Лазерная физика: 01.04.21 - лазерная физика - Санкт-Петербургское государственное бюджетное учреждение социального обслуживания населения

Содержание

01.04.21 – лазерная физика

ПРОГРАММА-МИНИМУМ

кандидатского экзамена по специальности
01.04.21 “Лазерная физика”
по физико-математическим и технические наукам

Введение

В основу настоящей программы положены следующие дисциплины: электродинамика, теория поля, квантовая электроника, оптика и спектроскопия.

Программа разработана экспертным советом Высшей аттестационной комиссии Министерства образования Российской Федерации по физике при участии Московского государственного университета им. М.В. Ломоносова и Института общей физики РАН.

1.

Основы физики лазеров и лазерной техники

Уравнения Максвелла. Потенциальные и вихревые поля. Теорема Умова-Пойнтинга. Поляризация электромагнитных волн; параметры Стокса.

Уровни энергии атомов, молекул, кристаллов. Поглощение и испускание электромагнитного излучения. Вероятности спонтанных и индуцированных переходов.
Принцип действия лазеров. Методы создания инверсии населенностей. Релаксационные процессы. Ширина линии перехода. Коэффициент усиления. Эффект насыщения.
Оптические резонаторы. Спектр мод резонатора. Добротность резонатора. Устойчивые и неустойчивые резонаторы. Методы модуляции добротности резонатора лазера. Методы активной и пассивной синхронизации мод излучения в лазере.

Основные типы лазеров. Динамика лазерной генерации. Классификация режимов лазерной генерации. Порог генерации. Мультистабильность и динамический хаос в лазерах.
Флуктуации лазерного излучения. Естественная ширина линии и естественная расходимость лазерного излучения. Предельная пространственная когерентность лазерных пучков.

Стабилизация частоты генерации (активная и пассивная). Стабилизация интенсивности. Перестройка частоты лазерной генерации. Методы измерения длительности лазерных импульсов.

2. Вещество в лазерном поле. Лазерная диагностика

Отклик вещества на действие электромагнитного поля. Векторы поляризации и намагниченности среды. Разложение поляризации в ряд по степеням поля. Временная (частотная) и пространственная дисперсия. Тензоры линейной и нелинейной восприимчивостей вещества. Влияние симметрии среды на нелинейный отклик. Механизмы поверхностного нелинейного отклика.
Резонансные процессы. Двухуровневый атом. Уравнения Блоха. Когерентные нестационарные процессы: оптическая нутация, затухание свободной поляризации, солитоны самоиндуцированной прозрачности, фотонное эхо, сверхизлучение Дике. Светоиндуцированный дрейф в газах.
Многофотонные резонансные процессы. Обобщенная двухуровневая система. Многофотонное поглощение. Вынужденное комбинационное рассеяние. Генерация гармоник. Смешение частот. Параметрическое рассеяние.

Взаимодействие электромагнитного излучения с кристаллами. Зонная структура энергетических уровней. Энергия Ферми. Диэлектрики, полупроводники, металлы. Возбуждения в кристаллах: фононы, поляритоны, экситоны. Основные нелинейные кристаллы.
Спектроскопия насыщения неоднородно уширенных переходов. Двухфотонная спектроскопия, свободная от допплеровского уширения. Спектроскопия когерентного антистоксова рассеяния света. Спектроскопия многоволнового смешения.

3. Волновые процессы. Нелинейная волновая оптика. Прикладная нелинейная оптика

Волновая оптика световых пучков и импульсов: уравнения Максвелла, волновое уравнение, уравнения квазиоптики, уравнения для медленно меняющихся амплитуд. Гауссовы пучки, их преобразование оптическими системами. Дифракционное расплывание, длина дифракции. Волны в световодах. Дифракция случайных волновых полей, теорема Ван Циттерта-Цернике.
Материальная дисперсия сплошной среды. Распространение импульсов в диспергирующих средах: групповая скорость, дисперсионное расплывание, эффекты дисперсии высших порядков. Спектрально ограниченный импульс.

Волны в пространственно- периодических средах. Запрещенная зона. Фотонные кристаллы и их дисперсионные свойства.
Фурье-оптика волновых пучков и импульсов; пространственная фильтрация. Основы адаптивной оптики: управление фазой световых колебаний в пространстве и во времени, формирование пучков и импульсов с заданной структурой.
Волны в слабонелинейных и диспергирующих средах: методы описания и классификация нелинейных эффектов.

Самовоздействие световых пучков. Природа кубической нелинейности. Самофокусировка в средах с керровской нелинейностью, критическая мощность, длина самофокусировки. Мелкомасштабная самофокусировка. Филаментация. Пространственные оптические солитоны.
Самовоздействие световых импульсов в средах с кубичной нелинейностью: самомодуляция, солитоны, компрессия и расплывание. Самовоздействие случайно модулированных импульсов. Формирование сверхкоротких импульсов методами фазовой самомодуляции и компрессии.

Генерация оптических гармоник. Фазовый синхронизм и его реализация, групповой синхронизм. Спонтанное параметрическое рассеяние света. Параметрическое усиление и генерация. Генерация суммарных и разностных частот. Вынужденное комбинационное рассеяние. Рамановские усилители и генераторы. Вынужденное рассеяние Мандельштама-Бриллюэна. Обращение волнового фронта.
Оптические бистабильные и мультистабильные системы. Оптические логические элементы. Продольная неустойчивость в нелинейных резонаторах: от периодических колебаний через удвоение периода к оптическому хаосу. Поперечные пространственные эффекты в нелинейных резонаторах, образование и эволюция пространственных структур. Оптическое моделирование нейронных сетей.

4. Воздействие лазерного излучения на вещество. Лазерная фотофизика и фотобиология. Физические основы лазерных технологий

Одно- и многофотонная ионизация атомов и молекул. Туннельная и надбарьерная ионизация атомов и ионов. Пондеромоторное ускорение фотоэлектронов. Уширение спектра. Генерация высоких оптических гармоник и суперконтинуума. Генерация каскада комбинационных частот.

Лазерный пробой газов. Лазерная искра. Лазерная плазма. Лазерный термоядерный синтез. Энергетические спектры электронов, ионов и рентгеновского излучения лазерной плазмы. Ядерные реакции в лазерной плазме.
Многофотонная диссоциация молекул в лазерном поле. Столкновительный и бесстолкновительный режимы многофотонной диссоциации. Лазерное разделение изотопов. Оптическое стимулирование химических реакций.

Лазерное управление движением частиц. Оптическое охлаждение и захват атомов и ионов. Атомные часы. Управление атомными пучками с помощью лазеров. Лазерные методы ускорения частиц.
Поглощение и релаксация энергии лазерного излучения в полупроводниках и металлах. Электрон-электронная, электрон-фононная и фонон-фононная релаксация. Времена релаксации. Нормальный и аномальный скин-эффект.
Лазерный нагрев вещества. Лазерное плавление и испарение поверхности. Лазерный отжиг и легирование полупроводников. Лазерная закалка металлов. Процессы абсорбции и десорбции в поле лазерного излучения. Лазерная фотохимия, типы фотохимических реакций. Фотоакустические явления. Механизмы лазерного возбуждения звука. Фотоакустическая спектроскопия и микроскопия.
Лазерная фотобиология. Фотобиологические реакции: энергетические (фотосинтез), информационные (зрение), биосинтетические, деструктивно- модифицирующие (фотосенсибилизация, фотоионизация) и лазерные методы их изучения. Лазерная микро- и макродиагностика биомолекул, клеток и биотканей. Лазерная оптико-акустическая томография.

5. Элементы квантовой оптики

Квантование поля. Операторы рождения и уничтожения фотонов. Гамильтониан квантованного поля. Коммутационные соотношения для операторов поля.
Пространственная и временная когерентность. Корреляционные функции первого и второго порядка. Когерентность высших порядков. Фоковское, когерентное и сжатое состояния поля. Пуассоновская, субпуассоновская и суперпуассоновская статистика фотонов. Группировка и антигруппировка фотонов. Счет фотонов. Дробовой шум. Связь статистики фотонов и фотоотсчетов, формула Манделя.
Перепутанные состояния света. Оптическая реализация кубитов и их преобразования. Состояния Белла. Парадокс Эйнштейна-Подольского-Розена. Неравенства Белла. Квантовая криптография. Квантовая телепортация.

Основная литература

Карлов Н.В. Лекции по квантовой электронике. М., 1988.
Шен И.Р. Принципы нелинейной оптики. М., 1989.
Звелто О. Принципы лазеров. М., 1989.
Ханин Я.И. Основы динамики лазеров. М., 1999.
Аллен Л., Эберли Дж. Оптический резонанс и двухуровневые атомы. М., 1978.
Ахманов С.А., Никитин С.Ю. Физическая оптика. М., 1998.
Виноградова М. Б., Руденко О.В., Сухоруков А.П. Теория волн. М., 1979.

Дополнительная литература

Ильинский Ю.А., Келдыш Л.В. Взаимодействие электромагнитного излучения с веществом. М., 1989.
Клышко Д.Н. Физические основы квантовой электроники. М., 1986.
Ахманов С.А., Выслоух В.А., Чиркин А.С. Оптика фемтосекундных лазерных импульсов. М., 1988.
Мандель Л., Вольф Э. Оптическая когерентность и квантовая оптика. М., 2000.
Акулин В.М., Карлов Н.В. Интенсивные резонансные взаимодействия в квантовой электронике. М., 1987.
Гудмен Дж. Введение в фурье-оптику. М., 1970.
Гиббс Дж. Оптическая бистабильность. М., 1988.
Сухоруков А.П. Нелинейные волновые взаимодействия в оптике и радиофизике. М., 1988.
Летохов В.С., Чеботаев В.П. Принципы нелинейной лазерной спектроскопии. М., 1990.
Приезжев А.В., Тучин В.В., Шубочкин Л.П. Лазерная диагностика в биологии и медицине. М., 1989.
Тучин В.В. Лазеры и волоконная оптика в биомедицинских исследованиях. Саратов, 1998.
Жарков В.П., Летохов В.С. Лазерная оптико-акустическая спектроскопия. М., 1984.
Андреев А.В., Емельянов В.И., Ильинский Ю.А. Кооперативные явления в оптике. М., 1988.
Гусев В.Э., Карабутов А.А. Лазерная оптоакустика. М., 1991.

Примечания. Для соискателей ученой степени кандидата физико-математических наук: разделы 1-5 программы.

Для соискателей ученой степени кандидата технических наук: разделы 1-4 программы, за исключением вопросов, выделенных курсивом.

ЛАЗЕРНАЯ ФИЗИКА • Большая российская энциклопедия

Авторы: А. А. Маненков, И. А. Щербаков

ЛА́ЗЕРНАЯ ФИ́ЗИКА, раздел физики, в котором изучаются процессы преобразования разл. видов энергии в когерентное излучение лазеров, методы управления этим излучением, процессы взаимодействия лазерного излучения с веществом, основы применения лазеров в разл. областях науки, техники и медицины.

Л. ф. возникла на базе квантовой электроники, изучающей процессы усиления, генерации и преобразования электромагнитных волн, основанные на эффекте вынужденного излучения атомных систем. Рождение квантовой электроники относят к 1954, когда были опубликованы первые основополагающие работы Н. Г. Басова, А. М. Прохорова и Ч. Таунса, в которых были сформулированы фундам. принципы генерации электромагнитного излучения за счёт вынужденного излучения квантовомеханич. системы, реализована положит. обратная связь и создан молекулярный генератор на пучке молекул аммиака – мазер, обеспечивающий когерентное излучение в микроволновом диапазоне. В 1955 Басов и Прохоров предложили метод создания инверсии населённостей с помощью вспомогат. излучения (трёхуровневая схема накачки). Трёхуровневая схема и её разл. модификации ныне являются основными при создании твердотельных и др. типов лазеров. В 1958 Прохоров предложил использовать открытый резонатор, который единственный в то время мог обеспечить эффективную обратную связь в оптич. диапазоне. Т. Мейман (США) реализовал эти идеи (1960), создав первый в мире лазер на кристаллах рубина, что и ознаменовало рождение лазерной физики.

Л. ф. имеет три осн. составляющие. Первая составляющая – это непосредственно физика лазеров, которая изучает методы создания инверсной населённости и, следовательно, квантовые состояния, участвующие в создании инверсии; процессы возбуждения и релаксации, определяющие создание термодинамически неравновесных условий; методы управления длительностью лазерного излучения (от непрерывного излучения до аттосекундных импульсов), пространственной и временнóй формами лазерных импульсов; исследует явления, ограничивающие интенсивность лазерного излучения, такие как разрушение оптич. элементов лазера, самофокусировка, фазовые искажения и др. Физика лазеров исследует также разл. конфигурации открытого резонатора, обеспечивающего необходимую для генерации положит. обратную связь, занимается поиском новых активных сред лазеров – кристаллич. материалов, стёкол, оптич. керамик и полимеров, полупроводников, газовых сред и др.

Важное место в физике лазеров занимают методы генерации коротких и сверхкоротких лазерных импульсов. Короткие импульсы излучения реализуются в режиме модуляции добротности резонатора. Применяются разл. методы модуляции: активные – с помощью электрооптич. и оптоакустич. затворов, и пассивные, основанные на нелинейных эффектах в оптич. средах. В обоих случаях эффект достигается за счёт изменения добротности резонатора во времени. Длительность импульсов лазерного излучения τ зависит от релаксационных характеристик активной среды, величины инверсии населённости и от конкретного механизма модуляции. Для твердотельных лазеров τ в режиме модуляции добротности лежит в диапазоне от долей наносекунд до единиц микросекунд.

Сверхкороткие импульсы, длительность которых зависит от ширины спектра усиления активной среды, достигаются в режиме синхронизации мод. Для получения наиболее коротких импульсов используют активные среды с максимально широким спектром усиления. Так, в лазере на кристалле лейкосапфира с трёхвалентным титаном получены импульсы длительностью неск. фемтосекунд, что сравнимо с периодом светового колебания.

Важной задачей физики лазеров является разработка принципиальных основ создания мощных лазеров. Предложены и реализованы разл. концепции и методы построения мощных лазерных систем, в частности использование широкоапертурных усилительных элементов, усиление т. н. чирпированных импульсов (см. Квантовый усилитель), позволяющих получать пиковые мощности на уровне 10¹² и 10¹⁵ Вт в наносекундном и фемтосекундном диапазонах длительностей импульсов соответственно. В непрерывном или импульсно-периодич. режимах мощности твердотельных лазеров приближаются к 100 кВт. Мощность газодинамич. и химич. лазеров может достигать 1 МВт.

Вторая составляющая Л. ф. – исследование взаимодействия лазерного излучения с разл. веществами, включая живые ткани. При взаимодействии происходят процессы ионизации атомов и молекул, генерации гармоник, генерации рентгеновского излучения, уширения спектра лазерного излучения при распространении его в среде. Изучаются механизмы лазерного разрушения прозрачных и непрозрачных сред, физич. основы изменения свойств материалов под действием лазерного излучения (см. Лазерный отжиг). При высоких интенсивностях лазерного излучения в области взаимодействия могут быть достигнуты очень высокие темп-ры лазерной плазмы, при которых возможны термоядерные реакции синтеза лёгких ядер. Для осуществления таких реакций нужны мощные лазеры и спец. условия облучения термоядерных мишеней малого размера (см. Лазерный термоядерный синтез).

Особый интерес представляют исследования взаимодействия лазерного излучения с веществом при сверхвысоких интенсивностях (порядка 10²² Вт/см²). При таких интенсивностях (соответствующие им напряжённости электрич. поля световых волн порядка 10¹⁵ В/см существенно превосходят внутриатомные кулоновские поля) могут реализоваться процессы ионизации тяжёлых элементов (типа урана), разл. релятивистские эффекты в плазме (ускорение электронов и др. частиц до высоких энергий, генерация жёсткого рентгеновского излучения, генерация сверхкоротких импульсов). Эта область исследований взаимодействия сверхмощного лазерного излучения с веществом к нач. 21 в. ещё находится в самом начале своего развития. Создаются лазерные системы, генерирующие мощное лазерное излучение в ближней ИК-области спектра с фемтосекундной длительностью импульсов, на которых проводятся эксперименты в указанных выше направлениях.

Бурное развитие разл. направлений исследований привело к широкому применению методов Л. ф. в самых разных областях и обусловило появление и развитие целого ряда новых науч. направлений, технологий, отраслей биологии и медицины. К ним относятся: нелинейная оптика, волоконная оптика, интегральная оптика, лазерная спектроскопия, лазерное разделение изотопов, инициирование химич. реакций; физика лазерной плазмы, включающая проблему термоядерного синтеза; лазерная локация (см. Лидар), дальнометрия, гироскопия; лазерная метрология, включающая разработку квантовых стандартов частоты и эталонов времени. Лазерные методы используются для передачи, хранения и обработки информации. Разл. лазерные технологии применяются в пром-сти для обработки материалов и конструкций и т. д. Бурно развивается лазерная медицина. Для решения этих практич. задач и оптимизации применений уникальных свойств лазерного излучения необходимо правильно выбрать типы лазеров, длины волн излучения, мощности, профили и длительности лазерных импульсов и частоты повторения. Физич. основы применения лазеров в науке, технике, технологии, биологии, медицине представляют собой третью составляющую Л. ф., призванную расширить области использования лазерных систем, обеспечив их эффективность и безопасность эксплуатации.

Laser – Введение – Что такое лазер?

До вникая в то, как ЛАЗЕР (усиление света путем стимуляции Выброс радиации) работает, давайте сначала посмотрим, как легкие работы.

Что такое Свет?

Свет это вид энергии освобождается атомом. Свет состоит из очень маленьких частиц, называемых фотонами.

Атомы являются основными единицами материи. Каждый атом состоит из ядро и совокупность электронов, вращающихся вокруг ядра.

Ядро образуется в результате сильного ядерная сила между протонами и нейтронами. Протоны имеют положительный заряд, поэтому их называют положительно заряженные частицы. Нейтроны не имеют заряда, поэтому их называют нейтральными частицами.

Нейтроны не имеют заряд, поэтому общий заряд ядра положителен.

Электроны иметь отрицательный заряд, поэтому их называют отрицательно заряженными частицы. Электроны всегда вращаются вокруг ядра из-за между ними существует электростатическая сила притяжения. Электроны вращаются вокруг ядра по разным орбитам или снаряды. Каждая орбита имеет уникальный энергетический уровень.

электроны орбиты на большем расстоянии от ядра имеют более высокие энергетический уровень, в то время как электроны вращаются на меньшем расстоянии от ядра имеют более низкий энергетический уровень.

электроны на более низком энергетическом уровне нужна дополнительная энергия для прыжка с нижнего энергетического уровня на более высокий энергетический уровень. Этот дополнительная энергия может быть получена из различных видов энергии источники, такие как тепло, электричество поле или свет.

Свет показывает свойства как волн, так и частиц, поэтому может вести себя одновременно как частица или волна. Эйнштейн считал, что свет — это частица или фотон, поток фотонов представляет собой волну. Свет получают из различные источники, такие как свечи, лампы и солнечные лучи.

Свечи а лампы называются искусственными источниками света и солнечные лучи называют естественным источником света.

первый надежный источник искусственного света (лампы накаливания лампочка) была изобретена в 1879 году Томасом Эдисоном. В лампе накаливания лампочка, электрический ток течет по нити внутри лампочка.

Когда достаточный электрический ток проходит через нить, она получает нагревается и излучает видимый свет. Таким образом, видимый свет излучаемый лампой накаливания.

Что такое ЛАЗЕР?

Слово LASER является аббревиатурой от Light Amplification by Вынужденное излучение. Лазер – это устройство, усиливает или увеличивает интенсивность света и производит высоконаправленный свет.

Лазер не только усиливает или увеличивает интенсивность света, но также генерирует свет. Лазер излучает свет через процесс, называемый вынужденным излучением, который усиливает или увеличивает интенсивность света. Некоторые лазеры генерируют видимый свет, а другие генерируют ультрафиолетовый или невидимые инфракрасные лучи.

В обычно, когда электрон перескакивает с более высокого энергетического уровня на более низкий энергетический уровень, он излучает свет или фотон. Энергия испущенный фотон равен разности энергий между энергетические уровни. Потеря энергии электронами объясняется ко всему атому. Поэтому можно думать, что атом переходит из более высокого энергетического состояния в более низкое энергетическое состояние.

Лазер свет отличается от обычного света. Свет лазера обладает необычными свойствами, которых нет в обычные источники света, такие как солнце и лампа накаливания.

общепринятый источники света, такие как электрическая лампочка или трубка, не излучают высоконаправленный и когерентный свет, в то время как лазеры производят высоконаправленные, монохроматические, когерентные и поляризованный световой пучок.

В общепринятый источников света, возбужденные электроны излучают свет при разных раз и в разные стороны поэтому фазы нет соотношение между испускаемыми фотонами.

Вкл. с другой стороны, фотоны, испускаемые электронами лазера находятся в одной фазе и движутся в одном направлении.

Эйнштейн отдал теоретические основы разработки лазера в 1917, когда он предсказал возможность вынужденного излучения. В 1954, Ч.Х. Таунс и его коллеги поставить предсказание Эйнштейна на практическую реализацию.

Они развитый микроволновый усилитель на вынужденном излучении излучение. Он назывался MASER (Microwave Amplification путем стимулированного излучения. Мазер работает на принципы аналогичны лазеру, но генерируют микроволны, а не чем световое излучение.

В 1958, Ч.Х. Таунс и А. Шавлов расширили принцип мазеры на свет. В 1960 году Т.Х. Мейман построил первый лазер устройство.

Кафедра лазерной физики Эрланген-Нюрнбергского университета им. Фридриха-Александра (FAU) › Кафедра лазерной физики

Essential (4)

Основные файлы cookie обеспечивают выполнение основных функций и необходимы для правильной работы веб-сайта.

Show Cookie Information Hide Cookie Information

Name	Default Cookie
Provider	Owner of this website
Purpose	Saves the visitors preferences selected in the Consent Banner.
Политика конфиденциальности	https://www.laserphysics.nat.fau.eu/privacy/
Хосты	www.laserphysics.nat.fau.eu
Cookie Name	rrze-legal-consent
Cookie Expiry	1 Year

Name	WordPress
Provider	No transmission to third parties
Purpose	Проверить, можно ли установить cookie. Запомните сеанс пользователя.
Политика конфиденциальности	https://www.laserphysics.nat.fau.eu/privacy/
Hosts	. www.laserphysics.nat.fau.eu
Cookie Name	wordpress_[*]
Cookie Expiry	Session

Name	SimpleSAML
Поставщик	Нет передачи третьим лицам
Назначение	Используется для управления состоянием сеанса WebSSO.
Политика конфиденциальности	https://www.laserphysics.nat.fau.eu/privacy/
Хозяева	www.laserphysics.nat.fau.eu
wylie wylie.	Сессия

.
Имя	PHPSessid
Провайдер	NO Transmission to Therd Parties
Fulal	SESSERES SESERES SESERES SESERES.
Политика конфиденциальности	https://www.laserphysics.nat.fau.eu/privacy/
Срок действия файла cookie	Сеанс

Внешние носители (4)

Внешние носители

Контент с видеоплатформ и платформ социальных сетей заблокирован по умолчанию. Если файлы cookie внешних носителей принимаются, доступ к этому содержимому больше не требует ручного согласия.