МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение

высшего профессионального образования

«Нижегородский государственный университет им. Н.И. Лобачевского»

Радиофизический факультет

Кафедра квантовой радиофизики

УТВЕРЖДАЮ

Декан радиофизического факультета
____________________Якимов А.В.

«18» мая 2011 г.

Учебная программа
Дисциплины М2.Р4 «Оптика инфракрасного диапазона»
по направлению 011800 «Радиофизика»
магистерская программа «Квантовая радиофизика и лазерная физика»

Нижний Новгород

2011 г.

1. Цели и задачи дисциплины

Содержание дисциплины направлено на подготовку специалистов по магистерской программе «Квантовая радиофизика и лазерная физика».

Она базируется на знаниях студентов, приобретенных в курсах общей физики, математического анализа, дифференциальных уравнений, квантовой радиофизики и оптоэлектроники. В лекционном курсе рассматриваются основы физики и техники современных оптических устройств, работающих в инфракрасном диапазоне длин волн и особенностях их использования в различных измерительных и метрологических системах.

Цель курса - сформировать у студентов современное представление о современной оптоэлектронной элементной базе инфракрасного диапазона длин волн.

Особое внимание уделяется изучению инфракрасных энергетических спектров молекулярных соединений, источников лазерного ИК-излучения, являющихся основой современных систем волоконной и интегральной оптики, а также фотоприемным устройствам и линиям передачи оптической информации в данном диапазоне частот.

Задачи дисциплины: заложить теоретические основы для понимания физических принципов работы устройств ИК-оптики, техники спектроскопических измерений в данном диапазоне и построения спектральных приборов на их основе.
2. Место дисциплины в структуре магистерской программы

Дисциплина «Оптика инфракрасного диапазона» относится к дисциплинам вариативной части профессионального цикла основной образовательной программы по направлению 011800 «Радиофизика».

3. Требования к уровню освоения содержания дисциплины

В результате освоения дисциплины формируются следующие компетенции:

• 
  способностью использовать базовые знания и навыки управления информацией для решения исследовательских профессиональных задач, соблюдать основные требования информационной безопасности, защиты государственной тайны (ОК-l0);
  
• 
  способность к свободному владению знаниями фундаментальных разделов физики и радиофизики, необходимыми для решения научно-исследовательских задач (в соответствии со своим профилем подготовки) (ПК-1);
  
• 
  способность к свободному владению профессионально-профилированными знаниями в области информационных технологий, использованию современных компьютерных сетей, программных продуктов и ресурсов Интернет для решения задач профессиональной деятельности, в том числе находящихся за пределами профильной подготовки (ПК-2);
  
• 
  способность использовать в своей научно-исследовательской деятельности знание современных проблем и новейших достижений физики и радиофизики (ПК-3);
  
• 
  способность самостоятельно ставить научные задачи в области физики и радиофизики (в соответствии с профилем подготовки) и решать их с использованием современного оборудования и новейшего отечественного и зарубежного опыта (ПК-4).
  

В результате изучения студенты должны:

Знать

• 
  основы теории спектрального анализа в инфракрасном диапазоне.
  
• 
  методы измерения спектральных характеристик для ИК-диапазона.
  
• 
  физические принципы формирования основных лазерных сред, используемых для когерентных источников ИК-оптики, и других устройств квантовой электроники, применяемых в современных информационных системах.
  

Уметь

• 
  проводить анализ оптических ИК-систем анализа, передачи и обработки информации.
  
• 
  применять методы расчета основных характеристик спектральных приборов.
  

Иметь представление (навыки)

• 
  об основных определениях и понятиях классической спектроскопии и элементной базе ИК-оптики.
  

4.Объем дисциплины и виды учебной работы

Общая трудоемкость дисциплины составляет 3 зачетные единицы, 108 часов.

Виды учебной работы	Всего часов	Семестры
Общая трудоемкость дисциплины	108	10
Аудиторные занятия	32	32
Лекции	32	32
Практические занятия (ПЗ)	0	0
Семинары (С)	0	0
Лабораторные работы (ЛР)	0	0
Другие виды аудиторных занятий	0	0
Самостоятельная работа	40	40
Курсовой проект (работа)	0	0
Расчетно-графическая работа	0	0
Реферат	0	0
Другие виды самостоятельной работы	0	0
Вид итогового контроля (зачет, экзамен)	экзамен (36)	экзамен (36)

5. Содержание дисциплины

5.1. Разделы дисциплины и виды занятий

№п/п	Раздел дисциплины	Лекции	ПЗ (или С)	ЛР
1	Введение. Специфика ИК-диапазона.	2
2	Колебательно-вращательные спектры молекулярных соединений	5
3	Источники излучения в ИК-диапазоне	5
4	Системы регистрации излучения в ближнем и среднем ИК-спектре	4
5	Волоконная оптика среднего ИК-диапазона.	4
6	Лазерная спектроскопия инфракрасного диапазона	5
7	Прикладные задачи ИК-оптики	5
8	Современная элементная база ИК-оптики. Направления дальнейшего развития.	2

5.2. Содержание разделов дисциплины

Раздел 1. Введение. Специфика ИК-диапазона.

Метрология оптического диапазона частот. Специфика ИК-систем. ИК-оптика в «долазерную» эпоху. Тепловые излучатели. История вопроса развития инфракрасных систем.

Раздел 2. Колебательно-вращательные спектры молекулярных соединений.

Квантово-механические основы расчета молекулярных спектров. Колебательная и вращательная структура энергетических спектров молекулярных соединений. Особенности спектров поглощения газовых сред в атмосфере.

Раздел 3. Источники излучения в ИК-диапазоне.

Излучение черного тела. Распределение планка. Спектры излучения термодинамически равновесных источников. Источники сплошного спектра. Лазерные источники ИК-излучения. Твердотельные активные среды. Полупроводниковые лазеры ближнего ИК-диапазона на основе межзонных переходов. Квантовые каскадные лазеры среднего ИК-диапазона. Материалы для активных сред лазеров ИК-диапазона. Параметрические генераторы света в ИК-области спектра. Прохождение и рассеивание ИК оптического излучения.

Раздел 4. Системы регистрации излучения в ближнем и среднем ИК-спектре.

Классификация приемников излучения, их параметры и характеристики. Приемники излучения на основе внутреннего и внешнего фотоэффекта – физические основы и принцип работы. Фотодиоды, фоторезисторы, ФЭУ. Многокомпонентные приемники излучения. Полупроводниковые материалы, используемые в ИК-приемных системах. Тепловые приемники излучения (термоэлементы, пироэлектрические системы, оптико-акустические преобразователи).

Раздел 5. Волоконная оптика среднего ИК-диапазона.

Физические основы распространения электромагнитных волн в волоконных световодах (ВС). Волновая модель распространения электромагнитных волн в ВС. Физические причины затухания в волокнах. Оптическое поглощение в регулярных и нерегулярных ВС. Сравнение характеристик каналов радио, СВЧ- и оптического диапазона. Особенности передачи оптической информации в среднем ИК-диапазоне. Современные типы волоконных световодов ИК-диапазона и их характеристики.

Раздел 6. Лазерная спектроскопия инфракрасного диапазона.

Физические процессы релаксации возбуждения атомов, молекул среды. Аппаратура и элементная база для проведения спектральных измерений в ИК-области спектра. Источники когерентного излучения, перестраиваемые по частоте. Особенности использования лазерных диодов в абсорбционной спектроскопии. Решеточные спектрометры ИК-диапазона. Основные методы линейной лазерной спектроскопии. Интерференционная спектроскопия с Фурье-преобразованием. Флуоресцентный метод спектроскопических исследований. Оптико-акустическая спектроскопия.

Раздел 7. Прикладные задачи ИК-оптики.

Мониторинг атмосферы и промышленных отходов методами ИК-оптики. Применение инфракрасной спектроскопии в медицине и фармакологии. Инфракрасные спектры в исследовании углеводородов. Промышленные инфракрасные проточные анализаторы

Раздел 8. Современная элементная база ИК-оптики. Направления дальнейшего развития.
6. Лабораторный практикум.

Не предусмотрен.

7. Учебно-методическое обеспечение дисциплины

7.1. Рекомендуемая литература.

а) основная литература:

1. 
   Источники и приемники излучения Уч.пособие для вузов С.Пб. «Политехника», 1991 г.
   
2. 
   Сорокин Ю.М., Ширяев В.С. Оптические потери в световодах. Н.Новгород: Изд-во ННГУ, 2000 г. 324 с.
   
3. 
   Лазерная и когерентная спектроскопия (под ред. Дж.Стейнфелда) / М. «Мир», 1982, 630с.
   
4. 
   Бэлл Р. Дж. Введение в Фурье – спектроскопию. М. Мир, 1975, 280 стр.
   
5. 
   А.А.Андронов, Н.Г.Захаров, А.В.Маругин, А.П.Савикин «Новые источники и приемники ИК и терагерцового диапазона» // Учебно-методическое пособие. Н.Новгород, ННГУ, 2007, 95с.
   

8. Вопросы для контроля

1. 
   Обосновать выбор материалов для отражающих и преломляющих элементов видимого диапазона и ИК оптики
   
2. 
   Нарисовать качественную зависимость потенциальной энергии двухатомной молекулы от расстояния между атомами для основного и первых двух возбуждённых электронных состояний атомов. Указать на ней колебательные уровни, характерные масштабы по энергии ( в см ^–1) и расстоянию и область, где колебательный спектр можно считать эквидистантным.
   
3. 
   Нарисовать и обосновать характер равновесной заселённости колебательных и вращательных уровней энергии двухатомной молекулы при Т10³К. Что изменится для многоатомной молекулы?
   
4. 
   Найти положение максимума заселённости вращательного спектра двухатомной молекулы.
   
5. 
   Получить выражение для заселённости колебательных уровней энергии молекулы.
   
6. 
   Перечислить факторы, препятствующие созданию эффективных полупроводниковых лазеров и фотоприемников в среднем ИК-диапазоне.
   
7. 
   Почему в лазерах, работающих на молекулярных переходах, используют полированные металлические зеркала, а в лазерах, работающих на электронных переходах, – диэлектрические?
   
8. 
   Почему одним из компонентов для инжекционных длинноволновых лазерных диодов обычно является свинец? Излучение какого диапазона можно получить в подобных материалах?
   
9. 
   Принцип действия каскадных лазеров и их частотный диапазон
   
10. 
    Отличается ли ширина квантовых ям во внутризонных каскадных лазерах? По схеме какого типа (3,4-уровневой) они работают? Какое условие на расстояние между лазерными уровнями необходимо выполнить для эффективной работы лазера?
    
11. 
    Характерные особенности работы фотодиода в фотогальваническом и фотодиодном режимах.
    
12. 
    Перечислить и обосновать выбор материалов для изготовления волоконных световодов для среднего ИК-диапазона.
    

9. Критерии оценок

Превосходно	Превосходное знание учебного материала.
Отлично	Отличное знание учебного материала.
Очень хорошо	Очень хорошее знание учебного материала.
Хорошо	Хорошее знание учебного материала.
Удовлетворительно	Удовлетворительное знание учебного материала.
Неудовлетворительно	Плохое, недостаточное знание учебного материала.
Плохо	Отсутствие знаний.

10. Примерная тематика курсовых работ и критерии их оценки

Не предусмотрена.

Программа составлена в соответствии с Государственным образовательным стандартом по направлению 011800 «Радиофизика».

Автор программы _________________ Маругин А.В.

Программа рассмотрена на заседании кафедры 31 января 2011 г. протокол № 01-11

Заведующий кафедрой ___________________ Андронов А.А.

Программа одобрена методической комиссией факультета 11 апреля 2011 года

протокол № 05/10

Председатель методической комиссии _________________ Мануилов В.Н.