Радиофизический факультет

Скачать 169.61 Kb.

Название	Радиофизический факультет
Дата публикации	20.01.2015
Размер	169.61 Kb.
Тип	Документы

100-bal.ru > Информатика > Документы

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение

высшего профессионального образования

«Нижегородский государственный университет им. Н.И. Лобачевского»

Радиофизический факультет

Кафедра квантовой радиофизики

УТВЕРЖДАЮ

Декан радиофизического факультета
____________________Якимов А.В.

«18» мая 2011 г.

Учебная программа
Дисциплины Б3.Р12 «Квантовая и оптическая электроника»
по направлению 010300 «Фундаментальная информатика и информационные технологии»

Нижний Новгород

2011 г.

1. Цели и задачи дисциплины

Цель курса - сформировать у студента современное представление о фотонной структуре электромагнитного поля, об элементарных квантовых актах однофотонного и многофотонного взаимодействия поля с веществом и их конкретном проявлении при преобразовании, усилении и генерации когерентного электромагнитного излучения в квантовых генераторах оптического диапазонов длин волн и других устройствах современной оптоэлектроники. Большое внимание в курсе уделено сопутствующему математическому описанию указанных процессов и их использованию для расчета основных характеристик лазерных и оптоэлектронных систем.

Законы, модели и уравнения, рассмотренные в лекционном курсе, дополняются изучением современных лазерных генераторов в рамках практических занятий и общефизического лабораторного практикума.
2. Место дисциплины в структуре программы бакалавра

Дисциплина «Квантовая и оптическая электроника» относится к дисциплинам вариативной части профессионального цикла основной образовательной программы по направлению 010300 «Фундаментальная информатика и информационные технологии», преподается в 7 семестре.
3. Требования к уровню освоения содержания дисциплины

В результате освоения дисциплины формируются следующие компетенции:

способность использовать основные законы естественнонаучных дисциплин в профессиональной деятельности, применять методы математического анализа и моделирования физических явлений, их теоретического и экспериментального исследования (ОК–10);
способность понимать и применять в исследовательской и прикладной деятельности современный математический аппарат, фундаментальные концепции и системные методологии (ПК–4);
способность в составе научно-исследовательского и производственного коллектива решать задачи профессиональной деятельности (ПК-5);
понимание концепций и абстракций, способность использовать на практике базовые математические, естественнонаучные и профессиональные дисциплины (ПК–15);
способность к разработке алгоритмических и программных решений при работе с физическими объектами, способность прикладного программирования; умение разрабатывать математические, информационные и имитационные модели по тематике выполняемых исследовательских и опытно-конструкторских работ и проектов (ПК–28);
знание способов передачи и приёма информации (ПК-2, ПК-29).

В результате изучения дисциплины студент должен знать:

- квантовую теорию излучения и поглощения электромагнитных волн веществом;
- основные элементарные квантовые процессы с участием фотонов;
- квантовую теорию релаксации и основные механизмы уширения спектральных линий;
- физические принципы функционирования и основные характеристики квантовых усилителей и генераторов, а также других элементов и устройств оптической и квантовой электроники;
- основные типы нелинейных и параметрических процессов при взаимодействии поля со средой.
- основы базовых элементов и устройств квантовой и оптической электроники, применяемых в современных информационных системах;
- возможности оптических методов передачи и обработки информации

Студент также должен уметь:

-находить аналитические решения задач квантовой теории излучения
-делать численные оценки времен релаксации и вероятностей переходов для однофотонных процессов в зависимости от параметров спектральных линий для различных сред;
-делать численные оценки инверсии населенностей и коэффициента усиления (поглощения) в двух-, трех- и четырехуровневых средах;
-делать числовые оценки;
-проводить аналитические расчеты и делать на их основе числовые оценки порога самовозбуждения, добротности различных резонаторов, мощности, частоты генерации для квантовых генераторов оптического диапазона длин волн
использовать базовые элементы квантовой и оптической электроники и применять основные методы анализа квантовых и оптоэлектронных устройств для решения задач в системах передачи и обработки информации.

4.Объем дисциплины и виды учебной работы

Общая трудоемкость дисциплины составляет 2 зачетные единицы, 72 часа.

Виды учебной работы	Всего часов	Семестр
Общая трудоемкость дисциплины	72	7
Аудиторные занятия	48	48
Лекции	32	32
Практические занятия (ПЗ)	16	16
Семинары (С)
Лабораторные работы (ЛР)
Другие виды аудиторных занятий
Самостоятельная работа	24	24
Курсовой проект (работа)
Расчетно-графическая работа
Реферат
Другие виды самостоятельной работы
Вид итогового контроля (зачет, экзамен)	зачет	зачет

5. Содержание дисциплины

5.1. Разделы дисциплины и виды занятий

№п/п	Раздел дисциплины	Лекции	ПЗ (или С)	ЛР
1.	Введение	2
2.	Квантовая теория излучения и поглощения	4	2
3.	Элементы квантовой кинетики и теории спектральных линий	4	2
4.	Взаимодействие двухуровневой среды с резонансным электромагнитным полем	6	2
5.	Квантовые усилители и генераторы, информационные системы на их основе	6	5	*
6.	Методы управления лазерным излучением	4	2	*
7.	Методы регистрации оптических сигналов	2	2	*
8.	Современная элементная база оптоэлектроники	4	1	*

5.2. Содержание разделов дисциплины
I. Введение.

Предмет квантовой и оптической электроники. История проблем. Квантовая электродинамика и радиоэлектроника. Роль квантовой электроники и оптоэлектроники в современных информационных технологиях.
II. Квантовая теория излучения и поглощения.

Идея квантования электромагнитного поля. Разложение электромагнитного поля по свободным типам колебаний. Энергетический спектр и стационарные состояния свободного квантованного электромагнитного поля. Понятие фотона и его свойства. Операторы рождения и уничтожения для фотонов. Оператор энергии взаимодействия системы заряженных частиц и электромагнитного поля. Квантовая теория излучения. Однофотонные и двухфотонные переходы в теории возмущений. Матричные элементы оператора энергии взаимодействия поля с веществом для процессов однофотонного излучения и поглощения. Индуцированное и спонтанное излучение фотона, их вероятности в электродипольном приближении. Вероятность однофотонного поглощения. Правила отбора для электродипольного излучения (поглощения). Параметрические и непараметрические многофотонные процессы, их применения в современных спектроскопических системах.
III. Элементы квантовой кинетики и теории спектральных линий.

Понятие о динамической и диссипативной подсистемах на примере спонтанного излучения атома. Релаксация динамической подсистемы как процесс взаимодействия с диссипативной подсистемой. Релаксация и уширение спектральных линий. Соотношение неопределенностей энергия-время и естественная ширина линии излучения (спектральный контур линии спонтанного излучения). Спонтанное излучение в оптике и радиодиапазоне. Добротность спектральной линии, оценки величин. Физические основы построения квантовых стандартов частоты. Механизмы уширения спектральных линий. Квантовое кинетическое уравнение (уравнение для матрицы плотности динамической подсистемы, взаимодействующей с диссипативной подсистемой-термостатом). Двухуровневая идеализация. Уравнения для двухуровневой среды, взаимодействующей с классическим электромагнитным полем. Продольное и поперечное времена релаксации и их физический смысл. Оценки продольного и поперечного времен релаксации для различных сред.
IV. Взаимодействие двухуровневой среды с резонансным электромагнитным полем

Поведение двухуровневой среды при ее взаимодействии с резонансным электромагнитным полем. Стационарные решения уравнений для двухуровневой среды, взаимодействующей с резонансным полем. Эффекты насыщения и просветления среды в сильном электромагнитном поле. Мощность, поглощаемая средой из электромагнитного поля. Насыщающая мощность, ее оценки для различных сред, используемых в качестве рабочих материалов в квантовой электронике. Применение эффекта насыщения для управления параметрами лазерного излучения. Когерентное взаимодействие излучения с двухуровневой системой. Уравнение переноса излучения в поглощающей (усиливающей) среде. Коэффициент и показатель поглощения (усиления). Оценки величины поглощения (усиления) для различных сред. Электронный парамагнитный резонанс, его применение в науке (физика, химия, биология) и технике.
V. Квантовые усилители и генераторы, информационные системы на их основе.

Термодинамически неравновесная система. Инверсия населенностей. Метод оптической накачки. Трех- и четырех-уровневые системы. Представление 3-х и 4-х уровневых систем эквивалентной 2-х уровневой системой. Инверсия населенностей в твердотельных лазерах с оптической накачкой. Создание инверсной разности населенностей в газах с помощью газового разряда. Гелий-неоновый лазер, величины инверсной разности населенностей для газовых лазеров. Создание инверсной разности населенностей методом сортировки атомов неоднородными статическими электрическими и магнитными полями. Водородный мазер. Атомно-лучевая трубка. Квантовые стандарты времени и частоты.

Полуклассические уравнения квантового генератора. Одномодовое приближение. Примеры возникновения многомодового режима генерации (выжигание спектральных и пространственных провалов). Стационарный режим колебания квантового генератора и его характеристики. Условие самовозбуждения квантового генератора. Эффект затягивания частоты в квантовом генераторе. Оптический резонатор. Собственная и нагруженная добротность резонатора. Время жизни фотона в резонаторе. .Мощность квантового генератора. Максимальная мощность квантового генератора при оптимальной связи с нагрузкой. Оценка мощности для различных типов мазеров и лазеров. Балансные уравнения для квантового генератора. Учет спонтанного излучения в балансных уравнениях. Типы и основные характеристики современных лазерных систем. Полупроводниковый инжекционный лазер. Полупроводниковые лазеры и светоизлучающие диоды: их спектральные, мощностные и модуляционные характеристики. Шумы излучения лазеров. Ширина спектральной линии генерации. Применение полупроводниковых лазеров в оптических системах передачи информации.
VI. Методы управления лазерным излучением.

Модуляция лазерного излучения. Электрооптическая и магнитооптическая модуляция. Взаимодействие света с акустическими волнами; дифракция Брэгга и Рамана-Ната. Электрооптические и акустооптические модуляторы и дефлекторы. Оптические изоляторы. Нестационарные режимы генерации. Методы повышения мощности генерации лазеров. Метод модулированной добротности. Метод синхронизации мод в лазерах. Генерация гигантских импульсов.
VII. Методы регистрации оптических сигналов.

Регистрация оптического излучения. Прямое детектирование и гетеродинирование. Классификация фотоприемников. Фотоприемники на основе внутреннего и внешнего фотоэффекта. Фотоэлементы, фотоэлектронные умножители. Полупроводниковые фотоприемники. Фоторезисторы и фотодиоды (лавинные фотодиоды и pin - диоды); принцип действия и устройство. Фотогальванический и фотодиодный режим работы. Вольт-амперная и спектральная характеристики, быстродействие и чувствительность фотодиодов. Фототранзисторы, фотоприемные ПЗС - матрицы. Шумы фотодиодных приемников излучения. Порог чувствительности, обнаружительная способность. Квантовый предел чувствительности при приеме оптических сигналов.
VIII. Современная элементная база оптоэлектроники.

Распространение света в анизотропных средах и оптических волноводах. Лучевой и волновой анализ оптических волноводов. Интегральные оптические элементы на основе планарных оптических волноводов - моды, волноводные параметры, соотношения ортогональности мод, поток мощности, переносимой в оптическом волноводе. Волоконные световоды как основа современных систем оптической связи. Моды волоконных световодов. Гауссово приближение при анализе полей одномодовых световодов. Дисперсионные свойства волоконных световодов. Потери на поглощение и рассеяние в волоконных световодах. Возбуждение оптических волноводов. Оптическое согласование волоконного волновода с лазерным излучателем. Нелинейные явления и преобразование частот в волоконных световодах. Преимущества и недостатки волоконно-оптических линий связи (ВОЛС). Пассивные и активные компоненты оптических линий: разъемы, ответвители, мультиплексоры, приемные и передающие модули, ретрансляторы, квантовые усилители. Аналоговые и цифровые методы модуляции в ВОЛС. Информационная емкость канала связи, дальность передачи. Временное, частотное и волновое уплотнение каналов. Когерентные линии оптической связи. Использование квантовых свойств оптического излучения для повышения защищенности телекоммуникационных систем. Оптоэлектронные и оптические процессоры. Интегральная оптика и интегральная оптоэлектроника. Оптоэлектронные датчики. Новые достижения в области квантовой и оптической электроники.
6. Лабораторный практикум

№п/п	№ раздела дисциплины	Наименование лабораторной работы
1	5	Твердотельный лазер с оптической накачкой
2	6,7,8	Волоконный канал связи на основе полупроводникового лазера

7. Учебно-методическое обеспечение дисциплины

Рекомендуемая литература

а) основная литература:

Страховский Г.Н., Успенский А.В. Основы квантовой электроники - М.: «Высшая школа», 1979, 336с.
Звелто О. Физика лазеров - М.: «Мир», 1979, 376с.
Карлов Н.В. Лекции по квантовой электронике - М.: «Наука», 1983, 320с.
Клышко Д.Н. Физические основы квантовой электроники - М.: «Наука» Гл.ред.физ.-мат.литературы, 1986, 256с.
Ю.Р.Носов «Оптоэлектроника» («Радио и связь»), 1989г.
О.Ермаков «Прикладная оптоэлектроника» «Техносфера», 2004г.
В.И.Дудкин, Л.Н.Пахомов «Квантовая электроника. Приборы и их применения» Техносфера, 2006.

б) дополнительная литература:

Ярив А. Квантовая электроника - М.: «Сов.радио»,1980, 460с.
Пантелл Р., Путхоф Г. Основы квантовой электроники - М.: «Мир», 1972.
Демтредер В. Лазерная спектроскопия. Основные принципы и техника эксперимента - М. «Наука», 1985, 580с.
Хакен Г. Лазерная светодинамика - М.: Мир, 1988.
Я.И.Ханин «Лекции по квантовой радиофизике» Н.Н., ИПФ РАН, 2005г.
Д.Маркузе «Оптические волноводы» М., «Мир»1974г.
Ю.М.Сорокин , В.С.Ширяев «Оптические потери в световодах» Н.Н., ННГУ, 2000г.
Д.Гауер «Оптические системы связи» «Радио и связь», 1989г.
Э.Розеншер, Б.Винтер «Оптоэлектроника». «Техносфера, 2006.
А.Н.Пихтин «Физические основы квантовой электроники и оптоэлектроники» «Высшая школа», 1983г.

8. Вопросы для контроля

Сформулировать правила отбора для гармонического осциллятора.
Обосновать применимость теории возмущения в атоме водорода при возбуждении его электрическим полем на частоте (λ=121 нм) с плотностью мощности 10 Вт/см²
Для двухуровневой системы получить зависимость от времени вероятности нахождения электрона на уровнях от времени под действием внешнего переменного электрического поля на частоте ω=ω₁₂+δω, где ω₁₂ – частота перехода, δω – отстройка.
Почему происходит уширение спектральных линий поглощения (излучения) вещества в сильных полях.
Почему в оптическом диапазоне длин волн для измерения ширины линии можно использовать явление флуоресценции, а в радиодиапазоне – только вынужденное излучение или поглощение среды.
Для выбранного механизма получить выражение для неоднородно уширенного контура линии. Для выбранных условий оценить её ширину.
Известно, что время жизни электрона в возбужденном состоянии τ. Получить выражение для спектральной формы линии.
Отношение населенностей двух уровней для вещества, находящегося в состоянии равновесия при температуре 300^оК, равно 10. Вычислить частоту излучения, соответствующую переходу между этими уровнями.
Типичное время жизни для разрешённого электродипольного перехода в видимом диапазоне ~10 нс. Оценить естественную ширину линии рентгеновского лазера, излучающего в диапазоне 10 нм.
Механизмы однородного уширения. Вывести выражение для однородно уширенного контура линии. Дать оценку её ширины (в см^-1) для одного из радиационных переходов Ne.
Механизмы неоднородного уширения. Для выбранного механизма получить выражение для неоднородно уширенного контура линии. Для выбранных условий оценить её ширину (в см^-1).
Доплеровская ширина линии 500 МГц. Оценка времени жизни уровня 10^-8с. Предложить метод измерения ширины лоренцевского контура.
Обосновать принципиальные трудности создания УФ и рентгеновских активных сред.
Связь коэффициента ненасыщенного усиления с коэффициентами Эйнштейна. Сравнить зависимости коэффициента усиления от мощности накачки в случае однородного и неоднородного насыщения усиления.
Двух-, трёх- и четырёхуровневая схемы лазеров: возможности реализации, достоинства и недостатки. Оптимальная ширина уровней.
Nd:АИГ лазер: квантовая схема, преимущество матрицы, организация эффективной накачки.
Традиционное устройство Nd лазера известно. Почему бы не сделать лазер того же диапазона на парáх неодима? На газообразном соединении Nd, например, с галогеном?
Почему в лазерах, работающих на молекулярных переходах, используют полированные металлические зеркала, а в лазерах, работающих на электронных переходах, – диэлектрические?
Показать, что абсолютная ширина линии открытого оптического резонатора с плоскими зеркалами не зависит от частоты. Оценить (в см^-1) интервал между продольными модами и ширину линии такого резонатора для R=0,99 и L= 1 м.
Изобразить структуру мод (линии уровня интенсивности, поляризацию, профиль напряжённости поля) ТЕМ₀₀и ТЕМ₁₁ открытого резонатора с круглыми зеркалами. Для какой из них следует ожидать бóльших дифракционных потерь?
Изобразить и обосновать спектральный контур насыщенного усиления в резонаторе газового лазера при возбуждении в нём одной моды с частотой, лежащей в стороне от центра линии вещества.
Оценить число продольных мод, генерируемых He-Ne лазером длиной ~1 м, считая, что температура разряда не слишком отличается от комнатной. Зависит ли ширина провала в насыщенном контуре усиления и ширина линии излучения лазера от длины резонатора?
Найти значение ненасыщенного коэффициента усиления для полупроводникового лазера с длиной активной области 100 мкм при использовании сколов по кристаллическим поверхностям в качестве зеркал.
Оценить ширину Лэмбовского провала для He-Ne лазера и сравнить полученное значение с доплеровской шириной линии.
Объяснить принцип действия и преимущества ДГС с раздельным ограничением. Типичные оптические параметры ДГС. Изобразить зонную диаграмму, привести вариант используемых материалов.
Обосновать необходимость многокомпонентных материалов для приготовления диодных структур. Преимущества и недостатки соединения AlGaAs как материала для лазерных диодов. Привести пример материалов для диодной структуры на «телекоммуникационный» диапазон ~ 1,3 мкм
Особенности гетероструктуры на основе InGaAsP/InP. Вид ватт-амперной характеристики, спектр лазера и светодиода на её основе.
Чем определяется ширина полосы лазерного диода как источника информации? Почему светодиоды уступают им по этому параметру? Указать оценки для обоих случаев.
Как и почему зависит от температуры рабочая частота лазерного диода? Почему с ростом температуры снижается эффективность генерации?
Чем определяется толщина активной области лазерного диода, выполненного на основе простейшей гомоструктуры?
Указать и обосновать преимущества лазерных диодов с распределённой обратной связью и распределённым брэгговским отражением по сравнению с диодами простейшей геометрии.
Сравнить эффективность управления сигналами от лазерного диода путём модуляции накачки, модуляции добротности и модуляции выходного пучка.
Оценить ширину линии излучения и интервал между продольными модами для типичного лазерного диода

9. Критерии оценок

Зачтено	В целом хорошая подготовка с незначительными ошибками
Не зачтено	Необходима дополнительная подготовка для успешной сдачи зачета

10. Примерная тематика курсовых работ и критерии их оценки

Не предусмотрена.

Программа составлена в соответствии с Федеральным государственным образовательным стандартом высшего профессионального образования по направлению 010300 «Фундаментальная информатика и информационные технологии»

Автор программы ___________ Маругин А.В.

Программа рассмотрена на заседании кафедры 31 января 2011 г. протокол № 01-11

Заведующий кафедрой ___________________ Андронов А.А.

Программа одобрена методической комиссией факультета 11 апреля 2011 года

протокол № 05/10

Председатель методической комиссии _________________ Мануилов В.Н.

Добавить документ в свой блог или на сайт

	Радиофизический факультет Дисциплины 02 «Полупроводниковые лазеры в оптической связи и измерительных системах»		Радиофизический факультет Дисциплины р12 «Взаимодействие электронных потоков с электромагнитными полями»
	Радиофизический факультет Данная дисциплина относится к общепрофессиональным дисциплинам федерального компонента, преподается в 9 семестре		Радиофизический факультет Данная дисциплина относится к дисциплинам специализации федерального компонента, преподается в 6 и 7 семестрах
	Радиофизический факультет ...		Радиофизический факультет Цель курса – сформировать у студентов представления о квантовомеханических закономерностях, лежащих в основе современной физики и...
	Радиофизический факультет Целью преподавания дисциплины «Дискретная математика» является подготовка специалистов к деятельности в сфере разработки, исследования...		Радиофизический факультет Содержание дисциплины направлено на расширение знаний электродинамики плазменных процессов, обусловленных ионизационной нелинейностью...
	Радиофизический факультет Цель изучения дисциплины состоит в освоении студентами методологии и технологии моделирования (в первую очередь компьютерного) информационных...		Радиофизический факультет Содержание дисциплины направлено на углубленное изучение методов физики твердого тела, знакомство с некоторыми современными проблемами...
	Программа по формированию навыков безопасного поведения на дорогах... Факультет русской филологии и журналистики. Факультет истории и юриспруденции. Факультет татарской и сопоставительной филологии....		Радиофизический факультет Дисциплина базируется на знаниях студентов, приобретенных в курсах общей физики, полупроводниковой электроники, электродинамики и...
	Радиофизический факультет Дисциплина «Физическая электроника» относится к дисциплинам базовой части профессионального цикла основной образовательной программы...		Радиофизический факультет Основное внимание при чтении лекций уделяется приближенным методам решения задач распространения и рассеяния скалярных волн в средах...
	Радиофизический факультет Содержание дисциплины направлено на изучение разделов аналитической геометрии и высшей алгебры, необходимых для понимания других...		Радиофизический факультет Свч, квч и терагерцовых диапазонов частот. Рассматриваются процессы, происходящие в гетеропереходах, и объясняются основные причины...

Радиофизический факультет

Похожие: