Физика лазеров2. 2 Доктор физикоматематических наук профессор Наний Олег Евгеньевич, кафедра оптики и спектроскопии физического факультета мгу, email

• Название: 2 Доктор физикоматематических наук профессор Наний Олег Евгеньевич, кафедра оптики и спектроскопии физического факультета мгу, email
• Дата: 10.05.2022
• Размер: 140 Kb.
• Имя файла: Физика лазеров2.doc
• Тип: Аннотация дисциплины; #520905

1. Физика лазеров

2. Лектор.

2.1. Доктор физико-математических наук профессор Наний Олег Евгеньевич, кафедра оптики и спектроскопии физического факультета МГУ, e-mail: [e-mail], телефон [phone].

3. Аннотация дисциплины.

В рамках данного лекционного курса студенты познакомятся с физическими основами действия различных типов современных лазеров и оптических усилителей. Основное внимание уделено рассмотрению физических принципов усиления света, анализу работы оптических усилителей, изучению условий возникновения генерации в лазерах и характеристик лазерного излучения.

4. Цели освоения дисциплины.

Цель освоения дисциплины состоит в обеспечении фундаментальных основ подготовки учащихся к профессиональной деятельности за счет расширения у них представлений о физических принципах усиления света при вынужденном излучении и рассеянии света, принципах работы волоконно-оптических усилителей и лазеров, методах управления временными, спектральными и поляризационными характеристиками излучения лазеров. Реализация этой цели предполагает также владение современными профессиональными знаниями в области физики, математики и информационных технологий, использование их для решения задач профессиональной деятельности (формируемая компетенция ПК-2); умение создавать математические модели типовых профессиональных задач и интерпретировать полученные математические результаты, способность использовать в профессиональной деятельности базовые знания в области физики (формируемая компетенция ОНК-5).

5. Задачи дисциплины.

Задачи дисциплины состоят в разработке и сопоставлении подходов к построению физических и математических моделей, которые используются при описании характеристик оптического излучения, генерируемого источниками на основе вынужденного излучения и рассеяния света – лазерами и источниками усиленного спонтанного излучения. Среди решаемых задач - освоение методов расчета характеристик оптических усилителей (шум-фактор, коэффициент усиления, ширина и равномерность спектра усиления, насыщение).
6. Компетенции.

6.1. Компетенции, необходимые для освоения дисциплины.

ОНК-4, ОНК-6, ИК-3, ИК-4, ПК-1.

6.2. Компетенции, формируемые в результате освоения дисциплины.

ПК-2, ОНК-5, ИК-4, СК-2, СК-3, ПК-3.


7. Требования к результатам освоения содержания дисциплины

В результате освоения дисциплины студент должен

знать проблематику и инструментарий физических исследований в области физических принципов усиления и генерации света, а также концептуальное оформление экспериментальных данных;

уметь оценивать возможности амбивалентных толкований результатов теоретических и экспериментальных исследований и существующие физические ограничения при анализе перспектив их практического использования для создания генераторов и усилителей оптческого излучения;

владеть навыками использования современного программного продукта и электронных баз данных, в частности, для анализа характеристик светового излучения;

иметь опыт деятельности в научной среде (семинары, конференции и т.д.), в частности, опыт участия в обсуждении актуальных проблем современной физики.
8. Содержание и структура дисциплины.

Вид работы	Семестр			Всего
	6
Общая трудоёмкость, акад. часов	72			72
Аудиторная работа:	34			34
Лекции, акад. часов	34			34
Семинары, акад. часов	0			0
Лабораторные работы, акад. часов	0			0
Самостоятельная работа, акад. часов	38			38
Вид итогового контроля (зачёт, зачёт с оценкой, экзамен)	зачет			зачет

N раз- дела	Наименование раздела	Трудоёмкость (академических часов) и содержание занятий Распределение общей трудоёмкости по семестрам указано в рабочих планах (приложение 7)				Форма текущего контроля
		Аудиторная работа			Самостоятельная работа Содержание самостоятельной работы должно быть обеспечено, например, пособиями, интернет-ресурсами, домашними заданиями и т.п.
		Лекции	Семинары	Лабораторные работы (отсутствуют)
1.	Принципы усиления света при вынужденном испускании и рассеянии света.	Содержание лекции 1, 2 часа. Введение. Проблематика спецкурса. Взаимодействие света с веществом. Поглощение и излучение света. Нелинейные эффекты. Усиление света при вынужденном излучении и рассеянии. Лазеры. Содержание лекции 2, 2 часа. Резонансное взаимодействие света с веществом. Уровни энергии и спектры атомов и молекул. Оптические спектры примесных кристаллов и стекол. Оптические свойства полупроводников и диэлектриков. Прямые и непрямые переходы между зонами. Квантовые ямы, нити и точки. Содержание лекции 3, 2 часа. Методы создания инверсной населённости. Электрическая накачка в газах. Химическая накачка. Термодинамическая накачка. Оптическая накачка, резонансное возбуждение. Другие виды накачки. Квазичетырех-уровневая накачка. Содержание лекции 4, 2 часа. Создание инверсной населенности в полупроводниковых структурах. Дважды вырожденные полупроводники. Гетеропереходы, инверсия в области гетероперехода.			4 часа. Тема самостоятельной работы 1. Работа с лекционным материалом. Подготовка рефератов по развитию представлений о вынужденном излучении и рассеянии света. 4 часа. Тема самостоятельной работы 2. Работа с лекционным материалом по методам создания инверсной населенности.	ДЗ, Оп, К
2.	Оптические усилители и их применение	Содержание лекции 5, 2 часа Усилители на основе вынужденного излучения. Эффект насыщения. Однородно и неоднородно уширенные линии усиления. Спектральный провал в спектре усиления. Содержание лекции 6, 2 часа. Эрбиевые оптические усилители. Методы накачки. Спектры поглощения и усиления эрбиевого оптического волокна. Эрбиевые усилители C и L-диапазонов. Содержание лекции 7, 2 часа. Шумы оптических усилителей. Оптическое отношение сигнал-шум. Шум-фактор оптического усилителя. Формула Фрииса. Накопление шума в оптических системах. Содержание лекции 8, 2 часа. Усилители на основе вынужденного рассеяния. Механизмы вынужденного комбинационного рассеяния (ВКР) и вынужденного рассеяния Мандельштамма-Бриллюена (ВРМБ). Распределенные ВКР усилители. ВРМБ усилители. Содержание лекции 9, 2 часа. Параметрические усилители света. Параметрическое усиление в кристаллах и аморфных веществах. Квадратичная и кубическая нелинейности. Условия волнового синхронизма. Содержание лекции 10, 2 часа. Полупроводниковые усилители света. Коэффициент усиления, ширина полосы и шум-фактор полупроводниковых усилителей.			2 часа. Тема самостоятельной работы 3. Работа с лекционным материалом по спектрам усиления 4 часа. Тема самостоятельной работы 4. Подготовка рефератов по методам сглаживания и расширения спектра усиления эрбиевых усилителей; 4 часа. Тема самостоятельной работы 5. Решение задач на расчет шум-фактора оптических усилителей и на накопление шумов в оптических системах связи. 4 часа. Тема самостоятельной работы 6. Работа с лекционным материалом по усилению при вынужденном рассеянии и параметрических процессах. 4 часа. Тема самостоятельной работы 7. Работа с лекционным материалом по полупроводниковым усилителям.
3.	Источники светового излучения на основе вынужденного рассеяния (Лазеры – генераторы)	Содержание лекции 11, 2 часа. Лазеры – генераторы. Энергетические условия генерации. Порог генерации лазеров. Система балансных уравнений и ее решение. Дифференциальный и полный кпд лазера. Содержание лекции 12, 2 часа. Лазерные моды. Методы создания обратной связи. Открытые и закрытые резонаторы. Обратная связь в диэлектрических волноводах. Продольные и поперечные моды. Конкуренция и селекция мод. Устойчивые и неустойчивые открытые резонаторы, методы расчета резонаторов. Распределенная обратная связь. РОС-лазеры. Содержание лекции 13, 2 часа. Поляризация излучения лазеров. Поляризационные характеристики резонаторов. Матричный метод Джонса. Поляризация излучения кольцевых лазеров с анизотропными резонаторами. Двухчастотные лазеры. Содержание лекции 14, 2 часа. Волоконные и волноводные лазеры. Распределенная обратная связь. РОС-лазеры. Кольцевые волоконные лазеры. Волоконные лазеры с брэгговскими зеркалами. Нелинейные эффекты в волоконных лазерах. Содержание лекций 15-17, 6 часов. Основные типы, режимы работы и применение лазеров.			4 часа. Тема самостоятельной работы 8. Работа с лекционным материалом по принципам работы лазера. 4 часа. Тема самостоятельной работы 9. Подготовка рефератов по методам создания обратной связи в лазерах и по управлению выходными характеристиками лазеров. 4 часа. Тема самостоятельной работы 10. Решение задач на расчет пространственных и поляризационных характеристик открытых резонаторов.

9. Место дисциплины в структуре ООП ВПО

1. 
   Дисциплина является обязательной.
   
2. 
   Вариативная часть учебного плана, дисциплина профиля.
   
3. 
   Требования к “входным” и “выходным” данным следующие:
   

3.1. предполагается, что перед освоением данной дисциплины обучающийся должен освоить разделы модулей “Математика” и “Общая физика”, а также разделы “Электродинамика” и “Квантовая теория” модуля “Теоретическая физика”.

3.2. Данная дисциплина может рассматриваться в качестве предшествующей по отношению к дисциплине магистерского блока “Фундаментальные и прикладные проблемы физической оптики”, “Основы волоконной и интегральной оптики” и “Взаимодействие излучения с веществом и нелинейная оптика”.
10. Образовательные технологии
Образовательные технологии, используемые при реализации различных видов учебной работы, и дающие наиболее эффективные результаты освоения дисциплины:

• 
  преподавание дисциплин в форме авторских курсов по программам, составленным на основе результатов исследований научных школ МГУ,
  
• 
  включение студентов в научную деятельность в форме подготовки курсовых работ по тематике, близкой к тематике курса,
  
• 
  дискуссии при обсуждении отдельных положений курса,
  
• 
  коллоквиумы.
  

11. Оценочные средства для текущего контроля успеваемости и промежуточной аттестации

Примеры оценочных средств:

• 
  примеры контрольных вопросов:
  

1. Отличие характеристик излучения тепловых источников от лазерного излучения.

2. Зависимость поглощения и усиления от мощности, эффект насыщения.

3. Механизмы усиления света

• 
  примеры домашних заданий:
  

1. Вывести формулу для мощности и энергии насыщения перехода при однородном уширении.

2. Рассчитать длительность импульсов в лазерах на самоограниченных переходах.

3. Рассчитать шум-фактор по известным значениям входных и выходных мощностей и оптических отношений сигнал-шум

• 
  примеры тем для рефератов:
  

1. Принципы увеличения эффективности оптической накачки.

2. Применение ВКР усилителей в оптической связи.

3. Принципы измерения ширины полосы излучения одночастотных лазеров и способы их реализации.

• 
  вопросы к зачету:
  

1. 
   Пространственная и временная когерентность светового излучения. Методы измерения.
   
2. 
   Ширина полосы излучения источников на основе спонтанного излучения и лазеров
   
3. 
   Мощность накачки, необходимая для получения усиления в 4-уровневой и 3-уровневой активных средах
   
4. 
   Электрическая накачка в газовых лазерах
   
5. 
   Электрическая накачка в полупроводниковых лазерах. Роль электронного и оптического ограничения в лазерах на гетероструктурах
   

6. 
   Принцип работы эрбиевых волоконных усилителей усилителя и их применение. Трехуровневая и квази- двухуровневая накачка
   
7. 
   Спектр усиления эрбиевого волокна при различной мощности накачки. Методы выравнивания спектра усиления эрбиевого усилителя.
   
8. 
   Оптическая схема эрбиевого волоконного усилителя. Элементы эрбиевого усилителя.
   
9. 
   Шум фактор оптических усилителей на вынужденном излучении. Определение и связь с населенностью рабочих уровней.
   
10. 
    Накопление шумов в волоконно-оптической линии связи с эрбиевыми усилителям. Оптическое отношение сигнал-шум.
    
11. 
    Принцип работы волоконно-оптических ВКР усилителей. Коэффициент усиления, зависимость от характеристик волокна.
    
12. 
    Распределенные и компактные ВКР усилители. Дифференциальный коэффициент усиления распределенных ВКР усилителей.
    
13. 
    Шумы ВКР усилителя, преимущества распределенных усилителей. Двухкаскадные ВКР усилители .
    
14. 
    Спектр усиления ВКР-усилителя. Оптимальная длина волны линии связи с ВКР-усилителями, длинноволновый сдвиг оптимальной длины волны.
    
15. 
    Принципы создания широкополосных усилителей. ВКР-усилители в линиях связи со спектральным мультиплексированием.
    
16. 
    Параметрические усилители на основе квадратичной нелинейности. Методы создания волнового синхронизма.
    
17. 
    Параметрические усилители на основе кубичной нелинейности. Волоконные параметрические усилители. Перспективы практического применения параметрических усилителей.
    
18. 
    Принцип работы и области применения полупроводниковых усилителей.
    
19. 
    Динамические характеристики полупроводниковых усилителей и стабилизация коэффициента усиления.
    
20. 
    Оптическая стабилизация коэффициента усиления, линейный оптический усилитель.
    
21. 
    Оптические регенераторы на основе полупроводниковых усилителей.
    
22. 
    Открытые резонаторы. Добротность резонатора и время жизни фотонов. Классификация поперечных мод устойчивых резонаторов.
    
23. 
    Устойчивые и неустойчивые резонаторы. Геометрический анализ на основе лучевых матриц. Применение неустойчивых резонаторов.
    
24. 
    Линейные и кольцевые резонаторы. Кольцевые резонаторы с неплоским контуром. Применения кольцевых лазеров.
    
25. 
    Волноводные и волоконные резонаторы.
    
26. 
    Резонаторы полупроводниковых лазеров: вертикальные резонаторы; РБЗ резонаторы и РОС структуры. Резонаторы на основе фотонных кристаллах.
    
27. 
    Применение лучевых матриц для описания гауссовых пучков в лазере. Расчет основной моды устойчивого резонатора (правило АВСD).
    
28. 
    Метод матриц Джонса и его применение для расчета поляризационных характеристик лазеров.
    
29. 
    Источники усиленного спонтанного излучения.
    

12. Учебно-методическое обеспечение дисциплины
Основная литература:

1. Корниенко Л.С., Наний О.Е. Физика лазеров, М.: Издательство МГУ, 1996.

2. Воронин В.Г., Наний О.Е. Основы нелинейной волоконной оптики. М.: Университетская книга, 2011.

3. Наний О.Е., Туркин А.Н.. Оптические методы в информатике, М.: Университетская книга, 2010.

4. Короленко П.В. Оптика когерентного излучения. М.: Издательство МГУ, 1998.
Дополнительная литература

1. Наний О.Е., Волков В.Г., Воронин В.Г., Камынин А.А.. Исследование распространения световых импульсов в оптических волокнах, М.: Университетская книга, 2011.

2. Быков В.П., Силичев О.О. Лазерные резонаторы. М.: Физматлит, 2003.

3. Айхлер Ю, Айхлер Г.-И. Мир физики и техники. Лазеры Исполнение, управление, применение. М.: Техносфера. 2008.

4. Пихтин А.Н. Оптическая и квантовая электроника. М.: «Высшая школа», 2001.

5. Тарасов Л.В. Физика лазера, Изд.2-е. М., «Либроком», 2009.
Периодическая литература:

1. Наний О.Е., Кравцов Н.В. Высокостабильные одночастотные твердотельные лазеры, Квантовая электроника, 1993, т.20, в. 4, с. 322-344.

2. Кравцов Н.В. Основные тенденции развития твердотельных лазеров с полупроводниковой накачкой, Квантовая электроника, 2001, т.31, №8, с. 661-677.

3. Воронин В.Г., Наний О.Е., Полиектова Н.А. Перспективы практического применения волоконно-оптических параметрических усилителей, Lightwave Russian Edition, 2007, №1, сс. 51-56.

4. Крюков П.Г. Лазеры ультракоротких импульсов, Квантовая электроника, 2001 т.31, №2, сс.95-103.

5. Курков А.С., Наний О.Е. Эрбиевые волоконно-оптические усилители, Lightwave Russian Edition, 2003, №1, сс.14-19.

6. Наний О.Е. Оптические передатчики, Lightwave Russian Edition, 2003, № 2, с. 48.

7. Убайдуллаев Р.Р. Протяженные ВОЛС на основе EDFA, Lightwave Russian Edition, 2003, № 1, сc. 22-28.

8. Величко М.А., Наний О.Е., Сусьян А.А. Новые форматы модуляции в волоконно-оптических системах связи, Lightwave Russian Edition, 2005, № 4, сс.21-30.

9. Наний О.Е. Оптические передатчики с перестраиваемой длиной волны излучения для DWDM-сетей связи. Часть 1, Lightwave Russian Edition, 2006, № 1, с. 51–56; Часть 2, Lightwave Russian Edition, 2006, № 3, сс.53-56.

10. Наний О.Е. Феноменологическая модель многоканальных твердотельных лазеров и ее использование для описания стационарных режимов генерации кольцевых и линейных лазеров. Квантовая электроника, т.23, в.1, 1996, сс.17-20.
Интернет-ресурсы:

1. Сайт библиотеки НИИ ядерной физики МГУ с электронными копиями учебных пособий по разделам курса: http://lib.qserty.ru/static/tutorials/79_Text_Nanij_Final.pdf , http://lib.qserty.ru/static/tutorials/126_Voronin-Nanij_Osnovy-optiki_2011.pdf , http://lib.qserty.ru/static/tutorials/123_Nanij_Issledovanija_2011.pdf .

2. Сайт кафедры оптики и спектроскопии: http://optics.sinp.msu.ru/

3. Сайт журнала “Квантовая электроника”: http://www.quantum-electron.ru

Промежуточная аттестация проводится на 9 неделе в форме коллоквиума с оценкой. Критерии формирования оценки – уровень знаний пройденной части курса, правильность выполнения домашних и контрольных заданий. В случае отрицательного результата предусмотрена повторная сдача коллоквиума. Текущая аттестация проводится ежемесячно. Критерии формирования оценки – посещаемость занятий, активность студентов на лекциях, качество выполнения домашних заданий.

13. Материально-техническое обеспечение

Кафедра располагае­т мобильными­ демонстрац­ионными средствами­ и лекции могут читаться надлежащим­ образом в любой выделенной­ факультето­м аудитории.

Стр. из