НОВОСИБИРСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ
ФИЗИКО-ТЕХНИЧЕСКИЙ ФАКУЛШЬТЕТ
Кафедра «лазерные системы»
“УТВЕРЖДАЮ”
Декан ФТФ
д. ф.-м. н., проф.
“___ ”______________2006 г.
РАБОЧАЯ ПРОГРАММА учебной дисциплины
Лазерная метрология
для студентов, обучающихся по направлению подготовки магистров
010700 “ФИЗИКА”
Факультет физико - технический
Курс 5, семестр 9
Лекции 34 час.
Практические работы 0 час.
Индивидуальные занятия 17 час.
Курсовой проект 9 семестр
Самостоятельная работа 17 час
Экзамен – 9 семесир
Всего 68 час
Новосибирск
2006.
Рабочая программа составлена на основании Государственного образовательного стандарта высшего профессионального образования по направлению 510400 - Физика.
Направление утверждено приказом Министерства образования Российской Федерации
СДМ.02 - Специальные дисциплины, установленные вузом, включая дисциплины по выбору студента
Рабочая программа обсуждена на заседании кафедры Лазерных систем, протокола № 2 от 17 октября 2006 г.
Программу разработал
Проф., д. ф.-м. н.
Заведующий кафедрой
д. ф.-м. н., профессор ____________
Ответственный за основную
д. ф.-м. н., профессор ____________
1. Внешние требования
Общие требования к образованности:
Из требований Государственного образовательного стандарта высшего профессионального образования по направлению подготовки магистров направления 510400- "Физика оптических явлений":
Требования к обязательному минимуму содержания рабочей программы по дисциплине «Лазерная метрология»
Индекс | Наименование дисциплины и её основные разделы | Всего часов |
СДМ.02 | Принципы квантовой метрологии. Особенности лазерной метрологии. Квантовые стандарты частоты и времени радио и оптического диапазонов. Оптические часы (ОЧ),принцип построения, детальные схемы. Фемтосекундные ОЧ. Блок и детальная схемы. Фундаментальные применения ОЧ. | 68 |
Лица, желающие освоить программу специализированной подготовки магистра физики, должны иметь высшее профессиональное образование определенной ступени, подтвержденное документом государственного образца.
Требования, обусловленные специализированной подготовкой магистра физики, включают, владение навыками самостоятельной научно-исследовательской и научно-педагогической деятельности, требующими широкого образования в соответствующем направлении. Формулировать и решать задачи, возникающие в ходе научно-исследовательской и педагогической деятельности и требующие углубленных профессиональных знаний; выбирать необходимые методы исследования, модифицировать существующие и разрабатывать новые методы исходя из задач конкретного исследования; обрабатывать полученные результаты, анализировать и осмысливать их с учетом имеющихся литературных данных; вести библиографическую работу с привлечением современных информационных технологий; представлять итоги проделанной работы в виде отчетов, рефератов, статей, оформленных в соответствии с имеющимися требованиями, с привлечением современных средств редактирования и печати.
Магистр физики должен знать и уметь использовать в объеме, предусмотренным настоящем стандартом, по общим гуманитарным и социально-экономическим, математическим, естественнонаучным и общепрофессиональным дисциплинам, дисциплинам специальностей и специализаций:
- основные учения в области гуманитарных и социально-экономических наук, основные понятия, законы и модели механики, молекулярной физики, электричества и магнетизма, оптики, атомной физики, физики атомного ядра и частиц, колебаний и волн, квантовой механики, термодинамики и статистической физики, методы теоретических и экспериментальных исследований в физике;
- современное состояние, теоретические работы и результаты экспериментов в избранной области исследований, явления и методы исследований в объеме дисциплин специализаций;
- фундаментальные явления и эффекты в области физики, экспериментальные, теоретические и компьютерные методы исследований в этой области;
- математический анализ, теорию функций комплексной переменной, аналитическую геометрию, векторный и тензорный анализ, дифференциальные и интегральные уравнения, вариационное исчисление, теорию вероятностей и математическую статистику;
- основные положения теории информации, принципы построения систем обработки и передачи информации, основы подхода к анализу информационных процессов, современные аппаратные и программные средства вычислительной техники, принципы организации информационных систем, современные информационные технологии;
Приведённые требования ГОС к профессиональной подготовленности магистра, а также требования ГОС к обязательному минимуму содержания основной образовательной программы магистра по направлению 510400 – “Физика” – определяют содержание следующих разделов:
· Принципы построения дисциплины
· 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 | Решение Ученого совета |
Адресат курса | Студенты физико-технического факультета: направление 010700 - "физика" |
Главная цель | 1. общие цели метрологии, особенности лазерной метрологии; физические принципы построения оптического стандарта времени и частоты (оптических часов); методы получения сверхузких резонансов и использование их для построения оптических стандартов; детальная схема построения оптических часов и их функционирования |
Ядро курса | Ядро курса составляют принципы построения квантовых приборов и устройств, используемых в квантовой, лазерной метрологии. В курсе рассмотрены основы квантовой в СВЧ и оптической областях спектра, причем основное направление – изучение современных принципов построения лазерных устройств и комплексов, как, например, оптических часов, для высокоточных частотно – временных измерений в том числе абсолютных частот лазеров. Для успешного изучения курса студенту необходимо знать основы квантовой механики, основы оптики и радиотехники и электроники. В курсе закрепляются знания по квантовой механике, принимающие конкретную значимость, достигается достаточно полные и ясные представления о фундаментальных направлениях развития лазерной метрологии и решаемых задачах в этой области, о структурах систем синтеза частот и элементах системы (лазерах, нелинейных элементах, электронных устройствах и пр.). |
Требования к начальной подготовке, необходимые для успешного усвоения дисциплины | а) научно-исследовательская (экспериментальная, теоретическая и расчетная деятельность) : - научные исследования поставленных проблем; - формулировка новых задач, возникающих в ходе научных исследований; - разработка новых методов исследований; - выбор необходимых методов исследований; - освоение новых методов научных исследований; - освоение новых теорий и моделей; - обработка полученных результатов научных исследований на современном уровне и их анализ; - обработка полученных результатов научных исследований на современном уровне и их анализ; - написание и оформление научных статей; - составление отчетов и докладов о научно-исследовательской работе, участие в научных конференциях. б) педагогическая деятельность : - подготовка и чтение курсов лекций; - подготовка и ведение семинарских занятий; - ведение занятий в учебных лабораториях; - руководство научной работой студентов; - руководство дипломными работами студентов. |
Уровень требований по сравнению с ГОС | Уровень требований соответствует ГОС 510400 – физика от 2000г. |
Объём курса в часах | Объем лекций 34 часа. |
Описание основных "точек" | курсовая работа и экзамен (9 семестр) принимаются индивидуально у каждого студента |
3. Цели учебной дисциплины
Таблица 3
После изучения дисциплины студент будет
Номер цели | Содержание цели |
иметь представление: | |
1 | о современных проблемах квантовой метрологии, решаемых при создании оптических стандартов частоты и времени; |
2 | о физике оптических резонансов и их использованию для стабилизации частоты лазеров; |
3 | о методах синтеза частот в оптической области спектра и применяемых лазерах и элементах, применяемых для синтеза частот, о приемниках лазерного излучения. |
знать: | |
4 | -о современных проблемах квантовой метрологии, решаемых при создании оптических стандартов частоты и времени; |
5 | о физике оптических резонансов (реперов) и их использованию для стабилизации частоты лазеров; |
6 | о методах синтеза частот в оптической области спектра и применяемых лазерах и элементах, применяемых для синтеза частот; |
7 | о приемниках лазерного излучения; |
8 | о применении оптических стандартов частоты и времени (оптических часов) для измерения абсолютных частот лазеров; |
9 | о возможностях применения оптических часов в различных областях (навигации, связи и т. д.); |
уметь: | |
10 | применять приобретенные знания для работы со сложными приборами; |
11 | производить измерения с применением частотно измерительных приборов; |
12 | измерять характеристики метрологических приборов; |
4. Содержание и структура учебной дисциплины
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 |
1 | Общие проблемы метрологии. Основные определения (величина, мера и т. д.), общие основные проблемы метрологии, основные направления развития современной метрологии. | 4 | 1 |
2 | Время и современная метрология. Астрономическое время, шкала времени и т. д., физика времени, абсолютные время и пространство ньютоновской механики, время и свет в теории относительности. | 4 | 1, 4 |
3 | Квантовая метрология. Общие принципы, общие требования. Квантовая метрология и физические константы. Периодические процессы - физические константы и частота | 4 | 1, 12 |
4 | Концепции оптической (лазерной) метрологии. Радикальное развитие принципов квантовой метрологии в оптической области спектра. Единый эталон времени и длины. Проверка физических констант ( новые прецизионные измерения, новая система единиц через частоту); глобальная шкала времени. | 4 | 1, 2, 3, 11 |
5 | Существующие стандарты частоты (времени) ВЧ и оптического диапазонов. а) Атом водорода, Н - стандарт; б) стандарт с пучком атомов Cs; в) Rb стандарт частоты г) Оптический стандарт частоты и времени (оптические часы) | 4 | 2, 5 |
6 | Оптические часы (ОЧ) а) Принцип построения, свойства и преимущества. Проблемы при создании ОЧ. Реализация ОЧ. Принципы построения ОЧ нового поколения. Применения ОЧ в физических измерениях и технике б) Перевозимый оптический стандарт частоты (ОСЧ).Физические факторы, определяющие частотные характеристики ОСЧ. Узкие оптические резонансы, оптический репер. He-Ne лазер, He-Ne/CH4 лазер : метод насыщенного поглощения и структура линии поглощения СН4, наблюдение узкого резонанса. Устройство возимого ОСЧ. | 5 | 2, 5, 6, 7 |
7 | Современное построение оптических часов ( ОЧ). Используемые в ОЧ лазеры. Процесс синтеза частот, деление оптической частоты. Нелинейные элементы в ОЧ, синтезаторы частоты. Абсолютные измерения частот лазеров с помощью ОЧ. | 4 | 4, 6, 8, 9 |
8 | Фемтосекундные оптические часы ( ФОЧ ). Принцип построения. Оптические стандарты частоты (ОСЧ) для фОЧ. Синхронизация мод, фемтосекундный лазер с самосихронизацией мод. Устройство ФОЧ. | 4 | 10 |
5. Учебная деятельность
В течение 9 семестра выполняется курсовая работа. Цель работы - уметь самостоятельно разобраться с новой темой. Предлагается на выбор ряд тем, которые или не рассматривались в лекциях, или представляют собой более углубленное изучение рассмотренных на лекциях тем. Студент может предложить свою тему. Выбор тем происходит в начале семестра. Студент должен самостоятельно разобраться с выбранной темой и написать курсовую работу. Возможны неоднозначные решения. Объем курсовых работ 10-20 рукописных страниц. Курсовая работа оценивается как дифференциальный зачет. Примеры предлагаемых тем приведены в Приложении 1.
6. Правила аттестации студентов по учебной дисциплине
В конце 9 семестра проверка степени усвоения и глубины полученных знаний проводятся во время экзамена.
Описание правил аттестации студентов приведены в таблице 6.
Таблица 6.
Учебная деятельность | Срок сдачи, защиты | Минимальный балл | Максимальный балл | Коментарий |
Экзамен | конец 9 семестра | неуд. | отлично |
7. Список литературы
Основной список
, . Оптические стандарты частоты. УФН, т.96, вып. 4 , 1968г. . Молекулярные генераторы. М., изд,”Наука”, 1984г. , , . Квантовые стандарты частоты. М. изд. “Наука”? 1968 г. , . Основы теории и техники умножения частоты. М. Изд. “Сов. радио”. 1964 г. . Лазерные системы связи. М.,изд. “Связь”,1972 г. В. Демтредер. Лазерная спектроскопия. М., изд. “Наука”, 1985 г. , и др. Техника субмиллиметровых волн. М., изд. “Сов. радио” , 1969 г. , , и др., Квантовые стандарты частоты, изд.”Наука”, М. 1968, 287 с.8. Контролирующие материалы для аттестации студентов по дисциплине
Экзаменационные билеты.
Билет №1 1. Не-Ne/CH4 оптический стандарт частоты 2. Квадратичный эффект Допплера 3.Основные задачи лазерной метрологии
Билет №2 1. Основные физические факторы, влияющие на стабильность частоты стандартов 2 Основные типы узких оптических резонансов. 3.Основные задачи метрологии
Билет 3 1. Оптические часы на системе газовых лазеров ИЛФ 2. Метод насыщенного поглощения. Характеристики резонанса 3.Основные частотные характеристики стандарта частоты Билет 4 1. Полупроводниковый лазер. Типы п/п л, принцип работы, основные характеристики 2. МСТС метана 3.Репер
Билет 5 1.Фемтосекундные оптические часы 2.Определение ОЧ 3.Измерение
Билет 6 1. Водородный стандарт частоты 2. Репер 3.Квадратичный эффект Доплера
Билет 7 1.Основные свойства и особенности оптического стандарта частоты 2. Абсолютное время 3.Определение ОЧ
Билет 8 1Рубидиевый стандарт частоты 2.Базовые и производные единицы 3. Преимущесва ОЧ по сравнению с СВЧ стандартами
Билет 9 1.Лазер с самосинхронизацией мод 2.Основные требования к современной метрологии 3. «ноль-ноль « переход
Билет 10 1.Цезиевый стандарт частоты. 2. Эффект отдачи 3.Боровские постулаты
Билет 11 1.Принцип построения оптических часов 2. Перечислить стандарты частоты по принципу работы 3. Вторичный эталон (определение)
Билет 12 1. Получение узкого оптического резонанса на основе метода холодных частиц 2. Определение эталона, вторичного эталона. Основной эталон России, международный эталон 3. Определение ОСЧ
Билет 13 1. МСТС атома водорода. «0 – 0» - переход 2. Стабильность и воспроизводимость частоты стандарта 3.Определение ОЧ
Билет 14 1. Фемтосекундные оптические часы 2.Абсолютное пространство 3. Концепции лазерной метрологии
Билет 15 1.Принци построения оптических часов 2. Часы в метрологическом понимании ( примеры естественных и искусственных часов) 3.Репер
Билет 16 1. Самосинхронизация мод 2.Оновные требования к лазерной метрологии 3. Мера
