microbik.ru
1

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ


УТВЕРЖДАЮ

Руководитель Департамента

образовательных программ и стандартов

профессионального образования

_______________ Л.С.Гребнев

«____»______________ 2001 г.

ПРИМЕРНАЯ ПРОГРАММА ДИСЦИПЛИНЫ
КВАНТОВАЯ И ОПТИЧЕСКАЯ ЭЛЕКТРОНИКА

Рекомендуется Минобразованием России

для направлений подготовки дипломированных специалистов

654100 ЭЛЕКТРОНИКА И МИКРОЭЛЕКТРОНИКА

и бакалавров и магистров 550700 ЭЛЕКТРОНИКА И МИКРОЭЛЕКТРОНИКА


1. Цели и задачи дисциплины.

Основная цель изучаемой дисциплины - дать представление о фундаментальных физических процессах, лежащих в основе оптической и квантовой электроники, рассмотреть принцип действия, особенности конструкций, требования к активным материалам и элементам, возможности и технические характеристики приборов и устройств оптической электроники, подготовить будущих специалистов к теоретически грамотному их применению и дальнейшему изучению специальной литературы по отдельным вопросам данной отрасли.
2. Требования к уровню освоения содержания дисциплины.

В результате изучения дисциплины студент должен:

1) Иметь представления

- о месте оптической и квантовой электроники в современной науке и технике и областях применения соответствующих приборов.

2) Знать и уметь использовать

- физическую сущность процессов, протекающих при взаимодействии электромагнитного (оптического) излучения с веществом, возможности и технические характеристики приборов и устройств квантовой и оптической электроники.

3) Иметь навыки

- оценки и измерения параметров материалов и устройств квантовой и оптической электроники.

Квантовая и оптическая электроника относится к одному из наиболее быстро развивающихся направлений электроники.

Она базируется на достижениях квантовой теории, физики твердого тела, полупроводниковой техники и оптики, составляющих фундамент нового направления.
3. Объем дисциплины и виды учебной работы.


Вид учебной работы

Всего

часов

Семестры


Общая трудоемкость дисциплины

120

7










Аудиторные занятия

68

7










Лекции

51

7










Практические занятия (ПЗ)
















Семинары (С)
















Лабораторные работы (ЛР)

17

7










и (или) другие виды аудиторных занятий
















Самостоятельная работа

52

7










Курсовой проект (работа)
















Расчетно-графические работы
















Реферат
















и (или) другие виды самостоятельной работы
















Вид итогового контроля

(зачет, экзамен)




Э, з











4. Содержание дисциплины.
4.1. Разделы дисциплины и виды занятий.


№ п/п

Раздел дисциплины

Лекции


ПЗ (или С)

ЛР





Введение

*







1

Взаимодействие электромагнитного излучения с атомами и молекулами


*





*

2

Усиление и генерация электромагнитного излучения



*






*

3

Свойства, распространение и преобразование лазерных пучков


*





*

4

Линейная кристаллооптика


*





*

5

Нелинейная оптика

*







6

Оптические явления в однородных полупроводниках и гетероструктурах


*





*

7

Лазеры

*







8

Газовые лазеры

*




*

9

Твердотельные и жидкостные лазеры


*







10

Светодиоды и полупроводниковые лазеры



*






*

11

Фотоприемники и приборы управления оптическим излучением



*






*

12

Оптические методы передачи и обработки информации



*






*




Заключение

*










    1. Содержание разделов дисциплины.



ВВЕДЕНИЕ



Предмет дисциплины и ее задачи. Особенности оптической электроники. Стандартная терминология, основные понятия и определения. Краткий исторический очерк. Классификация приборов квантовой и оптической электроники. Оптическая связь. Преимущества оптического диапазона связи.


Тема 1. Взаимодействие электромагнитного излучения

с атомами и молекулами
Способы описания электромагнитного излучения. Световые лучи. Принцип Ферма. Элементы квантовой теории излучения. Фотон и его основные свойства. Фотонные коллективы.

Энергетические состояния атомов и молекул. Квантовые числа. Символика энергетических состояний атомов. Молекулярные уровни. Вращательные и колебательные уровни. Квантовые переходы. Вероятность перехода. Матричный элемент. Дипольное приближение. Правила отбора для электронных переходов.

Спонтанное и индуцированное излучение. Коэффициенты Эйнштейна. Уширение спектральных линий. Механизмы уширения. Однородное и неоднородное уширение. Рассеяние света. Оптические характеристики вещества. Комплексный показатель преломления. Показатель поглощения. Соотношения Крамерса-Кронинга.
Тема 2.Усиление и генерация электромагнитного излучения
Принцип работы лазеров и мазеров. Инверсия населенностей. Возбуждение активного вещества - накачка. Методы накачки. Кинетические уравнения. Двух-, трех-, и четырехуровневые схемы работы. Пороговая мощность источника накачки.

Оптические резонаторы. Добротность резонатора. Потери в оптических резонаторах. Собственные типы колебаний - моды. Требования к резонаторам оптического диапазона. Типы резонаторов. Конфокальные резонаторы. Спектральные характеристики и распределение поля. Условие устойчивости. Неустойчивые резонаторы. Селекция аксиальных и неаксиальных типов колебаний.

Условие самовозбуждения лазеров. Пороговая энергия накачки по генерации. Насыщения усиления. Одномодовая и многомодовая генерация. Нестационарная генерация. Модуляция добротности резонатора. Гигантские импульсы. Методы модуляции добротности. Синхронизация мод и сверхкороткие лазерные импульсы.
Тема 3. Свойства, распространение и преобразование

лазерных пучков
Монохроматичность. Поляризация. Когерентность. Пространственная и временная когерентность. Направленность лазерного излучения. Яркость. Энергетическая и фотометрическая яркость. Гауссовы пучки. Распространение и преобразование гауссовых пучков. Оптические свойства атмосферы.

Преобразование лазерных пучков. Пространственное, амплитудное и фазовое преобразования. Поляризационные преобразования. Фазовые (волновые) пластинки. Частотное и временное преобразование лазерного импульса. Управляемые оптические системы.
Тема 4.Линейная кристаллооптика
Оптика изотропных сред. Прохождение света через границу раздела двух сред. Особенности распространения света в тонких слоях. Диэлектрические волноводы. Волноводные моды. Ввод и вывод излучения в планарные и канальные волноводы.

Оптика анизотропных сред. Тензор диэлектрической проницаемости. Оптическая индикатриса. Естественное двулучепреломление. Электрооптические эффекты Покельса и Керра. Магнитооптические эффекты. Брегговская дифракция на акустических волнах.

Тема 5. Нелинейная оптика
Нелинейная поляризуемость кристалла и нелинейные оптические эффекты. Генерация гармоник. Условие фазового синхронизма. Параметрическое преобразование и параметрическая генерация света. Вынужденное комбинационное рассеяние и рассеяние Мандельштамма-Бриллюэна. Оптический пробой. Самофокусировка света. Двухфотонное поглощение света.
Тема 6. Оптические явления в однородных

полупроводниках и гетероструктурах
Оптические переходы в полупроводниках. Правила отбора и законы сохранения. Экситонные эффекты. Особенности зонной структуры и оптических свойств полупроводниковых соединений A3B5, A2B6 и. A4B6. Электронные состояния и оптическое поглощение в твердых растворах и сильнолигированных полупроводниках.

Люминесценция полупроводников. Квазиуровни Ферми. Механизмы излучательной рекомбинации. Связь спектров поглощения и люминесценции. Квантовый выход и эффективность люминесценции. Фотоэлектрические эффекты в однородных кристаллах. Фотоэлектрические эффекты в неоднородных структурах и p-n-переходах.

Гетеропереходы в полупроводниках. Свойства гетеропереходов. Эффект односторонней инжекции. Эффект сверхинжекции. Эффект широкозонного окна. Волноводный эффект. Фотоэлектрические эффекты в p-n гетеропереходах и в варизонных структурах. Оптические эффекты в сверхтонких слоях. Квантовые ямы. Оптические явления в квантово-размерных слоях и сверхрешетках.
Тема 7. Мазеры
Особенности квантовых приборов радиодиапазона. Молекулярный мазер на пучке молекул аммиака. Квантовые парамагнитные усилители (КПУ). Активные материалы и элементы КПУ.
Тема 8. Газовые лазеры
Общая характеристика и особенность газовых лазеров. Процессы в газовом разряде. Особенности устройства газоразрядных лазеров. Лазеры на самоограниченных переходах. Атомарные газовые лазеры. Гелий-неоновый лазер. Лазер на парах меди. Ионные газовые лазеры. Гелий-кадмиевый лазер. Молекулярный лазер. Газоразрядные CO2 -лазеры. Газодинамические лазеры. Эксимерные лазеры. Химические и фотохимические лазеры.
Тема 9. Твердотельные и жидкостные лазеры
Общая характеристика и особенности твердотельных лазеров. Активные материалы. Требования к матрицам. Требования к активаторам. Рубиновый лазер. Лазеры на кристаллах и стеклах, активированных неодимом. Твердотельные перестраиваемые лазеры.

Общая характеристика и особенности жидкостных лазеров. Лазеры на органических красителях. Перестройка частоты жидкостных лазеров.

Тема 10. Светодиоды и полупроводниковые лазеры
Общая характеристика и особенность полупроводниковых лазеров и светодиодов. Светодиоды на основе полупроводников с прямой и непрямой структурой энергетических зон. Активные материалы. Гетеросветодиоды. Электролюминесцентные экраны. Газоразрядные индикаторы.

Полупроводниковые лазеры. Требования к активным материалам. Лазеры с электронной и оптической накачкой. Инжекционные лазеры на гетеропереходах. Лазеры на двойных гетероструктурах. Лазеры с раздельным оптическим и электронным ограничением. Лазеры с использованием квантово-размерных эффектов. Полосковые гетеролазеры. Гетеролазеры с распределенной обратной связью. Перестраиваемые полупроводниковые ИК-лазеры.
Тема 11. Фотоприемники и приборы управления оптическим излучением
Классификация и технические характеристики приемников оптического излучения. Фотоэлектронные умножители. Полупроводниковые фотоприемники. Фоторезисторы. Фотодиоды. P-i-n фотодиоды и лавинные фотодиоды. Многоэлементные фотоприемники. Приемники оптических изображений. Приборы с зарядовой связью в качестве фотоприемников. Фотоэлектрические преобразователи солнечного излучения.

Особенности приборов управления оптическим излучением. Модуляторы лазерного излучения. Электрооптические модуляторы. Абсорбционные модуляторы. Акустооптические модуляторы света. Пассивные затворы. Методы сканирования света. Дефлекторы. Приборы нелинейной оптики. Преобразователи частоты. Генераторы гармоник. Параметрические генераторы света. Управляемые оптические системы.
Тема 12. Оптические методы передачи и обработки информации
Характеристика и особенность оптической связи. Структурные элементы оптоэлектроники. Оптроны как структурные элементы оптоэлектроники. Типы оптронов. Передача оптических сигналов по световодам. Волоконно-оптические линии связи.

Элементы интегральной оптики. Тонкопленочные волноводы. Связь между волноводами. Оптическая бистабильность. Направленные ответвители. Тонкопленочные модуляторы, фильтры, переключатели, детекторы.

Принципы голографии. Свойства голограмм. Оптические методы обработки информации. Оптические вычислительные машины и комплексы.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ



Перспективы и основные направления развития оптической и квантовой электроники.
5. Лабораторный практикум.


№ п/п

№ раздела дисциплины

Наименование лабораторных работ

1

1

Спектр поглощения активных лазерных материалов

2

2

Определение вероятности спонтанных переходов

3

6

Излучательная рекомбинация в полупроводниках

4

2, 3, 8

Газовые лазеры и свойства лазерного излучения

5

9

Твердотельный лазер

6

2, 6, 10

Полупроводниковый лазер

7

11

Полупроводниковые фотоприемники

8

12

Оптроны и волоконно-оптическая линия связи


6. Учебно-методическое обеспечение дисциплины.
6.1. Рекомендуемая литература.

а) основная литература:

  1. Пихтин А.Н. Физические основы квантовой электроники и оптоэлектроники.-
    М.: "Высшая школа", 1983.- 304 с.

  2. Страховский Г.М., Успенский А.В. Основы квантовой электроники.- М.:
    "Высшая школа", 1979.- 303 с.

  3. Карлов Н.В. Лекции по квантовой электронике.- М.: "Наука", Гл. ред. физ.-мат. лит., 1988.- 336 с.


б) дополнительная литература:

  1. Звелто О. Принципы лазеров. М.: "Мир", 1984.- 400 с.

  2. Ярив А. Введение в оптическую электронику.- М.: "Высшая школа", 1983.-
    398 с.

  3. Тарасов Л.В. Введение в квантовую оптику.- М.: "Высшая школа", 1987.- 304 с.

  4. Рябов С.Г., Торопкин Г.Р., Усольцев И.Ф. Приборы квантовой электроники.- М.: "Радио и связь", 1985.- 280 с.

  5. Носов Ю.Р. Оптоэлектроника.- М.: "Советское радио", 1989.-360 с.

  6. Основы оптоэлектроники. Суэмацу Я., Катаока С., Кисино К. и др.; Пер. с яп. М.: "Мир", 1988.- 288 с.

  7. Кейси Х., Паниш М. Лазеры на гетероструктурах.М.: "Мир", 1981.- т.1 - 299 с. - т.2 - 364 с.


Программа составлена в соответствии с Государственными образовательными стандартами высшего профессионального образования по направлениям 654100 Электроника и микроэлектроника и 550700-Электроника и микроэлектроника
Программу составили:
Пихтин А.Н., профессор СПГЭТУ “ЛЭТИ”

Блистанов А.А., профессор МИСИС

Воробьев Л.Е., профессор СПГТУ
Программа одобрена на заседании учебно-методического совета по направлению 550700 - Электроника и микроэлектроника, протокол N 3 от 14.11.00
Председатель Совета УМО

по образованию в области автоматики,

электроники, микроэлектроники и

радиотехники Д.В. Пузанков