Государственное образовательное

учреждение высшего профессионального образования

«Дальневосточный государственный университет путей сообщения»

Естественно-научный институт

полное наименование института, факультета

УТВЕРЖДАЮ

Заведующий кафедрой

_______________//

подпись, Ф. И.О.

«__» _______________ 2010 г.

РАБОЧАЯ ПРОГРАММА

дисциплины Основы физической и квантовой оптики
   

____________________

(наименование дисциплины)

для специальности(ей) «Физика и техника оптической связи»

(шифр и наименование специальности)

Составитель (и) , профессор

(Ф. И.О., должность, ученое звание)

Обсуждена на заседании кафедры «Оптические системы связи» 

«__» _____________20___ г., протокол № _____

Одобрена на заседании методической комиссии  _

  Естественно-научного института

(учебное структурное подразделение)

«__» _____________20___ г., протокол № _____

Председатель ________________________/__________________/

(подпись, Ф. И.О.)

2010 г.

Рабочая программа

по дисциплине Основы физической и квантовой оптики

специальности Физика и техника оптической связи

1 Цели и задачи дисциплины

1.1  Цель преподавания дисциплины

Квантовая оптика является более общей теорией, чем классическая оптика. Основная проблема, затрагиваемая квантовой оптикой — описание взаимодействия света с веществом с учётом квантовой природы объектов, а также описания распространения света в специфических условиях.

В связи с этим, целью преподавания дисциплины «Основы физической и квантовой оптики», является подготовка высококвалифицированного специалиста по специальности «Физика и техника оптической связи», владеющего основами квантовой оптики и умеющего выполнять исследовательские и расчетные работы в области квантовой оптики. В результате изучения дисциплины специалист должен получить хорошую подготовку по общетеоретическим основам квантовой и физической оптики и практические навыки выполнения исследовательских и расчетных работ.

1.2 Задачи изучения дисциплины

Основными задачами изучения курса является изучение электромагнитных уравнений Максвелла для общих и частных случаев распространения поля, получения навыков теоретических и экспериментальных исследований. Развитие знаний студентов в области нелинейной оптики. Получение практических навыков по подготовке и проведению экспериментов, поощрение научного любопытства.

Изучив дисциплину студент должен:

1.2.1 Знать и уметь использовать:

-Знать оптические методы: классический, полуклассический и квантовый. Уравнения максвелла в интегральной и дифференциальной формах. Теорему Остроградского-Гаусса и Стокса. Основы нелинейной оптики.

-Уметь использовать в экспериментах оптические квантовые генераторы.

-уметь организовать экспериментальное исследование в области нелинейной оптики.

Для успешного изучения дисциплинарного модуля необходимо хорошо освоить дисциплины «Высшая математика», «Физика».

Логические связи курса «Основы физической и квантовой оптики» с обеспечивающими дисциплинами представлены в табл. 1.

Таблица 1

Логические связи курса «Основы физической и квантовой оптики»
с другими дисциплинами

№ п/п

Наименование обеспечивающих дисциплин

Элемент модуля
(раздел)

1

2

3

4

5

1

Высшая математика

+

+

+

+

+

2

Физика

+

+

+

+

+

2 Состав и объем дисциплины

Дисциплина «Основы физической и квантовой оптики» изучается в течение 5-го семестра (18 недель) и включает (165 часов):

- лекций - 36 часов

- лабораторных работ - 18 часов

- практических занятий - 18 часов

- итого аудиторных занятий - 72 часа

- самостоятельная работа - 93 часа

- трудоемкость дисциплины - 4,5 зач. ед.

- расчетно-графические работы - 3

- рубежный контроль - 2

- зачет

3 Структура дисциплины «Основы физической и квантовой оптики»

Дисциплина «Основы физической и квантовой оптики» включает в себя изучение элементов модуля (разделов), перечисленных в таблице 2.

Таблица 2

Перечень элементов модуля (разделов) дисциплины
«Основы физической и квантовой оптики»

№

Название элемента модуля (раздела)

1

Основные понятия основ физической и квантовой оптики

2

Уравнения Максвелла ( в интегральной и дифференциальных формах)

3

Уравнения граничных условий для векторов электромагнитного поля.

4

Оптические квантовые генераторы и их типы. Основные свойства лазерного излучения

5

Нелинейная оптика и нелинейная поляризация среды

4 Содержание лекционного курса

Перечень тем лекционного курса и их краткое содержание приведено в таблице 3.

Таблица 3

Тематическое содержание лекционного курса (модуль 1)

Элемент модуля

Лекция

Тема, краткий перечень рассматриваемых
вопросов

Кол-во часов

1

1

Введение в оcновы физической и квантовой оптики

История, цели и основные понятия основ физической и квантовой оптики.

2

2

Основные понятия основ физической и квантовой оптики

Три метода оптического взаимодействия. Способы описания электромагнитного излучения.

2

2

3

Уравнения Максвелла

Теорема Остроградского-Гаусса и теорема Стокса

2

4, 5

Материальные уравнения

Типы материальных сред, свойства материальных сред ( электрические и магнитные).

4

6

Магнитные свойства

Ферромагнетики, диамагнетики и парамагнетики.

2

3

7,8

Уравнения граничных условий для векторов электромагнитного поля.

Нормальные и тангенсальные компоненты векторов магнитного и электрического полей.

4

9,10

Безграничные среды.

Плоские электромагнитные волны в безграничной среде.

4

4

11,

12

Оптические квантовые генераторы и их типы.

Двухуровневые и трехуровневые системы. Основные свойства лазерного излучения.

4

13

Типы оптических квантовых генераторов.

Твердотельные, неодимовые, газовые, ионные, криптоновые, молекулярные, жидкостные, полупроводниковые лазеры(ОКГ).

2

5

14,

15

Нелинейная оптика.

Закон Бугера-Ламбера. Элементы нелинейной оптики.

4

16

Поляризация нелинейной оптики

Некоторые положения линейной оптики

2

17,

18

Оптическое детектирование и генерация гармоник.

Самофокусировка света. Голография

4

Итого

36
5 Содержание лабораторных работ

Целью лабораторных работ является приобретение практических навыков анализа основ физической и квантовой оптики.

НЕ нашли? Не то? Что вы ищете?

Методическим обеспечением проведения лабораторных работ являются учебники, методические указания и пособия.

Таблица 4

Перечень лабораторных работ (модуль 1)

Элемент модуля

№

Содержание лабораторных работ

Кол-во часов

1

Вводная лабораторная работа

2

1

2

Определение параметров дифракционной решетки

2

2

3

Изучение пространственной когерентности света по схеме Юнга.

2

2

4

Определение показателя преломления интерференционным методом.

2

3

5

Определение угла полного внутреннего отражения

2

3

6

Изучение дифракции Фраунгофера от двух щелей

2

4

7

Изучение характеристик газового лазера

2

5

8

Изучение явлений двойного лучепреломления и оптической активности

2

9

Отчетное занятие.

2

Итого

18

6 Содержание практических занятий

Целью практических занятий является приобретение практических навыков анализа основ физической и квантовой оптики.

Таблица 5

Перечень практических занятий (модуль 1)

Элемент модуля

№

Содержание практических занятий

Кол-во часов

1

1

Основные понятия основ физической и квантовой оптики

2

2

Уравнения Максвелла

Теорема Остроградского-Гаусса и теорема Стокса

2

3

Материальные уравнения

Типы материальных сред, свойства материальных сред ( электрические и магнитные).

2

3

4

Изучение дифракции Фраунгофера от двух щелей

2

5

Уравнения граничных условий для векторов электромагнитного поля.

Нормальные и тангенсальные компоненты векторов магнитного и электрического полей

2

6

Безграничные среды.

Плоские электромагнитные волны в безграничной среде.

2

5

7

Нелинейная оптика.

Закон Бугера-Ламбера. Элементы нелинейной оптики.

2

8

Поляризация нелинейной оптики

Некоторые положения линейной оптики

2

9

Сдача зачета

2

Итого

18
7 Содержание расчетно-графических работ

Таблица 6

Перечень расчетно-графических работ (модуль 1)

Элемент модуля

№

Содержание расчетно-графических работ

Кол-во часов

Неделя отчетности

1

1

Уравнения Максвелла

Теорема Остроградского-Гаусса и теорема Стокса

16

5

3

2

Уравнения граничных условий для векторов электромагнитного поля.

Нормальные и тангенсальные компоненты векторов магнитного и электрического полей

16

10

5

3

Нелинейная оптика.

Закон Бугера-Ламбера. Элементы нелинейной оптики.

16

16

48

8 Содержание материала самостоятельных занятий

8.1 Подготовка к лекциям

Основная цель данного вида самостоятельной работы - закрепление и развитие знаний, полученных на лекциях. Минимальный объем в часах из расчета 0,4 часа на 1 час лекции и составляет 9 часов.

8.2 Подготовка к лабораторным работам

Основная цель данного вида самостоятельной работы - закрепление и развитие знаний, полученных на лабораторных работах. Минимальный объем в часах из расчета минимум 0,5 часа на 1 час лабораторного занятия и составляет 9 часов.

8.3 Подготовка к промежуточному контролю знаний

Основная цель данного вида самостоятельной работы - закрепление и систематизация знаний, полученных на аудиторных занятиях. В соответствии с календарным планом дисциплины предусмотрено два рубежных контроля знаний в виде семинарских занятий. Для подготовки к тестированию выделено по 18 часа времени самостоятельной работы.

8.6 Подготовка к зачету

На подготовку к зачету в конце изучения дисциплины (5-ой семестр) выделятся в соответствии с нормами – 9 часов.

9 Форма контроля усвоения материала

Текущий контроль усвоения теоретического курса в течение семестра осуществляется на консультациях, лабораторных занятиях и при защите курсовой работы в виде устного опроса. Рубежный контроль знаний проводится после изучения нескольких разделов дисциплины на семинарских занятиях. В конце семестра степень овладения материалом дисциплины проверяется на зачете.

Проведение семинаров на 6 и 12 неделях

Таблица 7

Вопросы для подготовки к семинару №1

№

Вопрос

1

Основные понятия. Методы оптического воздействия.

2

Способы описания электромагнитного излучение.

3

Уравнение Максвелла.

4

Теорема Остроградского-Гаусса и теорема Стокса.

5

Материальные уравнения.

6

Уравнение граничных условий для векторов электромагнитных полей.

7

Нормальные и тангенсальные компоненты электрического и магнитных полей.

8

Баланс энергии электромагнитного поля

9

Уравнение баланса энергии. Формула Умова-Поитинга.

10

Плоские электромагнитные волны в безграничной среде.

11

Гармонические волны.

12

Распространение плоской волны в произвольном направлении.

13

Структура поля плоских электромагнитных волн.

14

Поляризация плоских электромагнитных волн.

Таблица 8

Вопросы для подготовки к семинару №2

1

Оптические квантовые генераторы.

2

Двухуровневые и трехуровневые системы.

3

Основные свойства лазерного излучения.

4

Типы квантовых генераторов.

5

Нелинейная оптика.

6

Нелинейная поляризация среды.

7

Некоторые положения линейные оптики.

8

Оптическое детектирование и генерация гармоник.

9

Генерация света на произвольной частоте и преобразования частоты.

10

Самофокусировка света.

11

Вынужденное комбинационное рассеяние света.

12

Голография.
11.  Вопросы к зачету

Таблица 9

Вопросы для подготовки к зачету

№

Вопрос

1

Основные понятия. Методы оптического воздействия.

2

Способы описания электромагнитного излучение.

3

Уравнение Максвелла.

4

Теорема Остроградского-Гаусса и теорема Стокса.

5

Материальные уравнения.

6

Уравнение граничных условий для векторов электромагнитных полей.

7

Нормальные и тангенсальные компоненты электрического и магнитного полей.

8

Баланс энергии электромагнитного поля

9

Уравнение баланса энергии. Формула Умова-Поитинга.

10

Плоские электромагнитные волны в безграничной среде.

11

Гармонические волны.

12

Распространение плоской волны в произвольном направлении.

13

Структура поля плоских электромагнитных волн.

14

Поляризация плоских электромагнитных волн.

15

Оптические квантовые генераторы.

16

Двухуровневые и трехуровневые системы.

17

Основные свойства лазерного излучения.

18

Типы квантовых генераторов.

19

Нелинейная оптика.

20

Нелинейная поляризация среды.

21

Некоторые положения линейные оптики.

22

Оптическое детектирование и генерация гармоник.

23

Генерация света на произвольной частоте и преобразования частоты.

24

Самофокусировка света.

25

Вынужденное комбинационное рассеяние света.

26

Голография.
12. Примерный календарный план дисциплины

13 Литература

13.1 Список основной литературы

·  , Зубайри оптика. (M. O. Scully, M. S. Zubairy) Перевод с английского под ред . М.: Физматлит, 2003.

·  Килин оптика: Поля и их детектирование. Мн., 1990; М.: УРСС, 2003.

13.2 Список дополнительной литературы

·  Клаудер Дж., Основы квантовой оптики. Пер. с англ. М.: Мир, 1970.

·  Клышко основы квантовой электроники. М.: Наука, 1986.

13.3 Список методический литературы к лабораторным работам

1.  , Карпец характеристик газового лазера: Методические указания на выполнение лабораторной работы._ Хабаровск: Изд-во ДВГУПС, 2001_16 с.: ил.

2.  , Карпец характеристик дифракционной решетки: Методические указания на выполнение лабораторной работы._ Хабаровск: Изд-во ДВГУПС, 2001_18 с.: ил

3.  , Сюй явления двойного лучепреломления и оптической активности: Методические указания на выполнение лабораторной работы._ Хабаровск: Изд-во ДВГУПС, 2001_16 с.: ил.

4.  , Строганов угла полного внутреннего отражения: Методические указания на выполнение лабораторной работы._ Хабаровск: Изд-во ДВГУПС, 2002_18 с.: ил.

5.  Гороховский показателя преломления интерференционными методами: Методические указания на выполнение лабораторной работы._ Хабаровск: Изд-во ДВГУПС, 2001_20 с.: ил

6.  Шабалина дифракции фраунгофера от двух щелей.: Методические указания на выполнение лабораторной работы._ Хабаровск: Изд-во ДВГУПС, 2003_18 с.: ил

7.  Толкунова пространственной когерентности света по схеме Юнга.: Методические указания на выполнение лабораторной работы._ Хабаровск: Изд-во ДВГУПС, 2004_18 с.: ил