Учебная программа дисциплины – syllabus
1. УЧЕБНАЯ ПРОГРАММА ДИСЦИПЛИНЫ – Syllabus
1.1 Данные о преподавателях: д. ф-м. н., профессор,
к. т.н., ст. препод.
Преподаватели, ведущие занятия: к. т.н., ст. препод.
Контактная информация: , ГУК 911
Время пребывания на кафедре - по расписанию
1.2 Данные о дисциплине:
Название: Физические основы квантовой электроники
Количество кредитов: 3
Место проведения: аудитории ГУК.
Выписка из учебного плана
Таблица 1
Академических часов в неделю | Форма контроля | ||||||||
Курс | Семестр | Кредиты | Лекции | Лаб. занятия | Практ. занятия /семин. занят. | СРС | СРСП | Всего | |
1 | 2 | 3 | 4 | 5 | 6 | 7 | 8 | 9 | 10 |
3 | 6 | 3 | 2 | 1 | – | 3 | 3 | 9 | Э. П |
1.3 Пререквизиты: Высшая математика, физика конденсированного состояния, основы квантовой теории, оптика и лазерная спектроскопия, радиофизика.
1.4 Постреквизиты: Общепрофессиональные и специальные дисциплины.
1.5 Краткое описание дисциплины
В этой дисцеплине последовательно и всесторонне изложены основные физические идеи этой науки и дано описание принципов действия наиболее важных ее приборов. Цель курса – дать будущим физикам - экспериментаторам, инженерам – физикам и радиоинженерам, имеющим намерение работать в области исследований и применений лазерного излучения, необходимый минимум начальных сведений по квантовой электронике.
Квантовой электронике характерны глубокие проникновения идеи теории колебаний и методов электроники СВЧ в оптике. Современная оптика и квантовая электроника определяют новые возможности, как электроники, так и оптики, но не пересматривают их фундаментальные положения. Необходимость дальнейшего освоения оптического диапазона с использованием хорошо развитых методов радиофизики, радиотехники и электроники определяется рядом принципиальных обстоятельств. Ввиду бурного развития квантовой электроники основное внимание уделено при этом не конкретным достижениям тех или иных лазерных параметров, а принципам действия и потенциальным возможностям рассматриваемых лазеров.
Цели и задачи дисциплины
Дать возможность слушателю усвоить и знать:
• принципы действия лазеров и их характеристик;
• ставить проблемы, анализировать известные материалы по данной проблеме, выбрать оптимальные способы решения;
• на базе фундаментальных законов квантовой физики оценивать эффективность лазерных установок.
1.5 Перечень, виды заданий и график их выполнения:
Таблица 2
Виды контроля | Вид работы | Тема работы | Ссылки на рекомендуемую литературу с указанием страниц | Сроки cдачи недели |
1 | 2 | 3 | 4 | 5 |
Текущий контроль | Лабораторная работа | Определение постоянной Планка. | Осн.7 [324-328], 8 [16-40] | 2 |
Лабораторная работа СРС | Эксперимент Франка-Герца с неоновой трубкой Взаимодействия лазерного излучения с веществом. Спонтан-ное излучение, вынужденное излучение и поглощение. | Осн.7 [336-340], 8 [86-93] | 3 | |
Лабораторная работа СРС | Изучение теплового излучения. Взаимодействие фотонов электро-магнитного излучения с веществом. Поглощение и усиление. | Осн.7 [317-326], 8 [7-32] | 4 | |
СРС | Принципиальные схемы уровней активных центров и общие принципы создания инверсной заселенности. Условия инверсии. Закон излучения Рэлея — Джинса | Осн.7 [20-45], 8 [36-78], доп.1 [9-27] | 5 | |
Лабораторная работа | Закон излучения Стефана-Больцмана. | Осн.7 [317-326], 8 [7-32 | 7 | |
Лабораторная работа | Изучение интерференции света с помощью лазера. | Осн.4 [215-229], 7 [188-217], 8 [279-284] | 9 | |
Лабораторная работа СРС | Фотометрия. Однородное уширение Неоднородное уширение. Затягивание частоты и предел монохроматичности | Осн.4 [14-16] Осн.7 [36-87], 8 [56-97], доп.2 [27-45] | 10 | |
Лабораторная работа СРС | Изучение эффекта Холла в германиевом проводнике р-типа при помощи универсальной установки Кобра Нестационарный режим работы лазера. Импульсная накачка переходы. Квантовый выход и КПД лазера. | Осн.7 [186-188], 8[123-125, 233-236] Осн.2 [78-95], 4 [56-83], доп.4 [9-17] | 11 | |
СРС | Основные возбуждения. Упрощенная схема энергетических уровней Не и Ne. Молекулярно газовые лазеры | Осн.2 [78-95], 4 [56-83], доп.4 [9-17] | 12 | |
Лабораторная работа СРС | Эффект холла в германиевом полупроводнике n-типа. Рентгеновские лазеры. Получения лазерной генерации в четырехуровневой схеме. | Осн.7 [186-188] 8 [123-125, 233-236] | 14 | |
Рубежный контроль | Тестирование 1 | Тема: 1 – 8 | Основная 1, 2, 3,4, доп.4 Конспект лекций | 8 |
Тестирование 2 | Тема: 1-15 | Основная 2, 3, 4,5 Конспект лекций | 15 | |
Другие виды контроля | Контрольная работа 1 | Темы: 1 - 6. | Основная 1, 2, 3,9,доп.2 Конспект лекций | 6 |
Контрольная работа 2 | Темы: 7-15 | Основная 4,5,9,доп.4 Конспект лекций | 13 | |
Итоговый контроль | Экзамен | Согласно тематического плана курса | Основная 1, 2, 3, 4,5, доп.4,5 Конспект лекций | 17 |
1.6 Список литературы
Список основной литературы
1. Лансберг . –М: Наука. – 1976. –926с.
2. Карлов по квантовой электронике. –М: наука. –1988. –336с.
3. Клышко основый квантовой электроники. – М: Наука. –1986. –296с.
4. ринципы лазеров. Перевод с англ. 3-ое переиз. Москва. Мир, 1999, -560 с.
5. , Никитин оптика: Учебник - М.: Изд-во Моск. ун-та, 1998. 243с.
6. Курс физики. : в 2-х т., под ред. , С-П.: «Лань», 2001, -250c.
7. Трофимова физики. – М: Высшая школа, 2001, -340c.
8. Савельев физики 2,3 том, М.: 1989. -350c.
9. Пихтин и квантовая электроника.: Учеб. Для вузов. –М.: Высш. шк., 2001. -573с.
10. , Овсюк процессы в твердотельных системах пониженной размерности. –Новосибирск.: Изд-во. Новосибирск. Ун-та, 2000. -448с.
Материал для дополнительного чтения
1. Зон лазерного излучения с атомами //Сорос. образоват. журнал. №1. -1999. –С.84-89.
2. , Башкиров в квантовую и оптическую электронику. Учебное пособие Томск, 2007, -94 с.
3. Гуртов В. А. Твердотельная электроника: Учеб. пособие; ПетрГУ. – Петрозаводск, 2004. – 312 с Физические основы квантовой радиофизики / под ред. . Л.: Изд-во ЛГУ, 1985. 320 с.
4. ведение в физику лазеров. –М.: Мир. 1982. -224c.
5. вантовая природа света. –М.: Мир.1978. -118c.
1.7 Контроль и оценка знаний
Распределение рейтинговых процентов по видам контроля
Таблица 3
Вид итогового контроля | Виды контроля | Проценты |
Экзамен | Итоговый контроль | 100 |
Рубежный контроль | 100 | |
Текущий контроль | 100 |
Календарный график сдачи всех видов контроля по дисциплине
«Физические основы квантовой электроники»
Таблица 4
Недели | 1 | 2 | 3 | 4 | 5 | 6 | 7 | 8 | 9 | 10 | 11 | 12 | 13 | 14 | 15 |
Виды контроля | - | ЛР | ЛР СР | ЛР СР | СР | К | ЛР | РК | ЛР | ЛР СР | ЛР СР | СР | К | ЛР СР | РК |
Недель. количес.. контр. | 1 | 2 | 2 | 1 | 1 | 1 | 1 | 1 | 2 | 2 | 1 | 1 | 2 | 1 | |
Виды контроля: ЛР – Лабораторные занятие, К – контрольная работа, СР - самостоятельная работа, РК – рубежный контроль |
Итоговая оценка по дисциплине определяется по шкале (таблица 5).
Оценка знаний студентов
Таблица 5
Оценка | Буквенный эквивалент | Рейтинговый балл (в процентах %) | В баллах |
Отлично | А | 95-100 | 4 |
А- | 90-94 | 3,67 | |
Хорошо | В+ | 85-89 | 3,33 |
В | 80-84 | 3,0 | |
В- | 75-79 | 2,67 | |
Удовлетворительно | С+ | 70-74 | 2,33 |
С | 65-69 | 2,0 | |
С- | 60-64 | 1,67 | |
D+ | 55-59 | 1,33 | |
D | 50-54 | 1,0 | |
Неудовлетворительно | F | 0-49 | 0 |
Перечень вопросов для проведения контроля и
Вопросы для проведения 1 рубежного контроля
1. История возникновения квантовой электроники.
2. Определение квантовой электроники.
2. Фундаментальные процессы, определяющие принцип работы лазеров.
3. Индуцированные и спонтанные переходы, коэффициенты Эйнштейна.
4. Естественное время жизни, ширина линии спонтанного излучения.
5. Вероятности поглощения и вынужденного излучения.
6. Когерентность, интенсивность лазерного излучения.
7. Монохроматичность и длительность лазерного излучения.
8. Насыщение поглощения света.
9. Процесс поглощения.
10. Условия инверсии.
11. Методы создания инверсной заселенности в лазерных средах
12. Условие инверсии в двухуровневой системе.
13. Заселенность уровней при тепловом равновесии.
14. Механизмы образования инверсной населенности уровней в лазерах с ядерной накачкой.
15. Поглощение и усиление в активной среде.
Вопросы для проведения 2 рубежного контроля
1. Дать объяснение эффекту насыщения при увеличении интенсивности излучения.
2. Импульсный режим, энергия насыщения.
3. Какие методы используются при измерении энергии и мощности лазерного излучения?
4. Активная среда.
5. Естественное время жизни, ширина линии спонтанного излучения.
6. Теория излучения черного тела.
7. Однородное уширение линии.
8. Неоднородное уширение линии.
9. Лоренцева форма линии.
10. Принципы работы квантовых усилителей и генераторов.
11. Вывести формулу для изменения потока световых квантов на единице длины пути в двухуровневой системе.
12. Способы накачки лазеров.
13. Открытый резонатор, его добротность.
14. Что такое сечение усиления?
15. Плотность потока насыщающего излучения.
Перечень вопросов для проведения промежуточной аттестации
1. Максимальный коэффициент полезного действия лазера.
Основные методы измерения коэффициентов усиления лазерных сред.3. Резонатор Фабри-Перо.
4. Оптические квантовые генераторы. Устройство, принцип
действия.
5. Непрерывный режим работы лазера.
6. Принцип работы газовых лазеров.
7. Особенности газообразной активной среды.
8. Перечислить и обсудить особенности газовых лазеров высокого давления (способы накачки, источники накачки, особенности конструкции).
9. Практические применения газовых лазеров.
10. Каким образом создается инверсная населенность уровней в гелий -
неоновом лазере?
11. Перечислить основные типы газовых лазеров с ядерной накачкой и
указать их основные характеристики.
12. Основные механизмы образования инверсной населенности уровней в
газовых лазерах.
13. Основные способы возбуждения газовых сред при их возбуждении
ионизирующими излучениями.
14. Гелий-неоновые лазеры и его основные характеристики.
15. Каким образом создается инверсная населенность уровней в гелий -
неоновом лазере?
16. Рубиновый лазер и его основные характеристики.
17. Практические применения рубиновых лазеров.
18. Принцип работы СО2 лазеров.
19. Неодимовый лазер и его основные характеристики.
20. Практические применения полупроводниковых лазеров
21. Способы накачки в полупроводниковом лазере.
22. В чем особенность твердотельных лазеров?
23. Какие лазеры имеют более высокие КПД?
24. В чем особенность эксимерных лазеров?
1.8 Политика и процедура Образовательная политика при изучении курса «Физические основы квантовой электроники» направлена на формирование у студента заявленного выше объёма знаний, умений и навыков по завершении изучения принципов работы лазеров. Именно этой политикой обусловлены требования к его учебной деятельности.
2 содержание Активного раздаточного материала
2.1 Тематический план курса
Таблица 6
№ п/п | Наименование темы | Количество | |||
лекции | лаб. заня. | СРСП | СРС | ||
1 | История квантовой электроники. История возникновения квантовой электроники. Квантовая природа света, индуцированное излучение, бозоны. Первый мазер, радио и оптика. Первые лазеры. Место квантовой электроники в оптике. | 2 | 1 | 3 | 3 |
2 | Излучательные переходы. Коэффициенты Эйнштейна. Определение квантовой электроники. Спонтанное излучение. Вынужденное излучение. Поглощение. Связь между коэффициентами. | 2 | 1 | 3 | 3 |
3 | Ширина линии. Однородные и неоднородные уширения. Лоренцева форма линии. Гауссова форма линии при доплеровском уширении. | 2 | 1 | 3 | 3 |
4 | Поглощение и усиление. Активная среда. Эффект насыщения. Плотность потока энергии насыщающего излучения. Импульсный режим, энергия насыщения. | 2 | 1 | 3 | 3 |
5 | Лазеры. Свойства лазерных пучков. Усиление и генерация. | 2 | 1 | 3 | 3 |
6 | Генерация. Открытый резонатор, его добротность. Регенерация при усилении. Проходной резонаторный усилитель. Условия резонанса. | 2 | 1 | 3 | 3 |
7 | Гауссовы пучки. Конфокальный резонатор. Распределение поля. Размер пятна. | 2 | 1 | 3 | 3 |
8 | Устойчивость резонаторов. Устойчивость линзовых световодов. Типы устойчивых резонаторов. Световод с одинаковыми линзами. | 2 | 1 | 3 | 3 |
9 | Неустойчивые резонаторы. Геометро-оптические рассмотрение. Коэффициенты увеличения, потери на излучение. | 2 | 1 | 3 | 3 |
10 | Генерация излучения в нескольких продольных модах. Нерегулярный характер спектра генерации. Затягивание мод. Синхронизация мод. | 2 | 1 | 3 | 3 |
11 | Виды лазеров. Принципы работы лазеров. Наиболее известные виды лазеров. Применение лазеров. | 2 | 1 | 3 | 3 |
12 | Твердотельные лазеры. Рубиновый и неодимовый лазеры. Уровни энергии иона хрома в корунде. Уровни энергии иона неодима. Лазерное стекло. | 2 | 1 | 3 | 3 |
13 | Газовые лазеры. Ионные лазеры. Лазеры на парах металлов. | 2 | 1 | 3 | 3 |
14 | Лазеры на красителях. Спектрально-люминесцентные свойства красителей. Схема уровней. Цикл оптической накачки. | 2 | 1 | 3 | 3 |
15 | Полупроводниковые лазеры. Отличительные особенности полупроводниковых лазеров. Зоны разрешенных состояний. Прямозонные и непрямозонные полупроводники. | 2 | 1 | 3 | 3 |
Итого: | 30 | 15 | 45 | 45 |
