ПРОГРАММА-МИНИМУМ
кандидатского экзамена
по специальности
05.27.03 "Квантовая электроника"
по физико-математическим
и техническим наукам
Введение
В основу настоящей программы положены следующие дисциплины: электродинамика; квантовая механика; физическая оптика; физика твердого тела; физика полупроводников и диэлектриков; квантовая электроника; оптоэлектроника; лазерная техника.
Программа разработана экспертным советом Высшей аттестационной комиссии Министерства образования Российской Федерации по электронике, измерительной технике, радиотехнике и связи при участии Федерального государственного предприятия НИИ "Полюс" им. М.Ф. Стельмаха и Московского физико-технического института (государственного университета).
1. Предмет квантовой электроники
Предмет и краткая история развития квантовой электроники. Вклад отечественных ученых в разработку фундаментальных основ и принципов устройств квантовой электроники. Влияние квантовой электроники на развитие науки, техники и технологии.
2. Физические основы квантовой электроники
Оптические и безызлучательные переходы в квантовых системах. Спонтанное и вынужденное излучения. Энергетические состояния и квантовые переходы в атомных системах: атомные, молекулярные и ионные газы, ионы, центры окраски и красители в диэлектрических средах, оптические переходы в полупроводниках. Ширина и форма спектральных линий. Механизмы однородного и неоднородного уширения линий в газах и твердых телах, времена поперечной и продольной релаксаций. Инверсия населенностей энергетических состояний. Коэффициент усиления лазерной среды. Принципы создания инверсной населенности. Насыщение, поглощение и усиление света. Искажения контуров спектральных линий, эффект "выжигания дыр" в неоднородно уширенных линиях.
3. Квантовые усилители и генераторы (мазеры, лазеры)
- Мазер на пучке молекул аммиака. Квантовый парамагнитный усилитель СВЧ.
- Газовые лазеры: газоразрядные (атомные, ионные, молекулярные, на парах металлов), фотодиссоционные, химические, газодинамические, электроионизационные, эксимерные. Особенности кольцевых газовых лазеров.
- Лазеры на твердых активных средах - стеклах, кристаллах, активированных волоконных материалах. Лазеры на кристаллах семейства гранатов с неодимом.
- Полупроводниковые инжекционные лазеры, лазеры на гетероструктурах, лазеры на квантово-размерных структурах.
- Лазерные усилители (бегущей волны, многопроходовые).
- Преобразователи частоты излучения и перестраиваемые лазеры: генераторы оптических гармоник, суммарных и разностных частот; лазеры на растворах органических соединений (красителей); комбинационные преобразователи и лазеры (на ВКР); параметрические усилители и генераторы света; перестраиваемые полупроводниковые лазеры; лазеры на F-центрах. Лазеры на свободных электронах.
4. Резонаторы
Объемные резонаторы СВЧ. Оптические резонаторы; основные типы открытых резонаторов: плоскопараллельные, конфокальные, устойчивые, неустойчивые, кольцевые. Типы колебаний, собственные частоты, добротность оптических резонаторов. Методы селекций продольных и поперечных типов колебаний. Пространственные и угловые характеристики излучения лазеров.
5. Динамика излучения лазеров
Активные среды с однородно-уширенной линией, кинетические уравнения, уравнения переноса. Анализ кинетики одномодового генератора. Взаимодействие различных типов колебаний. Роль насыщения и неоднородности накачки. Конкуренция мод, многомодовый режим. Пички в лазерах. Динамика полупроводниковых лазеров и газовых лазеров с допплеровской линией. Шумы излучения. Методы стабилизации интенсивности и частоты излучения лазеров.
6. Генерация коротких и сверхкоротких импульсов и методы управления параметрами излучения лазеров
Модуляция добротности. Время нарастания и длительность импульса генерации. Электрооптические, магнитооптические, оптико-механические, акустооптические и другие модуляторы добротности. Просветляющиеся фильтры. Генерация серии импульсов. Метод синхронизации мод, полоса синхронизации и параметры импульсов. Управление параметрами импульсов, схемы модуляции добротности. Методы генерации сверхкоротких (фемтосекундных) импульсов света.
7. Основные нелинейные эффекты в различных средах и их применение
Преобразование частоты лазерного излучения, генерация гармоник и комбинационных частот, параметрическое усиление и параметрическая генерация света. Вынужденные рассеяния: Мандельштама-Бриллюена (ВРМБ), комбинационное (рамановское, ВКР), Рэлеевское. Самофокусировка. Оптический пробой в газах и твердых телах. Оптическая прочность (поверхностная и объемная) элементов лазера. Обращение волнового фронта методами нелинейной оптики. Активная спектроскопия комбинационного рассеяния.
8. Основные лазерные параметры и методы их измерения
Мощность (непрерывная, импульсная, средняя) лазерного излучения, энергия импульса излучения. Распределение излучения в ближней и дальней зонах, угловая расходимость. Когерентность (пространственная, временная). Поляризация, спектр мод резонатора (продольные и поперечные моды). Стабильность (кратковременная и долговременная, амплитудная и частотная). Шумы излучения, параметры модуляции лазеров. Методы измерения перечисленных параметров лазерного излучения.
9. Устройства для управления параметрами лазерного излучения
Лазерные затворы. Дефлекторы и модуляторы лазерного излучения. Ячейки Керра, Поккельса, Фарадея, акустооптические. Принцип работы, методы расчета, синхронизация внешним сигналом. Пространственно-временные модуляторы света. Адаптивные зеркала. Оптические, в т.ч. управляемые фильтры.
10. Источники накачки и питания лазеров различных типов
Источники питания твердотельных лазеров. Импульсные и непрерывные лампы накачки (типы, предельные и типовые мощности, методы поджига); разрядники (вакуумные, высокого давления, воздушные); методы управления и синхронизации. Источники питания газоразрядных лазеров. Методы предионизации. Электроионизационный метод (принцип, требования к электронному пучку, системе питания). Электроразрядные сильноточные источники накачки (принцип работы, условия применяемости). ВЧ-накачка газовых лазеров. Особенности источников питания инжекционных полупроводниковых лазеров. Накачка твердотельных лазеров световыми и лазерными полупроводниковыми диодами.
11. Основы технологии лазерных материалов
Методы получения и обработки активных лазерных стекол и кристаллов. Методы выращивания и обработки нелинейно-оптических, электрооптических и акустооптических кристаллов. Технологические принципы создания сложных полупроводниковых и оптических структур (методы вакуумного напыления, эпитаксии, ионной имплантации и др.). Методы очистки газовых активных сред.
12. Принципы конструкции лазеров
Выбор оптической схемы, типа резонатора, оптических развязок, материалов (пропускание, однородность, оптическая плотность, точность обработки), элементов управления. Выбор источников накачки и параметров системы питания. Обеспечение вибро- и удароустойчивости. Конструктивные принципы стабилизации основных параметров и обеспечения работы лазера в широком диапазоне температур. Системы теплоотвода и охлаждения активных элементов.
13. Основные применения приборов квантовой электроники в науке и технике
Оптические методы записи, воспроизведения, хранения и обработки информации. Оптическая, в т.ч. волоконная, связь. Оптическая локация и лазерная дальнометрия. Лазерная технология и обработка материалов. Дистанционное зондирование окружающей среды. Лазерная медицина. Голография, интерферометрия. Спектроскопия. Лазерная гироскопия. Стандарты частоты. Управляемый лазерный термоядерный синтез. Лазерная химия. Метрология, измерительная техника.
Основная литература
- Ландау Л.Д., Лифшиц Е.М. Электродинамика сплошных сред. М.: Наука, 1982.
- Звелто О. Принципы лазеров. М.: Мир, 1990.
- Тарасов Л.В. Физика процессов в генераторах когерентного оптического излучения. М.: Радио и связь, 1981.
- Карлов Н.В. Лекции по квантовой электронике. М.: Наука, Глав. ред. физ.-мат. лит., 1988.
- Зверев Г.М., Голяев Ю.Д. Лазеры на кристаллах и их применение. М.: Радио и связь, 1994.
- Коротеев Н.И., Шумай И.Л. Физика мощного лазерного излучения. М.: Наука, 1991.
- Елисеев П.Г. Введение в физику инжекционных лазеров. М.: Наука, 1983.
- Херман Й., Вильгельм Б. Лазеры сверхкоротких световых импульсов. М.: Мир, 1986.
- Ананьев Ю.А. Оптические резонаторы и лазерные пучки. М.: Наука, 1990.
- Шен И.Р. Принципы нелинейной оптики. М.: Наука, 1989.
- Измерение энергетических параметров и характеристик лазерного излучения / Под ред. А.Ф. Котюка. М.: Радио и связь, 1981.
- Магдич Л.Н., Молчанов В.Д. Акустооптические устройства и их применение. М.: Советское радио, 1978.
- Дмитриев В.Г., Тарасов Л.В. Прикладная нелинейная оптика. М.: Радио и связь, 1982.
- Пихтин А.Н. Оптическая и квантовая электроника. Учебник. М.: Высш. шк., 2001.
Дополнительная литература
- Методы расчета оптических квантовых генераторов / Под ред. акад. Б.И. Степанова. В 2 т. Минск: Наука и Техника, 1968.
- Лоундон Р. Квантовая теория света. М.: Мир. 1976.
- Сигмен А. Мазеры. М.: Мир. 1966.
- Ярив А. Введение в оптическую электронику. М.: Высш. шк., 1983.
- Физика полупроводниковых лазеров / Под ред. Х. Тукумы. М.: Мир, 1989.
- Применение лазеров / Под ред. В.П. Тычинского. М.: Мир, 1977.
- Справочник по лазерам. В 2 т. / Под ред. А.М. Прохорова. М.: Сов. радио, 1978.
- Гурзадян Г.Г., Дмитриев В.Г., Никогосян Д.Н. Нелинейные оптические кристаллы: Справочник. М.: Радио и связь, 1991.
