Документ взят из кэша поисковой машины. Адрес оригинального документа : http://foroff.phys.msu.ru/phys/programs/trf2.htm
Дата изменения: Sun Jul 6 05:19:41 2008
Дата индексирования: Mon Oct 1 20:38:59 2012
Кодировка: koi8-r
КВАНТОВАЯ РАДИОФИЗИКА

"КВАНТОВАЯ РАДИОФИЗИКА"

по направлению 511500 - радиофизика

ПРЕДИСЛОВИЕ

Цель курса - изучение основ квантовой теории взаимодействия излучения с веществом. Курс включает в себя обсуждение наиболее ярких проявлений квантовых эффектов в эксперименте и последние достижения в их теоретическом описании. Рассмотрены элементы теории катастроф, идеология построения эффективных гамильтонианов.

Квантовая теория свободного электро-магнитного поля, квантовая теория взаимодействия поля с веществом. Механизмы уширения спектральных линий, релаксация, квантовая кинетика, взаимодействие двухуровневой среды с резонансным ЭМ полем, методы создания инверсной разности заселенностей, квантовые усилители и генераторы.

Для освоения спецкурса необходимы знания из математической физики, линейной алгебры, квантовой механики.

Введение. Историческая справка развития квантовой радиофизики. Квантовые усилители и генераторы СВЧ и оптического диапазона частот.

Основные постулаты и математический формализм квантовой теории. Матричное представление операторов. Операторная алгебра. Унитарные, сопряженные и эрмитовы операторы. Определение коммутирующих операторов. Коммутирующие операторы как операторы с общим набором волновых функций. Доказательство коммутации операторов. Нормировка волновых функций.

Основы квантовой статистики. Фермионы и бозоны. Статистический вес.

Временная эволюция статистических смесей. Матрица плотности в квантовой теории и ее свойства. Свойства матричных элементов матрицы плотности.

Оператор временной эволюции.Уравнение Лиувилля-Неймана. Временная эволюция элементов матрицы плотности.

Основные принципы квантования систем. Уравнения Лагранжа и Гамильтона. Каноническая форма.Обобщенные координаты..Логическая структура формализма Лагранжа., квантование через формализм Лагранжа.

Квантовая теория свободного электро-магнитного поля. Гармонический осциллятор (квантовый и классический) Собственные состояния и вектора. Операторы рождения и уничтожения. Алгебраические свойства операторов а+,а.Спектр и базисная система оператора числа частиц.

Поле как совокупность квантовых гармонических осцилляторов. Волновая функция поля Математический аппарат вторичного квантования.

Центральная методическая проблема задачи о распространении волн (феноменологический, классический, полуклассический, квантовый подходы к ее решению). Особенности квантовой радиофизики.

Новые исследования в квантовой радиофизике. Элементы теории катастроф. Применение теории инвариантов при построении феноменологических гамильтонианов. Нелинейные явления. Кооперативные эффекты.

Релаксация и квантовая кинетика. Релаксационные процессы в различных физических системах. Уравнения, описывающие релаксацию динамических подсистем.Кинетические уравнения.

Проблема уширения уровней. Когерентность световых волн (временная и пространственная). Продольное и поперечное время релаксации.

Понятие ансамбля частиц. Естественное, допплеровское и ударное уширение. Контур линии (естественный или лоренцовский, гауссов, фойхтовский). Новые формы контура и обуславливающие их эффекты. Однородное и неоднородное уширение.

Взаимодействие ЭМ поля с веществом. Спонтанное и вынужденное излучение. Коэффициенты Эйнштейна. Закон Бугера. Заселенность уровней . Законы распределения частиц по уровням. Инверсия . Усиление излучения.Активные среды. Методы создания инверсии. Трехуровневые и четырехуровневые схемы. Атомы и молекулы как основные элементы активных и поглощающих сред.

Конкретные лазеры. Активная среда, способ создания инверсной заселенности, принципиальные особенности.

Лазеры на твердых телах. Лазер на стекле с неодимом. Лазер на рубине.

Атомные лазеры. Строение атома. Атомные орбитали. Квантовые числа электрона. Сложение векторных моментов в атоме. Типы связей Электронные конфигурации атомов. Идентификация уровней.

Молекулярные лазеры. Основные типы движений в молекулах. Электронные, колебательные и вращательные уровни. Идентификация уровней Оптические переходы в молекулах. Разрешенные и запрещенные переходы. Элементы теории групп для анализа симметрии перехода. Вероятность переходов.

Лазер на углекислом газе. Принципы возбуждения. Технические решения и особенности конструкций СО2 лазеров (продольная, поперечная накачка, газодинамический лазер).

Лазер на СО как пример ангармонической накачки и каскадного излучения.

Лазер на парах металлов.

Эксимерные лазеры.

Лазеры на красителях.

Полупроводниковые лазеры.

Параметры лазерных систем. Внешние лазерные параметры: мощность излучения,энергия,угловая расходимость и линейный размер пучка, длина волны излучения, когерентность, .поляризация.

Внутренние лазерные параметры: спектр мод резонатора, ширина полосы отдельной моды резонатора, усиление,потери в рабочем веществе, шумы,модуляция.

Добротность резонатора и способы модуляции добротности.

Способы управления параметрами лазеров пространственным распределением, амплитудной и временной характеристиками перестройкой частоты.

Лабораторные работы

  1. Энергетические и поляризационные характеристики излучения газоразрядного лазера на смеси гелия и неона.
  2. Оптический резонатор. Спектральные и пространственно-энергетические характеристики излучения газоразрядного лазера на смеси гелия и неона.
  3. Пространственная и временная когерентность излучения газоразрядного лазера на смеси гелия и неона.
  4. Спектры поглощения и люминесценции рубина.
  5. Энергетические, временные и пространственно-энергетические характеристики рубинового лазера в режиме свободного генерирования.
  6. Энергетические и временные характеристики излучения рубинового лазера в режиме модуляции добротности резонатора.
  7. Энергетические, пространственно-энергетические и спектральные характеристики излучения инжекционных лазеров на гетеропереходе и на p-n переходе.
  8. Распространение лазерного излучения в анизотропном кристалле в присутствии электрического поля. Характеристики электрооптического модулятора интенсивности.
  9. Генерация второй гармоники лазерного излучения в анизотропном кристалле. Характеристики умножителя частоты лазерного излучения.
  10. Исследование энергетических и временных характеристик электроразрядного N2-лазера.
  11. Исследование энергетических и временных характеристик лазера на кристаллах .
  12. Исследование энергетических и временных характеристик лазера на СО2.
  13. Вычислительный эксперимент по изучению нелинейной рефракции лазерного излучения.
  14. Вычислительный эксперимент "Генерирование оптических гармоник в нелинейных средах".
  15. Вычислительный эксперимент "От чего зависит усиление в лазере и мощность его излучения?".
  16. Вычислительный эксперимент "Динамика процессов генерации и модуляции излучения в полупроводниковом лазере".
  17. Вычислительный эксперимент в лабораторной работе "Энергетические, временные и пространственно-энергетические характеристики излучения рубинового лазера в режиме свободного генерирования".
  18. Вычислительный эксперимент "Динамика энергии, фазы и излучения электронов в лазере на свободных электронах".
  19. Вычислительный эксперимент по изучению процессов в газодинамическом лазере.
  20. Вычислительный эксперимент в лабораторной работе: "Характеристики взаимодействия оптического излучения с молекулярной газовой средой, включая атмосферу"

Литература

Основная

  1. В.В. Колпаков. Квантовая радиофизика.Изд.ТГУ,Томск,1984,222с.
  2. А.Мессиа. Квантовая механика ,т.1 и Т.2.М.,Наука.ГРФМЛ,1979.
  3. У.Флайгер. Строение и динамика молекул. М.Мир, 1982,тт. 1, 2.
  4. В.М.Файн, Я.И Ханин. Квантовая радиофизика. М., Сов.Радио, 1965, тт. 1, 2.
  5. Р.Фейнман. Квантовая электродинамика. М., Мир,1964.
  6. Дж.Макомбер . Динамика спектроскопических переходов М., Мир.,1979.
  7. У.Люиселл. Излучение и шумы в квантовой электронике. Изд. Наука, ГРФМЛ, М., 1972.
  8. А. Ярив . Квантовая электроника М. , Сов. Радио, 1980.
  9. О.Звелто. Принципы лазеров. М., Мир,1984.

Дополнительная

  1. В.Г. Гусев. Б.Н. Пойзнер. Лабораторный практикум по физике лазеров Учебное пособие , Томск.Изд-во Томского госуниверситета 1992.-238с.
  2. Н.В.Карлов.Лекции по квантовой электронике .М.,ГРФМЛ,1983.

Программу составила Войцеховская О.К., профессор (Томский госуниверситет)