электрические и магнитные дипольные моменты атомов. Электрические и магнитные дипольные переходы. Дираковский формализм. Гамильтониан атома в электромагнитном поле. Взаимодействие двухуровневой частицы с электромагнитным полем в рамках нестационарной теории возмущения. Зависимость коэффициентов |an|2 от частоты. Вероятность индуцированного перехода в приближении двухуровневой частицы с бесконечно узкими уровнями и с уровнями конечной ширины. | 3 |
| Лекция N.4. Матричные элементы дипольных моментов и правила четности состояний. Квантование электромагнитного поля в резонаторе. Нулевые колебания поля. Матричные элементы гамильтониана возмущения при взаимодействии двухуровневой частицы с квантованным электромагнитным полем. Спонтанные и индуцированные переходы. | 4 |
| Лекция N.5. Вероятность перехода с одного уровня на другой с учетом квантовых свойств поля в приближении двухуровневой частицы с бесконечно узкими уровнями. Спектральная плотность осцилляторов поля. Вероятность спонтанного перехода частицы в многомодовом резонаторе. Вероятность индуцированного перехода с учетом уширения энергетических уровней и немонохроматичности поля. | 5 |
| Лекция N.6. Оператор и матрица плотности, их основные свойства. Зависимость матрицы плотности от времени. Излучательная и безызлучательная релаксация. Времена продольной и поперечной релаксации. | 6 |
| Лекция N.7. Уравнения движения для матрицы плотности и среднего дипольного электрического момента в приближении ансамбля двухуровневых частиц. Уравнения движения для электрической поляризации и разности населенностей при взаимодействии ансамбля двухуровневых частиц с электромагнитным полем. | 7 |
| Домашнее задание N.1 | 7 |
| Лекция N.8. Уравнения электромагнитного поля в среде при электродипольных переходах. Комплексная линейная восприимчивость среды при дипольных электрических переходах. Эффекты дисперсии фазовой скорости, поглощения и усиления электромагнитных волн при электродипольных переходах. Коэффициент усиления активной среды. Однородное и неоднородное уширение спектральных линий. | 8 |
| Лекция N.9. Причины, приводящие к однородному уширению спектральных линий: явления излучательной и безызлучательной релаксации. Причины, приводящие к неоднородному уширению спектральных линий. Доплеровская форма спектральной линии в газе. Эффект насыщения при дипольных переходах и его влияние на форму спектральных линий. Усиление и поглощение электромагнитных волн при дипольных переходах с учетом эффекта насыщения. | 9 |
| Лекция N.10. Магнитнодипольные переходы в парамагнетике. Явление магнитного резонанса: ЭПР и ЯМР. Уравнения Блоха для парамагнетика. Магнитная восприимчивость парамагнетика. Коэффициент поглощения и усиления в парамагнетике при магнитном резонансе. | 10 |
| Компьютерное тестирование | 10 |
| Лекция N.11. Мазеры и лазеры: особенности их принципа действия и конструкции. Укороченные уравнения для электрической поляризации и электромагнитного поля в резонаторе. Условие самовозбуждения квантового генератора. | 11 |
| Лекция N.12. Молекулярный генератор на пучке молекул аммиака. Электрическая сортировка молекул по энергетическим состояниям. Условие самовозбуждения, мощность генерации. Частота установившихся колебаний молекулярного генератора. Применение молекулярных генераторов. | 12 |
| Лекция N.13. Методы создания состояния с отрицательной температурой в парамагнетиках Принцип действия, конструкции и характеристики парамагнитных усилителей: усилитель типа бегущей волны, усилитель с резонатором. Применение парамагнитных усилителей. | 13 |
| Лекция N.14. Принцип действия и особенности конструкции лазера. Основные типы лазеров и методы создания инверсной населенности в них. Вывод скоростных уравнений для лазера. Условие самовозбуждения лазера. Стационарный режим работы лазера: плотность энергии поля в резонаторе и мощность генерации лазера. Основные свойства лазерного излучения. | 14 |
| Домашнее задание N.2 | 14 |
| Лекция N.15. Нелинейность оптически прозрачных сред. Основные нелинейные оптические эффекты в средах с квадратичной и кубичной нелинейностью. | 15 |
| Лекция N.16. Трехчастотное взаимодействие световых волн в среде с квадратичной нелинейностью. Уравнения электромагнитных волн в среде с квадратичной нелинейностью. Условие пространственного синхронизма при нелинейных волновых взаимодействиях. Законы сохранения энергии и импульса при взаимодействии волн в нелинейных средах. | 16 |
| Лекция N.17. Эффект удвоения частоты света в кристаллах с квадратичной нелинейностью. Коэффициент преобразования по мощности при удвоении частоты света. Метод компенсации фазовой волновой расстройки с использованием анизотропии кристаллов. Параметрическое усиление света при трехчастотном взаимодействии. | 17 |
| Лекция N.18. Параметрическая люминесценция. Параметрический генератор света. Вынужденное комбинационное рассеяние света. Комбинационный лазер. | 18 |
6. Бальные оценки:
Теоретический курс:
Посещение лекций 0 - 10,
Дом. задание №1 0 - 10,
Дом. задание №2 0 - 10,
Компьютерное тестирование 0-10
итого 0 - 40.
Экзамен:
удовл. 27 - 41,
хор. 42 - 52,
отл. 53 - 60.
СуммарнаЯ оценка по всем видам работ:
удовл. 51-70,
хор. 71-89,
отл. 90-100.
7. Учебно-методические материалы, используемые для реализации курса
Список литературы
Основная
- Реутов А.Т. Курс лекций «Квантовая электроника», часть 3 «Нелинейная оптика», РУДН, 2008 г.
- Реутов А.Т. Курс лекций «Квантовая электроника», части 1 и 2 (в электронном виде).
- Реутов А.Т. Курс лекций «Физика лазеров» ч. 1 "Основные свойства активных сред лазеров". РУДН, 2006 г.
- Р.Пантел, Г.Путхоф "Основы квантовой электроники", М., Мир, 1972г. (имеется в электронном виде).
- А.Ярив "Квантовая электроника и нелинейная оптика", М, Советск. радио, 1973г.
- А.Ярив "Квантовая электроника", издание второе, М, Советск. радио, 1980г.
- О.Звелто. "Принципы лазеров", М., МИР, 1990 г., 560 стр., (имеется в электронном виде)
- О.Звелто. "Физика лазеров", М., МИР, 1979 г., 373 стр.
- Р.Шен. "Принципы нелинейной оптики", М., 1989 г., 560 стр.
- Л.Д.Степин "Курс лекций по квантовой радиофизике", Харьков, Изд. харьковского Университета, 1962 г.
Дополнительная
- Г.М.Страховский, А.В. Успенский "Основы квантовой электроники", М., Высшая школа, 1973 г.
- А.Мэйтланд, М.Дан."Введение в физику лазеров", М.,"Наука", 1978 г.
- Ф.Качмарек."Введение в физику лазеров", М. МИР, 1981, 540 cтр. (отдельные главы имеются в электронном виде)
- Н.В.Карлов. "Лекции по квантовой электронике", М.,"Наука", 1988г., 336 стр.
- Маленькая энциклопедия «Квантовая электроника», Изд. Советская энциклопедия, 1969 г. (отдельные статьи в электронном виде)
8. Материально-техническое обеспечение дисциплины и программное обеспечение
В Спецлаборатории имеются 4 лабораторные установки, соответствующие названным в пункте 6. лабораторным работам.
Имеется 1 компьютер с установленными на нем следующими программами: лицензионной операционной системой Windows XP pro, свободно распространяемыми: Open Оffice 2.3, Graph Digitizer 1.9, файловыми менеджерами Far 1.4 и Free Commander, архиватором 7-Zip File Manager 4.58.
Кроме того, студенты в процессе выполнения лабораторных работ и домашних заданий широко используют математическую программу Mathcad, однако, за неимением в лабораторном компьютере такой программы, студенты вынуждены пользоваться приносимыми в лабораторию собственными ноутбуками с установленной на них соответствующей программой.