РАДИОФИЗИКА И ЭЛЕКТРОНИКА I. Физические основы взаимодействия электромагнитного излучения с веществом. 1. Общие принципы описания системы “вещество + электромагнитное поле”. Атомы и молекулы (классические и квантовые модели). Квантовая система в поле электромагнитной волны. Дипольное приближение. 2. Нестационарная теория возмущений (первый и второй порядки теории возмущений). Однофотонные и двухфотонные переходы. Вероятность перехода в единицу времени. 3. Линейная и нелинейная атомные восприимчивости. Сопоставление с классикой. Сила осциллятора. II. Физика лазеров. 1. Коэффициенты Эйнштейна спонтанного и вынужденного переходов. Ширина линии. Сечение фотопоглощения. Инверсная населенность. Коэффициент усиления. Резонатор. Время жизни фотона в резонаторе. 2. Динамика лазерной генерации. Скоростные уравнения. Трех- и четырех - уровневые схемы накачки. Порог генерации. Стационарный и нестационарный режимы работы лазера. 3. Модуляция добротности и генерация гигантских импульсов. Синхронизация мод и ультракороткие импульсы. 4. Физика фемто- и аттосекундных импульсов. 5. Обзор различных типов лазеров. Твердотельные (рубиновый, неодимовый) и газовые электроразрядные, химические и газодинамические лазеры. Лазер на свободных электронах. Рентгеновские лазеры. III. Нелинейная и квантовая оптика. 1. Уравнения Максвелла в нелинейной среде. Линейная и нелинейная поляризация среды. Приближение медленно меняющихся амплитуд. 2. Генерация оптических гармоник в среде с квадратичной нелинейностью. Условие фазового синхронизма. Генерация второй гармоники в одноосных кристаллах. 3. Спонтанное и вынужденное комбинационное рассеяние. 4. Когерентное антистоксово рассеяние света. 5. Самофокусировка электромагнитного излучения в нелинейной среде. 6. Квантовое электромагнитное поле. Стационарные (фоковские), когерентные и «сжатые» состояния. Классическое электромагнитное поле в квантовой теории. 7. Взаимодействие атомной системы с квантовым электромагнитным полем. Спонтанные распады и Лэмбовский сдвиг. Естественная ширина линии. 1. 2. 3. 4. 5. Литература С.А.Ахманов, С.Ю.Никитин, «Физическая оптика», М.: МГУ, 1998 О.Звелто, «Физика лазеров», М.: Мир, 1979 Н.В.Карлов, «Лекции по квантовой электронике», М.: Наука, 1983 Н.Б.Делоне, «Взаимодействие лазерного излучения с веществом», М.: Наука, 1989 Д.Н.Клышко «Физические основы квантовой электроники», М.: Наука, 1986 ЗАДАЧИ по курсу “Радиофизика и электроника” 1. Электрон находится в бесконечно глубокой прямоугольной потенциальной яме в основном состоянии. Определить (в первом порядке теории возмущений) вероятность перехода за импульс в первое возбужденное состояние под действием лазерного t2 импульса гауссовой формы E E0 exp 2 cos( 0 t ) . Считать, что 0 1 , 2 0 21 . 2. Определить естественную ширину L линии в водородоподобном ионе с зарядом Z. Полученную величину сравнить с величиной тонкого расщепления. 3. Электрон находится в гармоническом потенциале с частотой . Определить поляризуемость системы. Сравнить результаты квантового и классического решения задачи. mx 2 4. Электрон находится в ангармоническом потенциале V ( x) m 2 x 2 2 (1 ), 1 . Определить средний по квантовому состоянию дипольный момент системы в электромагнитном поле с частотой 0 2 . Полученный результат сравнить с классическим решением задачи. 5. Через кювету с парами натрия, нагретыми до температуры T 1000 К, распространяется излучение с частотой, совпадающей с частотой резонансной линии ( 3s 3 p ). Определить сечение фотопоглощения и интенсивность насыщения. Давление паров равно атмосферному. 6. Записать систему скоростных уравнений для лазера с трехуровневой схемой накачки. Определить пороговую величину инверсной населенности и пороговую мощность накачки. 7. Определить внутрирезонаторную интенсивность излучения Nd:YAG лазера, работающего в непрерывном режиме, в зависимости от мощности накачки и пороговую мощность накачки в случае 1-R=0.01, L = 2.5 см. Сечение фотопоглощения излучения 8.8 10 19 см2, концентрация ионов Nd N 6 10 19 см-3, время релаксации инверсной населенности 2.3 10 4 с. 8. На среду с квадратичной нелинейностью падает волна накачки с частотой 0 и интенсивностью I 0 и пробная волна с частотой 0 / 2 . В рамках приближения медленно меняющихся амплитуд записать уравнение, описывающее раскачку в среде волны с частотой 0 / 2 (вынужденное параметрическое рассеяние). 9. Оценить величину порога возникновения вынужденного комбинационного рассеяния в газе. 10. Оценить порог возникновения эффекта самофокусировки излучения в газе, атомы которого являются ангармоническими осцилляторами 2 mx 2 ) . Полученный результат сравнить со случаем среды с V ( x) m x 2 (1 кубической нелинейностью. 2 2