Учебно-методический комплекс специализации «Физическое материаловедение» Обсужден и принят на заседании кафедры экспериментальной физики. Протокол № от 200 г

Вид материала

Учебно-методический комплекс

Содержание Сборник рабочих программ по дисциплинам специализации «Физическое материаловедение» 3. Электронная структура атомов молекул и наночастиц Рабочая программа Пояснительная записка к курсу «Основы фотоники» Программа курса «Основы фотоники» Лабораторный исследовательский практикум

Подобный материал:

• Учебно-методический комплекс по дисциплине «цены и ценообразование» Программа и методические, 632.17kb.
• Учебно-методический комплекс Рабочая учебная программа для студентов одо и озо специальности, 586.96kb.
• Учебно-методический комплекс Рабочая учебная программа. Методические указания по выполнению, 331.05kb.
• Учебно-методический комплекс обсужден на заседании кафедры «Математика и информатика», 778.25kb.
• Учебно-методический комплекс обсужден на заседании кафедры «Экономики и менеджмента», 4784.46kb.
• Учебно-методический комплекс обсужден на заседании кафедры «Философия и политология», 8372.98kb.
• Учебно-методический комплекс обсужден на заседании кафедры «Экономика и менеджмент», 710.92kb.
• Учебно-методический комплекс по дисциплине «маркетинговые иследования» Учебное пособие, 1390.13kb.
• Учебно-методический комплекс по дисциплине «промышленный маркетинг» Учебное пособие, 1440.18kb.
• Учебно-методический комплекс по дисциплине «мерчендайзинг» Программа и методические, 326.86kb.

Сборник рабочих программ по дисциплинам специализации

«Физическое материаловедение»

1.Основы фотоники

2. Экспериментальные методы в физике твердого тела

3. Электронная структура атомов молекул и наночастиц

4. Физика полупроводников и диэлектриков.

5. Эмиссионные методы анализа

6. Металлофизика

7. Физико-химия наноматериалов

8. Процессы получения наноматериалов и наноструктур

9. Лаб. практикум «Физико-химические процессы в регистрирующих системах»

10. Спец. семинар «Исследование процессов в конденсированных средах»


Федеральное агентство по образованию

ГОУ ВПО «Кемеровский государственный университет»

Кафедра экспериментальной физики


УТВЕРЖДАЮ:

Декан физического факультета

Д.ф.-м.н., проф. Ю.Н. Журавлев

________________

«___» ________2008 г.





РАБОЧАЯ ПРОГРАММА

по дисциплине специализации «Основы фотоники»

для специальности 010701 «Физика»

факультет: Физический


Курс: 3

Семестр: 5

Лекции: 36 час.

Лабораторные работы: 18 час. Зачет: 5 семестр

Самостоятельная работа: 46 час.

Всего часов: 100 час.

Составитель:

к.ф.-м.н., ст. преп. КЭФ КемГУ, Севостьянов О.Г.


Кемерово – 2008


Рабочая программа составлена на основании Государственного образовательного стандарта высшего профессионального образования по специальности 010701 «Физика».


Рабочая программа обсуждена на заседании кафедры экспериментальной физики

Протокол № ____ от «___» ____________ 2008 г.

Зав. кафедрой д.ф.-м.н. профессор ___________ Л.В. Колесников


Одобрено методической комиссией физического факультета

Протокол № ____ от «___» ___________ 2008 г.

Председатель к.ф.-м.н. доцент М.Л. Золотарев


Пояснительная записка к курсу «Основы фотоники»

Курс «Основы фотоники» является частью цикла дисциплин, предполагаемых программой специализации “Физическое материаловедение” и имеет целью ознакомить студентов с физическими основами и современным состоянием относительно нового раздела физики - “Фотоника”, окончательно сформировавшегося в течение последних двух десятилетий на стыке физики твердого тела, оптоэлектроники, оптической спектроскопии, интегральной оптики, квантовой электроники, нелинейной и когерентной оптики, а так же, оптоинформатики, которая сегодня, фактически, является неотъемлемой составной частью фотоники. Вопросы, охватываемые данной дисциплиной, достаточно полно характеризуют возможности, предоставляемые современной физической наукой для управления световыми потоками, оптической сенсорики, и анализа данных в оптических (в т.ч. – всеоптических) системах.

Перспективный спрос на специалистов в области фотоники (включая, биофотонику), уже имеющий место в крупнейших зарубежных исследовательских центрах, начинает формироваться и в России. В частности, правительством РФ сформулированы приоритеты в сфере телекоммуникационных систем, оптоинформатики, волоконной и интегральной оптики, оптических систем безопасности и др. направлений в фотонике, считающихся вершиной современных высоких технологий. Прогнозируется развитие предприятий и компаний, выпускающих и использующих оборудование оптоволоконных кабельных сетей (телевидение, интернет, оптические локальные сети, телефония), экологического мониторинга (лидарные и традиционные оптические системы спектрального анализа), оптического кодирования (включая массовые штрих-системы и квантовые криптоканалы высокой надежности) и пр.

Для успешного освоения курса необходимо:

Владение основами векторного и тензорного анализа, дифференциального и интегрального исчисления, базовыми знаниями теории функций комплексного переменного и теории вероятностей. Студентами должен быть полностью освоены базовый курс оптики и основные положения физики твердого тела.

В результате освоения курса студент будет владеть:

фундаментальными основами фотоники и нанофотоники, т.е.: основами физики, техники и элементами технологии активных оптических систем обработки информации, методами исследования и тестирования лазерных и широкополосных оптических комплексов различного прикладного назначения, а так же актуального набора оптических материалов; методами выполнения специальных оптико-физических измерений и исследований.


Программа курса «Основы фотоники»

1. Предмет фотоники. Развитие представлений об оптических технологиях. Оптическая связь. Волоконные сети. Концепция “Fiber-to-home”. Системы оптической обработки и хранения данных. Оптические компьютеры. Оптическая диагностика.

2. Приборы и материалы фотоники. Источники излучения. Лазеры. Полупроводниковые излучатели и детекторы. Общая характеристика применяемых материалов. Изотропные и анизотропные кристаллы. Жидкокристаллические материалы. Аморфные материалы. Материалы для сигнальной и силовой фотоники.

3. Свет в электрооптических средах. Оптическая индикатриса кристаллического материала. Электрооптические эффекты Поккельса и Керра. Механизмы эффектов. Феноменологическое описание. Тензор электрооптических коэффициентов и его симметрия.

4. Свет в магнитооптических средах. Магнитооптические эффекты Фарадея и Керра. Механизмы эффектов. Циркулярное магнитное двупреломление. Расчет разности показателей преломления для правой и левой циркулярной поляризации. Свойство “невзаимности” в магнитооптических средах.

5. Свет в фоторефрактивных средах. Концепция фоторефрактивного эффекта. Фоторефрактивные кристаллы. Фотовольтаический, диффузионный и дрейфовый механизмы формирования пространственного заряда. Расчет вкладов в фотоиндуцированное изменение показателя преломления.

6. Акусто-оптическое взаимодействие. Типы акустических волн в твердых телах. Феноменология и механизмы акустооптического эффекта. Режимы дифракции Брэгга и Рамана-Ната. Пример акустооптической ячейки.

7. Термо- и пьезо- оптический эффекты. Светоиндуцированное просветление и поглощение. Оценка вклада ТОЭ в изменение коэффициента экстинкции. Механические напряжения в кристаллической решетке. Тензор 4-го ранга пьезооптических коэффициентов. Оценка вклада пьезо- эффектов при модуляции параметров кристаллической среды за счет внешних факторов.

8. Оптическая фильтрация. Прямое и обратное преобразования Фурье в оптической системе. Схемы Фурье-процессоров. Типы часто реализуемых математических операций. Фильтрация в частотной плоскости. Оценка возможностей корреляционного анализа в Фурье-оптике.

9. Передача оптических сигналов. Активные и пассивные оптические волноводы. Волоконная и дистанционная оптическая связь. Условия и режимы. Типы оптических волноводов. Активные волоконные компоненты. Диэлектрические планарные и канальные волноводы. Дисперсия. Моды. Профили показателя преломления. Потери. Методы формирования.

10. Нелинейно-оптические методы преобразования излучения.

Фазовый и квазифазовый синхронизм. Генерация второй гармоники; ее реализация в периодических системах и в режимах “на отражение”. Параметрические процессы. “Up-“ и “Down-” конверсия в активных средах. “Волшебное зеркало”.

11. Оптические солитоны. Квадратичная и кубическая диэлектрическая восприимчивость. Пространственные и временные оптические солитоны. Нелинейное уравнение Шредингера. Светлые и темные пространственные солитоны. Дискретные солитоны.

12. Фотонные кристаллы. Теория связанных мод. Фотонная запрещенная зона. Брэгговская решетка как возможная основа фотонного кристалла. Брэгговские солитоны. Двумерные фотонные кристаллы. Методы изготовления оптических компонентов с регулярной периодической структурой. Структурированное оптическое волокно.

13. Элементарные возбуждения на границе раздела сред. Принципы нанофотоники. Особенности оптических процессов на границе раздела сред. Поляритоны. Поверхностные фонон-поляритонные и плазмон-поляритонные возбуждения. Дисперсия поверхностных поляритонов. Регулярная структура поверхности и распространение поверхностных волн. “Запрещенные” оптические компоненты, реализуемые методами наноструктурирования поверхности. Оптические микрорезонаторы.

14. Компоненты активных оптических систем. Модуляторы, дефлекторы, затворы, перестраиваемые фильтры, селективные отражатели, конвертеры частоты и волнового фронта. Управление светом с помощью света. Всеоптические системы.

15. Интегрально-оптические активные и пассивные компоненты. Внедренные, полосковые, гребенчатые, погруженные канальные волноводы. Ввод-вывод излучения в интегрально-оптические схемы. Распределенные системы. Интегрально-оптические линзы, зеркала, фильтры частот, поляризаторы, интегральные конвертеры, усилители, интегрально-оптические лазеры. Компоненты WDM и DWDM устройств.

16. Оптические неразрушающие и зондирующие методы контроля физических и физико-химических параметров. Оптическая сенсорика. Оптические датчики электрических и магнитных полей, температуры, доз излучения. Оптические планшеты с НПВО. Компактные селективные и широкополосные лазерные спектрометры и спектрофотометры. Зондирование атмосферы и дистанционный спектральный анализ. Лидары.

17. Оптическая гирометрия. Эффект Саньяка. Опыт Майкельсона-Гейля. Контур оптического гироскопа. Коэффициент увлечения Френеля. Волоконно-оптический гироскоп. Квантовый оптический гирометр. Применения и перспективы оптической гирометрии в наземной и аэро-космической навигации.

18. Квантовая телепортация и квантовые криптосистемы. Принцип неопределенности Гейзенберга. Парадокс Энштейна-Подольского-Розена. Поляризация фотонов. Запутанные состояния. Передача и определение состояния поляризации. Генерация ключа. Организация квантового криптоканала. Боб и Алиса. Вмешательство осторожной Евы. Устойчивость квантового криптоалгоритма. Проблемы и перспективы квантового шифрования в оптических сетях.


Лабораторный исследовательский практикум

Работа №1: Оптическая фильтрация и Фурье-процессоры.

Работа №2: Запись фазовых голограмм в фотосегнетоэлектриках.

Работа №3: Планарные и канальные оптические волноводы.


Список литературы

1. А. И. Ларкин, Ф. Т. С. Юу. Когерентная фотоника, Бином, 2007, 320 с.
   
2. Шандаров В.М. Основы физической и квантовой оптики, ТУСУР, 2005, 260 с.
   
3. Котюк А.Ф., Иванов В.С., Золотаревский Ю.М. Основы оптико-электронных измерений в фотонике, Логос, 2004, 496 с.
   
4. Волноводная оптоэлектроника / Под ред. Т. Тамира.- М.: Мир, 1991
   
5. Салех Б., Тейх М. Основы фотоники, Интеллект, 2008
   
6. Месхеде П. Современная оптика и нанофотоника, Интеллект, 2008
   
7. Астапенко В.А. Физические основы фотоники, М.:МФТИ, 2005, 104 с.
   
8. А. Ярив, П. Юх, Оптические волны в кристаллах, М.:Мир, 1987.
   
9. М. Адамс, Введение в теорию оптических волноводов, М.:Мир, 1984.
   
10. Ахманов С.А., Никитин С.Ю. Физическая оптика, М.:МГУ, 1998. 626 с..
    
11. Блистанов А.А. Кристаллы квантовой и нелинейной оптики. М.: МИСИС, 2000. 432 с.
    
12. Гиббс Х. Оптическая бистабильность. Управление светом с помощью света. М.: Мир, 1988. 520 с..
    
13. Воронцов М.А. и др. Управляемые оптические системы. М.: Наука, 1988. 292 с.
    
14. Дмитриев В.Г., Тарасов Л.В. Прикладная нелинейная оптика. М.: Физматлит, 2004. 512 с.
    
15. Келих С. Молекулярная нелинейная оптика. - М.: Наука, 1981. 672 с.
    
16. Най Дж. Физические свойства кристаллов. М.: Мир, 1967. 324 с.
    
17. Нарасимхамурти Т. Фотоупругие и электрооптические свойства кристаллов. М.: Мир, 1984. 586 с.
    
18. Петров М.П. и др. Фоторефрактивные кристаллы в когерентной оптике. СПб.: Наука, 1992. 320 с.
    
19. Хаус Х. Волны и поля в оптоэлектронике. М.: Мир, 1998.
    
20. Шен И.Р. Принципы нелинейной оптики. М.: Мир, 1989.
    
21. Ярив А. Введение в оптическую электронику. - М.: Высш. шк., 1983. 398 с.
    
22. В.И.Бусурин, Ю.Р.Носов "Волоконно-оптические датчики: физические основы, вопросы расчёта и применения", Энергоатомиздат, 1990
    

Контрольно-измерительные материалы по курсу «Основы фотоники»

• Задачи фотоники. Области приложений.
  
• Инструментарий и материалы фотоники.
  
• Излучение и детектирование света.
  
• Электрооптический эффект
  
• Магнитооптический эффект
  
• Фоторефрактивный эффект
  
• Термооптический и пьезооптический эффекты
  
• Акусто-оптическое взаимодействие.
  
• Оптическая фильтрация.
  
• Передача оптических сигналов.
  
• Активные и пассивные волноводы.
  
• Нелинейно-оптические методы преобразования излучения.
  
• Оптические солитоны.
  
• Фотонные кристаллы.
  
• Элементарные возбуждения на границе раздела сред.
  
• Модуляторы, дефлекторы, затворы, фильтры и другие преобразователи световых пучков.
  
• Интегрально-оптические активные и пассивные компоненты.
  
• Оптические сенсоры.
  
• Лазерные спектрометры и лидары.
  
• Оптическая гирометрия.
  
• Квантовая телепортация и квантовые криптосистемы.
  

Дополнения и изменения к рабочей программе по курсу

«Основы фотоники»