Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Национальный исследовательский Томский политехнический университет» УТВЕРЖДАЮ Проректор-директор ИФВТ _______________________ «___» ____________201_ г. РАБОЧАЯ ПРОГРАММА ДИСЦИПЛИНЫ ОСНОВЫ КВАНТОВОЙ ЭЛЕКТРОНИКИ НАПРАВЛЕНИЕ ООП 200400 ОПТОТЕХНИКА КВАЛИФИКАЦИЯ (СТЕПЕНЬ) БАКАЛАВР БАЗОВЫЙ УЧЕБНЫЙ ПЛАН ПРИЕМА 2011 г. КУРС_III_СЕМЕСТР_VI__ КОЛИЧЕСТВО КРЕДИТОВ_6_ ПРЕРЕКВИЗИТЫ: «Физика», «Электротехника» «Основы оптики». КОРЕКВИЗИТЫ: «Лазерная техника», «Лазерная технология и оборудование». ВИДЫ УЧЕБНОЙ ДЕЯТЕЛЬНОСТИ И ВРЕМЕННОЙ РЕСУРС: Лекции Лабораторные занятия Практические занятия АУДИТОРНЫЕ ЗАНЯТИЯ САМОСТОЯТЕЛЬНАЯ РАБОТА ИТОГО ____64_____ ____18_____ ____18_____ ____100_____ ____44_____ ____144____ Часа(ауд.) Часов(ауд.) Часов(ауд.) Часов Часов Часов ФОРМА ОБУЧЕНИЯ ОЧНАЯ ВИД ПРОМЕЖУТОЧНОЙ АТТЕСТАЦИИ ЭКЗАМЕН ОБЕСПЕЧИВАЮЩЕЕ ПОДРАЗДЕЛЕНИЕ кафедра Лазерной и световой техники Институт физики высоких технологий ЗАВЕДУЮЩИЙ КАФЕДРОЙ: РУКОВОДИТЕЛЬ ООП: ПРЕПОДАВАТЕЛЬ: д.ф.-м.н., профессор В.М. Лисицын к. ф.-м.н, доцент С.С. Вильчинская к. ф.-м.н., доцент И.Ю. Зыков 2011 г. Предисловие 1 Рабочая программа составлена на основе ГОС по направлению (специальности) ОПТОТЕХНИКА, утвержденного 2 марта 2000 г. Регистрационный № 8-тех/бак ( обозначение или наименование другого документа университетского уровня по направлению, специальности, специализации) РАССМОТРЕНА и ОДОБРЕНА на заседании обеспечивающей кафедры__Лазерной и световой техники (наименование кафедры) _____________ протокол № __. (дата) 2 Разработчик(и) доцент_________ _ЛИСТ__ ___________ (должность) (кафедра) И.Ю.Зыков (подпись) (И.О.Фамилия) 3. Зав. обеспечивающей кафедрой ЛИСТ__ ________ В.М. Лисицын (подпись) (И.О.Фамилия) 4 Рабочая программа СОГЛАСОВАНА с факультетом, выпускающими кафедрами специальности; СООТВЕТСТВУЕТ действующему плану. Зав. выпускающей кафедрой ЛИСТ__ _________ (подпись) В.М. Лисицын (И.О.Фамилия) Аннотация ОСНОВЫ КВАНТОВОЙ ЭЛЕКТРОНИКИ 551900(б) каф. ЛИСТ, ИФВТ Доцент, к.ф.-м.н. Зыков Илья Юрьевич Тел. 89138444849 Цель: дать обучающимся базовые знания о работе оптических квантовых генераторов. Содержание: физические принципы работы лазеров, характеристики лазерного излучения и способы управления параметрами луча, принцип действия наиболее важных газовых, жидкостных и твердотельных лазеров. Курс 3 (5 сем. – курс. работа, диф. зачет, экзамен). Всего 144 ч, в т.ч. Лк.- 54 ч, Лб.- 18 ч., Пр.- 18 ч., 1. Цели и задачи учебной дисциплины. 1.1. Цели преподавания дисциплины: дать студентам базовые знания о работе оптических квантовых генераторов (ОКГ). 1.2. Задачи изложения и изучения дисциплины: Усвоение основных физических идей квантовой электроники и ее терминов. Изучение основных физических принципов работы лазеров. Изучение характеристик лазерного излучения. Изучение способов управления параметрами лазерных пучков. Изучение принципа работы наиболее важных лазеров. Научиться измерять энергию, мощность лазерного излучения, расходимость лазерного пучка. После окончания изучения дисциплины обучающийся должен знать: основные физические идеи квантовой электроники; основные физические принципы работы лазеров; характеристики лазерного излучения; способы управления параметрами лазерных пучков; принцип работы наиболее важных лазеров; должен уметь: измерять характеристики лазерного излучения; применять лазеры в экспериментальной работе и на производстве; Полученные в результате изучения дисциплины знания и умения необходимы при изучении последующих дисциплин учебного плана. Достижение обозначенных задач предполагается путем следующих мероприятий. Содержание дисциплины излагается на лекциях, усвоение теоретического материала обеспечивается проведением практических занятий, навыки практической работы с оборудованием развиваются при выполнении лабораторных работ. Закрепление изученного материала осуществляется студентами самостоятельно путем изучения материала по конспектам лекций, рекомендованной литературе, выполнением курсовых работ. Дисциплина построена по модульному принципу. Каждый модуль является автономной частью дисциплины и содержит элементы теоретического, практического обучения, самостоятельную работу по изучения дисциплины. Трудоемкость освоения каждого модуля оценивается в кредитах. Один кредит эквивалентен 36 часам работы по освоению радела дисциплины, включающей лекционную, практическую (семинарскую), лабораторную и самостоятельную работу. Общая трудоемкость дисциплины составляет 4 кредита. Дисциплина состоит из 3 модулей: № 1 Наименование модуля Трудоемко Виды занятий и их трудоемкость в часах сть модуля Практичес Лаборатор Самостоя в кредитах Лекции кие ные тельная занятия занятия работа Физика работы 2 26 10 12 активной среды и Введение резонатора Раздел 1 2 Режимы работы 1 лазера и способы их реализации. 12 Разделы: 2,3,4 6 3 Типы лазеров 2 16 Раздел 5 2 18 Раздел 5 36 Курсовая работа Раздел 5 4 54 18 18 54 Ито го 6 2. Содержание теоретического раздела дисциплины. Введение (2 часа ). Цели и задачи курса. Основные понятия квантовой электроники. 1. Основные принципы работы лазеров (24 часа). 1.1. Активная среда. Атомные процессы, ответственные за работу лазера. Спонтанное, вынужденное излучение и поглощение. Коэффициенты Эйнштейна. Взаимосвязь между коэффициентами Эйнштейна. Релаксационные процессы. Ширина и форма спектральных линий. Лоренцева форма линии. Однородное и неоднородное уширение. Гауссова форма линии при доплеровском уширении. (10 часов) 1.2.Квантовое усиление. Создание инверсной населенности. Отрицательная температура. Методы осуществления инверсии населенностей. Метод оптической накачки. Трех- и четырех- уровневые квантовые системы. Создание инверсии населенностей в полупроводниках. (6 часов) 1.3. Оптическая обратная связь: лазерный резонатор. Превращение усилителя в генератор. Открытый резонатор, его добротность, моды. Формирование пучка в резонаторе. Классификация оптических резонаторов. Условие устойчивости. Конфокальный резонатор. Моды активного резонатора. (8 часов) 2. Характеристики лазерного излучения (6 часов). Монохроматичность, когерентность, яркость и направленность лазерного излучения. 3. Режимы работы лазеров (4 часов). Непрерывный режим. Импульсный режим. Режим свободной генерации. Режим модулированной добротности. Режим синхронизации мод. 4. Управление характеристиками лазерного излучения. Селекция поперечных и продольных мод (2 часа). 5. Типы лазеров (16 часов). Атомарные газовые лазеры. Основные методы возбуждения. Гелий-неоновый лазер. Лазер на парах меди. Ионные газовые лазеры. Аргоновый лазер. Гелий-кадмиевый лазер. Молекулярные газовые лазеры. CО2 –лазеры. Механизм инверсии. Роль азота и гелия. Газодинамический лазер. Азотный лазер. Принцип Франка-Кондона. СО-лазер. Водородный лазер. Эксимерные и химические лазеры. Твердотельные лазеры. Рубиновый и неодимовый лазер. Волоконные лазеры. Лазеры на красителях. Лазеры на центрах окраски. Полупроводниковые лазеры. Лазеры на свободных электронах. Рентгеновские лазеры. 3. Содержание практического раздела дисциплины. 3.1. Цели и темы практических занятий по дисциплине Целью проведения практических занятий является: Изучение основных принципов квантовой электроники и ее терминов. Изучение основных физических принципов работы лазеров. Изучение характеристик лазерного излучения. Занятия проводятся в форме решения задач, ответов на вопросы по изученному материалу, обсуждения отдельных вопросов. Студентам выдаются перечни вопросов для самоконтроля и контроля. На практических же занятиях проводятся контрольные работы, результаты которых являются основанием для рейтинговой оценки. Темы практических занятий по дисциплине. 1. Квантовая природа света 2 ч. 2. Коэффициенты Эйнштейна 2 ч. 3. Лазерный резонатор 4 ч. 4. Свойства лазерного излучения 4 ч. 5. Контрольные работы по разделам курса - 6 ч. 3.2.Цели выполнения и перечень лабораторных работ по дисциплине Лабораторные занятия направлены на выработку у студентов навыков постановки и проведения научных исследований, на углубление и более прочное закрепление теоретических сведений, излагаемых на лекциях, знакомство с работой и конструкцией лазеров. В результате прохождения лабораторного практикума студенты приобретают навыки и умение работать с лазерами и измерительной аппаратурой. Контроль работы студентов включает в себя предварительный опрос перед выполнением очередной работы, контроль правильности проведения измерений и полученных результатов. Итоги выполнения работ оформляются студентами в виде отчетов, защищаемых перед получением допуска к следующему занятию. При подготовке к лабораторным работам студенты используют конспекты лекций и методические указания, содержащие теоретический материал в достаточно полном объеме. Методические указания к лабораторным работам имеются в электронном виде в дисплейном классе. Лабораторные работы выполняются в специализированной лаборатории кафедры лазерной и световой техники. Перечень лабораторных работ по дисциплине (18 часов) Тема 1. Обучение правилам ТБ, навыкам работы (2 часа) Тема 2. Исследование гелий-неонового лазера. (4 часа) Тема 3. Исследование азотного лазера. (4 часа) Тема 4. Исследование неодимового лазера. (4 часа) Тема 5. Генерация второй гармоники света. (4 часа) Примечание: Оборудование, используемое при проведении лабораторных работ: оптическая скамья, юстировочные столики, лазеры, калориметры, измерительная техника. 3.3. Курсовая работа по теме " Современные аспекты развития лазеров". Целью курсовой работы является формирование у студентов представлений о современных тенденциях и направлениях развития лазерной техники. В процессе подготовки курсовой работы студенты знакомятся с имеющимися в периодической печати разработками в области лазерной техники. Темы курсовых работ. He-Ne-лазер. Лазер на парах меди. CO2 -лазер. Газодинамический лазер. Химический лазер. Рубиновый лазер. Неодимовый лазер. Волоконный лазер. Лазер на красителях. Лазер на центрах окраски. Полупроводниковый лазер. Лазер на свободных электронах. 4.Программа самостоятельной познавательной деятельности по дисциплине Внеаудиторная работа студентов по дисциплине заключается в: - самостоятельном изучении материала теоретических занятий; - написании курсовой работы; - подготовке к лабораторным занятиям; - подготовке к практическим занятиям; - подготовке к контрольным работам; Для закрепления теоретического материала, выполнения отчетов по лабораторным работам по дисциплине во внеучебное время студентам предоставляется возможность пользования библиотекой ТПУ, библиотеками лабораторий кафедры, возможностями дисплейного класса кафедры. Студенты имеют возможность получить консультации по вопросам дисциплины у ведущего лектора. Текущий и итоговый контроль результатов изучения дисциплины По дисциплине имеется экзамен и диф. зачет в 5 семестре. К диф. зачету допускаются студенты, выполнившие все лабораторные работы и сдавшие курсовую работу. К экзамену допускаются студенты, выполнившие все лабораторные работы, сдавшие контрольные работы и рефераты. Текущий контроль производится путем проведения трех коллоквиумов и контрольной работы. Контрольная работа представляет собою перечень задач по курсу. По результатам контрольной работы и колоквиумов студент получает балл в соответствии с принятой рейтинговой оценкой текущей успеваемости студентов. По дисциплине проводится три теоретических коллоквиума и контрольная работа, результаты которых являются основанием для установления рейтинга.. Текущий индивидуальный рейтинг студента к любому моменту времени подсчитывается как сумма баллов, полученных студентом за контрольные работы к этому времени. Максимальное количество баллов, которые может набрать студент за одну контрольную работу или колоквиум составляет 200 баллов. Студент, набравший не менее 450 балла и выполнивший все лабораторные работы допускается к экзамену. По результатам сдачи экзамена студент может получить дополнительно к рейтингу до 200 баллов. Учебно-методическое обеспечение дисциплины. Рекомендуемая литература по курсу. Основная. 1. Дьяков А.Д. Введение в квантовую электронику. М.: Наука, 1971.- 260 с. 2. Пихтин А.Н. Оптическая и квантовая электроника. М.:Высш. Шк., 2001.- 573 с. Дополнительная. 3. О'Шиа Д., Коллен Р., Роде У. Лазерная техника. М.: Атомиздат, 1980. 255 с. 4. .Карлов Н.В. Лекции по квантовой электронике. М.: Наука, 1988.- 335 с. 5. Дудкин В.И. Основы квантовой электроники: Уч. пособие/СПб: Изд-во СПбГТУ, 1999.- 307 с. 6. Смирнов А.Г. Квантовая электроника и оптотехника.-Мн.: Выш. Шк., 1987. – 195 с. Квантовая электроника. Маленькая энциклопедия. Отв. Ред. М.Е. Жаботинский. М.: "Сов. Энциклопедия", 1969.-432с. 8. Бирнбаум Д. Оптические квантовые генераторы. М.: Советское радио, 1967. 359 с. 9. Горбатенко Б.Б., Дмитриева Е.И., Сальников А.Н. Основы квантовой электроники: Уч. пособие/ Саратов: Изд-во Саратовского ГТУ, 2001.- 108 с. 7. Рабочая программа составлена доцентом кафедры ЛИСТ Зыковым И.Ю. Перечень вопросов для контроля. Вопрос к первому коллоквиуму. 1. Переходы квантовой системы при поглощении, индуцированном и спонтанном излучении. 2. Причины и вероятность спонтанных переходов. 3. Вынужденные квантовые переходы. 4. Ширина спектральной линии. 5. Естественное уширение. 6. Доплеровское уширение. 7. Столкновительный, Зеемановский и Штарковский механизмы уширения. 8. Однородное и неоднородное уширение. 9. Взаимодействие излучения с двухуровневой системой 10. Методы накачки активных сред. 11. Двухуровневая квантовая система усиления. 12. 3-х и 4-х уровневые системы. 13. Особенности практической реализации схем накачки. 14. Назначение и основные характеристики резонатора. 15. СВЧ-резонаторы. 16. Открытый резонатор. 17. Моды резонатора (поперечные). 18. Спектр активного резонатора, конкуренция мод. 19. Устойчивые и неустойчивые резонаторы. 20. Дисперсионные и кольцевые резонаторы. 21. Требования, предъявляем к практическим конструкциям резонатора. Вопросы ко второму колоквиуму 1. Режимы работы лазера. 2. Инверсная населенность и условие самовозбуждения. 3. Усиление в активной среде (стадии усиления). 4. Режим свободной генерации (регулярные и хаотические пички). 5. Пичковый и стационарный режим работы лазера. 6. Режим модулированной добротности резонатора. 7. Реализация режима модулированной добротности, оптико-механические затворы. 8. Полуволновый и четвертьволновый затвор на основе эффекта Керра. 9. Полуволновый и четвертьволновый затвор на основе эффекта Поккельса. 10. Фототропные затворы. 11. Режим синхронизации мод. 12. Оптические схемы лазеров для получения наносекундных импульсов. 13. Оптические схемы лазеров для получения пикосекундных импульсов. 14. Оптические квантовые усилители, насыщение усиления. 15. Предотвращение возбуждения усилительных каскадов. 16. Характеристики лазерного излучения, энергетические характеристики. 17. Временные и спектральные характеристики лазерного излучения. 18. Геометрические и смежные характеристики лазерного излучения. 19. Свойства (особенности лазерного излучения). 20. КПД лазера. 21. Классификация лазеров. Вопросы к третьему коллоквиуму. 1. Классификация лазеров 2. Активные среды твердотельных лазеров, основные требования, легирующие элементы (активаторы). 3. Взаимодействие ионов активатора и внутрикристаллических полей. 4. Основные требования, предъявляемые к матрицам активных сред твердотельных лазеров. 5. Рубиновый лазер. 6. Неодимовые лазеры. 7. Устройство излучателя твердотельного лазера. 8. Жидкостные лазеры на растворах красителей. 9. Схема лазера на красителе, особенности растворов красителей как активных сред. 10. Особенности п/п лазеров, типы, лазеры с накачкой электронным пучком. 11. Инжекционные лазеры. 12. Газовые лазеры, их особенности и классификация. 13. Накачка газовых лазеров, виды газового разряда. 14. Механизмы возбуждения частиц в газе. 15. Гелий-неоновый лазер. 16. Лазер на парах меди. 17. Ионные лазеры (на примере аргонового). 18. Энергетические уровни и конфигурация колебаний молекулы СО2. 19. Отпаянные газоразрядные СО2 лазеры, лазеры с медленной прокачкой. 20. Газодинамические лазеры. 21. Эксимерные лазеры. Контрольная работа. Вариант 1. 1. Лазер излучает на частоте 2,83*1013 Гц. Определить длину волны излучения, период колебаний, энергию кванта в Джоулях и электрон-вольтах. Указать тип лазера. 2. На фотоэлемент попадает лазерный импульс. Зная, что импульсная мощность лазера составляет 10 МВт, длительность импульса составляет 10 нс, а длина волны – 1.06 мкм, определить напряжение на идеальном конденсаторе емкостью 10 мкф, включенном последовательно с фотоэлементом, если квантовый выход фотокатода составляет 10-4. 3. Лазерная установка состоит из задающего лазера с модуляцией добротности резонатора вращающейся призмой и трех каскадов усиления с активными элементами длиной по 100 мм с коэффициентом усиления среды 0.15 см-1. Определить ток через вакуумный фотоэлемент, на который попадает 0.01 энергии лазерного импульса при квантовом выходе фотокатода 10-5 и длине волны 1.06 мкм, если призма вращается с частотой 30000 об/мин, а конструкция резонатора допускает генерацию при разъюстировке 10 угловых минут. Энергия импульса задающего лазера - 400 мкДж 4. Лазерная установка состоит из задающего лазера с модуляцией добротности резонатора электрооптическим затвором и трех каскадов усиления с активными элементами длиной по 120 мм с коэффициентом усиления среды 0.11 см-1. Определить максимально допустимую электрическую емкость модулятора электрооптического затвора, если сопротивление управляющей цепи составляет 50 ом, а ток через вакуумный фотоэлемент, на который попадает 0.01 энергии лазерного импульса при квантовом выходе фотокатода 10-2 и длине волны 1.06 мкм оставляет 400 А. Энергия импульса задающего лазера составляет 1 мДж. 5. Эксимерный лазер накапливается электронным пучком с энергией электрона 400 Кэв. Определить плотность мощности в пучке размером 30*200 мм, если емкость накопителя составляет 0.1 нФ, а эквивалентное электрическое сопротивление цепи - 0,01 ом. Вариант 2. 1. Лазер излучает колебания с периодом 2.1*10 -15 С. Определить длину волны излучения, частоту колебаний, энергию кванта в Джоулях и электрон-вольтах. Указать тип лазера. 2. На фотоэлемент попадает лазерный импульс. Зная, что энергия импульса составляет 1 Дж, длительность импульса составляет 100 нс, а длина волны – 1.06 мкм, определить напряжение на нагрузке 50 ом, если квантовый выход фотокатода составляет 105 . 3. Лазерная установка состоит из задающего лазера с модуляцией добротности резонатора вращающейся призмой и трех каскадов усиления с активными элементами длиной по 100 мм с коэффициентом усиления среды 0.15 см-1. Определить ток через вакуумный фотоэлемент, на который попадает 0.01 энергии лазерного импульса при квантовом выходе фотокатода 10-5 и длине волны 1.06 мкм, если призма вращается с частотой 30000 об/мин, а конструкция резонатора допускает генерацию при разъюстировке 10 угловых минут. Энергия импульса задающего лазера - 400 мкДж 4. Лазерная установка состоит из задающего лазера с модуляцией добротности резонатора электрооптическим затвором и трех каскадов усиления с активными элементами длиной по 120 мм с коэффициентом усиления среды 0.11 см-1. Определить максимально допустимую электрическую емкость модулятора электрооптического затвора, если сопротивление управляющей цепи составляет 50 ом, а ток через вакуумный фотоэлемент, на который попадает 0.01 энергии лазерного импульса при квантовом выходе фотокатода 10-2 и длине волны 1.06 мкм оставляет 400 А. Энергия импульса задающего лазера составляет 1 мДж. 5. Эксимерный лазер накапливается электронным пучком с энергией электрона 400 Кэв. Определить плотность мощности в пучке размером 30*200 мм, если емкость накопителя составляет 0.1 нФ, а эквивалентное электрическое сопротивление цепи - 0,01 ом. Вариант 3. 1. Лазер излучает кванты с энергией 1.864*10 -19 Дж. Определить длину волны излучения, период и частоту колебаний, энергию кванта в электрон-вольтах. Указать тип лазера. 2. На фотоэлемент попадает лазерный импульс. Зная, что энергия импульса составляет 1 Дж, определить длительность импульса, если длина волны – 1.06 мкм, а напряжение на нагрузке 50 ом, - 50 в при квантовом выходе фотокатода 10-5. 3. Лазерная установка состоит из задающего лазера с модуляцией добротности резонатора вращающейся призмой и трех каскадов усиления с активными элементами длиной по 100 мм с коэффициентом усиления среды 0.15 см-1. Определить ток через вакуумный фотоэлемент, на который попадает 0.01 энергии лазерного импульса при квантовом выходе фотокатода 10-5 и длине волны 1.06 мкм, если призма вращается с частотой 30000 об/мин, а конструкция резонатора допускает генерацию при разъюстировке 10 угловых минут. Энергия импульса задающего лазера - 400 мкДж 4. Лазерная установка состоит из задающего лазера с модуляцией добротности резонатора электрооптическим затвором и трех каскадов усиления с активными элементами длиной по 120 мм с коэффициентом усиления среды 0.11 см-1. Определить максимально допустимую электрическую емкость модулятора электрооптического затвора, если сопротивление управляющей цепи составляет 50 ом, а ток через вакуумный фотоэлемент, на который попадает 0.01 энергии лазерного импульса при квантовом выходе фотокатода 10-2 и длине волны 1.06 мкм оставляет 400 А. Энергия импульса задающего лазера составляет 1 мДж. 5. Эксимерный лазер накапливается электронным пучком с энергией электрона 400 Кэв. Определить плотность мощности в пучке размером 30*200 мм, если емкость накопителя составляет 0.1 нФ, а эквивалентное электрическое сопротивление цепи - 0,01 ом. Рейтинг-лист по дисциплине «Основы квантовой электроники» Знания студентов по итогам семестра оцениваются по четырехбальной системе: отлично 85-100 баллов хорошо 70-84 баллов удовлетворительно 55-70 баллов неудовлетворительно 55 баллов В течении семестра по результатам текущего контроля студент может получить до 88 баллов. . В течении семестра студенты выполняют 3 контрольные работы. Максимальная оценка одной контрольной работы - 20 баллов. № 1 2 3 Наименование модуля Основные принципы работы лазеров Характеристики лазерного излучения Типы лазеров Баллы 30 30 20 Время проведения 6 неделя 12 неделя 18 неделя