Квантовая оптоэлектроника

Бакалавриат 2023/2024

Статус: Курс обязательный (Физика)

Направление: 03.03.02. Физика

Кто читает: Департамент физики

Где читается: Санкт-Петербургская школа физико-математических и компьютерных наук

Когда читается: 4-й курс, 1, 2 модуль

Формат изучения: без онлайн-курса

Охват аудитории: для своего кампуса

Преподаватели: Крыжановская Наталья Владимировна, Махов Иван Сергеевич

Язык: русский

Кредиты: 5

Контактные часы: 60

Полная версия программы учебной дисциплины

Аннотация

Задачей дисциплины является сформировать у студентов теоретические и практические знания в области исследований и применения лазерного излучения, дать начальные сведения в области квантовой электроники, дать представление о принципах создания и работы некоторых приборов и устройств оптоэлектроники. Широкое использование лазерного излучения в повседневной практике и в научно-исследовательских лабораториях любого уровня ставит сложную задачу перед данным курсом лекций. Лекции начинаются классическим изложением физических основ квантовой электроники, сводящихся к применению эйнштейновской теории к термодинамически неравновесным системам с дискретными энергетическими уровнями. Отдельно рассмотрено понятие обратной связи, индуцированного излучения, модового состава резонатора. Далее излагаются основные методы управления свойствами лазерного излучения, модового состава излучения, перестройкой длины волны, различным режимам работы лазера (в том числе модуляция добротности, синхронизация мод) и прочими характеристиками лазерного луча. Вторая часть курса посвящена изложению методов модуляции и детектирования оптического излучения, принципам создания некоторых приборов оптоэлектроники (фотодетекторы, модуляторы). Отдельно рассмотрены некоторые типы лазеров (оптоволоконный, твердотельный, газовый, полупроводниковые лазеры, полупроводниковые микро- и нанолазеры). В завершении рассмотрены тенденции развития квантовой электроники, а также вопросы применения лазеров.

Цель освоения дисциплины

сформировать теоретические и практические знания в области исследований и применения лазерного излучения, иметь начальные сведения в области квантовой электроники, иметь представление о принципах создания и работы некоторых (основных) приборов и устройств оптоэлектроники.

Планируемые результаты обучения

Знает об основных исторических этапов развития исследовании в области оптики, электромагнитного излучения, квантовых переходов, фотонов. Знает об состояниях атомов и молекул, квантовых переходах при использовании подхода анализа волновых функции стационарных состояний, уравнения Шредингера при наличии слабого возмущения с применением первого приближения теории возмущений. Имеет представление о вероятности квантового перехода.
Имеет представление о спонтанном и вынужденном излучении. Знает о коэффициентах Эйнштейна для спонтанных и индуцированных переходов в двухуровневой системе и основных выражениях их связывающих.
Имеет представление о форм-факторе, описывающем уширении линии следствие естественного время жизни, умеет вывести выражение для ширины спектра спонтанного излучения. Различает однородное и неоднородное уширение. Имеет представление о форме линии при доплеровском уширении и релаксционных процессах..
Знает о поглощении и усилении в среде. Имеет представление об активной среде, эффекте насыщения и просветления среды, инверсии населенностей. Знает об основных механизмах накачки активной среды.
иметь представление об усилении и лазерной генерации, знать выражение для полоса пропускания усилителя бегущей волны. Иметь представление об источниках шума квантового усилителя и максимальной выходной мощности.
Знать об открытом резонаторе и его добротности. Иметь представление о принципах генерации резонатора при усилении. Знать что такое отражательный усилитель. Знать об условиях самовозбуждения и резонанса. Понимать от чего зависит частота генерации и максимальная выходная мощность.
Иметь представление о резонаторах, их добротности, кольцевом резонаторе. Знать о прореживании модового спектра. Знать о времени жизни моды пассивного резонатора, дифракционных потерях, устройствах связи мод, селекции поперечных и продольных мод, селекции мод в связанных резонаторах, генерации излучения в нескольких продольных модах.
Иметь представление об основных свойствах лазерного излучения: монохроматичности, когерентности, поляризации излучения, направленности и возможности фокусирования излучения, яркости и мощности излучения. Знать основные этапы истории возникновения квантовой электроники, основных ученых, внесших вклад в понимание квантовой природы света, уметь определять место квантовой электроники в оптике.
иметь представление о затягивании и синхронизации мод. Понимать механизмы определяющие длительность и период следования импульсов при синхронизации мод, различать активную и пассивную синхронизацию.
Знать физические основы модуляции лазерного излучения. Иметь представление об эффекте Поккельса, эффекте Керра. Знать принципы работы оптических модуляторов. Знать принцип действия акусто-оптический затвора.
Иметь представление о болометрическом эффекте, поглощении оптического излучения полупроводниками. Знать фоторезистивный эффект и основные приборы на его основе. Знать фотоэлектрический эффект в р-n-переходе и иметь представление о фотодиодах.
Знать основные характеристики детекторов: спектральную чувствительность, интегральную чувствительность, минимально различимый сигнал, шумовые источники, обнаружительную способность, инерционность (быстродействие).
Иметь представление об основных типах лазеров (газовые лазеры. твердотельные, полупроводниковые лазеры). иметь представление о микро- и нанолазерах. Иметь представление об источниках одиночных фотонов и детекторах одиночных фотонов.

Содержание учебной дисциплины

Введение, квантовые переходы
Спонтанное и вынужденное излучение. Коэффициенты Эйнштейна.
Ширина линии
Лазерные усилители.
Усиление
Условие самовозбуждения и существования стационарного режима. Генерация
Лазерные резонаторы, моды резонаторов.
Свойства лазерного излучения. История квантовой электроники.
Синхронизация мод. Модуляция добротности, затягивание, провалы. Конкуренция мод.
Модуляция оптического излучения.
Фотодетекторы
Характеристики фотодетекторов
Различные типы лазеров

Элементы контроля

Реферат
Реферат включает в себя письменную домашнюю работу по выбранной теме и с последующей устной защитой работы.
Коллоквиум
Коллоквиум проводится в форме ответов на вопросы из списка по билетам. Билет содержит один вопрос из перечня вопросов к коллоквиуму. На подготовку ответа выделяется 40 минут. Студент подробно отвечает на вопросы из билета, пользуясь своими записями.
Экзамен
Устный экзамен проводится в форме ответов на вопросы экзаменационного билета. Билет содержит один вопрос из перечня вопросов к экзамену. На подготовку ответа выделяется 40 минут. Студент подробно отвечает на вопросы из билета, пользуясь своими записями

Промежуточная аттестация

2023/2024 учебный год 2 модуль
0.4 * Коллоквиум + 0.2 * Реферат + 0.4 * Экзамен

Программа дисциплины