СОФИЙСКИ УНИВЕРСИТЕТ "СВ. КЛИМЕНТ ОХРИДСКИ"
ФИЗИЧЕСКИ ФАКУЛТЕТ
КАТЕДРА "КВАНТОВА ЕЛЕКТРОНИКА"

Учебна програма на курса
„Лазерна физика: основи”

Хорариум: 45 + 0 + 0 = 45 часа

Кредити (ECTS): 3,0

Лектор: проф. дфзн Александър Драйшу

Анотация:

Курсът е едносеместриален, с хорариум от 3 часа лекции седмично или общо 45 часа. Задължителен е за студентите от БС “Фотоника и лазерна физика” и е изборен за всички други бакалавърски специалности. Естествено негово продължение е курсът “Лазерна физика: Видове лазери”. Материалът е изложен в следните главни раздели:

- процеси на взаимодействие на светлината с веществото;

- условия и явления при кохерентното усилване на светлина;

- оптични резонатори за лазери;

- основни режими на работа на лазерите.

Първият раздел дава основните познания за елементарните актове на взаимодействие на светлината с веществото. Въз основа на горното се разглеждат и обобщават макроявленията поглъщане и усилване на светлина. Така в края на втория раздел логично се стига до идеята, стояща в основата на оптичните квантови генератори. Третият раздел разглежда оптичните резонатори в светлината на ролята и използването им в областта на квантовата електроника. Предмет на изучаване са основните типове оптични резонатори, като първоначално само феноменологично, а с навлизането в материала детайлно се описва и извежда конфигурацията на светлинното поле в отделните типове оптични резонатори. В края на раздела се обсъждат техниките за селекция на модове. Четвъртият раздел запознава с различните режими на работа на лазерите. Започвайки с режима с непрекъснато действие последователно се описват импулсния режим на свободна генерация, режима на модулация на доброкачественотта на резонатора и режима на синхронизация на модовете. Разглеждания са подкрепени с конкретни примери. На студентите се предоставя, в електронен вид, пълен комплект от записки по лекциите.

Курсът е подходящ за всички студенти, за които познаването на физичните процеси и използването на лазери в една или друга област ще бъде от значение.

При изпита студентът развива писмено две теми, след което излага устно написаното. Ако изпитът се провежда дистанционно, студентът получава тест с около 75 въпроса. В зависимост от представянето му, на студента се поставят от два до пет допълнителни въпроса, на които той отговаря устно. Оценката се поставя въз основа на следните критерии:

- 3 - при овладяване единствено на главните физични идеи;

- 4 - при овладяване на основните физични идеи и добро познаване на съществената част от фактологичния материал;

- 5 - при овладяване на основните физични идеи,и много добро познаване на фактологичния материали решена задача;

- 6 - при овладяване на основните физични идеи, отлично познаване на фактологичния материал, решена задача и правилни отговори на допълнителните въпроси.

Предварителни изисквания:

Изслушани курсове по: Математически анализ / Математика, Математични методи на физиката, Обща физика.

Програма на курса:

1. Спонтанни и принудени преходи, коефициенти на Айнщайн. Термодинамично извеждане на връзките между коефициентите на Айнщайн. (3 часа)
2. Форма и ширина на спектралната линия. Еднородно и нееднородно разширение. Примери за еднородно разширение на спектралната линия. Примери за нееднородно разширение на спектралната линия. (3 часа)
3. Поглъщане и усилване на светлина. Инверсна населеност. Насищане на поглъщането и усилването при еднородно и при нееднородно разширение на спектралната линия. (3 часа)
4. Създаване на инверсна населеност в системи с три състояния чрез оптично възбуждане. Създаване на инверсна населеност в системи с четири състояния чрез оптично възбуждане. Други процеси, използвани за възбуждане на активната среда. (4 часа)
5. Оптични резонатори: роля, определение и конструкция. Модове на оптичните резонатори. Резонатор на Фабри-Перо. Доброкачественост и загуби. Основни видове загуби. Устойчиви и неустойчиви резонатори. (4 часа)
6. Теория на Фокс и Ли за описание на оптичните резонатори. Дифракционен интеграл на Кирхоф-Хюйгенс. Итерационен метод на Фокс и Ли. (2 часа)
7. Теория на Фокс и Ли за описание на оптичните резонатори. Анализ на обобщен сферичен резонатор. Анализ на конфокален резонатор. (3 часа)
8. Неустойчиви резонатори. Вълнови фронтове и напречно разпределение на полето. Загуби. Конфокални неустойчиви резонатори. Предимства и недостатъци. (3 часа)
9. Гаусови светлинни снопове. Параметри и разпространение. Висши гаусови светлинни снопове. Супергаусови светлинни снопове. (3 часа)
10. Основни свойства на лазерното лъчение. Монохроматичност. Кохерентност. Насоченост. Яркост. Ефективна температура на лазера, разглеждан като абсолютно черно тяло. (2 часа)
11. Методи за селекция на модовете. Селекция на напречните модове. Селекция на надлъжните модове. (2 часа)
12. Взаимодействие между модовете при насищане на усилването. Взаимодействие между модовете при възникване на пространствени провали на инверсната населеност. Придърпване на честотите. (2 часа)
13. Стационарен режим на работа на лазера. Прагово условие за генерация. Насищане на усилването и равновесие между усилване и загуби. (2 часа)
14. Импулсен режим на работа на лазера. Режим на свободна генерация - пулсации и релаксация. Режим на модулация на доброкачествеността на резонатора. (3 часа)
15. Режим на синхронизация на модовете. Методи за синхронизиране на модовете - активно, пасивно, синхронно напомпване. Лазери със синхронизирани модове. (3 часа)
16. Генерация на фемтосекундни импулси. Синхронизация на модовете при лазери със сблъскващи се импулси. Фазова самомодулация и компресия на светлинни импулси във времето. Усилване на свръхкъси импулси. Измерване на продължителността на къси светлинни импулси. (3 часа)

Формата на контрол е: изпит

Основна литература:

1. O. Svelto, “Principles of Lasers”, 5th Ed, Springer (2002) и всички следващи издания.
2. A. E. Siegman, “Lasers”, University Science Books, MillValey, California CA94941.

Допълнителна литература:

1. М. Ненчев, С.Салтиел, "Лазерна техника", Изд. "Наука и изкуство" и Изд. на СУ "Св.Кл.Охридски" (1994).
2. Л. В. Тарасов, “Физические основы квантовой электроники”, Советское радио, Москва (1976).
3. Н. В. Карлов, “Лекции по квантовой электронике”, Наука, Москва (1988).

Съставил програмата: проф. дн Александър Драйшу

25.01.2021 г.

Вашите коментари изпращайте тук

2021-05-20