Лазерная физика

Бакалавриат 2020/2021

Статус: Курс по выбору (Физика)

Направление: 03.03.02. Физика

Кто читает: Базовая кафедра квантовой оптики и нанофотоники Института спектроскопии РАН

Где читается: Факультет физики

Когда читается: 4-й курс, 1, 2 модуль

Формат изучения: без онлайн-курса

Преподаватели: Гладуш Максим Геннадьевич

Язык: русский

Кредиты: 6

Контактные часы: 48

Полная версия программы учебной дисциплины

Аннотация

Курс знакомит студентов с физическими законами, имеющими отношение к генерации лазерного излучения, и обеспечивает возможность обрести математическую базу, необходимую для их описания. Курс является междисциплинарным и обеспечивает развитие знаний по оптике, квантовой механике и теории твердого тела, навыков решения интегральных и дифференциальных уравнений, знания некоторых специальных функций и владения матричным исчислением. Итогом курса становится формирование эрудиции в вопросах выбора источников излучения для дальнейших исследований и технических разработок и значительный шаг к глубокому пониманию вопросов взаимодействия излучения с веществом.

Цель освоения дисциплины

Знать фундаментальные понятия, законы, принципы и методы, применяемые в современных экспериментах с использованием лазерных источников.
Знать основные результаты открытий и исследований, определивших пути развития лазеров.
Знать принципиальные особенности различных лазерных источников.

Планируемые результаты обучения

Уметь пользоваться своими знаниями для решения фундаментальных и практических задач и постановки экспериментов.
Уметь получать наилучшие значения измеряемых величин и правильно оценивать степень их достоверности.
Уметь обрабатывать результаты эксперимента и сопоставлять их с теоретическими данными

Содержание учебной дисциплины

Физические основы лазеров
Инверсия населённости. Вынужденное поглощение и испускание. Обратная связь. Механизмы релаксации. Схемы создания инверсной населенности
Взаимодействие атома с излучением
Когерентная динамика двухуровневого атома. Амплитуды вероятности и волновая функция. Вероятность возбуждения. Динамические уравнения для атомной матрицы плотности. Неподвижный атом. Движущийся атом. Приближение вращающейся волны. Матричные элементы дипольного момента. Релаксация атомной матрицы плотности. Квантование вакуумного поля. Релаксация состояний двухуровневого атома. Возбуждение атома бегущей световой волной. Возбуждение атома стоячей волной
Взаимодействие атомной среды с излучением
Уравнения электромагнитного поля. Материальные уравнения. Динамика среды в поле излучения. Когерентный отклик среды. Некогерентное взаимодействие на однородно уширенном переходе. Квазистатическая поляризация среды. Электрическая восприимчивость среды. Диссипация электромагнитного поля. Поглощение и дисперсия среды. Некогерентное взаимодействие на неоднородно уширенном переходе. Поглощение бегущей волны. Поглощение стоячей волны
Оптические резонаторы
Закрытые и открытые резонаторы. Плотность состояний. Добротность резонатора. Плоскопараллельный резонатор. Конфокальный резонатор. Распространение световых лучей. Параксиальные лучи. Гауссов пучок. Обобщённый сферический резонатор. Расчёт геометрии. Устойчивость сферического резонатора. Неустойчивые резонаторы. Интерферометр Фабри-Перо.
Квазиклассическая теория лазера
Уравнения многомодового лазера. Уравнения одномодового лазера. Непрерывная генерация. Импульсная генерация при модуляции добротности. Многомодовая генерация. Конкуренция мод. Захват мод. Шумы лазерного излучения. Спектральная плотность оптического сигнала. Теорема Винера-Хинчина. Спектр лазерного излучения
Генерация ультракоротких импульсов
Метод синхронизации мод. Активная и пассивная синхронизация мод
Газовые лазеры
Гелий-неоновый лазер. Лазер на ионах Ar+. Лазер на смеси CO2 - N2. Химические газовые лазеры
Лазеры на люминесцентных кристаллах и стёклах
Спектры ионов в кристаллах и стёклах. Рубиновый лазер. Неодимовые лазеры. Твердотельные лазеры с полупроводниковой накачкой
Жидкостные молекулярные лазеры
Спектры органических красителей. Лазеры на красителях. Методы перестройки частоты

Элементы контроля

Контрольная работа 1
Контрольная работа 2
Домашние задания
Экзамен
экзамен в формате беседы по программе курса

Промежуточная аттестация

Промежуточная аттестация (2 модуль)
0.2 * Домашние задания + 0.2 * Контрольная работа 1 + 0.2 * Контрольная работа 2 + 0.4 * Экзамен

Программа дисциплины