Н. Г. Чернышевского Физический факультет утверждаю проректор по умр профессор Е. Г. Елина " " 2011 г. Рабочая программа

Вид материала

Содержание

Подобный материал:

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ

РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

Саратовский государственный университет имени Н.Г. Чернышевского

Физический факультет

УТВЕРЖДАЮ

Проректор по УМР

профессор Е.Г. Елина

___________________________

"__" __________________2011 г.

Рабочая программа дисциплины

Нелинейная оптика в биофизических исследованиях

Направление подготовки

011200 Физика

Профиль подготовки

Биофизика

Квалификация (степень) выпускника

Бакалавр

Форма обучения

очная

Саратов, 2011

1. Цели освоения дисциплины

Цели освоения дисциплины «Нелинейная оптика в биофизических исследованиях» состоят в обеспечении студентов знаниями и навыками в области математических и естественно-научных знаний, связанных с одним из основных направлений современной когерентной оптики- физики лазеров и волоконной оптики, в выработке практических навыков решения физических проблем в области лазерной физики и ее практических применений таких как биомедицинская лазерная диагностика, в получении высшего профессионально профилированного образования в области лазерной физики и оптических световодов, позволяющего выпускнику успешно работать в избранной сфере деятельности в РФ и за рубежом, обладать универсальными и предметно специализированными компетенциями, способствующими его социальной мобильности, востребованности на рынке труда и успешной профессиональной карьере.

2. Место дисциплины в структуре ООП бакалавриата

Дисциплина «Нелинейная оптика в биофизических исследованиях» относится к Профессиональному циклу (Б.3), вариативной части этого цикла (Б3В8).

Дисциплина « Нелинейная оптика в биофизических исследованиях» в рамках учебного плана следует за взаимосвязанными с нею дисциплинами профессионального цикла профиля Медицинская фотоника с такими как «Физические основы лазерных измерений», «Компьютеры в экспериментальной физике», «Цифровая обработка сигналов и изображений», а также основной дисциплины «Оптика» базовой (общепрофессиональной) части профессионального цикла. Дисциплина «Нелинейная оптика в биофизических исследованиях» призвана формировать знания в области теории когерентных оптических систем с точки зрения принципов преобразования комплексных оптических сигналов.

При освоении данной дисциплины необходимы знания по следующим разделам общего курса физики: электричество и магнетизм, колебания и волны, волновая оптика, а также математики: математический анализ, аналитическая геометрия, теория функций комплексного переменного, дифференциальные уравнения.

Студенты должны иметь навыки самостоятельной работы с учебными пособиями и монографической учебной литературой, умение решать физические задачи, требующие применения дифференциального и интегрального математического аппарата, умение производить приближенные преобразования аналитических выражений, навыки работы на компьютере с математическими пакетами программ (например, MathCad, MathLab, Mathematica), графическим (например, Origin Pro), графическим для схемных решений (например, CorelDraw) и текстовыми (например, MS Word, MS Excel) редакторами, умение программировать (например, в среде MS Quick BASIC) и использовать численные методы решения физических задач, иметь навыки работы на физических экспериментальных установках, умение оформления результатов экспериментов с использованием графического материала и с оценкой погрешностей измерений.

Знания, полученные при освоении дисциплины « Нелинейная оптика в биофизических исследованиях» необходимы при освоении дисциплин профессионального цикла профиля «Биофизика»: «Фотобиофизика», «Когерентно-оптические методы в физике живых систем»,«Методы фотомедицины», «Спецпрактикум 2».

Дисциплин « Нелинейная оптика в биофизических исследованиях» базируется на общности теоретических методов исследований в оптике с одной стороны, и в радиофизике, теории связи, с другой стороны. Поэтому данная дисциплина тесно связана с такими дисциплинами Математического и естественнонаучного цикла (Б.2) как «Теория случайных процессов и полей» и «Оптика».

3 Компетенции обучающегося, формируемые в результате освоения дисциплины «Нелинейная оптика в биофизических исследованиях»

В результате освоения дисциплины «Нелинейная оптика в биофизических исследованиях» должны формироваться в определенной части следующие компетенции:

общекультурные:

способностью использовать в познавательной и профессиональной деятельности базовые знания в области математики и естественных наук (ОК-1);

способностью приобретать новые знания, используя современные образовательные и информационные технологии (ОК-3);

способностью собирать, обрабатывать и интерпретировать с использованием современных информационных технологий данные, необходимые для формирования суждений по соответствующим социальным, научным и этическим проблемам (ОК-4);

способностью овладеть основными методами, способами и средствами получения, хранения, переработки информации, иметь навыки работы с компьютером как средством управления информацией (ОК-12);

способностью к письменной и устной коммуникации на родном языке (ОК-13),

способностью использовать в познавательной и профессиональной деятельности навыки работы с информацией из различных источников (ОК-16),

способностью использовать в познавательной и профессиональной деятельности базовые знания в области информатики и современных информационных технологий, навыки использования программных средств и навыков работы в компьютерных сетях; умением создавать базы данных и использовать ресурсы Интернет (ОК-17);

общепрофессиональные:

способностью использовать базовые теоретические знания для решения профессиональных задач (ПК-1);

способностью применять на практике базовые профессиональные навыки (ПК-2);

способностью эксплуатировать современную физическую аппаратуру и оборудование (ПК-3);

способностью использовать специализированные знания в области физики для освоения профильных физических дисциплин (в соответствии с профилем подготовки) (ПК-4);

способностью применять на практике базовые общепрофессиональные знания теории и методов физических исследований (в соответствии с профилем подготовки) (ПК-5);

способностью пользоваться современными методами обработки, анализа и синтеза физической информации (в соответствии с профилем подготовки) (ПК-6);

способностью понимать и излагать получаемую информацию и представлять результаты физических исследований (ПК-10).

В результате освоения дисциплины обучающийся должен:

•Знать:

-Теоретические основы нелинейного взаимодействия резонансного излучения со средой, состоящей из атомов, молекул, кристаллов, включая полупроводники

- Основы теории генерации второй гармонике в нелинейных кристаллах;

-Основные понятия параметрической генерации света;

- Области применения методов нелинейной оптики в биомедицине для диагностики; методы получения сверх коротких лазерных импульсов в режиме синхронизации мод и генерации суперконтинуума.

•Уметь:

- излагать и критически анализировать основные положения нелинейной оптики;

пользоваться теоретическими основами распространения монохроматического оптического излучения в нелинейной среде ;

- пользоваться теоретическими основами Фурье-оптики и оптической спектроскопии для измерения основных параметров лазерного излучения, включая когерентные, спектральные и поляризационные свойства излучения в режиме генерации лазерных импульсов

•Владеть:

- - методами расчета эффективности преобразования лазерного излучения во вторую и третью гармонику;

- практическими навыками экспериментальной работы с твердотельными лазерами с диодной накачкой и умением управления параметрами излучения.

4. Структура и содержание дисциплины «Нелинейная оптика в биофизических исследованиях»

Общая трудоемкость дисциплины составляет __3_______ зачетных единиц ___108______ часов.

4.1. Структура дисциплины

№ п/п	Раздел дисциплины	Семестр	Неделя семестра	Виды учебной работы, включая самостоятельную работу студентов и трудоемкость (в часах)				Формы текущего контроля успеваемости (по неделям семестра) Формы промежуточной аттестации (по семестрам)
1	Нелинейные явления в биомедицинской оптике.	7	1-3	Л4		СР4
2	Модель нелинейного осциллятора. Нелинейная оптическая поляризация	7	3-6	Л6	ЛР12	СР4
3	нелинейные параметрические уравнения.	7	6-8	Л6		СР4
4	Генерация второй гармоники. Условие фазового синхронизма	7	8-11	Л4	ЛР12	СР4
5	Параметрические оптические генераторы. Многофотонные процессы	7	11-13	Л6	ЛР6	СР6
6	Синхронизации мод в лазерах и ее разрушение. Генерация оптических импульсов. Генерация суперконтинуума.	7	13-14	Л4	ЛР12	СР8
7	ВКР. Лазерный Раман конфокальный томограф	7	14-15	Л6	ЛР12	СР6
	Итого по всему курсу:			18	54		36	зачет

4.2. Содержание дисциплины

1.Нелинейные явления и возможность их использования в биомедицинской оптике. Генерации второй гармоники, генерация суммарной и разностной частот, многофотонные процессы. Нелинейный показатель преломления в лазерах, явление самофокусировки.

2. Физическое происхождение нелинейной оптической поляризации.

Модель нелинейного осциллятора, нелинейная оптическая поляризация на второй гармонике. Основные соотношения.

Нелинейный оптический коэффициент , зависимость от параметров среды и поля. Численные оценки. Нецентросимметричные кристаллы.

3. Распространения оптических волн в нелинейных средах. Основные волновые уравнения, описывающие нелинейные параметрические взаимодействия.

4. Генерация второй гармоники. Первые эксперименты и современное состояние. Законы сохранения энергии и импульса. Эффективность преобразования. Основные соотношения.

Условие фазового синхронизма при генерации второй гармоники. Численные оценки и экспериментальная проверка.

Генерация второй гармоники в резонаторе. Генерация второй гармоники в фокусированном гауссовом пучке. Эффективность преобразования в видимую и ультрафиолетовую область при использовании различных нелинейных кристаллов.

5. Параметрические оптические генераторы, фазовое согласование при

параметрическом усилении. Перестройка частоты при параметрической генерации.

6. Многофотонные процессы и их использование в биомедицинских приложениях.

7. Нелинейные методы получения синхронизации мод, методы измерения длительности ультракоротких лазерных импульсов. Применение ультракоротких лазерных импульсов для оптической томографии.

8. Вынужденное комбинационное рассеяние в газах, жидкостях и кристаллах.

Лазерный рамановский томограф для диагностики молекулярных характеристик клеток.

5. Образовательные технологии

При реализации дисциплины «Нелинейная оптика в биомедицине» используются следующие виды учебных занятий: лекции, консультации, nрактuческие занятия - лабораторные работы, контрольные работы, самостоятельные работы.

В рамках лекционных занятий предусмотрены активные формы учебного процесса: разбор конкретных ситуаций, натурные демонстрации и обсуждение наблюдаемых оптических явлений и эффектов, компьютерные демонстрации с использованием современных цифровых систем изобразительной техники.

В рамках практических лабораторных занятий предусмотрены: детальный разбор физических основ основных разделов лекционного курса с решением физических задач по основным разделам содержания дисциплины, выполнением лабораторных работ и выполнение контрольных работ по всем разделам.

Доля аудиторных практических лабораторных занятий составляет 50% всех аудиторных занятий по дисциплине « Нелинейная оптика в биомедицине».

6. Учебно-методическое обеспечение самостоятельной работы студентов. Оценочные средства для текущего контроля успеваемости, промежуточной аттестации по итогам освоения дисциплины.

Виды самостоятельной работы студента

Виды самостоятельной работы студента:

- изучение теоретического материала по конспектам лекций и рекомендованным учебным пособиям, монографической учебной литературе;

- самостоятельное изучение некоторых теоретических вопросов, выделенных в программе дисциплины, нерассмотренных на лекциях;

- выполнение комплекса заданий теоретического характера, расчетных и графических по всем разделам дисциплины;

Порядок выполнения и контроля самостоятельной работы студентов:

- предусмотрена еженедельная самостоятельная работа обучающихся по изучению теоретического лекционного материала; контроль выполнения этой работы предусмотрен на практических занятиях по данной дисциплине;

- самостоятельное изучение некоторых теоретических вопросов, выделенных в программе дисциплины и нерассмотренных на лекциях предусматривается по мере изучения соответствующих разделов, в которых выделены эти вопросы для самостоятельного изучения; контроль выполнения этой самостоятельной работы предусмотрен в рамках промежуточного контроля –зачета по данной дисциплине;

- изучение теоретического материала по методическим руководствам к специальному оптическому практикуму предусмотрен еженедельно с отчетом о проделанной работе на практических лабораторных занятиях.

Контрольные вопросы и задания для проведения текущего контроля:

1. Физическое происхождение линейной и нелинейной оптической поляризации.

2. Распространения оптических волн в нелинейных средах.

3. Нелинейные параметрические уравнения.

4. Генерация второй гармоники и ее применение в медицине.

5. Диапазон перестройки частоты параметрических генераторов.

Контрольные вопросы и задания для проведения nромежуточной аттестации по итогам освоения дисциплины
(перечень экзаменационных вопросов):

1. Модель нелинейного осциллятора, нелинейная оптическая поляризация на второй гармонике. Основные соотношения.

2. Нелинейный оптический коэффициент, зависимость от параметров среды и поля. Нецентросимметричные кристаллы.

3. Распространения оптических волн в нелинейных средах. Основные волновые уравнения, описывающие нелинейные параметрические взаимодействия.

4. Генерация второй гармоники. Первые эксперименты и современное состояние. Законы сохранения энергии и импульса. Эффективность преобразования. Основные соотношения.

5. Условие фазового синхронизма при генерации второй гармоники.

6. Генерация второй гармоники в резонаторе.

7. Генерация второй гармоники в фокусированном гауссовом пучке.

8. Эффективность преобразования в видимую и ультрафиолетовую область при использовании различных нелинейных кристаллов.

9. Параметрические оптические генераторы, фазовое согласование при

параметрическом усилении.

10. Перестройка частоты при параметрической генерации.

11. Многофотонные процессы и их использование в биомедицинских приложениях

12. Нелинейные методы получения синхронизации мод, методы измерения длительности ультракоротких лазерных импульсов.

13. Генерации второй гармоники, генерация суммарной и разностной частот

14. Физическое происхождение нелинейной оптической поляризации.

7. Учебно-методическое и информационное обеспечение дисциплины «Нелинейная оптика в биомедицине»

а) основная литература:

1. Дмитриев В.Г. Прикладная нелинейная оптика 2е издание перераб. и доп. /В.Г.Дмитриев; М: ФИЗМАТЛИТ 2004-512с.-библиография –ISBN-5-9221-0361

2.Дмитриев В.Г. Нелинейная оптика и обращение волнового фронта Монография/ В.Г.Дмитриев; М:ФИЗМАТЛИТ: 2003-256:рис.-библиография- ISBN-5-9221-0453-5

3. Ландсберг Г.С. Оптика Учебное пособие для студентов физ.спец. ВУЗов/Г.С.Ландсберг; 6е издание стер- М: ФИЗМАТЛИТ 2003-848 с.ил. Предметный указатель с 844-848- ISBN 5-9221-0314 (8 экз.)

4. Делоне Н.Б. Нелинейная оптика Учебное пособие/ Н.Б. Делоне- М: ФИЗМАТЛИТ 2003-62 c. ил. библиография с 64; ISBN 5-9221-0428-4

5.Карлов Н.В., Кириченко Н.А. Колебания, волны, структуры. / Н.В. Карлов, Н.А.Кирченко; М:ФИЗМАТЛИТ, 2001-496 с: ил-ISBN 5-9221-0205-2

6. Федоров Ф.И. Оптика анизотропных средНаучн.изд./Ф.И.Федоров-2е издание, исправ. М:Едиториал УРСС, 2000-379 -библиография с 373-377:ISBN 5-354-00432-2

7.Манцызов Б.И. Когерентная и нелинейная оптика фотонных кристаллов. Москва, ФИЗМАТЛИТ, 2009. 208 стр.

8. Демтредер В. Лазерная спектроскопия. Основные принципы и техника эксперимента.; Demtröder W. Laser Spectroscopy V. 1: Basic Principles; V. 2: Experimental Techniques/ 4^th edition. Berlin, Heidelberg, Springer-Verlag, 2008/ Пер. с англ.; под ред. Мельникова Л.А. М.: Интеллект, 2011.

9. Желтиков А.М. Да будет белый свет: генерация суперконтинуума сверхкороткими лазерными импульсами // Успехи физ. наук 2006. Т. 176, №6. С. 623–649.

10. Ахманов С.А., Дьяков Ю.Е., Чиркин А.С. Статистическая радиофизика и оптика. Случайные колебания и волны в линейных системах. Москва, ФИЗМАТЛИТ, 2010. 428 стр.

б) дополнительная литература:

1. Горелик Г. С. Колебания и волны Учебное пособие /Г.С. Горелик, под редакцией С.М. Рытова, ред. совет:Н.Н. Кудрявцев
3е изданиеМ:ФИЗМАТЛИТ 2008-655[1] c: рис. Библиография с 649. Предметный указатель: с 650-655
ISBN: 978-5-9221-0776-1

2. Цернике Ф., Мидвинтер Дж. Прикладная нелинейная оптика М:Мир. 1976.

3. Ярив А. Введение в оптическую электронику. М: Высшая школа. 1983.

4. Сидоров Н.К. Нелинейная волновая оптика. Саратов.1990.

5. Локшин Г.Р. Основы радиооптики: Учебное пособие. – Долгопрудный: Издательский Дом «Интеллект», 2009. – 344 с.

в) Интернет-ресурсы

8. Материально-техническое обеспечение дисциплины
«Нелинейная оптика в биомедицине»

8.1. Лекционное материально-техническое обеспечение:

Кодоскоп для демонстраций оптического эксперимента, компьютер, мультимедийный проектор, видеокамера и ПЗС-камера.

Специальный оптический практикум-1:

Лабораторная работа № 1.Генератор второй гармоники.

Лабораторная работа №2. Твердотельный лазер с диодной накачкой и генератором второй гармоники.

Лабораторная работа №3. Спектр излучения полупроводникового лазера.

Лабораторная работа № 4. Когерентные свойства твердотельного лазера и полупроводникового.

Лабораторная работа №5. Измерение дисперсии в одномодовых

оптических волокнах и микроструктурных волокнах с помощью фемтосекундного волоконного лазера.

Лабораторная работ. №6. Фемтосекундный волоконный лазер. Общее устройство и принципы работы

Лабораторная работ№7. Автокорреляционная функция фемтосекундных лазерных импульсов.

Лабораторная работа № 8. Спектр излучения полупроводникового лазера и длина когерентности в зависимости от параметра превышения усиления над потерями при фазовом переходе порога генерации.

Лабораторная работа № 9.Временная и пространственная когерентность лазерного диода в одночастотном и многочастотном режиме.

Программа составлена в соответствии с требованиями ФГОС ВПО с учетом рекомендаций и Примерной ООП ВПО по направлению 011200 Физика и профилю подготовки Биофизика.

Автор:

Доцент кафедры оптики и биофотоники,

к.ф.-м.н., с.н.с. Г.Г.Акчурин

Программа одобрена на заседании кафедры оптики и биофотоники

от 14 января 2011_года, протокол № _1/11.

Подписи:

Зав. кафедрой В.В. Тучин

Декан физического факультета

(факультет, где разработана программа) В.М. Аникин

Декан физического факультета

(факультет, где реализуется программа) В.М. Аникин

Blog

Н. Г. Чернышевского Физический факультет утверждаю проректор по умр профессор Е. Г. Елина " " 2011 г. Рабочая программа

Содержание