НОВОСИБИРСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ
УНИВЕРСИТЕТ
“УТВЕРЖДАЮ”
Декан ФТФ __________
“____”_____________2006 г.
РАБОЧАЯ ПРОГРАММА
по дисциплине “ Физика оптических явлений ”
для студентов, обучающихся по специальности (направлению)
200200 Оптотехника
Факультет физико-технический
Кафедра ОИТ
Курс 6 Семестр 11
Лекции 36 час. Экзамен 11 сем.
Практические занятия __ час.
Лабораторные занятия __ час. Зачёт __
Контр. работы __ час.
Курсовые работы __ час. Самостоятельная
работа 68 час.
Курсовые проекты __ час.
РГД __ час.
Индивид. занятия 36 час.
Всего 140 час.
2007 г.
Рабочая программа составлена на основании государственного образовательного стандарта высшего профессионального образования подготовки бакалавров по направлению “200200 Оптотехника”, утверждённой “___”________ 2007 г.
Индекс 000000
Рабочая программа обсуждена на заседании кафедры “Оптические и информационные технологии”, протокол №……….. от “__” _______ 2007 г.
Программу составил: , д. ф.-м. н., проф.
Заведующий кафедрой , д. т.н., проф.
Отв. за ОПП
Эксперт по качеству
1. Особенности курса
Курс входит в число специальных дисциплин направления.
Основная цель курса в восприятии студента: получить теоретические и практические знания по методологии применения и разработки оптических и лазерных методов манипулирования микро - и субмикронными частицами и отдельными атомами и молекулами в целях разработки микро - и нанотехнологий.
Ядро курса составляют проблемы использования лазерных и классических источников света в научных исследованиях на основе интегративного (на базе физических, физико-химических и технологических законов) подхода.
Для успешного изучения курса студенту необходимо знать основы теоретической и прикладной оптики, основы лазерной физики, основы теории взаимодействия излучения с веществом, а также вопросы лазерной метрологии.
В курсе закрепляются общепредметные навыки применения и разработки оптических и лазерных методов манипулирования микро - и субмикронными частицами и отдельными атомами и молекулами в целях разработки микро - и нанотехнологий
Для проведения практических занятий используются методические наработки проводящих занятия сотрудников кафедры.
В рамках самостоятельной работы студенты применяют полученные знания для постановки оптических и, в том числе, лазерных исследовательских и измерительных операций, знакомятся с новейшими разработками в области лазерных систем и измерений. Результаты работы оформляются в виде рефератов на заданную или согласованную с преподавателем тему.
Оценка знаний и навыков студентов проводится с помощью итогового экзамена, который включает в себя 3 вопроса по основным проблемам курса.
2. Требования государственного образовательного стандарта (ГОС)
по направлению “200200 Оптотехника” (для магистра техники и технологии, утверждённой
2 марта 2000 г.)
Квалификационные требования.
Для решения профессиональных задач магистр
осуществляет сбор, обработку, анализ и систематизацию специальной и научно-технической информации по поставленной задаче;
изучает специальную и другую научно-техническую литературу, достижения отечественной и зарубежной науки и техники в области лазерных систем и разработки и постановки оптических и, в том числе, лазерных приборов и исследований;
принимает участие в разработке лазерных систем и организации и постановке оптических и, в том числе, лазерных приборов и исследований по лазерному манипулированию микрообъектами;
обеспечивает соблюдение технологической дисциплины на своём участке, правильную эксплуатацию лабораторного и специального оборудования;
Магистр должен знать:
постановления, распоряжения, приказы, методические и нормативные материалы, касающиеся области своей профессиональной деятельности;
действующие стандарты и технические условия, положения и инструкции по эксплуатации оборудования и его применения при постановке и проведении оптических и, в том числе, лазерных приборов и исследований;
технические характеристики и экономические показатели лучших отечественных и зарубежных образцов специальной аппаратуры и приспособлений, применяемых в постановке оптических и, в том числе, лазерных приборов и исследований.
Требования к профессиональной подготовленности магистра.
Магистр - оптотехник
Должен знать
методические и нормативные материалы, касающиеся области его профессиональной деятельности;
основы лазерной физики и техники, физические процессы, происходящие в лазерах, принцип действия лазеров различных типов и их технические характеристики, особенности характеристик лазерного излучения;
особенности распространения и преобразования лазерного излучения оптическими элементами и системами, способы измерения параметров лазерного излучения и управления ими;
основы физики взаимодействия интенсивного лазерного излучения с веществом применительно к различным оптическим и, в том числе, лазерным приборам и исследованиям.
Должен уметь применять
методы постановки нестандартных технологических, аналитических и метрологических операций с применением классических и лазерных источников излучения;
типовые технологические процессы, аналитические и метрологические операции с применением классических и лазерных источников излучения.
3. Цели курса.
№ цели | Содержание цели |
Студент будет иметь представление
1 | о системном подходе к постановке нестандартных исследовательских аналитических и метрологических операций с применением лазерных источников излучения; |
2 | об основах физики взаимодействия интенсивного лазерного излучения с веществом применительно к различным исследовательским задачам; |
3 | об основных направлениях практического использования лазерного излучения и возможностях лазерных приборов; |
4 | об основных характеристиках веществ и излучения, обуславливающих успешную постановку и осуществление исследовательских задач; |
5 | об основных направлениях модернизации лазерных приборов применительно к их конкретному применению в лазерно-оптических установках. |
Студент будет знать
6 | методы управления пространственно-временными характеристиками света; |
7 | методы изготовления оптических элементов лазерных установок и устройств по транспортировке излучения; |
8 | основные методы оптической и, в том числе, лазерной аналитики и метрологии; |
9 | технико-экономические характеристики лазерных источников света и регистрирующих систем; |
10 | основы техники безопасности при работе с лазерными установками; |
Студент будет уметь
11 | использовать основы системного подхода к разработке и постановке лазерно-оптических операций и измерений; |
12 | использовать полученные знания применительно к практической работе с лазерными и классическими источниками излучения; |
13 | использовать лазерные и классические источники излучения как в отдельности, так и в комплексе для осуществления постановки аналитических, метрологических и других исследовательских операций; |
14 | измерять спектральные, временные и энергетические характеристики лазерного излучения; |
15 | анализировать и оценивать спектральные, временные и энергетические характеристики приёмников излучения; |
16 | осуществлять постановку как статических, так и динамических лазерных операций с применением стандартных и специальных аппаратурных методов транспортировки излучения; |
17 | проводить оценку предельной чувствительности как аналитических методов лазерной диагностики, так и метрологических применений лазерных устройств; |
18 | применять оптические устройства и приспособления для управления характеристиками лазерного излучения и его транспортировки. |
4.Структура курса
 |
 |
 |
 |
 | |
|
5.Содержание курса
Ссылки на цели курса | Часы | Темы лекционных занятий |
1, 2, 3, 4, 5, 6, 7 | 6 | Физические основы оптического захвата и светового давления на атомы и молекулы. Физика оптического манипулирования диэлектрическими и металлическими микро - и субмикронными объектами. |
8, 10, 12 | 6 | Основные типы оптических ловушек для атомов и микро - и нанообъектов. Магнитооптические ловушки для атомов и молекул. Угловая расходимость и поперечное распределение интенсивности излучения в пучке прменительно к оптическим ловушкам.. Требования к энергии и мощности лазерного излучения. Временные характеристики лазерных источников света. Поперечные размеры пучка и его формирование. Управление пространственно-временными характеристиками света. |
2,6,7,8 | 4 | Формирование лазерных пучков и, в том числе, с помощью дифракционных оптических элементов. Интерференционные методы формирования силового поля оптической ловушки. |
2,6,7,8 | 6 | Динамика поведения атомов и субмикронных частиц в поле лазерного излучения со сложной геометрией распределения интенсивности луча по сечению. Управление динамическими характеристиками сферических и протяжённых микро - и нанообъектов оптической ловушке. |
9, 11,12 | 6 | Применения оптического захвата и манипулирования в создании 2D-и 3D-структур. |
5,7,12, 13,14, 15, 16, 17 | 6 | Области применения оптического захвата и манипулирования в физических исследованиях. Манипулирование биообъектами. Исследования физики коллоидов. Исследование оптических свойств микро - и нанообъектов. |
Темы индивидуальных занятий.
Ссылки на цели курса | Часы | Темы | Решая задачи, студент |
9, 11,12 | 6 | Основные свойства ла-зерного излучения. Спе-ктральные характеристи-ки лазерного излучения. | -получает навыки вычислений и оценок геометрических, спектральных, энергетических и временных характеристик лазерных источников света; |
9, 11,12 | 6 | Управление пространс-твенными и временными характеристиками излу-чения лазерных источ-ников. | - получает навыки вычислений и оценок возможностей оптических устройств по управлению пространственными и временными характеристиками излучения источников света; |
8, 10, 12 | 6 | Взаимодействие света с отражающими, поглоща-ющими и рассеиваю-щими атомами и частицами. | -получает навыки вычислений и оценок коэффициентов отражения и поглощения различных материалов; -получает навыки вычислений и оценок сил светового давления. |
8, 10, 12 | 6 | Распространение света в прозрачных средах и вза-имодействие световых волн. | - получает навыки вычислений и оценок явлений дисперсии, интерференции и дифракции света при использовании их в приборах спектрального анализа света; |
8, 10, 12 | 6 | Рассмотрение динамики взаимодействия атомов и микрочастиц с полем оптической ловушки. | -знакомится с явлением резо-нансного поглощения света и получает навыки вычислений и оценок оптических параметров микрочастиц. |
8, 10, 12 | 4 | Рассмотрение поведения диэлектрических частиц в поле со сложной геометрией поперечного распределения интенсив-ности лазерного луча. | -знакомится с методами анализа характера захвата частицы в различных конфигурациях опти-ческой ловушки; - рассматривает поведение части-цы в силовом поле различных кон-фигураций оптического поля |
6. Список литературы..
1. , Шумай мощного лазерного излучения. – М.: Наука, 1991.
2. , Летохов лазерного излучения на атомы. – М.: Наука, 1986.
3. , Чеботаев лазерная спектроскопия сверхвысокого разрешения. – М.: Наука, 1990.
4. Справочник по лазерам: Пер. с англ. под ред. . – М.: Советское радио, 1978.
5. Введение в оптическую электронику. – М.: Высшая школа, 1983.
6. , , Хонина манипулирование: достижения и новые возможности, порождённые дифракционной оптикой. – Физика элементарных частиц и атомного ядра, т.35, вып. 6, 2004.
7. Young M. Optics and Lasers (including Fibers and Integrated Optics): Springer-Verlag. Berlin-Heidelberg-N. Y.-Tokyo, 1984. – 269 pp.
Приложение.
Вопросы к экзамену по курсу “ Физика оптических явлений ”
1. Проанализируйте процесс светового давления на макроскопические (по сравнению с атомами и молекулами) диэлектрические и металлические частицы? Какие силы здесь возникают?
2. Рассмотрите процесс резонансного светового давления на атомные частицы.
3. В чём состоит процесс радиационного охлаждения атомов?
4. Проанализируйте движение атомных частиц в бегущей волне.
5. Проанализируйте движение атомных частиц в стоячей волне.
6. Рассмотрите поведение атомов в магнитно-оптической ловушке.
7. На примере классического осциллятора рассмотрите возможность создания нерезонансной оптической ловушки для атомов и ионов.
8. Рассмотрите особенности поведения диэлектрических частиц для осевых и поперечных мод лазерного излучения.
9. Проанализируйте направление движения диэлектрических частиц в гауссовом поле лазерного излучения в зависимости от соотношения показателей преломления частицы и окружающей среды.
10. Предложите метод ускорения (или замедления) диэлектрических частиц в поле лазерного излучения.
11. Сравните эффекты светового давления и светоиндуцированного дрейфа по воздействию на атомы и молекулы.
12. Проанализируйте применение холодных атомов в оптических стандартах частоты.
13. На примере модели гармонического осциллятора проанализируйте поведение в оптической ловушке захваченной частицы в вакууме и жидкости.
14. Проанализируйте динамику поведения захваченной в двухмерной ассиметричной оптической ловушке частицы.
15. Рассмотрите процессы перемещения и ускорения абсолютно отражающих микрочастиц в поле лазерного излучения.
16. Какие виды механического действия света Вы знаете? Проанализируйте особенности управления динамическими характеристиками вещества в макро - и микроскопическом масштабе (т. е. на уровне частиц и отдельных атомов).
17. Рассмотрите интерференционные и дифракционные методы создания оптических ловушек.
18. Какие виды движения частиц возможно получить в оптических ловушках и каким образом?
19. Приведите примеры применений оптического захвата при манипулировании биообъектами.
20. Рассмотрите возможности непосредственных измерений оптических констант микрообъектов.
21. Приведите несколько примеров формирования гауссовых лазерных пучков с заданными свойствами.
22. Дайте характеристику одной из наиболее распространённых лазерных систем (лазер на кристалле граната с неодимом, He-Ne – лазер, лазер на двуокиси углерода, ионный аргоновый лазер, полупроводниковые лазеры, лазеры на растворе органических красителей, лазеры высокого давления) применительно к использованию в оптических ловушках.
23. Дайте описание акустооптических и электрооптических устройств, используемых для управления частотой, интенсивностью и направлением оптического излучения.
 |
ПАСПОРТ
комплекта контролирующих материалов (КМ) по дисциплине
“ Физика оптических явлений ”
для студентов, обучающихся по специальности 200200 “Оптотехника”.
Разработчик: кафедра Оптических информационных технологий, проф. кафедры ОИТ д. ф.-м. н.
Паспорт комплекта содержит основные характеристики комплекта и предназначен для использования при подготовке контролирующих материалов, проведении контроля и анализе результатов контроля.
1. Соответствие Государственному образовательному стандарту — комплект соответствует Государственному образовательному стандарту высшего профессионального образования для специальности 200200 “Оптотехника”. Дата утверждения ГОС - 02 марта 2000 г. Номер государственной регистрации 10 тех / маг. Шифр дисциплины в ГОС-СДМ. Р.02. Общие математические и естественнонаучные дисциплины. Федеральный компонент. Шифр дисциплины в учебном плане – ГОС-СДМ. Р.02.
2. Вид контроля – контроль остаточных знаний.
3. Темы и разделы учебной дисциплины, охватываемые частями теста:
3.1 Оптический захват и световое давление на атомы и диэлектрические и металлические микро - и субмикронные объекты.
3.2 Основные типы оптических ловушек для атомов и микро - и нанообъектов.
3.3 Формирование лазерных пучков и, в том числе, с помощью дифракционных оптических элементов.
3.4 Давление света и управление динамическими характеристиками микро - и нанообъектов.
3.5 Применения оптического захвата и манипулирования в создании 2D-и 3D-структур.
3.6 Области применения оптического захвата и манипулирования в физических исследованиях.
4. Цели контроля представлены в виде матрицы-таблицы тестовых заданий по разделам (модулям) и целям дисциплины в табл. 1.
5. Формы заданий, включённых в тест, их количество:
задания в виде вопросов и задач – 3, общее число заданий: 14.
6. Шкала измерений для заданий: Правильно выполненное задание оценивается в 5 баллов, неверно выполненное задание оценивается в 0 баллов. Максимальный итоговый балл по тесту составляет 15 баллов.
7. Время, отведённое для выполнения теста, составляет 2 учебных часа.
Разработчик проф.
Зав. кафедры ОИТ проф.
Вопросы
для проверки остаточных знаний по курсу “ Физика оптических явлений ”
1. Проанализируйте процесс светового давления на макроскопические (по сравнению с атомами и молекулами) диэлектрические и металлические частицы? Какие силы здесь возникают?
2. В чём состоит процесс радиационного охлаждения атомов?
3. Проанализируйте движение атомных частиц в бегущей волне.
4. Проанализируйте движение атомных частиц в стоячей волне.
5. Рассмотрите поведение атомов в магнитно-оптической ловушке.
6. На примере классического осциллятора рассмотрите возможность создания нерезонансной оптической ловушки для атомов и ионов.
7. Рассмотрите особенности поведения диэлектрических частиц для осевых и поперечных мод лазерного излучения.
8. Проанализируйте направление движения диэлектрических частиц в гауссовом поле лазерного излучения в зависимости от соотношения показателей преломления частицы и окружающей среды.
9. Предложите метод ускорения (или замедления) диэлектрических частиц в поле лазерного излучения.
10.Сравните эффекты светового давления и светоиндуцированного дрейфа по воздействию на атомы и молекулы.
11.Проанализируйте применение холодных атомов в оптических стандартах частоты.
12.На примере модели гармонического осциллятора проанализируйте поведение в оптической ловушке захваченной частицы в вакууме и жидкости.
13.Проанализируйте динамику поведения захваченной в двухмерной ассиметричной оптической ловушке частицы.
14.Рассмотрите процессы перемещения и ускорения абсолютно отражающих микрочастиц в поле лазерного излучения.
15.Какие виды механического действия света Вы знаете? Проанализируйте особенности управления динамическими характеристиками вещества в макро - и микроскопическом масштабе (т. е. на уровне частиц и отдельных атомов).
16.Рассмотрите интерференционные и дифракционные методы создания оптических ловушек.
17.Какие виды движения частиц возможно получить в оптических ловушках и каким образом?
18.Приведите примеры применений оптического захвата при манипулировании биообъектами.
19.Рассмотрите возможности непосредственных измерений оптических констант микрообъектов.
20.Приведите несколько примеров формирования гауссовых лазерных пучков с заданными свойствами.
21.Дайте характеристику одной из наиболее распространённых лазерных систем (лазер на кристалле граната с неодимом, He-Ne – лазер, лазер на двуокиси углерода, ионный аргоновый лазер, полупроводниковые лазеры, лазеры на растворе органических красителей, лазеры высокого давления) применительно к использованию в оптических ловушках.
22.Дайте описание акустооптических и электрооптических устройств, используемых для управления частотой, интенсивностью и направлением оптического излучения.
Варианты:
1 | вопросы 1, 9, 15 | 8 | вопросы 1, 8, 14 |
2 | вопросы 2, 10, 16 | 9 | вопросы 2, 9, 15 |
3 | вопросы 3, 11, 17 | 10 | вопросы 3, 10, 16 |
4 | вопросы 4, 12, 18 | 11 | вопросы 4, 11, 17 |
5 | вопросы 5, 13, 19 | 12 | вопросы 5, 12, 18 |
6 | вопросы 6, 14, 20 | 13 | вопросы 6, 13, 22 |
7 | вопросы 7, 15, 21 | 14 | вопросы 7, 14, 22 |
