взаимодействие электромагнитного излучения с веществом

РАДИОФИЗИКА И ЭЛЕКТРОНИКА
I. Физические основы взаимодействия электромагнитного излучения с веществом.
1. Общие принципы описания системы “вещество + электромагнитное поле”. Атомы и
молекулы (классические и квантовые модели). Квантовая система в поле
электромагнитной волны. Дипольное приближение.
2. Нестационарная теория возмущений (первый и второй порядки теории возмущений).
Однофотонные и двухфотонные переходы. Вероятность перехода в единицу времени.
3. Линейная и нелинейная атомные восприимчивости. Сопоставление с классикой. Сила
осциллятора.
II.
Физика лазеров.
1. Коэффициенты Эйнштейна спонтанного и вынужденного переходов. Ширина линии.
Сечение фотопоглощения. Инверсная населенность. Коэффициент усиления.
Резонатор. Время жизни фотона в резонаторе.
2. Динамика лазерной генерации. Скоростные уравнения. Трех- и четырех - уровневые
схемы накачки. Порог генерации. Стационарный и нестационарный режимы работы
лазера.
3. Модуляция добротности и генерация гигантских импульсов. Синхронизация мод и
ультракороткие импульсы.
4. Физика фемто- и аттосекундных импульсов.
5. Обзор различных типов лазеров. Твердотельные (рубиновый, неодимовый) и газовые
электроразрядные, химические и газодинамические лазеры. Лазер на свободных
электронах. Рентгеновские лазеры.
III.
Нелинейная и квантовая оптика.
1. Уравнения Максвелла в нелинейной среде. Линейная и нелинейная поляризация
среды. Приближение медленно меняющихся амплитуд.
2. Генерация оптических гармоник в среде с квадратичной нелинейностью. Условие
фазового синхронизма. Генерация второй гармоники в одноосных кристаллах.
3. Спонтанное и вынужденное комбинационное рассеяние.
4. Когерентное антистоксово рассеяние света.
5. Самофокусировка электромагнитного излучения в нелинейной среде.
6. Квантовое электромагнитное поле. Стационарные (фоковские), когерентные и
«сжатые» состояния. Классическое электромагнитное поле в квантовой теории.
7. Взаимодействие атомной системы с квантовым электромагнитным полем. Спонтанные
распады и Лэмбовский сдвиг. Естественная ширина линии.
1.
2.
3.
4.
5.
Литература
С.А.Ахманов, С.Ю.Никитин, «Физическая оптика», М.: МГУ, 1998
О.Звелто, «Физика лазеров», М.: Мир, 1979
Н.В.Карлов, «Лекции по квантовой электронике», М.: Наука, 1983
Н.Б.Делоне, «Взаимодействие лазерного излучения с веществом», М.: Наука, 1989
Д.Н.Клышко «Физические основы квантовой электроники», М.: Наука, 1986
ЗАДАЧИ
по курсу “Радиофизика и электроника”
1. Электрон находится в бесконечно глубокой прямоугольной потенциальной яме в
основном состоянии. Определить (в первом порядке теории возмущений) вероятность
перехода за импульс в первое возбужденное состояние под действием лазерного
 t2 
импульса гауссовой формы E  E0 exp   2  cos( 0 t ) . Считать, что 0  1 ,
 2 
 0   21 .
2. Определить естественную ширину L линии в водородоподобном ионе с зарядом Z.
Полученную величину сравнить с величиной тонкого расщепления.
3. Электрон находится в гармоническом потенциале с частотой  . Определить
поляризуемость системы. Сравнить результаты квантового и классического решения
задачи.
mx 2
4. Электрон находится в ангармоническом потенциале V ( x)  m 2 x 2 2  (1  
),

  1 . Определить средний по квантовому состоянию дипольный момент системы в
электромагнитном поле с частотой 0   2 . Полученный результат сравнить с
классическим решением задачи.
5. Через кювету с парами натрия, нагретыми до температуры T  1000 К,
распространяется излучение с частотой, совпадающей с частотой резонансной линии
( 3s  3 p ). Определить сечение фотопоглощения и интенсивность насыщения.
Давление паров равно атмосферному.
6. Записать систему скоростных уравнений для лазера с трехуровневой схемой накачки.
Определить пороговую величину инверсной населенности и пороговую мощность
накачки.
7. Определить внутрирезонаторную интенсивность излучения Nd:YAG лазера,
работающего в непрерывном режиме, в зависимости от мощности накачки и
пороговую мощность накачки в случае 1-R=0.01, L = 2.5 см. Сечение фотопоглощения
излучения   8.8  10 19 см2, концентрация ионов Nd N  6  10 19 см-3, время
релаксации инверсной населенности   2.3  10 4 с.
8. На среду с квадратичной нелинейностью падает волна накачки с частотой 0 и
интенсивностью I 0 и пробная волна с частотой    0 / 2 . В рамках приближения
медленно меняющихся амплитуд записать уравнение, описывающее раскачку в среде
волны с частотой    0 / 2 (вынужденное параметрическое рассеяние).
9. Оценить величину порога возникновения вынужденного комбинационного рассеяния в
газе.
10. Оценить порог возникновения эффекта самофокусировки излучения в газе, атомы
которого
являются
ангармоническими
осцилляторами
2
 mx 2 
 ) . Полученный результат сравнить со случаем среды с
V ( x)  m x 2  (1   
  
кубической нелинейностью.
2
2