Учебно-методический комплекс по дисциплине взаимодействие лазерного излучения с веществом

Государственное образовательное учреждение высшего
профессионального образования

Кафедра теоретической физики

«Утверждаю»

Декан

физического факультета

______________________

«___» ___________ 200_ г.

РАБОЧАЯ ПРОГРАММА

по дисциплине

магистерской программы «Физика конденсированного состояния»

направление 010700 (510400) ФИЗИКА

курс 1м

семестр 10

лекции 19 (часов)

практические занятия 19 (часов)

самостоятельная работа _42 (часов)

Всего часов 80

Итоговая аттестация Зачет

Составитель:

профессор кафедры физической химии КемГУ Кречетов А.Г.

Кемерово, 2009

• 
  Актуальность и значимость курса – Области использования лазеров как научного и технологического инструмента постоянно расширяются. Данный курс, в котором в систематизированном виде рассматриваются физические принципы и примеры применения лазеров, представляет собой научную основу для последующей работы специалистов-физиков, в той или иной степени связанных с лазерной техникой. Это в равной степени относится как к исследовательской работе в области экспериментальной физики, так и к работе в качестве инженеров в различных отраслях промышленности.
  

1. 
   Изучение физики генерации лазерного излучения, свойств лазерных пучков и методов их преобразования, принципов использования лазеров в науке и прикладных целях.
   
2. 
   Формирование умения использовать полученные знания для оценки результатов воздействия лазерного излучения на вещество.
   
3. 
   Практическое усвоение основных методик физического эксперимента по тематике курса.
   

• 
  Место дисциплины в профессиональной подготовке специалистов - Курс «Взаимодействие лазерного излучения с веществом» относится к обязательным специальным дисциплинам магистратуры (СДМ). Для успешного усвоения курса студентам необходимо знание общих курсов физики, ряда разделов теоретической физики и физики конденсированного состояния. Данный курс является базой для осознанного использования студентами при выполнении магистерских диссертаций данных по взаимодействию лазерного излучения с веществом, а также для освоения практических навыков работы с лазерной техникой в качестве специалиста.
  
• 
  Структура курса – Важнейшее значение для понимания всего материала курса имеют приводимые во вводных лекциях сведения о специфических свойствах лазерного излучения, качественно (когерентность) и количественно (монохроматичность, высокая интенсивность, малая длительность действия) отличающих его от излучения любых некогерентных источников. В первом блоке лекционного курса рассматривается поведение квантовых систем в поле интенсивного лазерного излучения, реализация многофотонных процессов возбуждения и ионизации и их использование в спектроскопии и лазерном разделении изотопов. Важное место отведено описанию основных принципов нелинейной оптики и использованию этих принципов для генерации высших гармоник, перестраиваемой параметрической генерации, спектроскопии КАРС и др. Следующий блок посвящен изложению особенностей поведения макросистем при действии высокоинтенсивного лазерного излучения, последовательно переходя от систем с малым поглощением (газы) к системам с высоким поглощением (металлы). Как результат такого рассмотрения формулируются физические принципы и основные соотношения технологических параметров лазерной обработки различных материалов. Последний блок лекционного курса посвящен физике образования лазерной плазмы и проблеме лазерного термоядерного синтеза.
  
• 
  Особенности изучения дисциплины – При построении лекционного курса основное внимание уделено физике рассматриваемых явлений на качественном уровне, однако используются и теоретические соотношения, необходимые для углубленного понимания предмета. В идейном плане в лекциях рассматриваются базовые физические принципы, на основе которых создаются те или иные лазерные устройства для науки, техники, медицины, оборонных задач и т.д. Практическому использованию лазеров посвящены практические занятия и работа над рефератами по прилагаемому списку.
  
• 
  Форма организации занятий по курсу – традиционная. По курсу «Взаимодействие лазерного излучения с веществом» читаются лекции (2 часа в неделю) и ведутся практические занятия (2 часа в неделю) в течение одного (2-го) семестра 1 года обучения в магистратуре.
  
  Взаимосвязь аудиторной и самостоятельной работы студентов –Аудиторные занятия, лекции и практические занятия, предполагают самостоятельную работу по данному курсу. Для успешного и своевременного выполнения контрольных мероприятий магистрант должен самостоятельно выполнить всю обработку экспериментальных данных и оформить отчет по выполненным работам. Кроме того, предлагаются дополнительные темы для самостоятельного изучения, темы рефератов и список литературы.
  
• 
  Требования к уровню усвоения содержания курса – Знание теоретического материала и его использование при решении конкретных задач, понимание главных проблем применения лазеров в науке и технике, приобретение практических навыков работы с лазерными установками, грамотное использование получаемых знаний и умений при последующем выполнении НИРМ и написании магистерской диссертации.
  
• 
  Объем и сроки изучения курса - определяются учебным планом Подготовки магистров направления 010700 (510400) «Физика конденсированного состояния вещества» физического факультета университета. Курс «Взаимодействие лазерного излучения с веществом» читается в 1 год обучения в магистратуре (2 семестр). На изучение дисциплины отводится 80 часов, из которых 19 часов – лекционные, 19 – практические занятия, 42 час – самостоятельная работа.
  
• 
  Виды контроля знаний и их отчетности – В течение семестра проводятся две контрольные работы. При выполнении практической работы обязательно проводится контроль подготовки студентов к выполнению текущей работы, а также форма и содержание отчета по уже выполненной работе. Пропуски занятий фиксируются. Пропущенный лекционный материал самостоятельно прорабатывается студентом в виде написания реферата и обсуждения материала с преподавателем. Практические работы выполняются в обязательном порядке. В случае пропуска назначается дополнительное время для их выполнения. В качестве предварительного контроля знаний предусматривается компьютерное тестирование. Итоговый зачет ставится при получении всех промежуточных зачетов.
  
• 
  Критерии оценки знаний студентов по курсу – Требуется обязательное посещение аудиторных занятий и выполнение контрольных мероприятий. Оценка знаний производится по двухступенчатой шкале (зачтено, не зачтено).
  

1. 
   Исследование автоматизированного лазерного спектрометра на базе пикосекундного лазера (5час.)
   
2. 
   Генерация высших гармоник лазерного излучения (5 час.)
   
3. 
   Исследование материаловедческого импульсного высокоэнергетического лазера(5 час.)
   
4. 
   Оптический пробой в газах и прозрачных диэлектриках (4 час.)
   

1. 
   Делоне Н.Б. Взаимодействие лазерного излучения с веществом.- М.: Наука, 1989.- 280с.
   
2. 
   О. Звелто. Физика лазеров.- М.: Мир, 1979.
   
3. 
   Шен И.Р. Принципы нелинейной оптики.- М.: Наука, 1989.- 560с.
   
4. 
   Вавилов В.С., Кекелидзе Н.П., Смирнов Л.С. Действие излучений на полупроводники.- М.: Наука. Гл. ред. физ.- мат. лит., 1988.- 192с.
   
5. 
   Райзер Ю.П. Лазерная искра и распространение разрядов.- М.: Наука, 1974.- 468с.
   
6. 
   Рэди Д. Действие мощного лазерного излучения.- М.: Мир, 1974. -468с.
   
7. 
   Анисимов С.И. и др. Действие излучения большой мощности на металлы.- М.: Наука, 1970.
   
8. 
   А. Мэйтлэнд, М. Данн. Введение в физику лазеров.- М.: Наука, 1978.
   

1. 
   Ф. Качмарек. Введение в физику лазеров.- М.: Мир, 1981.
   
2. 
   Коротеев Н.И., Шумай И.Г. Физика мощного лазерного излучения. - М.: Наука,1991.- 309с.
   
3. 
   Пекара А. Новый облик оптики. Введение в квантовую электронику и нелинейную оптику.- М.: Советское радио, 1973.- 263с.
   
4. 
   Квантовая электроника. Маленькая энциклопедия. / Отв. ред. М.Е. Жаботинский. - М.: Сов. Энциклопедия, 1969.
   
5. 
   Сверхкороткие световые импульсы / Под ред. С. Шапиро.- М.: Мир, 1981.
   
6. 
   Летохов В.С. Нелинейные селективные фотопроцессы в атомах и молекулах. М.- Наука, 1983.
   
7. 
   Н. Бломберген. Нелинейная оптика. - М.: Мир, 1966.
   
8. 
   Сухов Л.Т. Лазерный спектральный анализ.- Новосибирск: Наука, 1990.- 139с.
   

1. 
   Свойства лазерного излучения.
   
2. 
   Линейная поляризация и линейное рассеяние света.
   
3. 
   Вероятности межуровневых переходов в атомах. Квантово-механическое и полуклассическое описание.
   
4. 
   Виртуальные и реальные оптические переходы электрона в атоме.
   
5. 
   Нелинейная поляризация и нелинейные восприимчивости.
   
6. 
   Однофотонное и многофотонное возбуждение квантовых систем.
   
7. 
   Уширение уровней в квантовых системах и его влияние на эффективность многофотонного возбуждения.
   
8. 
   Многофотонное возбуждение реальным лазерным излучением. Статистический фактор.
   
9. 
   Роль промежуточного резонанса в многофотонном возбуждении. Многофотонная резонансная спектроскопия.
   
10. 
    Фотоионизация, надбарьерный распад и туннелирование в постоянном электрическом поле. Условия осуществления нелинейной ионизации в поле лазерного излучения.
    
11. 
    Прямой и резонансный процессы многофотонной ионизации. Метод многофотонной резонансной ионизационной спектроскопии.
    
12. 
    Двухступенчатая селективная фотоионизация атомов.
    
13. 
    Селективное воздействие лазерного излучения на молекулы.
    
14. 
    Нарушение селективности при возбуждении лазерным излучением.
    
15. 
    Уравнения Максвелла для линейной и нелинейной сред. Условия фазового синхронизма.
    
16. 
    Возбуждение высших гармоник. Практические методы осуществления фазового синхронизма.
    
17. 
    Связь трех волн в квадратичной среде. Смешение частот.
    
18. 
    Вынужденное рассеяние Мандельштама — Бриллюэна.
    
19. 
    Связь четырех волн в кубичной среде. Закон сохранения числа фотонов и его следствия.
    
20. 
    Обращение волнового фронта при четырехволновом взаимодействии.
    
21. 
    Параметрическая генерация световых импульсов сверхкороткой длительности.
    
22. 
    Количественные характеристики процесса нелинейной рефракции.
    
23. 
    Самофокусировка импульсного лазерного излучения.
    
24. 
    Явление самоиндуцированной прозрачности.
    
25. 
    Оптический пробой в газах. Механизмы нелинейной ионизации, ионизации газа электронами, ускоренными в поле излучения.
    
26. 
    Динамика плазмы, образованной ионизацией газа.
    
27. 
    Оптическое разрушение номинально чистых прозрачных диэлектриков.
    
28. 
    Оптическое разрушение прозрачных диэлектриков, обусловленное локальными макропримесями. Эффект накопления.
    
29. 
    Отражение и поглощение излучения непрозрачными материалами. Нагревание поверхности металла.
    
30. 
    Эмиссия частиц с поверхности металлов.
    
31. 
    Плавление и испарение металлов.
    
32. 
    Влияние окисления металлической поверхности при облучении на процессы плавления и испарения.
    
33. 
    Физические процессы, приводящие к образованию лазерной плазмы.
    
34. 
    Экспериментальные методы исследования лазерной плазмы.
    
35. 
    Основные характеристики плазменного факела.
    
36. 
    Критическая плотность лазерной плазмы.
    
37. 
    Поглощение лазерного излу­чения в плазме. Передача энергии от области поглощения излучения к плотной плазме.
    
38. 
    Лазерный термоядерный синтез.
    

1. 
   Описать оптическую схему лазера ЛПП-1.
   
2. 
   Принцип реализация самосинхронизации продольных мод в лазере ЛПП-1.
   
3. 
   Принцип работы системы селекции пикосекундного моноимпульса из цуга.
   
4. 
   Почему в усилительных каскадах лазера используется расходящийся пучок?
   
5. 
   Каково предельное временное разрешение осциллографов С8-12 и С7-19?
   
6. 
   Чем определяется временное разрешение спектрометра при регистрации световых сигналов ФЭУ на осциллографах С8-12 и С7-19?
   
7. 
   Какое временное разрешение обеспечивают ФЭУ-97 и ЭЛУФ-М?
   
8. 
   Какие технические приемы используются для синхронизации запуска разверток осциллографов и регистрируемого сигнала?
   
9. 
   Описать оптическую схему лазерной установки ЛТИ-5.
   
10. 
    Принцип реализации режима модулированной добротности в генераторе лазерной установки ЛТИ-5.
    
11. 
    Общие черты и отличия лазерных установок ЛПП-1 и ЛТИ-5.
    
12. 
    Принцип временной привязки регистрируемых сигналов с помощью реперных импульсов.
    
13. 
    Каков принцип работы измерителя мощности и энергии ИМО-2?
    
14. 
    Каков уровень линейного сигнала фотодиода «Фотон-1»? Можно ли проводить измерения энергии при нелинейности сигнала?
    
15. 
    Какой метод регистрации обеспечивает прямое измерение длительности пикосекундных импульсов?
    
16. 
    Почему угловая настройка фазового синхронизма для 2 и 4 гармоник осуществляется во взаимно перпендикулярных плоскостях?
    
17. 
    Какая оптическая характеристика определяет использование фильтров из цветного стекла для селекции гармоник?
    
18. 
    Почему предпочтительнее осуществлять селекцию гармоник спектральной призмой?
    
19. 
    Оптимальная длина кристалла для ГВГ при пикосекундной длительности импульса больше или меньше, чем для наносекундного импульса?
    
20. 
    Почему длина волны параметрической генерации больше длины волны накачки?
    
21. 
    Изменится ли пороговая энергия светового пробоя в газе при изменении светосилы фокусирующей линзы? Почему?
    
22. 
    Как изменится пороговая интенсивность светового пробоя в газе при повышении давления последнего?
    
23. 
    Если лазерное излучение действует на номинально чистые кристаллы NaCl и AgCl, то для какого из кристаллов пороговая интенсивность оптического пробоя будет меньше?
    

1. 
   Аргоновый лазер
   
2. 
   Гелий-неоновые лазер.
   
3. 
   Лазеры на красителях.
   
4. 
   Лазеры на парах металлов
   
5. 
   Лазеры на свободных электронах.
   
6. 
   Лазеры на СО₂.
   
7. 
   Неодимовый лазер
   
8. 
   Полупроводниковые лазеры.
   
9. 
   Рубиновый лазер.
   
10. 
    Эксимерные лазеры.
    

4. Методические рекомендации по организации
самостоятельной работы магистрантов

1. 
   Практический материал (пункт 2.3) выносится на самостоятельное изучение. Со студентами проводится установочное занятие, на котором им даются информационные материалы, рекомендации по написанию конспектов-рефератов, последние защищаются на аудиторных занятиях.
   
2. 
   Студентам предлагаются темы рефератов, выбор конкретной темы делается после консультации с научным руководителем, с тем, чтобы увязать тему реферата с конкретной, выполняемой студентом в рамках индивидуальной НИР.
   
3. 
   В процессе чтения лекций часть материала, требующего объемных вычислений или компьютерного моделирования, выносится на самостоятельную проработку. По выполнению этого материала назначаются консультации, результаты выполняются в письменной форме.
   

1. 
   На основе учебных пособий №1-3 списка рекомендуемой литературы осветить тему задания ответить на контрольные вопросы 1-8.
   
2. 
   На основе учебных пособий №1-3 списка рекомендуемой литературы осветить тему задания ответить на контрольные вопросы 9-18.
   
3. 
   На основе учебных пособий №1-3 списка рекомендуемой литературы осветить тему задания ответить на контрольные вопросы 19-21.
   
4. 
   На основе учебных пособий №1-3 списка рекомендуемой литературы осветить тему задания ответить на контрольные вопросы 22-23.