МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РФ

МОСКОВСКИЙ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЙ ИНСТИТУТ

(ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ)
ИНСТИТУТ ТЕПЛОВОЙ И АТОМНОЙ ЭНЕРГЕТИКИ (ИТАЭ)
___________________________________________________________________________________________________________


Направление подготовки: 140700 Ядерная энергетика и теплофизика

Профиль(и) подготовки: Нанотехнологии и наноматериалы в энергетике

Квалификация (степень) выпускника: бакалавр

Форма обучения: очная

РАБОЧАЯ ПРОГРАММА УЧЕБНОЙ ДИСЦИПЛИНЫ

«КВАНТОВАЯ И ОПТИЧЕСКАЯ ЭЛЕКТРОНИКА»

Цикл:	профессиональный
Часть цикла	по выбору
№ дисциплины по учебному плану:	ИТАЭ; Б3.18.1
Часов (всего) по учебному плану:	216
Трудоемкость в зачетных единицах:	6	7 семестр – 6
Лекции	36 часов	7 семестр
Практические занятия	18 часов	7 семестр
Лабораторные работы	18 часов	7 семестр
Расчетные задания, рефераты	18 часов самостоят. работы	7 семестр
Объем самостоятельной работы по учебному плану (всего)	144 часа	7 семестр
Экзамены	27 часов	7 семестр
Курсовые проекты (работы)	-	-

Москва - 2010

1. ЦЕЛИ И ЗАДАЧИ ОСВОЕНИЯ ДИСЦИПЛИНЫ

Целью дисциплины является изучение основ квантовой электроники и оптики, современных основ фотоники, физики и технологий лазеров их использования в различных приложениях

По завершению освоения данной дисциплины студент способен и готов:

• 
  понимать процессы в устройствах квантовой электроники и фотоники;
  
• 
  знать классификацию лазерных систем и направления их использования;
  
• 
  самостоятельно работать, принимать решения в рамках своей профессиональной деятельности (ОК-7);
  
• 
  анализировать различного рода рассуждения, публично выступать, аргументировано вести дискуссию и полемику (ОК-12);
  
• 
  анализировать научно-техническую информацию, изучать отечественный и зарубежный опыт по тематике исследования (ПК-6);
  
• 
  принимать и обосновывать конкретные технические решения при работе с лазерными системами (ПК-10);
  
• 
  использовать информацию о новых технологических процессах и новых видах технологического лазерного оборудования оборудования (ПК-17).
  

Задачами дисциплины являются

• 
  познакомить обучающихся с основами физики и технологиями квантовой электроники и фотоники;
  
• 
  дать информацию о типах лазерных систем и материалов, особенностях их использования в различных направлениях биологии, медицины, промышленности и нанотехнологиях;
  

• 
  научить принимать и обосновывать конкретные технические решения при последующем конструировании элементов систем, связанных с квантовой электроникой и оптикой.
  

2. МЕСТО ДИСЦИПЛИНЫ В СТРУКТУРЕ ООП ВПО

Дисциплина относится к вариативной части профессионального цикла Б.3 основной образовательной программы подготовки бакалавров по профилю «Нанотехнологии и наноматериалы в энергетике» направления 140700 Ядерная энергетика и теплофизика.

Дисциплина базируется на следующих дисциплинах: Физика (общая), Математика, Химия (общая), Квантовая механика, Прикладная физика.

Знания, полученные по освоению дисциплины, необходимы при выполнении бакалаврской выпускной квалификационной работы и изучении дисциплин "Физико-химия наночастиц и наноматериалов», "Методы и приборы для изучения, анализа и диагностики наночастиц и наноматериалов", выполнении курсовых работ, а также программы магистерской подготовки.

3. РЕЗУЛЬТАТЫ ОСВОЕНИЯ ДИСЦИПЛИНЫ

В результате освоения учебной дисциплины обучающиеся должны демонстрировать следующие результаты образования:

Знать:

• 
  основные источники научно-технической информации по материалам в квантовой электронике и оптике, фотонике (ОК-7, ПК-6);
  
• 
  технологию изготовления основных элементов лазерных и других квантово-оптических систем (ПК-10);
  
• 
  материалы, применяемые в квантовой и оптической электронике, знать их классификацию и маркировку (ПК-10);
  
• 
  источники научно-технической информации (журналы, сайты Интернет) по физическим процессам и технологиям в элементах квантовой и оптической электроники (ПК-17).
  

Уметь:

• 
  самостоятельно проводить расчеты простейших устройств квантовой электроники;
  
• 
  самостоятельно проводить измерения отдельных характеристик систем квантовой электроники (ПК-1);
  
• 
  осуществлять поиск и анализировать научно-техническую информацию и выбирать необходимые материалы (ПК-6);
  
• 
  подбирать конструкционные материалы для изготовления основных элементов лазерных и других устройств квантовой и оптической электроники (ПК-10);
  
• 
  анализировать информацию о новых технологиях изготовления основных элементов квантовой электроники и оптики (ПК-17).
  

Владеть:

• 
  навыками дискуссии по профессиональной тематике (ОК-12);
  
• 
  терминологией в области квантовой и оптической электроники (ОК-2);
  
• 
  навыками поиска информации о параметрах устройств и процессов квантовой и оптической электроники (ПК-6);
  
• 
  информацией о технических параметрах устройств и процессов квантовой и оптической электроники (ПК-17 );
  
• 
  навыками применения полученной информации при проектировании устройств и процессов квантовой и оптической электроники (ПК-6).
  

4. СТРУКТУРА И СОДЕРЖАНИЕ ДИСЦИПЛИНЫ

4.1 Структура дисциплины

Общая трудоемкость дисциплины составляет 6 зачетных единиц, 216 часов.

№ п/п	Раздел дисциплины. Форма промежуточной аттестации (по семестрам)	Всего часов на раздел	Семестр	Виды учебной работы, включая самостоятельную работу студентов и трудоемкость (в часах)				Формы текущего контроля успеваемости (по разделам)
				лк	пр	лаб	сам.
1	2	3	4	5	6	7	8	9
1	Понятие об электромагнитном поле. Описание и основные характеристики. Уравнения Максвелла в вакууме. Основные величины и физическая трактовка. Описание электромагнитного поля с помощью потенциалов. Понятие о калибровке потенциалов.	16	16	4	1	1	10	Контрольный опрос
2	Закон сохранения энергии электромагнитного поля. Вектор Пойнтинга. Генерация электромагнитных волн. Излучение диполя. Гармонические колебания диполя и направленность излучения. Радиационное затухание колебаний диполя.	16	16	4	1	1	10	Контрольный опрос
3	Распространение электромагнитного поля в вакууме. Плоские электромагнитные волны в вакууме. Монохроматические плоские электромагнитные волны в вакууме. Поляризация монохроматических плоских электромагнитных волн. Эллиптическая, круговая и линейная поляризации электромагнитных волн. Немонохроматическое электромагнитное поле. Естественная поляризация.	16	16	4	1	1	10	Контрольный опрос
4	Интерференция электромагнитных волн. Интерференция монохроматических волн. Интерференция электромагнитных волн на плоскопараллельной пластине. Интерферометр Майкельсона. Принцип работы и основные свойства. Интерферометр Фабри-Перо. Принцип работы и основные свойства.	14	14	2	1	1	10	Контрольный опрос; защита лабораторной работы
5	Дифракция электромагнитного поля. Принцип Гюйгенса. Дифракция плоской электромагнитной волны на плоской щели и круглом отверстии. Ближняя и дальняя зоны дифракции.	10	10	2	1	1	6	Контрольный опрос
6	Источники электромагнитного поля. Нелазерные и лазерные источники. Излучение ансамбля диполей. Статистика излучения ансамбля независимых осцилляторов.	12	12	2	1	1	8	Контрольный опрос
7	Квантовая природа электромагнитного поля. Понятие о фотонах. Описание квантового электромагнитного поля. Фотоны и их характеристики. Числа заполнения. Когерентные источники электромагнитного поля. Основные характеристики.	12	12	2	1	1	8	Контрольный опрос
8	Спонтанное и вынужденное излучение в квантовой системе. Система с двухуровневыми энергетическими состояниями; спонтанное и вынужденное поглощение и испускание. Коэффициенты Эйнштейна и их трактовка. Инверсная населенность и ее основные свойства	14	14	4	1	1	8	Контрольный опрос
9	Оптические резонатор и его основные свойства. Понятие когерентности когерентное излучение.	12	12	2	1	1	8	Контрольный опрос
10	Физика лазеров. Основные свойства и критерии существования лазерного излучения. Условия лазерной генерации и усиления. Основные принципы устройства лазеров. Основные характеристики лазеров и лазерного излучения.	22	22	4	1	1	16	Контрольный опрос
11	Первый твердотельный лазер и его устройство. Способы создания инверсной населенности. Понятие о накачке и ее видах. Активная лазерная среда и ее свойства. Примеры активных лазерных сред. Классификация лазеров. Основные характеристики при классификации.	12	12	2	1	1	8	Контрольный опрос
12	Примеры различных лазеров. Краткое описание и режимы. Применение лазеров: промышленность. Применение лазеров: медицина. Применения лазеров: научные исследования.	19	19	4	1	1	13	Контрольный опрос; защита лабораторных работ
	Зачет	2	2	--	--	--	2
	Экзамен	27	27	--	--	--	27	устный
	Итого:	216		36	18	18	144

4.2 Содержание лекционно-практических форм обучения

4.2.1. Лекции (7 семестр)

1. Понятие об электромагнитном поле. Описание и основные характеристики.

Уравнения Максвелла в вакууме. Основные величины и физическая трактовка. Описание электромагнитного поля с помощью потенциалов. Понятие о калибровке потенциалов.

2. Закон сохранения энергии электромагнитного поля.
Вектор Пойнтинга. Генерация электромагнитных волн. Излучение диполя. Гармонические колебания диполя и направленность излучения. Радиационное затухание колебаний диполя
3. Распространение электромагнитного поля в вакууме.

Плоские электромагнитные волны в вакууме. Монохроматические плоские электромагнитные волны в вакууме. Поляризация монохроматических плоских электромагнитных волн. Эллиптическая, круговая и линейная поляризации электромагнитных волн. Немонохроматическое электромагнитное поле. Естественная поляризация

4. Интерференция электромагнитных волн.

Интерференция монохроматических волн. Интерференция электромагнитных волн на плоскопараллельной пластине. Интерферометр Майкельсона. Принцип работы и основные свойства. Интерферометр Фабри-Перо. Принцип работы и основные свойства.

5. Дифракция электромагнитного поля.

Принцип Гюйгенса. Дифракция плоской электромагнитной волны на плоской щели и круглом отверстии. Ближняя и дальняя зоны дифракции.

6. Источники электромагнитного поля.

Нелазерные и лазерные источники. Излучение ансамбля диполей. Статистика излучения ансамбля независимых осцилляторов.

7. Квантовая природа электромагнитного поля.

Понятие о фотонах. Описание квантового электромагнитного поля. Фотоны и их характеристики. Числа заполнения. Когерентные источники электромагнитного поля. Основные характеристики

8. Спонтанное и вынужденное излучение в квантовой системе.

Система с двухуровневыми энергетическими состояниями; спонтанное и вынужденное поглощение и испускание. Коэффициенты Эйнштейна и их трактовка. Инверсная населенность и ее основные свойства

9. Оптические резонатор и его основные свойства.

Понятие когерентности когерентное излучение. Оптический резонатор. Добротность оптического резонатора. Вычисление основных параметров.

10. Физика лазеров.

Основные свойства и критерии существования лазерного излучения. Условия лазерной генерации и усиления. Основные принципы устройства лазеров. Основные характеристики лазеров и лазерного излучения.

11. Первый твердотельный лазер и его устройство.

Способы создания инверсной населенности. Понятие о накачке и ее видах. Активная лазерная среда и ее свойства. Примеры активных лазерных сред. Классификация лазеров. Основные характеристики при классификации.

12. Примеры различных лазеров.

Краткое описание и режимы. Применение лазеров: промышленность. Применение лазеров: медицина. Применения лазеров: научные исследования.

4.2.2. Практические занятия:

7 семестр

Определение основных свойств электромагнитного поля. Поляризация. Когерентность и некогерентность

Решения уравнений Максвелла для простейших случаев. Монохроматические моды

Интерференция электромагнитного поля на щели

Дифракция электромагнитного поля по сфере

Вычисление электромагнитного поля от ансамбля диполей

Расчет оптического резонатора. Механизмы уширения и добротность

Расчет коэффициентов Эйнштейна.

Оценки теплового воздействия лазерного излучения

4.3. Лабораторные работы:

7 семестр

№ 1. Исследование распределения лазерного пучка по ширине

№ 2. Исследование оптического тракта лазерной системы

№ 3. Исследование интерферометров Майкельсона Фабри-Перо

№ 4. Оптические свойства лазерного излучения

4.4. Расчетные задания

Расчет интерференции на щели

Вычисление параметров дифракции на сфере

Вычисление расходимости лазерного поля

4.5. Курсовые проекты и курсовые работы – не предусмотрены

5. ОБРАЗОВАТЕЛЬНЫЕ ТЕХНОЛОГИИ

Лекционные занятия проводятся в форме лекций с использованием презентаций и видео роликов. Презентации лекций содержат большое количество фотоматериалов. Выездные лекции-экскурсии в Институт общей физики РАН и НИИ «Полюс» (4 часа).

Практические занятия включают выездное занятие в Институт общей физики РАН (знакомство с современными мощными и фемтосекундными лазерами) и НИИ «Полюс» (знакомство с современными лазерными оптическими системами).

Самостоятельная работа включает подготовку к тестам и контрольным опросам, подготовку к практическим занятиям и лабораторным работам, изучение дополнительного материала, подготовку к зачету и экзамену.

6. ОЦЕНОЧНЫЕ СРЕДСТВА ДЛЯ ТЕКУЩЕГО КОНТРОЛЯ УСПЕВАЕМОСТИ, ПРОМЕЖУТОЧНОЙ АТТЕСТАЦИИ ПО ИТОГАМ ОСВОЕНИЯ ДИСЦИПЛИНЫ

Для текущего контроля успеваемости используются различные виды тестов, контрольные опросы, защита лабораторных работ

Аттестация по дисциплине – экзамен

Оценка за освоение дисциплины, определяется как оценка на экзамене.

В приложение к диплому вносится итоговая оценка за 7 семестр.

7. УЧЕБНО-МЕТОДИЧЕСКОЕ И ИНФОРМАЦИОННОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ ДИСЦИПЛИНЫ

7.1. Литература:

а) основная литература:

1. «Квантовая и оптическая электроника». Электронный конспект. М. МЭИ. 2009.

2. Ахманов С.А., Никитин С.Ю. Физическая оптика: Учебник- М.: Изд-во Моск. ун-та, 1998.

3. Н.В. Карлов. "Лекции по квантовой электронике", Москва "Наука", 1988 г.

4. 
   Пихтин А.Н. Оптическая и квантовая электроника. Высшая школа, 2001 г.
   

б) дополнительная литература:

1. 
   Звелто О. Физика лазеров. М.: Мир, 1979.
   
2. 
   Мэйтлэнд А., Данн М. Введение в физику лазеров. М.: Наука, 1978.
   
3. 
   Справочник по лазерам Т.1-2, под редакцией А.М. Прохорова. М.: Советское радио, 1978.
   
4. 
   Клышко Д.Н. Физические основы квантовой электроники. - М.: Наука. 1986.
   

7.2. Электронные образовательные ресурсы:

а) лицензионное программное обеспечение и Интернет-ресурсы:

http://www.lebedev.ru; http://www.gpi.ru; http://www.polyus.msk.ru

б) другие:

учебный фильм "Квантовая электроника; учебный фильм «История создания лазеров»; видеоматериалы компании Cree по полупроводниковым светодиодам.

МАТЕРИАЛЬНО-ТЕХНИЧЕСКОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ ДИСЦИПЛИНЫ

Для обеспечения освоения дисциплины необходимо наличие учебной аудитории, снабженной мультимедийными средствами для представления презентаций лекций и показа учебных фильмов.

Программа составлена в соответствии с требованиями ФГОС ВПО и с учетом рекомендаций ПрООП ВПО по направлению подготовки 141700 «Ядерная энергетика и теплофизика» и профилю «Нанотехнологии и наноматериалы в энергетике».


ПРОГРАММУ СОСТАВИЛ:

Д.т.н., профессор Дмитриев А.С.

"УТВЕРЖДАЮ":

Зав. кафедрой низких температур

д.т.н., профессор Дмитриев А.С.