Учебная программа Дисциплины опд. Ф. 11 «Квантовая и оптическая

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение

высшего профессионального образования

«Нижегородский государственный университет им. Н.И. Лобачевского»

Радиофизический факультет

Кафедра квантовой радиофизики

УТВЕРЖДАЮ

Декан радиофизического факультета

____________________Якимов А.В.

«27» июня 2012 г.

Учебная программа

Дисциплины ОПД.Ф.11 «Квантовая и оптическая электроника»

по специальности 090106 «Информационная безопасность телекоммуникационных систем»

Нижний Новгород

2012 г.

1. Область применения

Данная дисциплина относится к общепрофессиональным дисциплинам федерального компонента, преподается в 7-ом семестре.

2. Цели и задачи дисциплины

Программа предназначена для подготовки специалистов по специальности «Информационная безопасность телекоммуникационных систем». Курс «Квантовая и оптическая электроника» является одним из завершающих курсов по теоретической физике и радиофизике в системе подготовки инженеров-физиков. Цель курса — сформировать у студента современное представление о фотонной структуре электромагнитного поля, об элементарных квантовых актах однофотонного и многофотонного взаимодействия поля с веществом и их конкретном проявлении при преобразовании, усилении и генерации когерентного электромагнитного излучения в квантовых генераторах оптического диапазонов длин волн и других устройствах современной оптоэлектроники. Большое внимание в курсе уделено сопутствующему математическому описанию указанных процессов и их использованию для расчета основных характеристик лазерных и оптоэлектронных систем.

Законы, модели и уравнения, рассмотренные в лекционном курсе, дополняются изучением современных лазерных генераторов в рамках практических занятий и общефизического лабораторного практикума.

3. Требования к уровню освоения содержания дисциплины

В результате изучения дисциплины студент должен знать:

— квантовую теорию излучения и поглощения электромагнитных волн веществом;

— основные элементарные квантовые процессы с участием фотонов;

— квантовую теорию релаксации и основные механизмы уширения спектральных линий;

— физические принципы функционирования и основные характеристики квантовых усилителей и генераторов, а также других элементов и устройств оптической и квантовой электроники;

— основные типы нелинейных и параметрических процессов при взаимодействии поля со средой.

— основы базовых элементов и устройств квантовой и оптической электроники, применяемых в современных информационных системах;

— возможности оптических методов передачи и обработки информации

Студент также должен уметь:

-находить аналитические решения задач квантовой теории излучения

-делать численные оценки времен релаксации и вероятностей переходов для однофотонных процессов в зависимости от параметров спектральных линий для различных сред;

-делать численные оценки инверсии населенностей и коэффициента усиления (поглощения) в двух-, трех- и четырехуровневых средах;

-делать числовые оценки;

-проводить аналитические расчеты и делать на их основе числовые оценки порога самовозбуждения, добротности различных резонаторов, мощности, частоты генерации для квантовых генераторов оптического диапазона длин волн

использовать базовые элементы квантовой и оптической электроники и применять основные методы анализа квантовых и оптоэлектронных устройств для решения задач в системах передачи и обработки информации.

4.Объем дисциплины и виды учебной работы

Виды учебной работы

Всего часов

Семестр

Общая трудоемкость дисциплины

100

7

Аудиторные занятия

51

51

Лекции

34

34

Практические занятия (ПЗ)

17

17

Семинары (С)

Лабораторные работы (ЛР)

Другие виды аудиторных занятий

Самостоятельная работа

49

49

Курсовой проект (работа)

Расчетно-графическая работа

Реферат

Другие виды самостоятельной работы

Вид итогового контроля (зачет, экзамен)

зачет

зачет

5. Содержание дисциплины

5.1. Разделы дисциплины и виды занятий

№п/п

Раздел дисциплины

Лекции

ПЗ (или С)

ЛР

1.

Введение

2

2.

Квантовая теория излучения и поглощения

4

2

3.

Элементы квантовой кинетики и теории спектральных линий

4

2

4.

Взаимодействие двухуровневой среды с резонансным электромагнитным полем

6

2

5.

Квантовые усилители и генераторы, информационные системы на их основе

8

6

*

6.

Методы управления лазерным излучением

4

2

*

7.

Методы регистрации оптических сигналов

2

2

*

8.

Современная элементная база оптоэлектроники

4

1

*

5.2. Содержание разделов дисциплины

I. Введение.

Предмет квантовой и оптической электроники. История проблем. Квантовая электродинамика и радиоэлектроника. Роль квантовой электроники и оптоэлектроники в современных информационных технологиях.

II. Квантовая теория излучения и поглощения.

Идея квантования электромагнитного поля. Разложение электромагнитного поля по свободным типам колебаний. Энергетический спектр и стационарные состояния свободного квантованного электромагнитного поля. Понятие фотона и его свойства. Операторы рождения и уничтожения для фотонов. Оператор энергии взаимодействия системы заряженных частиц и электромагнитного поля. Квантовая теория излучения. Однофотонные и двухфотонные переходы в теории возмущений. Матричные элементы оператора энергии взаимодействия поля с веществом для процессов однофотонного излучения и поглощения. Индуцированное и спонтанное излучение фотона, их вероятности в электродипольном приближении. Вероятность однофотонного поглощения. Правила отбора для электродипольного излучения (поглощения). Параметрические и непараметрические многофотонные процессы, их применения в современных спектроскопических системах.

III. Элементы квантовой кинетики и уширение спектральных линий.

Понятие о динамической и диссипативной подсистемах на примере спонтанного излучения атома. Релаксация динамической подсистемы как процесс взаимодействия с диссипативной подсистемой. Релаксация и уширение спектральных линий. Соотношение неопределенностей энергия-время и естественная ширина линии излучения (спектральный контур линии спонтанного излучения). Спонтанное излучение в оптике и радиодиапазоне. Добротность спектральной линии, оценки величин. Физические основы построения квантовых стандартов частоты. Механизмы уширения спектральных линий. Квантовое кинетическое уравнение (уравнение для матрицы плотности динамической подсистемы, взаимодействующей с диссипативной подсистемой-термостатом). Двухуровневая идеализация. Уравнения для двухуровневой среды, взаимодействующей с классическим электромагнитным полем. Продольное и поперечное времена релаксации и их физический смысл. Оценки продольного и поперечного времен релаксации для различных сред.

IV. Взаимодействие двухуровневой среды с резонансным электромагнитным полем.

Поведение двухуровневой среды при ее взаимодействии с резонансным электромагнитным полем. Стационарные решения уравнений для двухуровневой среды, взаимодействующей с резонансным полем. Эффекты насыщения и просветления среды в сильном электромагнитном поле. Мощность, поглощаемая средой из электромагнитного поля. Насыщающая мощность, ее оценки для различных сред, используемых в качестве рабочих материалов в квантовой электронике. Применение эффекта насыщения для управления параметрами лазерного излучения. Когерентное взаимодействие излучения с двухуровневой системой. Уравнение переноса излучения в поглощающей (усиливающей) среде. Коэффициент и показатель поглощения (усиления). Оценки величины поглощения (усиления) для различных сред. Электронный парамагнитный резонанс, его применение в науке (физика, химия, биология) и технике.

V. Квантовые усилители и генераторы, информационные системы на их основе.

Термодинамически неравновесная система. Инверсия населенностей. Метод оптической накачки. Трех- и четырех-уровневые системы. Представление 3-х и 4-х уровневых систем эквивалентной 2-х уровневой системой. Инверсия населенностей в твердотельных лазерах с оптической накачкой. Создание инверсной разности населенностей в газах с помощью газового разряда. Гелий-неоновый лазер, величины инверсной разности населенностей для газовых лазеров. Создание инверсной разности населенностей методом сортировки атомов неоднородными статическими электрическими и магнитными полями. Водородный мазер. Атомно-лучевая трубка. Квантовые стандарты времени и частоты.

Полуклассические уравнения квантового генератора. Одномодовое приближение. Примеры возникновения многомодового режима генерации (выжигание спектральных и пространственных провалов). Стационарный режим колебания квантового генератора и его характеристики. Условие самовозбуждения квантового генератора. Эффект затягивания частоты в квантовом генераторе. Оптический резонатор. Собственная и нагруженная добротность резонатора. Время жизни фотона в резонаторе. .Мощность квантового генератора. Максимальная мощность квантового генератора при оптимальной связи с нагрузкой. Оценка мощности для различных типов мазеров и лазеров. Балансные уравнения для квантового генератора. Учет спонтанного излучения в балансных уравнениях. Типы и основные характеристики современных лазерных систем. Полупроводниковый инжекционный лазер. Полупроводниковые лазеры и светоизлучающие диоды: их спектральные, мощностные и модуляционные характеристики. Шумы излучения лазеров. Ширина спектральной линии генерации. Применение полупроводниковых лазеров в оптических системах передачи информации.

VI. Методы управления лазерным излучением.

Модуляция лазерного излучения. Электрооптическая и магнитооптическая модуляция. Взаимодействие света с акустическими волнами; дифракция Брэгга и Рамана-Ната. Электрооптические и акустооптические модуляторы и дефлекторы. Оптические изоляторы. Нестационарные режимы генерации. Методы повышения мощности генерации лазеров. Метод модулированной добротности. Метод синхронизации мод в лазерах. Генерация гигантских импульсов.

VII. Методы регистрации оптических сигналов.

Регистрация оптического излучения. Прямое детектирование и гетеродинирование. Классификация фотоприемников. Фотоприемники на основе внутреннего и внешнего фотоэффекта. Фотоэлементы, фотоэлектронные умножители. Полупроводниковые фотоприемники. Фоторезисторы и фотодиоды (лавинные фотодиоды и pin — диоды); принцип действия и устройство. Фотогальванический и фотодиодный режим работы. Вольт-амперная и спектральная характеристики, быстродействие и чувствительность фотодиодов. Фототранзисторы, фотоприемные ПЗС — матрицы. Шумы фотодиодных приемников излучения. Порог чувствительности, обнаружительная способность. Квантовый предел чувствительности при приеме оптических сигналов.

VIII. Современная элементная база оптоэлектроники..

Распространение света в анизотропных средах и оптических волноводах. Лучевой и волновой анализ оптических волноводов. Интегральные оптические элементы на основе планарных оптических волноводов — моды, волноводные параметры, соотношения ортогональности мод, поток мощности, переносимой в оптическом волноводе. Волоконные световоды как основа современных систем оптической связи. Моды волоконных световодов. Гауссово приближение при анализе полей одномодовых световодов. Дисперсионные свойства волоконных световодов. Потери на поглощение и рассеяние в волоконных световодах. Возбуждение оптических волноводов. Оптическое согласование волоконного волновода с лазерным излучателем. Нелинейные явления и преобразование частот в волоконных световодах. Преимущества и недостатки волоконно-оптических линий связи (ВОЛС). Пассивные и активные компоненты оптических линий: разъемы, ответвители, мультиплексоры, приемные и передающие модули, ретрансляторы, квантовые усилители. Аналоговые и цифровые методы модуляции в ВОЛС. Информационная емкость канала связи, дальность передачи. Временное, частотное и волновое уплотнение каналов. Когерентные линии оптической связи. Использование квантовых свойств оптического излучения для повышения защищенности телекоммуникационных систем. Оптоэлектронные и оптические процессоры. Интегральная оптика и интегральная оптоэлектроника. Оптоэлектронные датчики. Новые достижения в области квантовой и оптической электроники.

6. Лабораторный практикум

№п/п

№ раздела дисциплины

Наименование лабораторной работы

1

5

Твердотельный лазер с оптической накачкой

2

6,7,8

Волоконный канал связи на основе полупроводникового лазера

7. Учебно-методическое обеспечение дисциплины

Рекомендуемая литература

а) основная литература:

Страховский Г.Н., Успенский А.В. Основы квантовой электроники — М.: «Высшая школа», 1979, 336с.

Звелто О. Физика лазеров — М.: «Мир», 1979, 376с.

Карлов Н.В. Лекции по квантовой электронике — М.: «Наука», 1983, 320с.

Клышко Д.Н. Физические основы квантовой электроники — М.: «Наука» Гл.ред.физ.-мат.литературы, 1986, 256с.

Ю.Р.Носов «Оптоэлектроника» («Радио и связь»), 1989г.

О.Ермаков «Прикладная оптоэлектроника» «Техносфера», 2004г.

В.И.Дудкин, Л.Н.Пахомов «Квантовая электроника. Приборы и их применения» Техносфера, 2006.

б) дополнительная литература:

Ярив А. Квантовая электроника — М.: «Сов.радио»,1980, 460с.

Пантелл Р., Путхоф Г. Основы квантовой электроники — М.: «Мир», 1972.

Демтредер В. Лазерная спектроскопия. Основные принципы и техника эксперимента — М. «Наука», 1985, 580с.

Хакен Г. Лазерная светодинамика — М.: Мир, 1988.

Я.И.Ханин «Лекции по квантовой радиофизике» Н.Н., ИПФ РАН, 2005г.

Д.Маркузе «Оптические волноводы» М., «Мир»1974г.

Ю.М.Сорокин , В.С.Ширяев «Оптические потери в световодах» Н.Н., ННГУ, 2000г.

Д.Гауер «Оптические системы связи» «Радио и связь», 1989г.

Э.Розеншер, Б.Винтер «Оптоэлектроника». «Техносфера, 2006.

А.Н.Пихтин «Физические основы квантовой электроники и оптоэлектроники» «Высшая школа», 1983г.

8. Вопросы для контроля

Сформулировать правила отбора для гармонического осциллятора.

Обосновать применимость теории возмущения в атоме водорода при возбуждении его электрическим полем на частоте (λ=121 нм) с плотностью мощности 10 Вт/см2

Для двухуровневой системы получить зависимость от времени вероятности нахождения электрона на уровнях от времени под действием внешнего переменного электрического поля на частоте ω=ω12+δω, где ω12 – частота перехода, δω – отстройка.

Почему происходит уширение спектральных линий поглощения (излучения) вещества в сильных полях.

Почему в оптическом диапазоне длин волн для измерения ширины линии можно использовать явление флуоресценции, а в радиодиапазоне – только вынужденное излучение или поглощение среды.

Для выбранного механизма получить выражение для неоднородно уширенного контура линии. Для выбранных условий оценить её ширину.

Известно, что время жизни электрона в возбужденном состоянии τ. Получить выражение для спектральной формы линии.

Отношение населенностей двух уровней для вещества, находящегося в состоянии равновесия при температуре 300оК, равно 10. Вычислить частоту излучения, соответствующую переходу между этими уровнями.

Типичное время жизни для разрешённого электродипольного перехода в видимом диапазоне ∼10 нс. Оценить естественную ширину линии рентгеновского лазера, излучающего в диапазоне 10 нм.

Механизмы однородного уширения. Вывести выражение для однородно уширенного контура линии. Дать оценку её ширины (в см-1) для одного из радиационных переходов Ne.

Механизмы неоднородного уширения. Для выбранного механизма получить выражение для неоднородно уширенного контура линии. Для выбранных условий оценить её ширину (в см-1).

Доплеровская ширина линии 500 МГц. Оценка времени жизни уровня 10-8с. Предложить метод измерения ширины лоренцевского контура.

Обосновать принципиальные трудности создания УФ и рентгеновских активных сред.

Связь коэффициента ненасыщенного усиления с коэффициентами Эйнштейна. Сравнить зависимости коэффициента усиления от мощности накачки в случае однородного и неоднородного насыщения усиления.

Двух-, трёх- и четырёхуровневая схемы лазеров: возможности реализации, достоинства и недостатки. Оптимальная ширина уровней.

Nd:АИГ лазер: квантовая схема, преимущество матрицы, организация эффективной накачки.

Традиционное устройство Nd лазера известно. Почему бы не сделать лазер того же диапазона на парáх неодима? На газообразном соединении Nd, например, с галогеном?

Почему в лазерах, работающих на молекулярных переходах, используют полированные металлические зеркала, а в лазерах, работающих на электронных переходах, – диэлектрические?

Показать, что абсолютная ширина линии открытого оптического резонатора с плоскими зеркалами не зависит от частоты. Оценить (в см-1) интервал между продольными модами и ширину линии такого резонатора для R=0,99 и L= 1 м.

Изобразить структуру мод (линии уровня интенсивности, поляризацию, профиль напряжённости поля) ТЕМ00 и ТЕМ11 открытого резонатора с круглыми зеркалами. Для какой из них следует ожидать бóльших дифракционных потерь?

Изобразить и обосновать спектральный контур насыщенного усиления в резонаторе газового лазера при возбуждении в нём одной моды с частотой, лежащей в стороне от центра линии вещества.

Оценить число продольных мод, генерируемых He-Ne лазером длиной ∼1 м, считая, что температура разряда не слишком отличается от комнатной. Зависит ли ширина провала в насыщенном контуре усиления и ширина линии излучения лазера от длины резонатора?

Найти значение ненасыщенного коэффициента усиления для полупроводникового лазера с длиной активной области 100 мкм при использовании сколов по кристаллическим поверхностям в качестве зеркал.

Оценить ширину Лэмбовского провала для He-Ne лазера и сравнить полученное значение с доплеровской шириной линии.

Объяснить принцип действия и преимущества ДГС с раздельным ограничением. Типичные оптические параметры ДГС. Изобразить зонную диаграмму, привести вариант используемых материалов.

Обосновать необходимость многокомпонентных материалов для приготовления диодных структур. Преимущества и недостатки соединения AlGaAs как материала для лазерных диодов. Привести пример материалов для диодной структуры на «телекоммуникационный» диапазон ∼ 1,3 мкм

Особенности гетероструктуры на основе InGaAsP/InP. Вид ватт-амперной характеристики, спектр лазера и светодиода на её основе.

Чем определяется ширина полосы лазерного диода как источника информации? Почему светодиоды уступают им по этому параметру? Указать оценки для обоих случаев.

Как и почему зависит от температуры рабочая частота лазерного диода? Почему с ростом температуры снижается эффективность генерации?

Чем определяется толщина активной области лазерного диода, выполненного на основе простейшей гомоструктуры?

Указать и обосновать преимущества лазерных диодов с распределённой обратной связью и распределённым брэгговским отражением по сравнению с диодами простейшей геометрии.

Сравнить эффективность управления сигналами от лазерного диода путём модуляции накачки, модуляции добротности и модуляции выходного пучка.

Оценить ширину линии излучения и интервал между продольными модами для типичного лазерного диода

9. Критерии оценок

Зачтено

В целом хорошая подготовка с незначительными ошибками

Не зачтено

Необходима дополнительная подготовка для успешной сдачи зачета

10. Примерная тематика курсовых работ и критерии их оценки

Не предусмотрена.

Программа составлена в соответствии с Государственным образовательным стандартом по специальности 090106 «Информационная безопасность телекоммуникационных систем».



Страницы: 1 | 2 | Весь текст