Квантова електроніка та лазерна техніка
Спеціальність: Електроніка
Код дисципліни: 6.171.00.O.031
Кількість кредитів: 5.00
Кафедра: Електронна інженерія
Лектор: Д.ф.-м.н., професор Фітьо Володимир
Семестр: 5 семестр
Форма навчання: денна
Завдання: Спеціальні (фахові, предметні) компетентності:
СК3. Здатність інтегрувати знання фундаментальних розділів фізики та хімії для розуміння процесів твердотільної, функціональної та енергетичної електроніки, електротехніки.
Результати навчання: Програмні результати навчання:
Р 3. Знаходити рішення практичних задач електроніки шляхом застосування відповідних моделей та теорій електродинаміки, аналітичної механіки, електромагнетизму, статистичної фізики, фізики твердого тіла.
Р 4. Оцінювати характеристики та параметри матеріалів електронної техніки, розуміти основи твердотільної електроніки, електротехніки, аналогової та цифрової схемотехніки, перетворювальної та мікропроцесорної техніки.
Р 6. Застосовувати експериментальні навички (знання експериментальних методів та порядку проведення експериментів) для перевірки гіпотез та дослідження явищ електроніки, вміти використовувати стандартне обладнання, планувати, складати схеми; аналізувати, моделювати та критично оцінювати отримані результати.
Необхідні обов'язкові попередні та супутні навчальні дисципліни: Пререквізити: Фізичні основи електронної техніки.
Кореквізити: Основи моделювання для електронної техніки. Функціональна електроніка. Електронні системи.
Короткий зміст навчальної програми: Розглянуто квантові основи роботи лазерів та квантових підсилювачів. Описано поширення лазерних пучків. Наведено розрахунок відкритих оптичних резонаторів та його характеристик. На основі квантового опису атомів та класичного підходу до електромагнітного поля подано метод розрахунку ймовірностей вимушеного (індукованого) випромінювання та поглинання атомами квантів електромагнітного поля. На основі матриці густини проаналізовано лазерне середовище з точки зору взаємодії з електромагнітним полем. Отримано вирази для розрахунку показника підсилення активного середовища. Розглянуто взаємодію лазерного випромінювання з середовищем з однорідною та неоднорідною розширеною спектральною лінією. Знайдено умови виникнення генерації для чотири рівневої лазерної системи. Визначено умови максимальної вихідної потужності лазера. Розглянуто такі режими роботи лазерів: неперервний, релаксаційні коливання в лазерах, режим модульованої добротності, режим синхронізації мод. Описано різні типи лазерів: твердотільні, рідинні, газові, молекулярні, напівпровідникові. Розглянуто фізичні принципи їх роботи, характеристики, та області застосування.
Опис: Предмет і задачі курсу “Основи квантової електроніки та лазерної техніки”, зміст курсу і його зв’язок з іншими дисциплінами. Історія становлення квантової електроніки та лазерної техніки.
РОЗДІЛ 1. ЕЛЕМЕНТИ КВАНТОВОЇ МЕХАНІКИ
Основні постулати і теореми квантової механіки. Рівняння Шредінгера. Хвильoва функція і її фізичний зміст. Основні постулати і теореми квантової механіки. Оператори фізичних величин. Принцип невизначеності Гайзенберга.
РОЗДІЛ 2. ПОШИРЕННЯ ПУЧКІВ ГАУСА
Поширення пучка Гауса в однорідному середовищі: пучок Гауса та його характеристики, Гаусів пучок у лінзовому хвилеводі (закон АВСD), фокусування пучка Гауса, хвильові пучки вищих порядків в однорідному середовищі.
РОЗДІЛ 3. ОПТИЧНІ РЕЗОНАТОРИ
Резонатори із сферичними дзеркалами: Оптичний резонатор, розрахунок оптичного резонатора, резонатор з симетричними дзеркалами, критерій стійкості мод, резонансні частоти. Втрати в оптичних резонаторах: добротність резонатора, втрати в оптичних резонаторах.
РОЗДІЛ 4. ВЗАЄМОДІЯ ВИПРОМІНЮВАННЯ З АТОМНИМИ СИСТЕМАИ
Спонтанне та вимушене випромінювання, поглинання, енергетичні спектри атомів і молекул. Ймовірності вимушеного випромінювання та поглинання. Показник підсилення та його частотні залежності, однорідне і неоднорідне розширення лінії.
РОЗДІЛ 5 .ЛАЗЕР. РЕЖИМ ГЕНЕРАЦІЇ
Виникнення генерації: умови генерації, порогова інверсія, частота генерації.
Вихідна потужність лазера: швидкісні рівняння, вихідна потужність та оптимальний зв’язок, вплив спонтанного випромінювання. Релаксаційні коливання в лазерах. Модуляція добротностіі. Синхронізація мод.
Твердотільні лазери, атомарні газові лазери, молекулярні лазери,
лазери на барвниках (рідинні лазери), хімічні лазери, лазери на вільних електронах, плазмовілазери, напівпровідникові лазери.
Методи та критерії оцінювання: • Поточний контроль: виконання практичних та лабораторних робіт, виконання контрольної роботи.
• Підсумковий контроль: екзамен.
Критерії оцінювання результатів навчання: Поточний контроль (ПК) – 30 балів,
практичні заняття – 12 балів,
лабораторні заняття – 18 балів.
Екзаменаційний контроль – 70 балів,
письмова компонента – 50 балів,
усна компонента – 20 балів.
Порядок та критерії виставляння балів та оцінок: 100–88 балів – («відмінно») виставляється за високий рівень знань (допускаються деякі неточності) навчального матеріалу компонента, що міститься в основних і додаткових рекомендованих літературних джерелах, вміння аналізувати явища, які вивчаються, у їхньому взаємозв’язку і роз витку, чітко, лаконічно, логічно, послідовно відповідати на поставлені запитання, вміння застосовувати теоретичні положення під час розв’язання практичних задач; 87–71 бал – («добре») виставляється за загалом правильне розуміння навчального матеріалу компонента, включаючи розрахунки , аргументовані відповіді на поставлені запитання, які, однак, містять певні (неістотні) недоліки, за вміння застосовувати теоретичні положення під час розв’язання практичних задач; 70 – 50 балів – («задовільно») виставляється за слабкі знання навчального матеріалу компонента, неточні або мало аргументовані відповіді, з порушенням послідовності викладення, за слабке застосування теоретичних положень під час розв’язання практичних задач; 49–26 балів – («не атестований» з можливістю повторного складання семестрового контролю) виставляється за незнання значної частини навчального матеріалу компонента, істотні помилки у відповідях на запитання, невміння застосувати теоретичні положення під час розв’язання практичних задач; 25–00 балів – («незадовільно» з обов’язковим повторним вивченням) виставляється за незнання значної частини навчального матеріалу компонента, істотні помилки у відповідях на запитання, невміння орієнтуватися під час розв’язання практичних задач, незнання основних фундаментальних положень.
Рекомендована література: Базова
1. Григорук В. І., Коротков П. А., Хижняк А. І. Лазерна фізика. — Київ: МП «Леся», 1999.– 479с.
2. Фізичні основи електронної техніки: Підручник/ З.Ю.Готра, І.Є.Лопатинський, Б.А.Лукіянець, З.М.Микитюк, І.В.Петрович – Львів: Видавництво «Бескид Біт», 2004. – 880 с.
Допоміжна:
1. Фітьо В.М. Електронний конспект лекцій з дисципліни «Квантова електроніка та лазерна техніка. Ч.ІІ».
2. З.М.Микитюк. Квантова електроніка/ Конспект лекцій (електронний варіант), 2014.– 120 с.
3. Солдатов В.І. Методичні вказівки до лабораторних робіт з курсу “Лазерна техніка та квантова електроніка”, 2002р.
ІНФОРМАЦІЙНІ РЕСУРСИ:
1. Навчально-методичний комплекс з курсу «Лазерна техніка, ч.2» у віртуальному навчальному середовищі Національного університету «Львівська політехніка».
2. Енциклопедія лазерної техніки і технологій http://www.rpphotonics.com/encyclopedia.html
3. Бібліотека книг по лазерам http://gen.lib.rus.ec/
Уніфікований додаток: Національний університет «Львівська політехніка» забезпечує реалізацію права осіб з інвалідністю на здобуття вищої освіти. Інклюзивні освітні послуги надає Служба доступності до можливостей навчання «Без обмежень», метою діяльності якої є забезпечення постійного індивідуального супроводу навчального процесу студентів з інвалідністю та хронічними захворюваннями. Важливим інструментом імплементації інклюзивної освітньої політики в Університеті є Програма підвищення кваліфікації науково-педагогічних працівників та навчально-допоміжного персоналу у сфері соціальної інклюзії та інклюзивної освіти. Звертатися за адресою:
вул. Карпінського, 2/4, І-й н.к., кімн. 112
E-mail: nolimits@lpnu.ua
Websites: https://lpnu.ua/nolimits https://lpnu.ua/integration
Академічна доброчесність: Політика щодо академічної доброчесності учасників освітнього процесу формується на основі дотримання принципів академічної доброчесності з урахуванням норм «Положення про академічну доброчесність у Національному університеті «Львівська політехніка» (затверджене вченою радою університету від 20.06.2017 р., протокол № 35).
Квантова електроніка та лазерна техніка (курсовий проєкт)
Спеціальність: Електроніка
Код дисципліни: 6.171.00.O.035
Кількість кредитів: 3.00
Кафедра: Електронна інженерія
Лектор: Д.ф-м.н., проф. Фітьо Володимир Михайлович
Семестр: 5 семестр
Форма навчання: денна
Завдання: Спеціальні (фахові, предметні) компетентності:
СК3. Здатність інтегрувати знання фундаментальних розділів фізики та хімії для розуміння процесів твердотільної, функціональної та енергетичної електроніки, електротехніки.
Результати навчання: Програмні результати навчання:
Р 3. Знаходити рішення практичних задач електроніки шляхом застосування відповідних моделей та теорій електродинаміки, аналітичної механіки, електромагнетизму, статистичної фізики, фізики твердого тіла.
Р 4. Оцінювати характеристики та параметри матеріалів електронної техніки, розуміти основи твердотільної електроніки, електротехніки, аналогової та цифрової схемотехніки, перетворювальної та мікропроцесорної техніки.
Р 6. Застосовувати експериментальні навички (знання експериментальних методів та порядку проведення експериментів) для перевірки гіпотез та дослідження явищ електроніки, вміти використовувати стандартне обладнання, планувати, складати схеми; аналізувати, моделювати та критично оцінювати отримані результати.
Необхідні обов'язкові попередні та супутні навчальні дисципліни: Пререквізити: Фізичні основи електронної техніки.
Кореквізити: Основи моделювання для електронної техніки. Функціональна електроніка. Електронні системи.
Короткий зміст навчальної програми: Курсовий проект з дисципліни "Квантова електроніка та лазерна техніка" полягає у вивченні фізичних процесів приладів, які використовують вимушене випромінювання, ознайомлені з методами розрахунку і особливостями застосування квантових підсилювачів і генераторів; формуванні у студентів уяви про основні перспективи розвитку та вдосконалення квантової електроніки.
Опис: Ознайомлення з завданням, методологією виконання курсового проекту (курсової роботи) та уточнення варіанту завдання
Розрахунок ймовірності вимушеного та спонтанного випромінювання між електронними переходами для лазерного середовища YAG:Nd3+
Розрахунок частоти генерації приладів квантової електроніки, які працюють на переходах між магнітними підрівнями
Розрахунок спектральних характеристик лазерного випромінювання
Розрахунок коефіцієнта підсилення активних середовищ
Розрахунок резонатора лазера та кута розходження лазерного променя.
Розрахунок енергетичних параметрів YAG:Nd3+ лазера
Захист курсової роботи
Методи та критерії оцінювання: 1. Поточний контроль у формі перевірки викладачем частин курсового проекту згідно з описом етапів виконання курсового проекту.
2. Підсумковий контроль у формі захисту курсового проекту.
• Поточний контроль - 40%.
• Перевірка тексту і графічної частини курсової роботи – 20%.
• Захист курсової роботи – 40%.
Критерії оцінювання результатів навчання: Максимальна оцінка в балах:
Поточний контроль – 40 балів,
Перевірка тексту і графічної частини курсової роботи – 20 балів,
Захист курсової роботи – 40 балів.
Порядок та критерії виставляння балів та оцінок: 100–88 балів – («відмінно») виставляється за високий рівень знань (допускаються деякі неточності) навчального матеріалу компонента, що міститься в основних і додаткових рекомендованих літературних джерелах, вміння аналізувати явища, які вивчаються, у їхньому взаємозв’язку і роз витку, чітко, лаконічно, логічно, послідовно відповідати на поставлені запитання, вміння застосовувати теоретичні положення під час розв’язання практичних задач; 87–71 бал – («добре») виставляється за загалом правильне розуміння навчального матеріалу компонента, включаючи розрахунки , аргументовані відповіді на поставлені запитання, які, однак, містять певні (неістотні) недоліки, за вміння застосовувати теоретичні положення під час розв’язання практичних задач; 70 – 50 балів – («задовільно») виставляється за слабкі знання навчального матеріалу компонента, неточні або мало аргументовані відповіді, з порушенням послідовності викладення, за слабке застосування теоретичних положень під час розв’язання практичних задач; 49–26 балів – («не атестований» з можливістю повторного складання семестрового контролю) виставляється за незнання значної частини навчального матеріалу компонента, істотні помилки у відповідях на запитання, невміння застосувати теоретичні положення під час розв’язання практичних задач; 25–00 балів – («незадовільно» з обов’язковим повторним вивченням) виставляється за незнання значної частини навчального матеріалу компонента, істотні помилки у відповідях на запитання, невміння орієнтуватися під час розв’язання практичних задач, незнання основних фундаментальних положень.
Рекомендована література: Основна:
1. Фізичні основи електронної техніки: Підручник/ З.Ю.Готра, І.Є.Лопатинський, Б.А.Лукіянець, З.М.Микитюк, І.В.Петрович – Львів: Видавництво «Бескид Біт», 2004. – 880 с.
2. З.М.Микитюк. Квантова електроніка/ Конспект лекцій (електронний варіант), 2014.– 120 с.
Допоміжна:
William S. C. Chang Principles of Lasers and Optics. – Cambridge University Press, 2005. – P.247.
W.R. Bennett, jr. The Physics of Gas Lasers. Dunham Laboratory/ – Yale University Gordon and Breach Science Publishers Inc, 2004 – P.214.
Mark Csele. Fundamentals of light sources and lasers. – John Wiley & Sons, Inc., Hoboken, New Jersey, 2004. – P.344.
William T. Silfvast. Laser fundamentals, Second edition. – Cambridge University Press, 2004. – P.642.
Інформаційні ресурси:
1. http://opticstoday.com/katalog-statej/stati-na-ukrainskom/lazerna-texnika.
Уніфікований додаток: Національний університет «Львівська політехніка» забезпечує реалізацію права осіб з інвалідністю на здобуття вищої освіти. Інклюзивні освітні послуги надає Служба доступності до можливостей навчання «Без обмежень», метою діяльності якої є забезпечення постійного індивідуального супроводу навчального процесу студентів з інвалідністю та хронічними захворюваннями. Важливим інструментом імплементації інклюзивної освітньої політики в Університеті є Програма підвищення кваліфікації науково-педагогічних працівників та навчально-допоміжного персоналу у сфері соціальної інклюзії та інклюзивної освіти. Звертатися за адресою:
вул. Карпінського, 2/4, І-й н.к., кімн. 112
E-mail: nolimits@lpnu.ua
Websites: https://lpnu.ua/nolimits https://lpnu.ua/integration
Академічна доброчесність: Політика щодо академічної доброчесності учасників освітнього процесу формується на основі дотримання принципів академічної доброчесності з урахуванням норм «Положення про академічну доброчесність у Національному університеті «Львівська політехніка» (затверджене вченою радою університету від 20.06.2017 р., протокол № 35).