Правительство Российской Федерации Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего профессионального образования Национальный исследовательский университет «Высшая школа экономики» Московский государственный институт электроники и математики Национального исследовательского университета «Высшая школа экономики» Факультет «Электроники и телекоммуникаций» Программа дисциплины «Квантовая и оптическая электроника» Для специальности 210602.65 «Наноматериалы» подготовки инженера Автор программы: Григорьев Ф.И., к.х.н., профессор, fgrigoryev @ hse. ru Одобрена на заседании кафедры «Электроника и наноэлектроника» «_____»________20 г. Зав. кафедрой профессор, д.т.н. Петросянц К.О. _______________________ Рекомендована секцией УМС «Электроника» Председатель ________________ «_____»________20 г. Утверждена УС факультета «Электроники и телекоммуникаций» Ученый секретарь _____________ Москва 2012 г. «_____»________20 г. 1. Цели и задачи дисциплины Целью дисциплины «Квантовая и оптическая электроника» является приобретение студентами знаний о физических основах квантовой и оптической электроники, принципах действия, возможностях и технических характеристиках квантовых и оптоэлектронных приборов и устройств, Задачи дисциплины состоят в: • изучении процессов генерации лазерного излучения и его свойств; • изучении назначения и конструктивных особенностей квантовых и оптоэлектронных приборов; • приобретении практических умений расчета элементов квантовых и оптоэлектронных приборов; • ознакомлении с современным научно-техническим уровнем квантовой и оптической электроники. 2. Место дисциплины в структуре ООП: Дисциплина «Квантовая и оптическая электроника» относится к Циклу профессиональных дисциплин. Дисциплина требует наличия у студента знаний, умений и навыков, полученных в ходе изучения дисциплин: «Физика» (2-4 семестры), «Физика полупроводников» (5 семестр), «Квантовая механика» (5 семестр). Для изучения дисциплины студент должен обладать следующими компетенциями: • ОК-10 – Способностью использовать основные законы естественнонаучных дисциплин в профессиональной деятельности, применять методы математического анализа и моделирования, теоретического и экспериментального исследования. • ПК-1 – Способностью представлять адекватную современному уровню знаний научную картину мира на основе знания основных положений, законов и методов естественных наук и математики. • ПК-2 – Способностью выявлять естественнонаучную сущность проблем, возникающих в ходе профессиональной деятельности, привлекать для их решения соответствующий физико-математический аппарат. • ПК-5 – Способностью владеть основными приемами обработки и представления экспериментальных данных. 3.Требования к результатам освоения дисциплины: Процесс изучения дисциплины направлен на формирование следующих компетенций: • ПК-18 – Способность собирать, анализировать и систематизировать отечественную и зарубежную научно-техническую информацию по тематике исследования в области квантовой и оптической электроники. • ПК-19 – Способность строить простейшие физические и математические модели приборов и устройств квантовой и оптической электроники различного функционального назначения, а также использовать стандартные программные средства их компьютерного моделирования. • ПК-20 – Способность аргументировано выбирать и реализовывать на практике эффективную методику экспериментального исследования параметров и характеристик квантовых и оптоэлектронных приборов и устройств различного функционального назначения. В результате изучения дисциплины студент должен: Знать: физическую сущность процессов, протекающих при взаимодействии электромагнитного (оптического) излучения с веществом, возможности и технические характеристики приборов и устройств квантовой и оптической электроники; области их применения в современной науке и технике. Уметь: исследовать основные характеристики квантовых и оптоэлектронных приборов. Владеть: методами расчета оптических квантовых генераторов и элементов оптоэлектронных приборов и устройств. 4. Объем дисциплины и виды учебной работы Вид учебной работы Всего часов Семестр Общая трудоемкость дисциплины 90 6 Аудиторные занятия (всего) в том числе: 68 6 Лекции 51 6 Практические занятия 17 6 Самостоятельная работа (всего) 22 6 Вид итогового контроля: экзамен 6 5. Содержание дисциплины 5.1. Содержание разделов дисциплины № п/п 1. 2. Наименование раздела дисциплины Введение Способы описания и характеристики электромагнитного излучения оптического диапазона Содержание раздела Предмет дисциплины и ее задачи. Основные понятия и определения. Элементная база оптоэлектроники. История создания и развития квантовой электроники. Электромагнитные волны. Представление реальных волн суперпозицией идеализированных монохроматических волн. Оптический диапазон электромагнитных волн. Фотоны. 3. Физические основы взаимодействия оптического излучения с квантовыми системами . Энергетические состояния квантовых систем. Оптические переходы, структура спектров. Ширина, форма и уширение спектральных линий. Вероятность перехода. Правила отбора для электронных переходов. Поглощение, спонтанное и индуцированное излучение, Коэффициенты Эйнштейна. Инверсия населенностей.. 4. Усиление оптического излучения 5. Генерация оптического излучения 6. Основные типы когерентных и некогерентных источников оптического излучения Активные среды и методы создания инверсной населенности. Кинетические уравнения. Двух-, трех- и четырехуровневые схемы. Насыщение усиления в активных средах.. . Принцип работы лазеров. Оптические резонаторы. Добротность резонатора. Условие самовозбуждения лазеров. Насыщение усиления. Одномодовая и многомодовая генерация. Модуляция добротности резонатора. Синхронизация мод и сверхкороткие лазерные импульсы. . Твердотельные лазеры. Газовые лазеры. Лазеры на растворах органических красителей. Полупроводниковые лазеры. Инжекционные лазеры на квантоворазмерных гетероструктурах. Светоизлучающие диоды. Суперлюминесцентные диоды.. 7. Нелинейные оптические эффекты 8. Физические принципы и основные элементы для регистрации, модуляции, отклонения, трансформации, передачи и обработки оптического излучения Заключение 9. Нелинейная поляризуемость кристалла. Генерация гармоник. Параметрическое преобразование и параметрическая генерация света. Полупроводниковые фотоприемники. Приемники оптических изображений. Оптические модуляторы. Дефлекторы. Волоконно-оптические линии связи. Перспективы и основные направления развития квантовой и оптической электроники. 5.2. Разделы дисциплины и виды занятий № п/п 1 2 3 4 5 6 7 8 9 Наименование раздела дисциплины Введение. . Способы описания и характеристики электромагнитного излучения оптического диапазона Физические основы взаимодействия оптического излучения с квантовыми системами Усиление оптического излучения Генерация оптического излучения. Основные типы когерентных и некогерентных источников оптического излучения Нелинейные оптические эффекты Физические принципы и основные элементы для регистрации, модуляции, отклонения, трансформации, передачи и обработки оптического излучения Заключение Лекции Практич .занятия Самост. работа. Всего 2 - - 2 6 2 2 10 6 2 2 10 6 6 12 2 2 4 4 4 4 12 12 20 2 10 2 3 2 4 6 17 1 - - 1 6. Учебно-методическое обеспечение дисциплины: а) основная литература: 1. Пихтин А.Н. Оптическая и квантовая электроника. – М.: «Высшая школа», 2001. – 573 с. 2. Григорьев Ф.И. Полупроводниковые источники излучения. – М.: МИЭМ, 2004. – 44 с. 3. Григорьев Ф.И. Оптоэлектронные приборы на основе полупроводниковых наноструктур. – М.: МИЭМ, 2011. – 35 с. б) дополнительная литература: 1. Розеншер Э., Винтер Б. Оптоэлектроника. – М.: Техносфера, 2004. – 592 с. 2. Дудкин В.И., Пахомов Л.Н. Квантовая электроника. Приборы и их применение. - М.: Техносфера, 2006. – 432 с. 7. Материально-техническое обеспечение дисциплины: . Компьютерный класс.кафедры ФОЭТ. Рабочая программа составлена в соответствии с Государственным образовательным стандартом высшего профессионального образования по направлению подготовки 210600 «Нанотехнология». Программу составил Григорьев Ф.И. профессор кафедры ФОЭТ, к.х.н.