Рабочая программа по дисциплине Прикладная физика лазеров

НОВОСИБИРСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

ФИЗИКО-ТЕХНИЧЕСКИЙ ФАКУЛЬТЕТ

КАФЕДРА ЛАЗЕРНЫЕ СИСТЕМЫ

“УТВЕРЖДАЮ”

Декан ФТФ

д. ф.-м. н. проф.

“___ ”______________2006 г.

РАБОЧАЯ ПРОГРАММА

по дисциплине ПРИКЛАДНАЯ ФИЗИКА ЛАЗЕРОВ

Для студентов, обучающихся по направлению подготовки бакалавров,

140400 «ТЕХНИЧЕСКАЯ ФИЗИКА»

Факультет физико-технический

Курсы 3, 4 Семестры 6, 7, 8

Лекции 102 час.

Практические работы 0 час.

Лабораторные работы 0 час.

Расчетно-графическая работа 6, 7, 8 семестры

Контрольная работа 6, 7, 8 семестры

Самостоятельная работа 48 часов

Экзамен 7, 8 (ГЭ) зачет 6

Всего часов 150

Новосибирск

2006

Рабочая программа составлена на основании Государственного образовательного стандарта высшего профессионального образования по направлению 553100 - Техническая физика.

Дата утверждения ГОС «14» апреля 2000 г. Регистрационный № 000 тех/бак

ОПД. Ф.08 – Общепрофессиональная дисциплина, федеральный компонент.

Рабочая программа обсуждена на заседании кафедры Лазерных систем, протокола № 2 от 17 октября 2006 г.

Программу разработали д. ф.-м. н, проф.

к. ф.-м. н.

Заведующий кафедрой д. ф.-м. н, проф.

Ответственный за основную

образовательную программу

Заведующий кафедрой д. ф.-м. н, проф.

1. Внешние требования

Общие требования к образованности:

Из требований Государственного образовательного стандарта высшего профессионального образования по направлению подготовки бакалавров 553100- "Техническая физика": Требования к обязательному минимуму содержания рабочей программы по дисциплине "Прикладная физика лазеров"

Индекс	Наименование дисциплины и ее основные разделы	Всего часов
ОПД. Ф.08.	Гауссовы пучки и оптические резонаторы; Физические основы теории лазеров; Введение в атомно-молекулярную спектроскопию	150

В соответствии с общими требованиями к профессиональной подготовленности бакалавра по направлению "Техническая физика" и его квалификационной характеристикой бакалавр должен быть подготовлен к решению следующих профессиональных задач:

- анализ поставленной задачи исследований в области технической физики на основе подбора и изучения литературных и патентных источников;

- построение математических моделей для анализа свойств объектов исследования и выбор численного метода их моделирования, выбор готового или разработка нового алгоритма решения;

- разработка отдельных блоков программ, их отладка и настройка для решения отдельных задач технической физики, включая типовые задачи проектирования, исследования и контроля физических свойств материалов и сред;

- выполнение математического (компьютерного) моделирования с целью анализа и оптимизации параметров объектов исследования на базе имеющихся средств, включая стандартные пакеты автоматизированного проектирования и исследований;

- проведение измерений и исследований различных объектов по заданной методике с выбором технических средств и обработка результатов;

- составление описаний проводимых исследований и разрабатываемых проектов, подготовка данных для составления отчетов, обзоров и другой технической документации;

- осуществление наладки, настройки и опытной проверки отдельных видов приборов и систем в лабораторных условиях и на объектах.

· Для решения профессиональных задач бакалавр

- осуществляет сбор, обработку, анализ и систематизацию научно-технической информации по теме исследований и разработок;

- изучает специальную литературу и другую научно-техническую информацию, достижения отечественной и зарубежной науки и техники в области технической физики;

- участвует в проведении экспериментальных исследований по заданной программе, составляет описания экспериментов, готовит данные для составления отчетов, обзоров и другой документации;

- выполняет математическое моделирование объектов и процессов по типовым методикам

· Приведенные требования ГОС к профессиональной подготовленности бакалавра, а также требования ГОС к обязательному минимуму содержания основной образовательной программы бакалавра по направлению 553100- "Техническая физика" - определяют содержание следующих разделов:

- Принципы построения дисциплины "Прикладная физика лазеров"

- Цели учебной дисциплины

- Содержание и структура курса

- Учебная деятельность

2. Особенности (принципы) построения дисциплины

Особенности (принципы) построения дисциплины описываются в табл. 2.

Таблица 2

Особенности (принципы) построения дисциплины

Особенность (принцип)	Содержание
Основание для введения курса	ГОС ВПО подготовки бакалавра по направлению "Техническая физика" (курс входит в число общепрофессиональных дисциплин - ОПД. Ф.08 "Прикладная физика лазеров")
Адресат курса	Студенты физико-технического факультета: направление 140400 - "Техническая физика"
Главная цель	Создать основу: для восприятия специальных курсов по лазерной физике, технике и технологиям, для работы со справочной и текущей (публикации в научных журналах) литературой в рамках выполнения НИР в Институте лазерной физики
Ядро курса	1). Фундаментальные результаты в области гауссовых пучков и оптических резонаторов. 2). Основные задачи, которые лежат в основе теории лазеров, в частности, задачи о взаимодействии электромагнитной волны оптического диапазона с неподвижными и движущимися атомами. Рассматриваются различные режимы работы лазеров. 3). Дается основной набор сведений и результатов атомной и молекулярной спектроскопии
Требования к начальной подготовке, необходимые для успешного усвоения дисциплины	Для успешного изучения курса студенту необходимо знать такие разделы теоретической физики как электродинамика и квантовая механика. Предполагается, что студенты прослушали курс физической оптики
Уровень требований по сравнению с ГОС	повышенный
Объём курса в часах	Распределение учебных часов по видам нагрузки: лекции 102 часов объем самостоятельной работы 48 часов контрольные работы, РГР - 6,7,8 семестры, общий объем часов на дисциплину 150 часов
Описание основных "точек"	Промежуточный контроль уровня знаний - выполнение индивидуальных домашних заданий (расчетно-графических работ), итоговый контроль - зачет 6 сем., экзамен 7, 8(ГЭ) сем

3. Цели учебной дисциплины

Основная цель курса для студента.

Создать основу: для восприятия специальных курсов по лазерной физике, технике и технологиям, для работы со справочной и текущей (публикации в научных журналах) литературой в рамках выполнения НИР в Институте лазерной физики.

Общеинтеллектуальные цели

Изучение курса должно обеспечивать формирование у студентов следующих общеинтеллектуальных умений:

·  распознавание ситуации, формулирование целей исследования;

·  разработка методики решения задачи;

·  выбор из множества методов решения задачи оптимального ( по заданному или принятому самостоятельно критерию);

·  представление результатов решения в удобной для восприятия форме;

·  анализ полученных результатов и прогнозирование их изменения при изменена начальных условий задачи или некоторых ее параметров;

·  интерпретация полученных результатов в терминах решаемой прикладной задачи;

·  формирование гипотез о возможных причинах расхождения гипотетического и полученного результатов;

·  осуществление самоконтроля в процессе решения задачи;

·  планирование и организация собственной деятельности.

Цели учебной дисциплины описываются в табл. 3.

Таблица 3

После изучения дисциплины студент будет

Номер цели	Содержание цели
иметь представление
1	об описании электромагнитного поля с помощью волнового уравнения в параксиальном приближении и об интегральном методе Френеля-Киргофа
2	как решать волновое уравнение в параксиальном приближении для гауссова пучка основной моды,
3	как параметризовать гауссов пучок основной моды с помощью комплексного параметра q,
4	о постановке задач в лазерной физике (двухуровневое приближение, резонансное взаимодействие излучения с веществом и т. д.),
5	о понятии однородного и неоднородного уширения линии,
6	о кинетических уравнениях для матрицы плотности,
7	о коэффициентах поглощения в слабом и сильном полях и их структуре, об эффекте насыщения
8	о нелинейных резонансах насыщенного поглощения (дырка Беннета, провал Лэмба),
9	о режимах работы лазеров
10	о классификации состояний в атомной и молекулярной физике
знать
11	какими параметрами описывается гауссов пучок основной моды
12	что такое матричный метод в оптике и АВСД-теорема для описания преобразования гауссовых пучков линейными оптическими элементами,
13	как и какими параметрами описывается резонатор со сферическими зеркалами.
14	как найти собственную частоту резонатора и какой вид имеет поле соответствующей моды (собственная функция),
15	решение задачи о резонаторе с плоскопараллельными зеркалами и почему эта задача не сводится к задаче о резонаторе со сферическими зеркалами,
16	как описать потери в резонаторах
17	уравнения для матрицы плотности, физический смысл ее диагональных и недиагональных элементов,
18	как учесть влияние столкновений на уравнения для матрицы плотности, упругие и неупругие столкновения, специфика их проявления
19	решение основных задач о взаимодействии резонансного излучения с двухуровневой системой: неподвижные и движущиеся атомы, бегущая и стоячая волны, что такое параметр насыщения, понятия дырки Беннета и провала Лэмба
20	какими квантовыми числами описываются одно и многоэлектронные атомы, как устроены двухатомные молекулы
уметь
21	делать оценки, решать простые задачи, работать со справочной и текущей литературой в процессе выполнения НИР в Институте лазерной физики СО РАН

4. Содержание и структура учебной дисциплины

Курс ПРИКЛАДНАЯ ФИЗИКА ЛАЗЕРОВ состоит из трех частей.

В первой части излагаются фундаментальные результаты в области гауссовых пучков и оптических резонаторов. Проблема оптических резонаторов занимает центральное место в лазерной физике. Роль среды сводится к обеспечению усиления света в определенном спектральном диапазоне; все специфические свойства лазерного излучения – его когерентность, направленность и т. д. – формируются резонатором.

Изложению теории резонаторов со сферическими (параболическими) зеркалами предшествует детальное изложение теории гауссовых пучков. Теория резонаторов с криволинейными зеркалами ставится как задача отыскания такой геометрии резонатора, при которой гауссовы пучки являются собственными функциями. При таком подходе математическая сторона оказывается подготовленной изложением теории гауссовых пучков, и поэтому, теория резонаторов в целом воспринимается более естественно.

Вторая часть является теоретической частью курса. Здесь рассматриваются основные задачи, которые лежат в основе теории лазеров, в частности, задачи о взаимодействии электромагнитной волны оптического диапазона с неподвижными и движущимися атомами. Рассматриваются различные режимы работы лазеров.

Задача третьей части курса – научить студентов использовать теоретические знания по квантовой механике для определения спектральных характеристик излучения атомов и молекул

Описание лекционных занятий размещается в табл. 4 с указанием семестра, в котором организуется обучение по данной дисциплине.

Таблица 4

Темы лекционных занятий	Часы	Ссылки на цели
Семестр №6
Введение. Новейшие достижения современной прикладной физики. Состояние, проблемы, перспективы развития и использование достижений физики в различных областях науки и техники. Лазерная физика как одна из передовых и важнейших, перспективных частей современной прикладной физики.	4
Теория гауссовых пучков. Волновое уравнение для напряженности электромагнитного поля в параксиальном приближении. Решение волнового уравнения - гауссов пучок основной моды. Гауссовы пучки высших типов (мод). Каустики гауссовых пучков. Преобразование гауссовых пучков. Понятие о матричном методе. АБСД - теорема	14	1-3
Оптические резонаторы. Резонаторы со сферическими зеркалами. Согласование гауссова пучка с резонатором. Резонаторы с плоскопараллельными зеркалами. Потери в резонаторах. Неустойчивые резонаторы. Интегральное уравнение для резонаторов. Понятие эквивалентных резонаторов. Классификация резонаторов на основе интегрального уравнения	16	11-15
Семестр №7
Основы волновой механики. Волновая функция, наблюдаемые, среднее значение наблюдаемой, уравнение Шредингера, понятие стационарных состояний. Примеры - частица в одномерном потенциале, простой гармонический осциллятор, атом водорода, частица со спином и магнитный момент	4
Взаимодействие электромагнитной волны оптического диапазона с неподвижными и движущимися атомами. Взаимодействие атома электромагнитным полем - вынужденные резонансные переходы, коэффициенты Эйнштейна, излучение черного тела, радиационная вероятность перехода, точное решение Раби. Теория мазера на пучке молекул аммиака (молекула аммиака, режимы работы мазера). Кинетические уравнения - уравнения для матрицы плотности, столкновения, релаксация недиагональных элементов матрицы плотности, вероятности переходов при столкновениях, релаксация диагональных элементов, кинетические уравнения Резонансное взаимодействие оптических полей с газом	14	4-6
Резонансное взаимодействие оптических полей с газом - плоская волна в изотропной поглощающей среде, коэффициент поглощения и показатель преломления в слабом поле, сильное поле, параметр насыщения, уширение линии, коэффициент поглощения в газе движущихся атомов, сильная бегущая волна, стоячая волна, провал Лэмба Режимы работы лазеров. Лазер с кольцевым резонатором, режим включения лазера, шумы в лазерах, устойчивость генерации, лазер с резонатором Фабри-Перо, лазер с нелинейным поглощением, многомодовый режим генерации, синхронизация мод, лазер с оптической накачкой. Вычисление некоторых интегралов с помощью вычетов	16	7-9
Семестр №8
Предмет спектроскопии. Краткий обзор основных этапов в развитии спектроскопии. Историческое и философское осмысление теории Бора.	2
Систематика атомных состояний в приближении L-S связи. Электронная конфигурация. Мультиплетное расщепление. Правила отбора для излучательных переходов. Спектры атомов в приближении L-S связи. Спектры атомов с одним внешним s - электроном. Спектры атомов с двумя внешними s- электронами. Спектры атомов с одни внешним p - электроном. Спектры атомов с двумя внешними p - электронами. Спектры атомов с заполненными оболочками. Систематика атомных состояний в приближении j-j связи. Переходный тип связи.	14	9,20
Приближение теории дипольного излучения. Вероятности радиационных переходов. Сила осциллятора спектральной линии. Уширения спектральной линии. Интенсивность спектральной линии. Изменение атомных состояний под действием внешних электрических и магнитных полей. Эффект Зеемана. Эффект Штарка. Штарковское уширение спектральных линий	6	9,20
Введение в молекулярную спектроскопию. Виды движения в молекуле. Основные характеристики энергетических состояний молекул. Электронные состояния и электронные спектры двухатомных молекул. Колебательное движение и колебательные спектры двухатомных молекул. Вращательные спектры. Классификация состояний двухатомных молекул.	10	9,20

5. Учебная деятельность

Внеаудиторная работа студентов по дисциплине заключается в:

- самостоятельном изучении материалов теоретических занятий

- выполнении расчетно – графических работ (РГР)

- подготовке к защите РГР

Выполнение расчетно-графических работ

6 семестр – решение цикла задач по теме: Согласование возбуждающего гауссова пучка с резонатором

7 семестр – решение цикла задач по теме: Резонансное взаимодействие монохроматического поля с двухуровневой системой

8 семестр – решение цикла задач по возможным схемам электронных конфигураций

6. Правила аттестации студентов по учебной дисциплине

Проверка степени усвоения и глубины полученных знаний после прослушивания семестрового курса проводится во время зачетов и экзаменов. В экзаменационном билете два теоретических вопроса. Если студент успешно защитил выполненную им РГР и полностью справился с индивидуальным заданием, то окончательная проверка его знаний по курсу исчерпывается ответом на вопросы билета. Полное отсутствие знаний по любому одному из них влечет за собой неудовлетворительную оценку с последующей пересдачей экзамена. Полный и исчерпывающий ответ по обоим вопросом оценивается на «отлично».

Если в процессе сдачи РГР и (или) индивидуального задания студентом не продемонстрировано понимание поставленной перед ним проблемы и не найдено исчерпывающее решение, то в процессе сдачи экзамена он получает дополнительный вопрос из списка всех экзаменационных вопросов, с которыми преподаватель знакомит студентов в начале семестра. Оценку «хорошо» получает студент полностью ответивший на один (или два, если есть еще дополнительный) вопрос и не совсем полно ответивший на оставшийся вопрос билета. При желании студента получить более высокую оценку преподаватель может задать еще ряд дополнительных вопросов из оговоренного списка, но не обязательно по теме экзаменационного билета.

Оценка «удовлетворительно» ставится за полный ответ по одному из вопросов билета и частичный ответ на другой вопрос (и дополнительный, если он был задан).

7. Список литературы

7.1 Основной список

7.1.1.  ГАУССОВЫ ПУЧКИ И ОПТИЧЕСКИЕ РЕЗОНАТОРЫ, НГТУ, Новосибирск, (53, Т 454), 1998

7.1.2.  ОПТИЧЕСКИЕ РЕЗОНАТОРЫ И ЛАЗЕРНЫЕ ПУЧКИ, М., Наука, 1990

7.1.3. ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ТЕОРИИ ЛАЗЕРОВ, НГТУ, Новосибирск, (621.37, Б 194), 1998

7.1.4. В. Демтредер ЛАЗЕРНАЯ СПЕКТРОСКОПИЯ. ОСНОВНЫЕ ПРИНЦИПЫ И ТЕХНИКА ЭКСПЕРИМЕНТА, М., Наука, 1985

7.1.5 Введение в теорию атомных спектров Москва 1963.

7.1.6. Атомная и молекулярная спектроскопия Москва 1962.

7.1.7. , Справочник по атомной и молекулярной физике Москва Атомиздат 1980.

2 Дополнительная литература

7.2.1 ОТКРЫТЫЕ ОПТИЧЕСКИЕ РЕЗОНАТОРЫ, М.,

Сов. Радио, 1980

7.2.2  СПРАВОЧНИК ПО ЛАЗЕРАМ, в 2-х томах, перевод с англ. под ред. , М., Сов. Радио, 1978, т. 1

7.2.3  А. Мэйтланд, М. Данн ВВЕДЕНИЕ В ФИЗИКУ ЛАЗЕРОВ, М., Наука, 1978

7.2.4  О. Звелто ПРИНЦИПЫ ЛАЗЕРОВ, М., Мир, 1985

8. Контролирующие материалы для аттестации студентов по дисциплине

Вопросы для текущего контроля

1). В чем состоит физический смысл параксиального приближения для волнового уравнения электромагнитного поля.

2). Опишите как используя дифракционный интеграл Френеля-Киргофа вывести интегральное уравнение для оптического резонатора.

3). Какие два действительные параметры (или один комплексный) характеризуют гауссов пучок основной моды, каков их физический смысл.

4). Что характеризует каустика гауссовых пучков высших мод.

5). В чем состоит идея матричного метода в оптике. Можно ли использовать матричный метод для описания преобразования гауссовых пучков.

6). Как связаны между собой гауссовы пучки и моды резонаторов со сферическими зеркалами.

7). Какие виды потерей существуют в оптических резонаторах. Как можно сравнить потери разных видов между собой.

8). Дайте определение стационарного состояния в квантовой механике. Что такое полный набор стационарных состояний, разложение произвольного состояния по полному набору, физический смысл коэффициентов разложения.

9). Понятие матрицы плотности, физический смысл диагональных и недиагональных элементов.

10). Что такое эффект насыщения. Понятие параметра насыщения.

11). Какие виды уширения линии вы знаете, понятие однородного и неоднородного уширений.

12). Что такое дырка Беннета.

13). Что такое провал Лэмба.

14). Почему для лазера с нелинейной поглощающей ячейкой вместо провала возникает пик в мощности излучения.

15). Нарисовать схему энергетических уровней атома с соответствующим обозначением электронных конфигураций и электронных термов основного и возбужденных состояний. Продемонстрировать на схеме несколько разрешенных оптических переходов, включая резонансный дуплет, и грамотно записать их.

16). Продемонстрировать дуплетно-триплетную структуру спектра атома гелия.

17). В чем состоит отличие термов для конфигураций и ?