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  Дубнищев  Ю. Н. 

Ответственный за основную образовательную

программу

Зав. кафедрой ОИТ, проф. 

         



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.


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:

НЕ нашли? Не то? Что вы ищете?
    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.

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. Фотонное

эхо.  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


, «Принципы нелинейной оптики», М., Наука, 1989. , , «Интенсивные резонансные взаимодействия в квантовой электронике», М., Наука, 1987. 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.

, «Физические основы квантовой электроники», М., Наука, , «Колебания и волны», учебное пособие, Новосибирск, Изд-во НГТУ, 1999. , , «Резонансные взаимодействия света с веществом», М., Наука, 1977.

8.  «Оптическая голография», под ред. Г. Колфилда, М., Мир, 1982.

6.2.Дополнительная литература.


. Лекции по квантовой механике. ч.1,2. Учеб. пособие для студентов.- Новосибирский государственный технический университет. Новосибирск,1996.