Основы физической и квантовой оптики

 

ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ

Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования

«ЧИТИНСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ  УНИВЕРСИТЕТ»

(ЧитГУ)

Институт переподготовки и повышения квалификации

 

 

Основы физической и квантовой оптики

(180 часов, контрольная работа, экзамен)

 

 

Краткое содержание курса

 

1. Введение

Элементы квантовой теории излучения. Энергетические уровни атомов и молекул. Энергетический спектр. Свойства лазерного излучения. Гармонический осциллятор. Приращение энергии поля, действующего на нелинейный осциллятор. Оптические резонаторы (ОР). Структуры электрических полей. Схемы ОР. Резонатор интерферометр Фабри - Перо, спектральные характеристики.  Перестраиваемые резонаторы. Селекция продольных и поперечных мод.

2. Электромагнитные поля и их квантование

Классическая функция Гамильтона электромагнитного поля, взаимодействующего с заряженными частицами. Матричные элементы энергии взаимодействия. Двухуровневая система атомов во внешнем поле. Диссипация энергии системы, взаимодействующей с полем излучения. Интенсивность излучения.

3.Индуцированные и спонтанные переходы

Понятие, связь с линейной восприимчивостью. Коэффициенты Эйнштейна. Инверсная населенность. Ширина спектральной линии. Взаимодействие бегущих электромагнитных волн с активной средой. Закон Бугера. Условия усиления и генерации колебаний в квантовых системах.

4. Оптические свойства полупроводников и диэлектриков

Коэффициент инверсии и отрицательная температура.

5.Электронный парамагнитный  резонанс и парамагнитные усилители.

Энергетические уровни парамагнитных ионов в кристаллах. Вероятности индуцированных переходов в парамагнитных кристаллах. Парамагнитные кристаллы, используемые в квантовых парамагнитных усилителях и схемы накачки. Основные параметры квантовых парамагнитных усилителей и области их применения.

6.Газовые лазеры.

Особенности газов как активного вещества для лазеров. Механизмы возбуждения газоразрядных ОКГ. Гелий-неоновый лазер. Ионный аргоновый лазер. Молекулярный лазер на углекислом газе.

7. Твердотельные лазеры

Спектральные характеристики твердотельных лазерных материалов. Элементы системы накачки твердых тел. Режим непрерывной генерации. Синхронизация мод и генерация ультракоротких импульсов. ОКГ с модуляцией добротности. Спектральные и угловые характеристики твердотельных ОКГ.

8.  Полупроводниковые лазеры

Полупроводниковые лазеры и светоизлучающие диоды (СИД) на двойных гетеропереходах (на GaAs и InP): устройства, характеристики, параметры. Лазеры с распределенной обратной связью (РОС) и распределенными брэгговским отражением (РБО). Лазеры на квантово- размерных эффектах и сверхрешетках. Оптические усилители: полупроводниковые и волоконные.

9. Распространение излучения в различных средах

Распространение оптического излучения в диспергирующих и диссимативных средах. Поглощение и дисперсия.

10.Электрооптические, магнитооптические и акустооптические эффекты

11.Элементы радиооптики

Преобразование и фильтрация регулярных волновых полей в оптических системах, интерференционная спектроскопия с преобразованием Фурье.

12.Элементы нелинейной  оптики

Нелинейная поляризация. Уравнение нелинейных волн, генерация второй гармоники, самомодуляция, самосжатие и самофокусировка.  Параметрические воздействия. Многофотонные эффекты. Рассеяния Релея, комбинационное, вынужденное. Солитоны и перспективы их использования.

 

Вопросы для подготовки к экзамену

 

1. Техника безопасности труда при работе с лазером. Воздействие лазерного излучения на органы зрения человека.
2. Технико-гигиеническая оценка лазерных изделий в России. Классификация лазерных изделий по степени опасности генерируемого излучения.
3. Гигиеническое нормирование лазерного излучения. ПДУ лазерного излучения.
4. Требования безопасности при эксплуатации лазерных изделий.
5. Волны де-Бройля. Волновая функция и ее физический смысл.
6. Принцип неопределенности.
7. Уравнение Шредингера. Квантование энергии.
8. Собственные значения энергии и волновой функции в бесконечно глубокой одномерной потенциальной яме.
9. Операторы в произвольном представлении, оператор набла, Гамильтона.
10. Взаимодействие эл.\ магнитного  поля с веществом. Электр. и магнитные дипольные моменты атомов и молекул во внешнем поле.
11. Энергетические уровни атомов и молекул в газах и твердом теле.
12. Классический способ описания взаимодействия вещества и поля.
13. Ансамбль атомов или молекул во внешнем электромагнитном поле. Мощность поглощения, излучения при взаимодействии поля с веществом.
14. Квантовые переходы: спонтанные и индуцированные. Коэффициенты Эйнштейна.
15. Населенность энергетических уровней и принцип квантового усиления электромагнитных волн.
16. Инверсная населенность и порог генерирования излучения.
17. Типовая структурная схема оптического квантового генератора.
18. Классификация лазерных устройств по типу материала активного элемента и по длительности излучения.
19. Пространственно-временные характеристики лазерного излучения.
20. Энергетические параметры лазерного излучения.
21. Оптические резонаторы. Принцип ПОС.
22. Газовые ОКГ.
23. Твердотельные лазеры.
24. Полупроводниковые лазеры.
25. Физические основы модуляции лазерного излучения.

 

Задача (3-й вопрос)

 

1. Как изменяется среднее время жизни атома в возбужденном состоянии с увеличением вероятности спонтанных переходов. Ответ обоснуйте, произведите расчет.
2. Возможно ли было вынужденное излучение если фотоны были  бы фермионами. Ответ обоснуйте, произведите расчет.
3. Какие условия необходимы для возникновения вынужденного излучения в веществе. Ответ обоснуйте, произведите расчет.
4. Какова диаграмма направленности, фаза, поляризация волн спонтанного и вынужденного излучения. Ответ обоснуйте, произведите расчет.
5. Возможно ли квантовое усиление в системе  атомов, находящихся в термодинамическом равновесии. Ответ обоснуйте, произведите расчет.
6. Как осуществить состояние с инверсной заселенностью уровней. Ответ обоснуйте, произведите расчет.
7. Перечислите требования к оптическому резонатору. Ответ проиллюстрируйте. Ответ обоснуйте, произведите расчет.
8. Что такое Гамильтониан и оператор полной энергии. Ответ обоснуйте, произведите расчет.
9. Как соотносятся между собой представление о корпускулярно-волновом дуализме и соотношение неопределенностей. Ответ обоснуйте, произведите расчет.
10. Существенны ли следствия соотношения неопределенностей для макроскопических тел. Ответ обоснуйте, произведите расчет.
11. Исходя из соотношения неопределенностей,  оцените ширину энергетического уровня основного состояния атома. Ответ обоснуйте, произведите расчет.
12. Исходя из соотношения неопределенностей,  оцените ширину энергетического уровня возбужденного состояния атома. Ответ обоснуйте, произведите расчет.
13. Объясните ширину спектральных линий из соотношения неопределенностей. Ответ обоснуйте, произведите расчет.
14. Какой длинной волны де-Бройля должен обладать фотон, что бы его масса была равна массе покоя электрона. Ответ обоснуйте, произведите расчет.
15. Физические основы модуляции лазерного излучения.

Список рекомендуемых источников

Основной

1. Оптоэлектронные устройства на полупро-водниковых излучателях: учебник / Мусаев Э.С. М.: 2004. – 208с.
2. Основы проектирования цифровых  оптоэлектронных систем связи: учебник /  Вербовецкий А.А. М.: Вш. 2002. – 160с.
3. Волоконно-оптические кабели и линии связи/ Д.В. Иоргачев, О.В. Бондаренко.-М.: «Эко-трендз».2002.-282с.
4. Оптоэлекторнные элементы и устрой-ства./  Гребнев А.К. М.: 2004. – 336с
5. Электронные приборы СВЧ и квантовые приборы: учебник / Л.И. Шангина Томск ТУСУР,2001.-162с.
6. Шангина Л.И. Электронные приборы СВЧ и квантовые приборы: Учебное пособие.Томск: ТУСУР, 2001. – 162 с.
7. Коваленко Е.С., Пуговкин А.В., Тихомиров А.А. Введение в квантовую электронику. – Томск.: ТГУ; 1974. – 446 с.
8. Байбородин Ю.В. Основы лазерной техники.- К.: Высш. шк.;1988.-383 с.
9. Гауэр Дж. Оптические системы связи: Пер. с англ.- М.: Радио и связь;1989.-504 с.

Дополнительный

1. Ярив А. Введение в оптическую электронику: Пер. с англ.- М.: Высш. шк.;1983.-398 с.
2. Оптические системы передачи: Учебник для вузов. Под ред. Иванова В.И.-М.: Радио и связь;1994.-224 с.
3. Пихтин А.Н.. Физические основы квантовой электроники и оптоэлектроники. Учеб.  пособие для вузов. - М. Высш. шк. 1983.-304 с.   
4. Физические величины и их единицы: Справочник для учителя. - М.: Просвещение, 1999.-239с.