НОВОСИБИРСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ
УНИВЕРСИТЕТ
Физико-технический факультет
Кафедра оптических информационных технологий
«УТВЕРЖДАЮ»
Декан ФТФ
_____________
«___»____________2006г.
РАБОЧАЯ ПРОГРАММА УЧЕБНОЙ ДИСЦИПЛИНЫ
КОГЕРЕНТГАЯ И НЕЛИНЕЙНАЯ ОПТИКА
ООП по направлению 200200- ОПТОТЕХНИКА
БАКАЛАВР ТЕХНИКИ И ТЕХНОЛОГИИ
ФАКУЛЬТЕТ ФИЗИКО-ТЕХНИЧЕСКИЙ (ФТФ)
Курс 3 семестр 6
Лекции - 34 часа
Лабораторные занятия - 17 часов
Практические занятия - 17 часов
Самостоятельная работа - 54 часа
Экзамен - 6 семестр
Всего - 122 часа
Новосибирск. 2006
Рабочая программа составлена на основании Государственного образовательного стандарта (550700) высшего профессионального образования по направлению
200200 – Оптотехника.
Регистрационный № 8 тех\бак, дата утверждения ГОС – 02.03.2000г.
Шифр дисциплины в ГОС – СД. Ф.03
Рабочая программа обсуждена на заседании кафедры «оптические информационные технологии» - протокол № 6 от 14 июня 2006 г.
Программу разработал:
Д. т.н., профессор
Заведующий кафедрой, д. т.н., профессор
Ответственный за основную образовательную
программу
Зав. кафедрой ОИТ, проф.
1. Особенности курса
· Курс входит в число специальных дисциплин и дисциплин специализаций направления.
· Основная цель курса для студента: знать и уметь использовать основные положения когерентной и нелинейной оптики, обеспечивающие принципиально новые возможности управления состоянием веществ, получение различного рода информации о характере этого состояния, применение в современных измерительных и оптических информационных технологиях.
· Ядро курса составляют изучение основ нелинейного взаимодействия интенсивного лазерного излучения с классическими и квантовыми системами, приводящего к существенному изменению свойств и параметров как объектов воздействия (среды), так и самого лазерного излучения.
· Для успешного изучения курса студенту необходимо знать основы квантовомеханической теории строения вещества, классической оптики и спектроскопии, а также теории резонансного взаимодействия электромагнитного излучения с атомной и молекулярной средой.
· В курсе закрепляются такие общепредметные умения как статистическая оценка параметров распределений случайных величин, методы принятия статистических решений, расчет вероятностей ошибок первого и второго рода и развивается нелинейное мышление.
· Курс имеет практическую часть (лабораторные занятия – 17час, практические занятия – 17час.). Студенты применяют теоретические положения для решения конкретных задач взаимодействия классических и квантовых систем с интенсивными оптическими полями (нелинейный осциллятор, генерация оптических гармоник и т. д.), а также их использования в ряде новых информационных технологий. Часть заданий меняется, имея нестандартный проблемный характер.
· Для проведения практических занятий используются методические указания и учебная литература, представленная в конце курса.
· Оценка знаний и умений студентов проводится с помощью итогового экзамена, который включает вопросы по основным проблемам курса.
2. Требования государственного образовательного стандарта (ГОС) по направлению 551900 «Оптотехника» (для бакалавра техники и технологии), утвержденный 10 марта 2000г.
Квалификационные требования
Для решения профессиональных задач бакалавр:
· осуществляет сбор, обработку и анализ научно-технической информации в области оптотехники на основе изучения литературных и патентных источников;
· выполняет построение математических моделей для анализа свойств объектов исследования и выбор численного метода их моделирования, выбор готового или разработка нового алгоритма решения задачи;
· осуществляет математическое (компьютерное) моделирование с целью анализа и оптимизации параметров объектов оптотехники на базе имеющихся средств исследований и проектирования, включая стандартные пакеты автоматизированного проектирования и исследования;
· сопоставляет описания проводимых исследований и разрабатываемых проектов, подготавливает данные для составления отчетов и другой технической документации;
· осуществляет выбор способов формирования, обработки оптических сигналов, синтез оптической схемы и фильтра, адекватных поставленной задаче.
Требования к профессиональной подготовленности бакалавра
Бакалавр по проектированию и технологии электронных средств
Должен знать
· методические и нормативные материалы по проектированию электронных средств и технологии их производства;
· технические характеристики и экономические показатели отечественных и зарубежных конструкций электронных и оптических приборов высокого и сверхвысокого разрешения и технологии их производства;
· современные технологические процессы производства ряда оптических приборов и электронных средств.
Должен уметь применять
· методы проектирования устройств и технологических процессов записи и считывания информации;
· типовые технологические процессы ;
· средства измерений.
3. Цели курса
№ цели | Содержание цели |
Студент будет иметь представление: | |
1 | о системном подходе к принципам формирования информации в современных технологиях; |
2 | Об основных законах когерентной нелинейной оптики и квантовой физики, лежащих в основе современных информационных технологий; |
3 | о свойствах и особенностях использования классических и лазерных источников излучения в методологии создания информации; |
4 | о типовых и компьютерных принципах создания и обработки информации; |
5 | о новых идеях в будущих информационных технологиях; |
Студент будет знать: | |
6 | Объект (вещество как нелинейная квантовая структура) и предмет курса (физические явления, лежащие в основе записи, хранения и передачи информации ), задачи курса ( проектирование процедур управления физическими явлениями, являющимися основой информационных технологий ); |
7 | Понятие о непрерывных и дискретных величинах, характеризующих параметры структурных частиц, определяющих строение вещества; |
8 | Основные законы когерентной инелинейной оптики и квантовой физики, используемые в создании систем информации и технологий; |
9 | Методы расчета основных линейных и нелинейных характеристик и параметров квантовых систем ( на примерах атомов и молекул); |
10 | Методы управления параметрами квантовых систем с помощью внешнего полевого воздействия; |
11 | Методы лазерной когерентной и нелинейной оптики как источники и приемники информации; |
Студент будет уметь: | |
12 | Использовать основы системного подхода, основ квантовой физики и теории резонансного взаимодействия лазерного излучения с веществом для постановки и решения задач управления качеством информационных технологий; |
13 | применять законы и методы классической и когерентной и нелинейной оптики для анализа и интерпретации данных; |
14 | использовать классические и лазерные источники излучения как в отдельности, так и в комплексе для осуществления процесса записи, хранения и считывания информации с объекта и достижения максимального эффекта; |
15 | проектировать и осуществлять постановку и реализацию световых эффектов с использованием оптических линейных и нелинейных свойств газообразных, жидких и твёрдых сред; |
16 | Анализировать и оценивать спектральные, временные и энергетические характеристики как источников света, так и приёмников излучения в процессе формирования информации; |
17 | Осуществлять постановку как статических, так и динамических световых воздействий на вещество с применением стандартных и специальных аппаратурных методов транспортировки излучения и формирования изображения; |
18 | Проектировать оптимальную структуру контроля в лазерных устройствах для информационных задач; |
19 | применять компьютерные методы и программное обеспечение формировании информации и технологических процессов. |
4. Структура курса
 |
5. Содержание курса
Ссылки на цели курса | Часы | Темы лекционных занятий |
1- 5 | 1 | Когерентная нелинейная оптика и новые информационные технологии. |
2, 6 –10, 13, 14 | 3 | Основы когерентной оптики. Классическое определение когерентности. Пространственная и временная когерентность. Классическая корреляционная функция для электромагнитного поля. Когерентные эффекты, связанные с корреляционными функциями первого порядка. Сложение двух когерентных полей. Частично-когерентный свет. Сложение двух частично-когерентных квазимонохроматических полей. Формирование изображения в когерентном и некогерентном свете. Преобразование Фурье и его свойства. Статистика лазерного излучения. Квантовая теория когерентности. Спеклы. –3ч. |
6- 13, 14 | 3 | Общее описание распространения волн в нелинейных средах. Уравнения Максвелла в нелинейной среде. Модель ангармонического осциллятора. Газ свободных электронов. Формализм матрицы плотности. Микроскопические выражения для нелинейных восприимчивостей. Перестановочная и пространственная симметрии нелинейных восприимчивостей. Связанные волны в нелинейной среде. Энергия поля в нелинейной среде. Распространение волн в приближении медленно меняющихся амплитуд и зависящей от времени амплитудой. Нелинейная поляризация газообразных сред. Влияние эффекта Допплера на форму линии поглощения при многофотонных взаимодействиях. – 3 ч. |
8 - 10 | 2 | Условия преобразования света в свет в когерентных процессах. Когерентные и некогерентные процессы. Многофотонные процессы и виртуальные переходы. Когерентные многофотонные процессы. Пространственное накопление нелинейно-оптических явлений на примере генерации второй гармоники, когерентная длина. Условие волнового синхронизма. Волновой синхронизм в изотропных и анизотропных средах. Роль когерентности оптического излучения. –2 ч. |
8 - 13,15,16 | 3 | Генерация суммарной частоты. Физика явления. Теоретическая постановка задачи. Простое решение для случая генерации суммарной частоты в объёме среды. Учёт отражения на границе раздела. Условие фазового синхронизма. Влияние поглощения. Генерация суммарной частоты при высокой эффективности преобразования. Факторы, ограничивающие эффективность преобразования. - 3 ч. |
8 –13,17 | 2 | Генерация гармоник. Генерация второй гармоники. Вторая гармоника в сфокусированных гауссовых пучках. Генерация третьей гармоники в кристаллах. Оптические гармоники в газах. Измерение нелинейных оптических восприимчивости. Генерация второй гармоники сверхкоротким импульсом. – 2 ч. |
8 – 13 | 2 | Генерация разностной частоты. Решение для плоских волн. Получение излучения в далёком ИК диапазоне с помощью процесса генерации разностной частоты. Генерация излучения в далёком ИК диапазоне при оптическом детектировании сверхкоротких импульсов. – 2 ч. |
8 – 13 | 2 | Параметрическое усиление и генерация. Параметрическое усиление. Двухрезонаторный параметрический генератор. Однорезонаторный параметрический генератор. Частотная перестройка параметрических генераторов. Параметрическая флуоресценция. Параметрический генератор с обратной волной. – 2 ч. |
8-13 | 4 | Вынужденное комбинационное рассеяние. Квантовая теория вынужденного комбинационного рассеяния. Описание процесса вынужденного комбинационного рассеяния на языке связанных волн. Связь стоксовой и антистоксовой компонент. Комбинационное рассеяние высших порядков. Применения ВКР. Вынужденное поляритонное рассеяние. Вынужденное комбинационное рассеяние с переворотом спина. Нестационарное ВКР. Измерение времён релаксации. – 4 ч. |
8-13 | 2 | Вынужденное рассеяние света. Вынужденное рассеяние Мандельштама-Бриллюэна. Вынужденные температурные рассеяния Бриллюэна и Рэлея. Другие типы вынужденного рассеяния света. – 2 ч. |
2,3,6 – 12 | 4 | Четырёхволновое смешение. Нелинейные восприимчивости третьего порядка. Общая теория четырёхволнового смешения. Вырожденное четырёхволновое смешение. Обращение волнового фронта при четырёхволновом смешении. Генерация перестраиваемого ИК и УФ излучения. Нестационарное четырёхволновое смешение. -2 ч. |
8 – 13 | 2 | Двулучепреломление, наведённое сильным полем. Общие выражения для показателей преломления, наведённых сильным оптическим полем. Физические механизмы. Оптический эффект Керра и вращение эллипса поляризации. Нестационарные эффекты. – 2 ч. |
8 – 13 | 2 | Самофокусировка. Физическое описание. Теория. Квазистационарная самофокусировка. Нестационарная самофокусировка. Самофокусировка в твёрдом теле. Другие случаи самофокусировки. Фазовая самофокусировка. Самообострение импульса и самодефокусировка. – 2 ч. |
8 – 13 | 2 | Нелинейная оптика поверхности. Нелинейный отклик поверхности. Нелинейная оптика с участием поверхностных электромагнитных волн. Использование нелинейных оптических эффектов для зондирования поверхности. -2 ч. |
8 – 13 | 2 | Нестационарные когерентные оптические эффекты.Уравнение Блоха для двухуровневой системы. Нестационар-ная нутация и затухание свободной поляризации. Фотонноеэхо. Нестационарное четырёхволновое смешение. Самоин-дуцированная прозрачность. – 2 ч. |
Темы лабораторных работ | |||
7,8,9 | 4 | Исследование спектрального состава классических и лазерных источников излучений. | знакомится и приобретает навыки работы со специальной аппаратурой, устройствами и методами получения излучения различного спектрального состава; знакомится и производит измерения спектральных, энергетических и временных характеристик классических (на примере ряда разрядных излучателей) и лазерных источников оптического диапазона спектра; использует формулы для вычисления точечных и интервальных оценок среднего генеральной совокупности по ГОСТ Р 50779.21-96 и оформляет результаты расчетов в соответствии с формой ГОСТ. Решение задания выполняется в системе Excel. Отчет представляется в виде файла, который содержит исходные данные и результаты модельных расчетов. |
2,16 | 4 | Управление пространст-венными и временными характеристиками излучения источников света. | -знакомится с методами управ-ления пространственными и временными характеристиками излучения источников света; -знакомится с особенностями регистрации излучений импульсных и непрерывных источников света; -знакомится с возможностями использования данных источников в информационных технологиях. Оформление результатов расчетов производится аналогично заданию1. |
2, 16 | 6 | Исследование нелинейных свойств кристаллов Генерация второй оптической гармоники. Исследование условий синхронизма. | на примере кристаллов КДР и АДР знакомится с нелинейнооптическими характеристиками веществ; изучается явление генерации второй оптической гармоники, условия её возникновения, частотные и пространственные характеристики; -изучаются условия синхронизма и методы его управления; знакомится с возможностями использования данных источников в информационных технологиях. Оформление результатов расчетов производится аналогично заданию1. |
12-16 | 2 | Контрольная работа | Решает ряд задач, которые проверяют степень знаний и умений в соответствии с указанными целями |
1-18 | 17 | Выполнение индивидуального задания (индивидуальные занятия) | Готовит реферат по теме, которая рассматривается на лекциях. Темы рефератов согласуются с преподавателем. Выступает с докладом по теме реферата, принимает участие в обсуждении других рефератов. |
6 Список литературы
6.1. Основная литература
1. , «Принципы нелинейной оптики», М., Наука, 1989.
2. , , «Интенсивные резонансные взаимодействия в квантовой электронике», М., Наука, 1987.
3. Р. Шумейкер, «Когерентная инфракрасная спектроскопия нестационарных процессов», в кн. «Лазерная и когерентная спектроскопия» под ред. Дж. Стейнфелда, М., Мир, 1982.
4. , , «Физика мощного лазерного излучения», М., Наука, 1991.
5. , «Физические основы квантовой электроники», М., Наука,
6. , «Колебания и волны», учебное пособие, Новосибирск, Изд-во НГТУ, 1999.
7. , , «Резонансные взаимодействия света с веществом», М., Наука, 1977.
8. «Оптическая голография», под ред. Г. Колфилда, М., Мир, 1982.
6.2.Дополнительная литература.
1. . Лекции по квантовой механике. ч.1,2. Учеб. пособие для студентов.- Новосибирский государственный технический университет. Новосибирск,1996.
