МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ УТВЕРЖДАЮ Руководитель Департамента

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ
УТВЕРЖДАЮ
Руководитель Департамента
образовательных программ и стандартов
профессионального образования
____________________Л.С.Гребнев
"_____"__________________200
г.
ПРИМЕРНАЯ ПРОГРАММА ДИСЦИПЛИНЫ
СД.Ф.01 ”Физические основы квантовой электроники”
Рекомендуется Минобразованием России
для специальности 072300 "Лазерная техника и лазерные технологии”
направления подготовки дипломированных специалистов 654000 Оптотехника
Москва
2001
2
1. Цели и задачи дисциплины
Цель – изучение студентами физических основ квантовой электроники,
классических основ теории электромагнитного поля и современной теории
распространения излучения в неоднородных и нелинейных средах; физики
конденсированного состояния, формировании общих представлений об
электронных, примесных и колебательных состояниях в кристаллах., овладение
основами теории симметрии кристаллов; изучение основ физики плазмы, газового
разряда, оптики и спектроскопии плазмы.
Задачи – приобретение студентами навыков оценки и расчетов оптических
задач распространения электромагнитного излучения в веществе, а также
постановки и решения конкретных задач в этой области; методов описания
кристаллофизических свойств при помощи тензоров и матриц; получение
студентами знаний об основных свойствах плазмы, развитие навыков расчета
параметров плазмы, а также процессов переноса излучения в плазме и газах,
ознакомление с техникой плазменных генераторов и техникой диагностики
плазмы.
2. Требования к уровню освоения содержания дисциплины
В результате изучения дисциплины студент должен
- получить представление о методах описания электромагнитного поля,
электронов и примесей в кристаллах, свободных и связанных состояний
электронов в плазме, колебательного движения атомов кристаллической решетки,
методов расчета и прогнозирования физических свойств кристаллов и плазмы,
определяемых электронными, колебательными и примесными состояниями;
- знать основы и особенности оптической спектроскопии конденсированного
и газообразного состояния вещества, оптические экспериментальные методы
исследования кристаллов и диагностики плазмы;
- уметь рассчитывать физические параметры равновесной плазмы,
составлять и решать уравнения переноса резонансного излучения в плазме.
3. Объем дисциплины и виды учебной работы
Вид учебной работы
Общая трудоемкость дисциплины
Аудиторные занятия
Лекции
Практические занятия (ПЗ)
Семинары (С)
Лабораторные работы (ЛР)
и(или) другие виды аудиторных занятий
Самостоятельная работа
Курсовой проект (работа)
Расчетно-графические работы
Реферат
и(или) другие виды самостоятельной работы
Вид итогового контроля (зачет, экзамен)
Всего часов
250
119
85
17
17
131
экзамен
Семестры
7
8
7
8
7
8
7
8
8
7
8
зачет
экзамен
3
4. Содержание дисциплины
4.1. Разделы дисциплин и виды занятий
№
n/n
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
Раздел дисциплины
ЭЛЕКТРОДИНАМИКА
Уравнение Максвелла в вакууме.
Электромагнитные волны в среде с
дисперсией.
Электромагнитные
волны
в
анизотропной среде.
Электромагнитные
волны
в
неоднородной среде.
Нелинейная поляризация среды.
Простые электромагнитные волны.
Квазиоптическое
уравнение
и
приделы его применимости.
Солитоны
в
нелинейных
волноводах.
Самофокусировка.
Оптическая бистабильность.
Нелинейные
интерферометры,
возбуждаемые
внешним
излучением.
Нелинейные поверхностные волны и
нелинейное
отражение
плоских
волн. Поперечные эффекты.
ФИЗИКА ТВЕРДОГО ТЕЛА
Введение. Основные понятия.
Кристаллографические категории,
сингонии и классы
Системы обозначений точечной
симметрии кристаллов.
Пять классов симметрии кристаллов
высшей категории
Пространственная симметрия
кристаллов.
Симметрия и физические свойства
кристаллов
Электрооптический и фотоупругий
эффекты.
Гиротропный эффект.
Волновое уравнение для кристалла
и основные приближения при его
решении.
Метод линейной комбинации
атомных орбиталей и его
применение для расчетов
энергетических зон кристаллов.
Зонная структура кристаллов и
экспериментальные методы ее
Лекции
ПЗ (или
С)
*
*
*
*
ЛР
*
*
*
*
*
*
*
*
*
*
*
*
*
*
*
*
*
*
*
*
*
*
4
12
13
14
15
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
исследования.
Свободные и связанные электроны.
Твердотельная плазма и оптический
плазменный резонанс.
Метод эффективной массы.
Водородоподобная примесь.
Спектроскопия примесных
состояний.
Колебания и волны в линейных
моделях кристаллов
Колебания и волны в простом
кубическом кристалле.
ФИЗИКА ПЛАЗМЫ
Энергетические спектры и состояния
электронов в плазме.
Термодинамика плазмы.
Элементарные электронно-атомные
процессы в плазме.
Элементарные процессы с участием
фотонов.
Явления переноса в плазме.
Волны в плазме.
Излучение и поглощение света
плазмой.
Перенос резонансного излучения в
плазме.
Плазма газового разряда.
Лазерная плазма и оптический
пробой газов.
*
*
*
*
*
*
*
*
*
*
*
*
*
*
*
*
*
*
*
*
*
4.2. Содержание разделов дисциплины
I. ЛИНЕЙНАЯ ЭЛЕКТРОДИНАМИКА
1.
Уравнение Максвелла в вакууме.
Рамки применимости теории. Напряженности и потенциал поля.
Релятивистки инвариантная форма уравнений. Тензор напряженности
электромагнитного поля.
Преобразование Лоренца для поля. Инварианты поля. Тензор энергииимпульса электромагнитного поля.
Волновое уравнение. Однородные и неоднородные плоские волны.
Монохроматические плоские волны. Поляризация.
Интерференция. Волновой фронт и его дислокации.
Решение задачи Коши для волнового уравнения.
Дифракция. Принцип излучения.
Приближение медленно меняющихся амплитуд и квазиоптическое
уравнение. Гауссовы пучки. Бесселевы пучки.
2.
Электромагнитные волны в среде с дисперсией.
Частотная дисперсия. Групповая скорость и распространение импульсов.
Распространение волн в среде с пространственной дисперсией.
3.
Электромагнитные волны в анизотропной среде.
5
4.
Электромагнитные волны в неоднородной среде.
Волны в плавно неоднородной среде. Приближение геометрической оптики.
Каустики.
Квазиоптическое приближение для неоднородных сред.
Отражение и преломление плоской волны и пучка излучения на границе
раздела сред.
Электромагнитная поверхностная волна.
Металлические и диэлектрические волноводы. Объемные резонаторы.
Волны в периодических структурах. Открытые линзовые линии и открытые
резонаторы.
II. НЕЛИНЕЙНАЯ ЭЛЕКТРОДИНАМИКА. САМООРГАНИЗАЦИЯ В ОПТИКЕ.
5.
Нелинейная поляризация среды. Генерация второй гармоники.
Распадная неустойчивость, параметрическое усиление и генерация.
6.
Простые электромагнитные волны.
7.
Квазиоптическое уравнение и приделы его применимости.
8.
Солитоны в нелинейных волноводах.
9.
Самофокусировка.
Мелкомасштабная самофокусировка. Мелкомасштабная самофокусировка в
слоистой нелинейной среде. Мелкомасштабная самофокусировка широкого пучка.
Модуляционная неустойчивость.
Крупномасштабная самофокусировка, коллапс, пространственные солитоны,
световые пули. Внешняя самофокусировка.
10.Оптическая бистабильность. Бистабильность при возрастающем
поглощении. Передаточная функция точечной схемы. Поперечные эффекты:
волны переключения, пространственное переключение, пространственный
гистерезис.
11.
Нелинейные интерферометры, возбуждаемые внешним излучением.
Стационарные режимы и их устойчивость. Поперечные эффекты.
12.
Нелинейные поверхностные волны и нелинейное отражение плоских
волн. Поперечные эффекты.
ФИЗИКА ТВЕРДОГО ТЕЛА
1. Введение. Основные понятия. Кристаллическое состояние. Симметрия
кристаллов. Элементы симметрии кристаллов.
2. Кристаллографические категории, сингонии, классы.
Особые направления в кристаллах. Низшая, средняя и высшая категории
симметрии. Кристаллографические системы координат. Сингонии. Классы
симметрии кристаллов.
3.
Системы обозначений точечной симметрии кристаллов.
Формула
симметрии.
Примитивные,
инверсионно-примитивные,
центральные, аксиальные, планальные и аксиально-центральные классы
симметрии кристаллов низшей и средней категорий.
4.
Пять классов симметрии кристаллов высшей категории.
Симметрия тетраэдра и октаэдра. Порождающие комбинации элементов
симметрии кристаллов высшей категории. Примитивные, центральные,
аксиальные планальные и аксиально-центральные классы симметрии кристаллов
высшей категории.
5.
Пространственная симметрия кристаллов.
Элементы пространственной симметрии и их сочетание. Решетки Браве.
Классы пространственной симметрии. Кристаллические структуры.
6
6.
Симметрия и физические свойства кристаллов.
Удельная электропроводность, диэлектрическая и магнитная проницаемости,
механические напряжения. Свойство кристалла в заданном направлении.
Эллипсоид Френеля. Оптические двуосные, одноосные и изотропные кристаллы.
7.
Электрооптический и фотоупругий эффекты.
Электрооптический эффект. Фотоупругий эффект. Фотоупругость кубических
кристаллов.
8.
Гиротропный эффект.
Симметрия кристаллов и оптическое вращение плоскости поляризации.
Магнитооптический эффект Фарадея.
9. Волновое уравнение для кристалла и основные приближения при его
решении.
Волновое уравнение. Адиабатическое приближение. Одноэлектронное
волновое уравнение. Трансляционная симметрия и симметрия кристаллического
потенциала. Теорема Блоха. Собственные волновые функции одноэлектронного
гамильтониана.
10.
Метод линейной комбинации атомных орбиталей и его применение
для расчетов энергетических зон кристаллов.
Метод линейной комбинации атомных орбиталей. Расчеты энергетической
зонной структуры на основе метода линейной комбинации атомных орбиталей.
Энергетические зоны простого кубического кристалла.
11.
Зонная структура кристаллов и экспериментальные методы ее
исследования.
Зона Бриллюэна. Циклические граничные условия и число состояний в
энергетической
зоне.
Изоэнергетические
поверхности.
Квазиимпульс.
Дисперсионные зависимости энергии вблизи дна и потолка энергетической зоны.
Эффективная масса. Плотность состояний. Особые точки зон. Оптическая
спектроскопия в области междузонного поглощения света. Метод КрамерсаКронига и определение ширины энергетических зазоров.
12.
Свободные и связанные электроны. Твердотельная плазма и
оптический плазменный резонанс.
Оптические плазменные резонансы для свободных и связанных электронов.
Дисперсионные соотношения. Методы расчетов и прогнозирования оптических
постоянных кристаллов.
13.
Метод
эффективной
массы.
Водородоподобная
примесь.
Спектроскопия примесных состояний.
Примесные состояния. Фотовозбуждение и фотоионизация примесей. Форма
спектров оптического поглощения на водородоподобной примеси.
14.
Колебания и волны в линейных моделях кристаллов.
Колебания и волны в линейной одноатомной и двухатомной цепочках.
Дисперсия колебательных ветвей. Зоны Бриллюэна для колебательных
состояний. Циклические граничные условия и число колебательных состояний.
Фазовая и групповая скорости акустических и оптических волн. Кинетическая и
потенциальная энергии колебательного движения атомов кристалла. Нормальные
координаты. Фононы.
15. Колебания и волны в простом кубическом кристалле.
Продольные и поперечные фононы. Статистика фононов. Теплоемкость
кристаллической решетки (модель Дебая). Ангармонизм колебаний и тепловое
расширение кристалла. Взаимодействие света с колебаниями атомов
кристаллической решетки. Инфракрасные колебательные спектры кристаллов.
7
ФИЗИКА ПЛАЗМЫ
1.
Энергетические спектры и состояния электронов в плазме.
Определение плазмы. Виды плазмы. Теоретические модели.
Квазинейтральность
и
разделение
зарядов.
Электростатическое
экранирование. Ленгмюровские плазменные колебания. Плазменная частота.
Проводимость и диэлектрическая проницаемость плазмы.
2.
Термодинамика плазмы.
Температура плазмы. Тепловая и кулоновская энергия плазмы. Кулоновские
поправки к свободной энергии и давлению плазмы. Принцип детального
равновесия. Равновесие ионизации. Формула Саха. Уширение энергетических
уровней. Снижение потенциала ионизации в плазме. Расходимость и обрезание
статистических весов.
3.
Элементарные электронно-атомные процессы в плазме.
Общие характеристики элементарных процессов. Сечения парных
столкновений. Вероятность и частота столкновений. Упругое рассеяние
электронов. Кулоновский логарифм. Возбуждение и девозбуждение атомов
электронным ударом. Ионизация атома электронным ударом. Ионизация из
возбужденных состояний. Столкновения тяжелых частиц. Перезарядка Процессы
рекомбинации.
4.
Элементарные процессы с участием фотонов.
Фотоионизация. Вероятность и сечение ионизации. Фотоионизация
возбужденного
атома.
Фотоионизация
и
фотодиссоциация
молекул.
Фоторекомбинация. Вероятность и сечение фоторекомбинации.
Ассоциативная рекомбинация с излучением фотона. Эксимерные молекулы.
5.
Явления переноса в плазме.
Диффузия и подвижность частиц в плазме. Амбиполярная диффузия.
Диффузия
и
подвижность
частиц
в
замагниченной
плазме.
Теплопроводность плазмы.
6.
Волны в плазме.
Высокочастотная проводимость и диэлектрическая проницаемость плазмы.
Распространение электромагнитных волн в плазме. Дисперсионное уравнение.
Показатель преломления плазмы.
Коэффициент поглощения. Отражение электромагнитной волны от
плазменного слоя. Продольные волны в плазме.
Дисперсионное уравнение продольных волн в плазме. Взаимодействие волн
с частицами, затухание Ландау. Звуковые и ионно-звуковые волны в плазме.
7.
Излучение и поглощение света плазмой.
Тормозное излучение. Обратное тормозное поглощение. Резонансное
поглощение. Рекомбинационное излучение. Циклотронное излучение.
Рассеяние излучения в плазме. Спектр рассеянного излучения. Диагностика
плазмы по характерным спектрам.
8.
Перенос резонансного излучения в плазме.
Уравнение переноса излучения в плазме. Влияние вынужденных переходов.
Самообращение спектральных линий.
Перенос излучения в плазме с учетом рассеяния. Диагностика плазмы по
интенсивностям и форме спектральных линий.
9. Плазма газового разряда.
Виды электрического разряда в газах. Условия зажигания. Закон Пашена.
Вольтамперные характеристики разрядов различных видов. Электроразрядные
генераторы плазмы.
8
10. Лазерная плазма и оптический пробой газов.
Эрозионная лазерная плазма. Оптический пробой газов. Пороги оптического
пробоя.
5. Лабораторный практикум и практические занятия
5.1 Лабораторный практикум
№
n/n
1
№ раздела
дисциплины
ФИЗИКА ТВЕРДОГО
ТЕЛА
8
2
11
3
12
4
12
5
12
6
13
7
15
Наименование лабораторных работ
Магнитоопический эффект Фарадея в сульфиде
и селениде цинка в области края собственного
поглощения.
Собственное междузонное поглощение света в
кристаллах и применение метода КрамерсаКронига для определения параметров зонной
структуры.
Оптическое поглощение в области края
фундаментальной полосы в кристаллах с прямой
и непрямой структурами энергетических зон.
Зонная структура кристаллов и длинноволновая
дисперсия оптических постоянных
Твердотельная плазма и оптический плазменный
резонанс
Исследование спектров фотовозбуждения и
фотоионизации примесей в кристаллах
Определения характеристических параметров
кристаллов по спектрам инфракрасного
отражения
5.2. Практические занятия.
№ n/n
№ раздела дисциплины
Наименование тем занятий
1
ТЕОРИЯ
ЭЛЕКТРОМАГНИТНОГО
ПОЛЯ
1
2
1
3
1
Преобразование Лоренца для
электромагнитного поля.
Интерференция и дислокация волнового
фронта.
Дифракционные задачи.
4
1
Распространение гауссовых пучков.
5
2
6
4
7
9
Распространение импульсов в
диспергирующих средах.
Распространение излучения в слоистых
средах.
Мелкомасштабная самофокусировка и
модуляционная неустойчивость.
9
8
9
9
9
Волны переключения в широкоапертурных
оптических бистабильных системах.
Оптические солитоны.
ФИЗИКА ПЛАЗМЫ
1
2
Термодинамика плазмы.
2
6
Волны в плазме.
3
7
Излучение и поглощение света плазмой.
4
8
Перенос резонансного излучения в плазме.
6. Учебно-методическое обеспечение дисциплины
6.1. Рекомендуемая литература
а) основная литература
1. Смирнов Б.М. Основы физики плазмы. - М., 1974.
2. Протасов Ю.С., Чувашев С.Н. Физическая электроника газоразрядных
устройств. Плазменная электроника. Часть 1, Часть 2. - М., 1993.
3. Райзер Ю.П. Лазерная искра и распространение разрядов. - М., 1974.
4. Шаскольская М.П. Кристаллография. - М.: Высшая школа, 1976.
5. Киттель Ч. Введение в физику твердого тела. - М.: Мир, 1978.
6. Тарасов Л. В. Физические основы квантовой электроники. - М.: Сов. радио,
1976.
7. Пихтин А. Н. Физические основы квантовой электроники. - М.: Высшая
школа, 1983.
б) дополнительная литература
1. Зельдович Я.Б., Райзер Ю.П. Физика ударных волн и
высокотемпературных гидродинамических явлений. - М.: Наука, 1966.
2. Бекефи Дж. Радиационные процессы в плазме. - М., 1971.
3. Плазма в лазерах. Под редакцией Дж. Бекефи. - М., 1984.
4. Виноградов М.Б., Руденко О.В., Сухоруков А.П. Теория волн. - М.: Наука,
1990.
5. Ахманов С.А., Выслоух В.А., Чиркин Ф.А. Оптика фемтосекундных
лазерных импульсов. – М.: Наука, 1988.
6. Ландау Л.Д., Лифшиц Е.М. Теория поля. – М.: Физ.-мат.-лит., 1960
6.2. Средства обеспечения освоения дисциплины
Компьютерные обучающие программы, программы для контроля знаний
студентов, пакеты программ исследовательского и инженерного характера.
7. Материально-техническое обеспечение дисциплины
Компьютерный класс.
Перечень лабораторных работ и необходимого для оснащения учебной
лаборатории оборудования определяется вузом самостоятельно.
8. Методические рекомендации по организации изучения дисциплины
8.1 Перечень вопросов, включенных в примерную программу дисциплины,
может превосходить реальные возможности их изучения в объеме часов,
10
установленном примерным учебным планом, и составлен с целью возможного их
выбора и установления глубины их изучения при составлении рабочей программы
вуза, учитывающей содержательные разделы настоящей программы и
требования к уровню подготовки выпускника в соответствии с ГОС ВПО.
8.2. Часть разделов дисциплины может предлагаться студентам для
самостоятельного изучения или выполнения рефератов.
Программа составлена в соответствии с Государственным образовательным
стандартом высшего профессионального образования для специальности 072300
Лазерная
техника
и
лазерные
технологии
направления
подготовки
дипломированных специалистов 654000 Оптотехника.
Программу составили:
Розанов Н.Н. – д.т.н., профессор, Санкт-Петербургский государственный
институт точной механики и оптики (технический университет)
Яськов А.Д. – д.т.н., профессор, Санкт-Петербургский государственный
институт точной механики и оптики (технический университет)
Волков С.А. – д.т.н., профессор, Санкт-Петербургский государственный
институт точной механики и оптики (технический университет)
Программа одобрена на заседании Учебно-методического Совета по
направлению подготовки "Оптотехника", протокол № 2 от 30 ноября 2000 года.
Председатель Совета УМО по образованию
в области приборостроения и оптотехники
В.Н.Васильев