Учебная программа Дисциплины р12 «Квантовая и оптическая электроника» по направлению 010300 «Фундаментальная информатика и информационные технологии» Нижний Новгород icon

Учебная программа Дисциплины р12 «Квантовая и оптическая электроника» по направлению 010300 «Фундаментальная информатика и информационные технологии» Нижний Новгород


Смотрите также:
Учебная программа Дисциплины р5 «Теория электрической связи» по направлению 010300...
Учебная программа Дисциплины б4 «Алгоритмы и анализ сложности» по направлению 010300...
Учебная программа Дисциплины р11 «Квантовая теория» по направлению 010300 «Фундаментальная...
Учебная программа Дисциплины р1 «Моделирование информационных процессов» по направлению 010300...
Учебная программа Дисциплины б9 «Компьютерные сети» по направлению 010300 «Фундаментальная...
Учебная программа Дисциплины б2 «Дискретная математика» по направлению 010300 «Фундаментальная...
Учебная программа Дисциплины р4 «Теория электрических цепей» по направлению 010300...
Учебная программа Дисциплины б8 «Технологии баз данных» по направлению 010300 «Фундаментальная...
Учебная программа Дисциплины б7 «Дифференциальные и разностные уравнения» по направлению 010300...
Учебная программа Дисциплины р8 «Электродинамика» по направлению 010300 «Фундаментальная...
Учебная программа Дисциплины р6 «Аппаратные средства вычислительной техники» по направлению...
Учебная программа Дисциплины б7 «Операционные системы» по направлению 010300 «Фундаментальная...



Загрузка...
скачать


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 бакалавр

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:

  1. Страховский Г.Н., Успенский А.В. Основы квантовой электроники - М.: «Высшая школа», 1979, 336с.

  2. Звелто О. Физика лазеров - М.: «Мир», 1979, 376с.

  3. Карлов Н.В. Лекции по квантовой электронике - М.: «Наука», 1983, 320с.

  4. Клышко Д.Н. Физические основы квантовой электроники - М.: «Наука» Гл.ред.физ.-мат.литературы, 1986, 256с.

  5. Ю.Р.Носов «Оптоэлектроника» («Радио и связь»), 1989г.

  6. О.Ермаков «Прикладная оптоэлектроника» «Техносфера», 2004г.

  7. В.И.Дудкин, Л.Н.Пахомов «Квантовая электроника. Приборы и их применения» Техносфера, 2006.


б) дополнительная литература:

  1. Ярив А. Квантовая электроника - М.: «Сов.радио»,1980, 460с.

  2. Пантелл Р., Путхоф Г. Основы квантовой электроники - М.: «Мир», 1972.

  3. Демтредер В. Лазерная спектроскопия. Основные принципы и техника эксперимента - М. «Наука», 1985, 580с.

  4. Хакен Г. Лазерная светодинамика - М.: Мир, 1988.

  5. Я.И.Ханин «Лекции по квантовой радиофизике» Н.Н., ИПФ РАН, 2005г.

  6. Д.Маркузе «Оптические волноводы» М., «Мир»1974г.

  7. Ю.М.Сорокин , В.С.Ширяев «Оптические потери в световодах» Н.Н., ННГУ, 2000г.

  8. Д.Гауер «Оптические системы связи» «Радио и связь», 1989г.

  9. Э.Розеншер, Б.Винтер «Оптоэлектроника». «Техносфера, 2006.

  10. А.Н.Пихтин «Физические основы квантовой электроники и оптоэлектроники» «Высшая школа», 1983г.


8. Вопросы для контроля

  1. Сформулировать правила отбора для гармонического осциллятора.

  2. Обосновать применимость теории возмущения в атоме водорода при возбуждении его электрическим полем на частоте (λ=121 нм) с плотностью мощности 10 Вт/см2

  3. 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.

  4. Почему происходит уширение спектральных линий поглощения (излучения) вещества в сильных полях.

  5. Почему в оптическом диапазоне длин волн для измерения ширины линии можно использовать явление флуоресценции, а в радиодиапазоне – только вынужденное излучение или поглощение среды.

  6. Для выбранного механизма получить выражение для неоднородно уширенного контура линии. Для выбранных условий оценить её ширину.

  7. Известно, что время жизни электрона в возбужденном состоянии τ. Получить выражение для спектральной формы линии.

  8. Отношение населенностей двух уровней для вещества, находящегося в состоянии равновесия при температуре 300оК, равно 10. Вычислить частоту излучения, соответствующую переходу между этими уровнями.

  9. Типичное время жизни для разрешённого электродипольного перехода в видимом диапазоне ~10 нс. Оценить естественную ширину линии рентгеновского лазера, излучающего в диапазоне 10 нм.

  10. Механизмы однородного уширения. Вывести выражение для однородно уширенного контура линии. Дать оценку её ширины (в см-1) для одного из радиационных переходов Ne.

  11. Механизмы неоднородного уширения. Для выбранного механизма получить выражение для неоднородно уширенного контура линии. Для выбранных условий оценить её ширину (в см-1).

  12. Доплеровская ширина линии 500 МГц. Оценка времени жизни уровня 10-8с. Предложить метод измерения ширины лоренцевского контура.

  13. Обосновать принципиальные трудности создания УФ и рентгеновских активных сред.

  14. Связь коэффициента ненасыщенного усиления с коэффициентами Эйнштейна. Сравнить зависимости коэффициента усиления от мощности накачки в случае однородного и неоднородного насыщения усиления.

  15. Двух-, трёх- и четырёхуровневая схемы лазеров: возможности реализации, достоинства и недостатки. Оптимальная ширина уровней.

  16. Nd:АИГ лазер: квантовая схема, преимущество матрицы, организация эффективной накачки.

  17. Традиционное устройство Nd лазера известно. Почему бы не сделать лазер того же диапазона на парáх неодима? На газообразном соединении Nd, например, с галогеном?

  18. Почему в лазерах, работающих на молекулярных переходах, используют полированные металлические зеркала, а в лазерах, работающих на электронных переходах, – диэлектрические?

  19. 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.

  20. Изобразить структуру мод (линии уровня интенсивности, поляризацию, профиль напряжённости поля) ТЕМ00 и ТЕМ11 открытого резонатора с круглыми зеркалами. Для какой из них следует ожидать бóльших дифракционных потерь?

  21. 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.

  22. 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?

  23. Найти значение ненасыщенного коэффициента усиления для полупроводникового лазера с длиной активной области 100 мкм при использовании сколов по кристаллическим поверхностям в качестве зеркал.

  24. Оценить ширину Лэмбовского провала для He-Ne лазера и сравнить полученное значение с доплеровской шириной линии.

  25. Объяснить принцип действия и преимущества ДГС с раздельным ограничением. Типичные оптические параметры ДГС. Изобразить зонную диаграмму, привести вариант используемых материалов.

  26. 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

  27. Особенности гетероструктуры на основе InGaAsP/InP. Вид ватт-амперной характеристики, спектр лазера и светодиода на её основе.

  28. Чем определяется ширина полосы лазерного диода как источника информации? Почему светодиоды уступают им по этому параметру? Указать оценки для обоих случаев.

  29. Как и почему зависит от температуры рабочая частота лазерного диода? Почему с ростом температуры снижается эффективность генерации?

  30. Чем определяется толщина активной области лазерного диода, выполненного на основе простейшей гомоструктуры?

  31. Указать и обосновать преимущества лазерных диодов с распределённой обратной связью и распределённым брэгговским отражением по сравнению с диодами простейшей геометрии.

  32. Сравнить эффективность управления сигналами от лазерного диода путём модуляции накачки, модуляции добротности и модуляции выходного пучка.

  33. 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.





Скачать 171,39 Kb.
оставить комментарий
Дата08.07.2012
Размер171,39 Kb.
ТипПрограмма дисциплины, Образовательные материалы
Добавить документ в свой блог или на сайт

Ваша оценка этого документа будет первой.
Ваша оценка:
Разместите кнопку на своём сайте или блоге:
rudocs.exdat.com

Загрузка...
База данных защищена авторским правом ©exdat 2000-2017
При копировании материала укажите ссылку
обратиться к администрации
Анализ
Справочники
Сценарии
Рефераты
Курсовые работы
Авторефераты
Программы
Методички
Документы
Понятия

опубликовать
Загрузка...
Документы

Рейтинг@Mail.ru
наверх