МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования

«Ивановский государственный химико-технологический университет»

Факультет неорганической химии и технологии

Кафедра технологии приборов и материалов электронной техники


Учебно-методический комплекс по дисциплине

Оптическая и квантовая электроника
Направление подготовки 210100 Электроника и микроэлектроника

Специальность 210104 Микроэлектроника и твердотельная электроника

Квалификация (степень) Бакалавр, инженер
Форма обучения очная

Составитель: д.х..н., профессор В.И. Светцов.

Иваново, 2011

Дисциплина «ОПТИЧЕСКАЯ И КВАНТОВАЯ ЭЛЕКТРОНИКА» входит цикл общепрофессиональных дисциплин направления 210100 «Электроника и микроэлектроника» и специальности 210104 «Микроэлектроника и твердотельная электроника»

1. Выписка из Государственного образовательного стандарта направления 210100 «Электроника и микроэлектроника» и специальности 210104 «Микроэлектроника и твердотельная электроника»

ОПД. Ф. 10

Квантовая и оптическая электроника: способы описания и характеристики электромагнитного излучения оптического диапазона; физические основы взаимодействия оптического излучения с квантовыми системами; энергетические состояния квантовых систем; оптические переходы, структура спектров; ширина, форма и уширение спектральных линий; оптические явления в средах с различными агрегатными состояниями; усиление оптического излучения; активные среды и методы создания инверсной населенности; насыщение усиления в активных средах; генерация оптического излучения; нелинейно-оптические эффекты; основные типы когерентных и некогерентных источников оптического излучения; физические принципы и основные элементы для регистрации, модуляции, отклонения, трансформации, передачи и обработки оптического излучения.

120

Р А Б О Ч А Я У Ч Е Б Н А Я П Р О Г Р А М М А

По дисциплине ОПТИЧЕСКАЯ И КВАНТОВАЯ ЭЛЕКТРОНИКА.

Курс 3 Семестр 6; Экзамен 6 сем, Зачет - 6 сем.

Всего часов по дисциплине: 120

Аудиторные занятия: 60 часов.

Лекции - 30 час.

Лабораторно-практические занятия 30 час.

Самостоятельная работа - 60 час.

1. ВВЕДЕНИЕ.

1.1.ЦЕЛЬ ПРЕПОДАВАНИЯ ДИСЦИПЛИНЫ:

Изучение физических основ оптической и квантовой электроники, принципов действия приборов, использующих оптические и квантовые эффекты.

1.2.ЗАДАЧИ ИЗУЧЕНИЯ ДИСЦИПЛИНЫ.

Освоение физических основ работы оптоэлектронных, квантовых, твердотельных приборов, методов анализа электронных процессов в приборах и расчета их параметров и характеристик. Выявление связей между принципами работы, параметрами приборов и свойствами материалов, технологическими процессами.

1.3.ТРЕБОВАНИЯ ПО ДИСЦИПЛИНЕ

Выпускник должен: иметь представление:

- об истории, достижениях и тенденциях развития оптической и квантовой электроники;

- о многообразии различных классов электронных приборов;

- о номенклатуре серийно выпускаемых приборов;

- об областях применения приборов квантовой и оптической электроники;

знать и уметь использовать:

- физическую сущность процессов, протекающих в твердых телах, газах и вакууме;

- физические и математические модели процессов и явлений, лежащих в основе принципов действия оптических и квантовых приборов;

- физические принципы работы, возможности, технические характеристики и параметры устройств квантовой и оптической электроники;

иметь навыки (опыт):

- использования стандартной терминологии, определений, обозначений и единиц физических величин в электронике;

- измерения характеристик и параметров, работы с устройствами квантовой и оптической электроники;

2.СОДЕРЖАНИЕ ДИСЦИПЛИНЫ (Учебные модули)
2.1.Модуль 1. Теоретические основы квантовой электроники.

Физика работы и применение основных типов лазеров.

2.1.1. Лекционный материал. 15 часов

Исторические этапы развития квантовой электроники. Энергетические состояния атомов, молекул и твердых тел. Взаимодействие электромагнитного излучения с атомными системами и твердыми телами. Спонтанные и вынужденные переходы, форма и ширина спектральных линий.

Усиление и генерация оптического излучения, методы создания инверсии. Резонаторы оптического диапазона. Активные среды лазеров. Общие особенности и характеристики лазерного излучения.

Твердотельные лазеры, типы, особенности устройства, основные характеристики, области применения.

Газовые лазеры, устройство и принципы работы. Атомные, ионные, молекулярные газовые лазеры. Лазеры на самоограниченных переходах, эксимерные лазеры. Области применения газовых лазеров.

Фотоэлектрические явления и излучательная рекомбинация в полупроводниках. Полупроводниковые лазеры, типы, особенности устройства, основные характеристики, области применения.

Жидкостные лазеры, типы, особенности устройства, основные характеристики, области применения.

2.1.2. Перечень лабораторных работ: 9 часов.

- Исследование спонтанных спектров излучения газов;

- исследование гелий-неонового лазера;

- исследование характеристик и параметров излучения лазера на неодимовом стекле;

- исследование поляризации и когерентности лазерного излучения;

2.1.3. Практические занятия: 6 часов.

- анализ и расчеты взаимодействия электромагнитного излучения с атомными системами и твердыми телами;

- анализ двух, трех и четырех уровневых схем генерации лазерного излучения;

- анализ методов создания инверсной заселенности уровней и расчеты усиления в лазерных системах;

- анализ работы и оценки параметров твердотельных, полупроводниковых, газовых и жидкостных лазеров;

2.1.4. Самостоятельная работа: 15 часов

Обработка и анализ результатов лабораторных работ, подготовка к коллоквиуму, практическим занятиям, письменному экзамену.

2.2. Модуль 2. Основы оптоэлектроники.

2.2.1. Лекционный материал. 15 часов.

Исторические этапы развития оптической электроники. Взаимодействие электромагнитного излучения с атомными системами и твердыми телами. Физические основы оптоэлектроники.

Элементы оптоэлектронных устройств. Источники излучения, полупроводниковые лазеры, светоизлучающие диоды. Фотоприемники. Компоненты оптических схем и световоды. Волоконно-оптические линии связи. Модуляторы, дефлекторы и преобразователи электрических сигналов. Оптические методы обработки информации. Оптические характеристики твердых тел. Механизмы оптического поглощения, влияние внешних воздействий на свойства твердых тел. Отображение информации. Оптоэлектронные датчики и преобразователи. Оптические запоминающие устройства. Основные направления и перспективы развития оптоэлектроники.

2.2.2. Перечень лабораторных работ: 9 часов.

- исследование поглощения и рассеяния излучения твердыми телами;

- исследование параметров и характеристик полупроводниковых приемников излучения;

- исследование параметров и характеристик светодиода;

- исследование волоконно-оптического световода;

- изучение параметров и характеристик оптопары.

2.2.3. Практические занятия. 6 часов.

- анализ и расчеты оптических характеристик твердых тел с учетом внешних воздействий;

- анализ работы, выбор источников и приемников излучения для различных областей спектра.

2.2.4. Самостоятельная работа: 15 часов Обработка и анализ результатов лабораторных работ, подготовка к коллоквиуму, практическим занятиям, письменному экзамену.

3. ФОРМЫ ОТЧЕТНОСТИ:

3.1. Коллоквиумы по блокам лабораторных модулей, всего 2 коллоквиума.

3.2. Контрольные работы - письменные экзамены или тестирование по блокам модулей, всего 2.

3.3. Одна расчетно-аналитическая работа по материалу одного или нескольких модулей в рамках индивидуальной и самостоятельной работы, объем выполнения - 12 часов.

4. ЛИТЕРАТУРА

4.1. Основная литература:

1. Дудкин, В.И.    Квантовая электроника. Приборы и их применение : учеб. пособие для вузов. - М. : Техносфера, 2006. - 432 с.

2. Светцов, В. И. Оптическая и квантовая электроника. Минск: Бел. гос. технол. ун-т, 2010.196 с.

3. Терехов, В.А. Задачник по электронным приборам  .— СПб.: Лань, 2003  .— 278с. (40)

4. Пихтин, А.Н. Оптическая и квантовая электроника  .— М.: Высш.шк., 2001  .— 573с.

5. Светцов, В. И., Холодков,, И. В. Физическая электроника и электронные приборы  .— Иваново, 2008  .— 494 с. (150)

6. Светцов, В. И., Рыбкин, В. В., Титов, В. А. и др. Физическая электроника и электронные приборы. Лабораторный практикум. Иваново, 2001.— 234 с. (56)

4.2. Дополнительная литература:

1. Фридрихов, С.А., Мовнин, С.М. Физические основы электронной техники  .— М.: Высшая школа, 1982  .— 608с. (7)

2. Гусев, В. Г. Электроника и микропроцессор-ная техника . М.: Высш.шк., 2004 .790 с.

3. Торшина, И. П. Компьютерное моделирование оптико-электронных систем первичной обработки информации  .— М.: Логос, 2009  .— 246 с. (1)

4. Розеншер, Э., Винтер, Б. Оптоэлектроника  .— М.: Техносфера, 2004  .— 589 с. (5)

5. Мосс, Т., Баррел, Г., Эллис, Б. Полупроводниковая оптоэлектроника  .— М.: Мир, 1976  .— 432с. (7)

5. ПРИМЕНЕНИЕ ЭВМ:

5.1. Перечень расчетных программ:

- обработка экспериментальных данных, полученных при выполнении лабораторных работ;

5.2. Обучающе-контролирующие системы:

- тренировочные и контрольные тесты по каждому модулю;

- текст лекций с контрольными вопросами для самопроверки.
4. График текущего и промежуточного контроля

ГРАФИК ПРОХОЖДЕНИЯ ЛАБОРАТОРНЫХ И ПРАКТИЧЕСКИХ ЗАНЯТИЙ
Оптическая и квантовая электроника
Модуль 1					Модуль 2
1	2	3	4	5	6	7	8
ВВОДНОЕ ЗАНЯТИЕ	Практическое занятие	Лабораторно-практическое занятие	Лабораторно-практическое занятие	Контрольная работа №1	Лабораторно-практическое занятие	Практическое занятие	Контрольная работа №2, ЗАЧЕТ

Порядок оценки работы студентов по дисциплинам

Семестровая работа оценивается накопительно (с последующим приведением к 50 баллам).
Лабораторная работа (общий балл – 15): Отчёт 10

Защита 5

Контрольная работа (общий балл – 25): Тестирование 10

Решение 2-х задач 10

Теоретический вопрос 5

Самостоятельная расчетная работа – 5

Итого:	Оптическая и квантовая
	количество	балл
Лабораторные	3	45
Контрольная работа	2	50
Индивидуальное задание	1	5
Итого		100

Студент также может получить дополнительные баллы

• 
  за самостоятельную работу (решение домашних задач),
  
• 
  за работу на практических занятиях,
  
• 
  досрочное предоставление отчёта, самостоятельность, проявленную при его оформлении.
  

5. Карта обеспеченности дисциплины учебной и методической литературой

Основная литература

№	Описание	Число экземпляров	Число студентов	ККО
1	Дудкин, В.И.    Квантовая электроника. Приборы и их применение : учеб. пособие для вузов. - М. : Техносфера, 2006. - 432 с.	3	—	—
2	Светцов, В. И. Оптическая и квантовая электроника. Минск: Бел. гос. технол. ун-т, 2010.196 с.	50	—	—
3	Терехов, В.А. Задачник по электронным приборам  .— СПб.: Лань, 2003  .— 278с. (40)	40	—	—
4	Пихтин, А.Н. Оптическая и квантовая электроника  .— М.: Высш.шк., 2001  .— 573с. (19)	19	—	—
5	Светцов, В. И., Холодков,, И. В. Физическая электроника и электронные приборы  .— Иваново, 2008  .— 494 с. (150)	150	—	—
6	Светцов, В. И., Рыбкин, В. В., Титов, В. А. и др. Физическая электроника и электронные приборы. Лабораторный практикум. Иваново, 2001.— 234 с. (56)	56

Дополнительная литература

№	Описание	Число экземпляров	Число студентов	ККО
1	Фридрихов, С.А., Мовнин, С.М. Физические основы электронной техники  .— М.: Высшая школа, 1982  .— 608с. (7)	7	—	—
2	Гусев, В. Г. Электроника и микропроцессор-ная техника . М.: Высш.шк., 2004 .790 с. (20)	20	—	—
3	Торшина, И. П. Компьютерное моделирование оптико-электронных систем первичной обработки информации  .— М.: Логос, 2009  .— 246 с. (1)	1	—	—
4	Розеншер, Э., Винтер, Б. Оптоэлектроника  .— М.: Техносфера, 2004  .— 589 с. (5)	5	—	—
5	Мосс, Т., Баррел, Г., Эллис, Б. Полупроводниковая оптоэлектроника  .— М.: Мир, 1976  .— 432с. (7)	7	—	—
6	Физические величины  .— М.: Энергоатомиздат, 1991  .— 1232с. (6)	6	—	—

6. Перечень практических занятий по дисциплине и программа их проведения

6.1. Цели и общая схема проведения практического занятия. Программа проведения практических занятий.

Цель практических занятий – закрепление теоретического материала и выработка у студентов умения решать задачи по практическим аспектам учебной дисциплины.

В соответствии с рабочей программой на практические занятия отводится 9 часов – по 3 часа на каждый модуль дисциплины. На первом занятии преподаватель доводит до студентов порядок и график проведения занятий, максимальное количество баллов, которое может набрать студент по каждому модулю в соответствии с принятой в университете рейтинговой системой со 100-балльной шкалой оценок

Практические занятия по дисциплине строятся следующим образом:

1. 
   Вводная преподавателя (цели занятия, основные вопросы, которые должны быть рассмотрены).
   
2. 
   Беглый опрос.
   
3. 
   Решение 1-2 типовых задач у доски. (1 час на п.п. 1 – 3).
   
4. 
   Самостоятельное решение задач. (1 час).
   
5. 
   Разбор типовых ошибок при решении, объявление оценок по модулю (1 час).
   

Задания и задачи для самостоятельного решения на практическом занятии могут быть дифференцированы по степени сложности. При этом можно использовать два пути:

1. 
   Давать определенное количество задач для самостоятельного решения, равных по трудности, а оценку ставить за количество решенных за определенное время задач.
   
2. 
   Выдавать задания с задачами разной трудности и оценку ставить за трудность решенной задачи.
   

По результатам самостоятельного решения задач следует выставлять по каждому занятию оценку. Оценка предварительной подготовки студента к практическому занятию может быть сделана путем экспресс-тестирования (тестовые задания закрытой формы) в течение 5, максимум - 10 минут. Таким образом, на каждом занятии каждому студенту выставляются по крайней мере две оценки.

6.2. Перечень практических занятий.

Тематика практических занятий соответствует названиям модулей дисциплины, основные вопросы, выносимые на практические занятия, приведены в рабочей программе дисциплины.

7. Комплект заданий и задач для практических занятий

При проведении практических занятий используются задания и задачи из пособий, указанных в карте обеспеченности.

8. Перечень лабораторных занятий по дисциплине и порядок их проведения

8.1. Порядок прохождения лабораторного практикума

Лабораторный практикум выполняется в соответствии с графиком и календарным планом, составляемым на каждый учебный год. По дисциплине "Вакуумная и плазменная электроника" объем лабораторного практикума составляет 21 час и студенты выполняют 4 - 6 лабораторных работ в зависимости от их сложности (1 - 2 работы по каждому модулю). Описания всех возможных лабораторных работ приведены в лабораторном практикуме [5]. Каждая лабораторная работа выполняется, как правило, индивидуально. Допускается выполнение отдельных лабораторных работ бригадами в составе не более двух студентов.

На первом, вводном занятии до студентов доводится содержание и календарный план проведения практикума, Указывается число баллов, которое может набрать студент при выполнении лабораторного практикума в соответствии с действующей в вузе рейтинговой системой со 100-балльной шкалой оценок, проводится инструктаж по технике безопасности при выполнении работ с оформлением в соответствующем журнале. На этом же занятии преподаватель выдает задания по лабораторным работам первого модуля.

Лабораторные работы выполняются в соответствии с модулями, указанными в рабочей программе. По завершении каждого модуля проводится итоговое занятие, на котором обсуждаются результаты его выполнения и выдаются задания по работам следующего модуля. Итоговое занятие по последнему модулю завершает лабораторный практикум в целом.

Перед каждой лабораторной работой студент сдаёт краткий коллоквиум, отражающий уровень предварительной подготовки к вы­полнению работы. Коллоквиум проводится в виде устного собеседования с преподавателем или путем тестирования на ПЭВМ.

В процессе выполнения работы студент

а) изучает по литературным данным параметры и характеристи­ки исследуемого прибора или макета, обращая особое внимание на предельно эксплуатационные параметры;

б) составляет план проведения эксперимента, оценивает интервал изменения измеряемых величин, выбирает количество характеристик, подлежащих измерению и число точек на кривых, обращая особое внимание на возможные немонотонности в их ходе, согласует план работы с преподавателем;

в) изучает экспериментальную установку, собирает (если нуж­но) измерительную схему, знакомится с правилами эксплуатации всех её элементов и электрорадиоизмерительных приборов;

г) готовит установку к работе и проверяет правильность подготовки у преподавателя или дежурного инженера;

д) включает нужные приборы и выполняет запланированный объ­ем измерений, обращая внимание на воспроизводимость результатов. Все экспериментальные данные и показания приборов заносятся в рабочий журнал без каких-либо пересчетов или преобразований в уме;

е) проводит предварительную обработку результатов экспери­мента и сравнивает их с ожидаемыми. Предъявляет полученные данные преподавателю или дежурному инженеру;

ж) выключает установку и сдает ее дежурному инженеру.

Все данные, полученные в ходе работы, записываются в рабочий лабораторный журнал. Рабочий журнал по лабораторному практикуму ведется в отдельной тетради. По каждой лабораторной работе в журнал заносятся:

- название работы;

- задание на выполнение работы;

- план работы;

- схема установки;

- первичные экспериментальные данные в виде таблиц без каких-либо пересчетов или преобразований;

- результаты предварительной обработки данных в объеме, необходимом для определения их полноты и надежности.

По окончании работы лабораторный журнал подписывается преподавателем.

По итогам каждой лабораторной работы оформляется отчет, ко­торый сдается преподавателю на следующем после выполнения данной работы занятии.

Отчет должен включать:

- краткое теоретическое введение, отражающее устройство, принцип действия и назначение исследуемого прибора;

- задание на выполнение работы;

- план проведения эксперимента;

- схему установки и ее краткое описание;

- результаты и их обсуждение, в том числе анализ погрешности эксперимента, методику обработки результатов,

-теоретические расчеты, анализ полученных данных и срав­нение их с литературными;

-выводы;

- список использованной литературы.

По итогам каждой лабораторной работы преподаватель выставля­ет оценку, учитывающую предварительную подготовку, объем и ка­чество экспериментальной части работы, глубину обсуждения ре­зультатов и качество отчета.

"Удовлетворительно" выставляется при выполнении работы по стандартной схеме и удовлетворительном знании основных законо­мерностей изучаемого явления.

"Хорошо" выставляется при наличии творческого, тщательно продуманного плана работы, качественного выполнения эксперимен­тальной части, детального анализа полученных результатов и хоро­ших знаний изучаемого вопроса.

"Отлично" требует нестандартного подхода к выполнению рабо­ты, включения в нее элементов исследования, машинной обработки результатов.

Каждая из полученных студентом оценок в конечном итоге вли­яет на итоговую оценку по предмету.

8.2. Перечень лабораторных работ по каждому модулю курса приведен в рабочей программе и в лабораторном практикуме [5].

9. Перечень лабораторного оборудования и оргтехники, используемых при проведении лабораторного практикума

При проведении лабораторного практикума используется дисплейный класс кафедры (10 ПЭВМ типа Pentium), а так же стенды и установки для исследования

- спонтанных спектров излучения газов;

- гелий-неонового лазера;

- характеристик и параметров излучения лазера на неодимовом стекле;

- поляризации и когерентности лазерного излучения;

- поглощения и рассеяния излучения твердыми телами;

- параметров и характеристик полупроводниковых приемников излучения;

- параметров и характеристик светодиода;

- волоконно-оптического световода;

- параметров и характеристик оптопары.

Перечень оборудования на каждой установке приводится в описаниях к лабораторным работам [5].

10. Комплект заданий для самостоятельной работы, тематика рефератов по дисциплине

Самостоятельная работа по дисциплине организуется следующим образом:

• 
  выполнение домашних расчетных или расчетно-аналитических заданий, приведенных в учебных пособиях . Для самостоятельной работы используются задания и задачи, приведенные в перечисленных ниже учебных пособиях:
  

1. В.И. Светцов. Вакуумная и газоразрядная электроника. Иваново, изд. ИГХТУ, 2003 г.

2. В.И. Светцов. Оптическая и квантовая электроника. Минск, 2000 г., 112 с., изд. ИГХТУ. 2002 г., 112 с.

3. И.В. Холодков, А.М. Ефремов, В.И. Светцов. Твердотельная электроника. Иваново, Изд. ИГХТУ, 2004 г., 196 с.

4. Денискин Ю.Д. и др. Сборник вопросов по курсу "Электронные приборы":Учеб.пособие для вузов/ Денискин Ю.Д.,А.А.Жигарев,И.Ф.Некрасова;.-М.:Энергия,1972.-296 с.

5. Германюк В.Н. Сборник задач по электровакуумным полупроводниковым приборам: Учеб.пособие. - 2-е изд., доп. -М.: Высш.шк., 1973. 126 с.

6. В.А. Терехов. Задачник по электронным приборам. Учебное пособие. СПб, Лань, 2003, 278 с.

или выдаваемых преподавателем индивидуально.

• 
  Поиск данных в Интернет для пополнения имеющейся на кафедре базы. Преподаватель указывает тип прибора и перечень необходимых сведений о приборе.
  
• 
  Написание реферата. Примерная тематика рефератов приведена ниже. При подготовке реферата рекомендуется использовать современную периодическую литературу и специализированные сайты Интернет.
  

Примерная тематика рефератов:

- лазеры на самоограниченных переходах;

- эксимерные лазеры;

- физика работы и применение лазеров на двуокиси углерода;

- лазеры в медицине;

- свойства лазерного излучения;

- полупроводниковые лазеры;

- технологические применения лазеров;

- волоконно-оптические линии связи;

- волоконно-оптические кабели;

- электролюминесцентные экраны;

- жидкокристаллические экраны;

- плазменные экраны;

- голография.

11. Комплект контрольно-измерительных материалов для текущего, промежуточного и итогового контроля

Контроль знаний студентов на всех этапах осуществляется путем компьютерного тестирования. Комплект тестовых заданий по дисциплине состоит из 100 заданий – в основном закрытого типа. Выдаваемый каждому студенту индивидуальный тест включает 20 заданий по каждому модулю и генерируется с помощью специальной программы. Время проведения тестирования рассчитывается исходя из двух минут на одно задание.

12. Программа использования инновационных технологий в преподавании дисциплины

1. По дисциплине имеется электронный гипертекстовый учебник, предназначенный для самостоятельной работы студентов. Учебник позволяет после изучения каждого раздела проводить самоконтроль по тестовым заданиям. В случае неверного ответа студент отсылается к той части теоретического курса, который ему необходимо дополнительно проработать.

2. В обучении используется база данных по квантовым и оптоэлектронным приборам, созданная на кафедре. Студенты активно привлекаются к пополнению этой базы с использованием сети Интернет.

3. Сформирован банк тестовых заданий по дисциплине, который используется для самоподготовки студентов, а так же при текущем, промежуточном и итоговом контроле по дисциплине.

4. При выполнении заданий на самостоятельную работу студенты могут использовать имеющиеся в дисплейном классе кафедры расчетные и моделирующие программы.

5. При подготовке отчетов по лабораторным работам студенты проводят обработку результатов эксперимента необходимые расчеты на ПЭВМ.

6. Отдельные лабораторные работы могут выполняться непосредственно на ПЭВМ, практикуется сочетание натурного и виртуального экспериментов. Последний подход позволяет освоить практические измерения и получить большое количество данных в процессе моделирования.