КВ и ОЭ Э-71 - Высшая школа экономики

Национальный исследовательский университет
Высшая школа экономики
Московский институт электроники и математики
“Утверждаю”
Декан ФЭТ
__________________Б.Г.Львов
“_____”______________2013 г.
РАБОЧАЯ ПРОГРАММА
по дисциплине “КВАНТОВАЯ И ОПТИЧЕСКАЯ ЭЛЕКТРОНИКА”
Направление подготовки – 210107.65 «Электронное машиностроение»
Факультет Кафедра -
Электроники и телекоммуникаций
Радиоэлектроники и телекоммуникаций
Москва – 2013 г.
1.Цели и задачи дисциплины.
Целью преподавания дисциплины является обеспечение подготовки студентов в
области физических основ квантовой электроники и развивающихся на этой основе
технологий и устройств оптического диапазона. Основной задачей дисциплины является
изучение
принципов
действия,
характеристик,
параметров
и
технологических
особенностей важнейших узлов и элементов, используемых в оптических системах. К их
числу относятся квантовые генераторы и усилители, оптические модуляторы и
дефлекторы, фотодиоды и фото-приемные устройства, приборы, основанные на
использовании нелинейной и интегральной оптики, голографии, оптико-электронные
системы управления пространственным и временным спектром излучения квантовых
приборов.
В результате изучения настоящей дисциплины студенты приобретут фундаментальные
знания для изучения последующих специальных дисциплин, а также получат
практические навыки, необходимые для работы специалистов в области технологий и
оборудования для электронного машиностроения.
2. Место дисциплины в структуре ООП.
Дисциплина «Квантовая и оптическая электроника» (КВ и ОЭ) должна обеспечить
базовую подготовку студентов, необходимую для успешного изучения специальных
дисциплин в соответствии с квалификационной характеристикой выпускника - бакалавр.
Для изучения дисциплины КВ и ОЭ требуется знание: движения заряженных
частиц в электрических и магнитных полях, видов квантовых переходов, коэффициентов
Эйнштейна, формулы Планка, эффектов Доплера, Зеемана, Штарка, соотношения
неопределенностей Гейзенберга; физических основ полупроводниковой электроники,
принципа действия электронно-дырочного перехода, принципа действия взаимосвязанных
электронно-дырочных переходов; принципа электростатического управления током и
принципов действия полупроводниковых приборов; длинных однородных линий, явления
резонанса, условий генерации в автоколебательных системах; резонаторов, волноводов,
периодических направляющих систем.
Общая трудоемкость дисциплины, изучаемой в 8 семестре, составляет 3,7 зачетные
единицы. По дисциплине предусмотрен экзамен.
3. Требования к результатам освоения дисциплины.
Процесс
изучения
дисциплины
направлен
на
формирование
следующих
компетенций: ОК-9, ПК-2, ПК-4, ПК-14.
В результате изучения дисциплины студент должен
знать:
- основы квантовой механики и способы описания квантовомеханических систем, основы
зонной теории твердого тела, особенности поглощения и усиления электромагнитного
излучения веществом, физические эффекты в плазме, контактные явления и явление
сверхпроводимости (ОК-9);
- физические основы работы приборов квантовой электроники: виды квантовых
переходов, коэффициенты Эйнштейна, механизм и условия усиления квантовых
приборов, понятие ширины спектральной линии, источников оптического излучения,
особенности открытых резонаторов и возникающих мод колебаний (ОК-9);
- основы спектрометрии и магнитометрии, особенности квантовых приборов на
использовании магнитного резонанса, устройство и характеристики спектрометров на
основе ядерного магнитного и электронного парамагнитного резонансов (ОК-9);
- особенности гетеропереходов, их преимущества по сравнению с гомопереходами,
способы создания согласованных и псевдоморфных гетеропереходов, возможности
зонной инженерии (ОК-9, ПК-14);
- устройство, принципы действия и характеристики основных типов фото- и светодиодов,
а также способы увеличения их быстродействия (ОК-9, ПК-14);
- основы нелинейной и интегральной оптики, включая солитоны и голографию (ОК-9);
уметь:
-
объяснять
физические
оптоэлектронных
и
эффекты,
квантовых
используемые
приборов
и
для
устройств,
осуществления
генерации,
работы
усиления,
преобразования и модуляции оптических колебаний (ОК-9);
- применять на практике известные методы исследования оптоэлектронных и квантовых
приборов и устройств (ОК-9);
- выполнять расчеты, связанные с выбором режимов работы и определением параметров
оптоэлектронных и квантовых приборов и устройств (ПК-14);
- проводить компьютерное моделирование и проектирование оптоэлектронных и
квантовых приборов и устройств, а также иметь представление о методах компьютерной
оптимизации таких устройств (ПК-2);
- пользоваться справочными данными оптоэлектронных и квантовых приборов и
устройств, при проектировании инфокоммуникационных систем и сетей связи,
сопоставляя особенности используемых материалов и параметры приборов (ПК-14);
владеть:
- навыками чтения и изображения оптоэлектронных схем на основе современной
элементной базы (ПК-14);
-
навыками
составления
эквивалентных
схем
узлов
и
модулей
изучаемых
оптоэлектронных и квантовых приборов и устройств (ОК-9);
- навыками расчета, проектирования и компьютерного моделирования оптоэлектронных
систем и сетей связи (ПК-2, ПК-14);
- навыками работы с лабораторными макетами различных лазеров, модуляторов и
дефлекторов, а также контрольно-измерительной аппаратурой (ПК-4).
Процесс изучения дисциплины направлен также на формирование следующих
общекультурных и общепрофессиональных компетенций выпускника, который:
- использует основные законы естественнонаучных дисциплин в профессиональной
деятельности,
применяет
методы
математического
анализа
и
моделирования,
теоретического и экспериментального исследования (ОК-9);
- имеет навыки самостоятельной работы на компьютере и в компьютерных сетях; готов и
способен
к
компьютерному моделированию
устройств,
систем
и
процессов с
использованием универсальных пакетов прикладных компьютерных программ (ПК-2);
- знает метрологические принципы и владеет навыками инструментальных измерений,
используемых в области инфокоммуникационных технологий и систем связи (ПК-4);
- умеет проводить расчеты по проектированию сетей, сооружений и средств связи в
соответствии с техническим заданием с использованием как стандартных методов,
приемов и средств автоматизации проектирования, так и самостоятельно создаваемых
оригинальных
программ;
умеет
проводить
технико-экономическое
обоснование
проектных расчетов с использованием современных подходов и методов (ПК-14).
4. Объем дисциплины и виды учебной работы
Общая трудоемкость дисциплины составляет 3 зачетные единицы.
Вид учебной работы
Всего
Семестры
часов
Аудиторные занятия (всего)
68
8
Лекции
51
8
Практические занятия (ПЗ)
17
8
64
8
Самостоятельная подготовка
64
8
Промежуточный и итоговый контроль
16
8
в том числе:
Семинары (С)
Лабораторные работы (ЛР)
Самостоятельная работа (всего)
В том числе:
Курсовой проект (работа)
Расчетно-графические работы
Реферат
(зачет, экзамен)
экзамен
Общая трудоемкость дисциплины
132 часа
3,7зач.ед.
5. Содержание дисциплины
Содержание разделов дисциплины и видов занятий
№ п/п
Раздел дисциплины
1.
Введение. Важнейшие устройства оптической и
квантовой электроники, их роль в технологическом
оборудовании
электронного
машиностроения.
Физические основы квантовой электроники. Постулаты
квантовой механики. Способы описания квантовомеханических систем.
Зонная теория твердого тела. Диэлектрические и
магнитные свойства вещества. Явления в плазме.
Контактные явления. Сверхпроводимость.
Поглощение и усиление электромагнитного излучения
веществом. Квантовые переходы.
Основы магнитометрии и спектрометрии.
Элементы и узлы лазерных устройств.
Квантовые усилители и генераторы радиочастотного
диапазона. Мазеры.
2.
3.
4.
5.
6.
7.
Лекции
ПЗ
3
-
4
2
4
2
4
3
8
2
3
3
-
8.
9.
10.
11.
12.
13.
14.
Оптические квантовые генераторы (ОКГ) на газовой
среде.
ОКГ на твердом теле.
Полупроводниковые ОКГ.
Жидкостные ОКГ.
Лазерные усилители, генераторы и преобразователи
частоты.
Квантовые стандарты частоты.
Основы применения оптоэлектронных и квантовых
приборов в технологиях электронного машиностроения.
Всего:
4
4
4
4
2
2
2
2
3
3
3
-
54
17
1. Введение. Важнейшие оптоэлектронные и квантовые приборы и устройства, их
роль в технологиях электронного машиностроения. Задачи курса.
2. Физические основы квантовой электроники. Постулаты квантовой механики.
Способы описания квантово-механических систем. Матрица плотности.
3. Зонная теория твердого тела. Энергетические уровни атомов и молекул.
Расщепление уровней. Эффекты Зеемана и Штарка. Энергетические зоны в кристаллах.
Диэлектрические и магнитные свойства вещества. Явления в плазме. Контактные явления.
Сверхпроводимость.
4. Физические основы взаимодействия квантовых систем с электромагнитным
полем. Поглощение и усиление электромагнитного излучения веществом. Энергетический
спектр состояний. Однофотонные и многофотонные квантовые переходы. Коэффициенты
Эйнштейна и их физический смысл. Населенность энергетических уровней. Схемы
создания инверсии населенностей.
5. Основы магнитометрии и спектрометрии. Квантовые приборы на основе
использования магнитного резонанса. Спектрометры на основе ядерного магнитного
резонанса.
Ядерная
Спектрометры
магнитометрия.
электронного
Электронный
парамагнитного
парамагнитный
резонанса.
резонанс.
Ферромагнетики
и
их
взаимодействие с электромагнитными волнами.
6. Элементы и узлы лазерных устройств. Оптические резонаторы, их основные
характеристики и параметры, задачи анализа и синтеза. Устройства связи мод.
Модуляторы и дефлекторы. Оптические интегральные схемы.
7. Квантовые усилители и генераторы радиочастотного диапазона. Мазеры.
Парамагнитные усилители бегущей волны. Пучковые генераторы на аммиаке и водороде.
8. Оптические квантовые генераторы (ОКГ) на газовой среде. Газоразрядные
лазеры. Гелий-неоновый и аргоновый лазеры. Газо- и плазмодинамические лазеры. Лазер
на оксиде углерода. Химические и электроионизационные лазеры.
9. Оптические квантовые генераторы на твердом теле. Устройство и конструкция,
основные характеристики и параметры. Промышленные твердотельные лазеры : на
рубине, на стеклах и гранатах, активированные неодимом.
10. Полупроводниковые оптические квантовые генераторы. Инжекционные лазеры.
Устройство и конструкция, основные характеристики и параметры. Лазерные диоды и
гетероструктуры. Лазерные электронно- лучевые трубки с продольной накачкой. Лазеры с
оптической накачкой.
11. Жидкостные оптические квантовые генераторы. Лазеры на растворах
органических и неорганических соединений. Устройство и конструкция, основные
характеристики и параметры. Лазеры на красителях.
12. Лазерные усилители бегущей волны. Резонаторные усилители. Условия
самовозбуждения и спектр излучения. Переходные процессы в лазерном генераторе.
Генераторы
с
нестационарными
параметрами.
Лазерные
умножители
частоты.
Параметрическое преобразование частоты. Лазеры на вынужденном комбинационном
рассеянии и вынужденном рассеянии Мандельштама - Бриллюэна.
13. Квантовые стандарты частоты. Активные и пассивные реперы. Стандарты с
оптической накачкой. Атомно-лучевые стандарты на основе цезия и рубидия.
14.
Основы
применения
оптоэлектронных
и
квантовых
приборов
в
инфокоммуникационных технологиях и системах связи. Информационное применение
лазеров. Голография. Лазерная диагностика в медицине и измерительной технике.
Энергетическое применение лазеров.
6. Практические занятия
№
№ раздела
п/п
дисциплины
1.
2
2.
3
3.
4
4.
Тематика практических занятий (семинаров)
Трудоемкость
(час.)
2
6
Постулаты квантовой механики. Способы
описания квантово-механических систем
Диэлектрические и магнитные свойства
вещества. Сверхпроводимость
Квантовые переходы. Коэффициенты
Эйнштейна
Расчет оптических резонаторов
5.
8
Газовые ОКГ
2
6.
9
Твердотельные ОКГ
2
7.
10
Полупроводниковые ОКГ
2
8.
11
Жидкостные ОКГ
2
2
2
3
7. Примерная тематика курсовых проектов (работ) – не предусмотрена.
8. Учебно-методическое и информационное обеспечение дисциплины
а) основная литература:
1. Электронные, квантовые приборы и микроэлектроника / под ред. Н.Д.Федорова. - М.:
Радио и связь, 1998. – 560 с.: ил.
2. Пихтин А. Н. Оптическая и квантовая электроника: Учеб. для вузов. – М.: Высшая
школа, 2001. – 573 с: ил.
3. Киселев Г.Л. Приборы квантовой электроники. - М: Высшая школа, 1980. – 237 с.: ил.
4. Тарасов Л.В. Физические основы квантовой электроники. - М.: Советское радио, 1976. –
368 с.: ил.
5. Байбородин Ю.В. Основы лазерной техники. - К.: Выща шк., 1988. – 383 с.: ил.
б) дополнительная литература:
1. Андреев В.С., Елизаров А.А., Федоров Н.Д. Сборник описаний лабораторных работ
«Оптоэлектронные и квантовые приборы». - М.: МТУСИ, 2004. - 46 с.: ил.
2. Ярив А. Введение в оптическую электронику. - М.: Высшая школа, 1983 – 398 с.: ил.
3. Справочник по лазерам / Под ред. А.М.Прохорова. В 2-х т. - М.: Советское радио, 1978.
т.1 – 504 с.: ил., т.2 – 400 с.: ил.
9. Материально-техническое обеспечение дисциплины
Дисциплина КВ и ОЭ должна быть обеспечена учебными лабораториями с
необходимыми
лабораторными
стендами,
стандартными
заводскими
средствами
измерений, средствами вычислительной техники для обработки результатов. В
лабораториях должны иметься наглядные пособия в виде планшетов с коллекциями
различных оптоэлектронных и квантовых приборов и устройств.
При проведении практических занятий студенты должны иметь возможность
ознакомиться в демонстративном плане с современными активными элементами
твердотельных лазеров, гелий-неоновыми ОКГ, содержащими газоразрядные трубки с
окнами Брюстера, импульсными лазерами, оптическими модуляторами, дефлекторами и
другими изделиями оптического диапазона.
10. Методические рекомендации по организации изучения дисциплины
Изучение дисциплины КВ и ОЭ рассчитано на один семестр. Конспект лекций
дисциплины содержит весь материал, необходимый для изучения.
Материал конспекта состоит из разделов (см. п. 5).
После изучения каждого раздела конспекта лекций следует ответить на
контрольные вопросы, позволяющие студенту оценить степень усвоения материала. Если
ответы на вопросы показали, что какой-то вопрос не усвоен, рекомендуется вернуться к
конспекту, а затем снова ответить на все вопросы для самопроверки рассматриваемого
раздела.
Проведению практических занятий должно предшествовать изучение основных
теоретических положений по конспекту лекций, ознакомление с темой занятия по
разделам основной и дополнительной литературы (см. п.8).
Рабочая
программа
составлена
в
соответствии
с
Государственным
образовательным стандартом высшего профессионального образования по направлению
210107.65 «Электронное машиностроение».
Программу составил Елизаров А.А., профессор, д.т.н.
Настоящая рабочая программа рассмотрена на заседании (методическом семинаре)
кафедры “_20_”_сентября_2012 г. протокол № 2 и рекомендована к применению в
учебном процессе.
Зав. кафедрой РЭТ
“20” сентября 2012 г.
С.У.Увайсов