Кафедра оптики и спектроскопии

Физический факультет МГУ им. М.В.Ломоносова
Кафедра оптики и спектроскопии

Лазерная спектроскопия

доцент А.И.Федосеев
9 семестр, 36 часов

Введение. Преимущества использования лазеров в спектроскопии. "Идеальный" лазер для спектроскопии.
Перестройка частоты в пределах контура усиления. Селекция поперечных мод. Гауссовы пучки. Селекция продольных мод. Интерферометры как внутрирезонаторные селекторы. Специфика применения дифракционной решетки в резонаторе и в спектрометре. Принципы стабилизации частоты лазерной генерации.
Возможности перестройки контуров усиления.
Область генерации и перестройка частоты полупроводниковых лазеров. Лазеры на основе комбинационного рассеяния с переворотом спина. Перестройка частоты в газовых лазерах ИК диапазона. Лазеры на центрах окраски. Принципы работы лазеров на красителях. Получение новых частот путем нелинейного оптического смешения.
Методы и схемы линейной лазерной спектроскопии.
Классификация линейных методов. Абсорбционная спектроскопия. Метод внутрирезонаторного поглощения, предельная чувствительность метода.Спектроскопия возбуждения. Оптоакустическая спектроскопия. Оптогальваническая спектроскопия. Спектроскопия лазерного магнитного резонанса. Штарковская спектроскопия. Спекл-диагностика жидкостей и газов. Спекл-интерферометрия.
Нелинейная лазерная спектроскопия.
Спектроскопия насыщения, стабилизация частоты генерации лазеров. Лазерная внутридоплеровская спектроскопия. Поляризационная спектроскопия. Спектроскопия гетеродинирования. Спектроскопия с временным разрешением. Принципы многофотонной спектроскопии. Лазерная спектроскопия комбинационного рассеяния. Спектроскопия комбинационного антистоксова рассеяния.

Численные методы в оптике

к.ф.м.н. Кауль С.И.
7 семестр, 36 часов

Двоичная система счисления. Способы задания нуля и единицы в логических электронных схемах. Двоичная арифметика.

Обработка информации в компьютерах. Основные элементы компьютера. Арифметико-логическое устройство (АЛУ), регистры, оперативная память, постоянная память. Оперативная память. Ячейки оперативной памяти. Понятие адреса и содержимого ячейки. Пересылка данных между ячейками и АЛУ. Идентификаторы. Переменные. Их параметры: значение и имя. Логическое и физическое пространство переменных. Основные операции над переменными.

Архитектура ПК. Логические и физические устройства, их имена и значения. Процессорный блок, оперативная и постоянная память. Носители информации. Способ организации данных. Понятие файла. Параметры (атрибуты) файла. Файловая система.

Понятие операционной системы (ОС) и операционных оболочек (ОО). Периферийные устройства. Физические приборы. Их подключение. Логические и физические имена.

Функции и работа с ними. Создание собственных функций. Использование библиотеки стандартных функций. Организация коллективного написания программ и их редактирования.

Передача данных в функциях языка "C". Время жизни переменных. Указатели, многомерные массивы данных. Ссылки на функции.

Средства моделирования оптических процессов на ПК. Постановка задачи. Определение и инициализация параметров системы. Система 4F. Логическая постановка задачи. Функции ввода и обработки сигналов с терминала. Функции моделирующие путь лучей через систему. Быстрое преобразование Фурье для оптических систем. Программы из стандартных библиотек.

Матричные методы в оптике. Основные матрицы. Их использование для математического описания оптических систем.

Использование локальных компьютерных сетей для коллективного написания и отладки сложных программ, обмена информацией и использования имеющихся программ. Использование межнациональных компьютерных сетей для доступа к удаленным серверам и для поиска необходимой информации.

Физика лазеров

ст.преп О.Е.Наний
8, 9 семестры, 68 часов

Определение лазера. Особенности лазерного излучения.
Взаимодействие электромагнитного излучения с рабочим веществом лазера.
Спонтанные и вынужденные процессы.
Ширина уровней энергии и спектральных линий. Однородное и неоднородное, статистическое уширение.
Эффект насыщения. Его проявление при однородном и неоднородном уширении спектральной линии.
Инверсия населенностей в лазерно-активных средах. Оптическая накачка лазеров. Рубиновый, неодимовые лазеры, лазеры на красителях.
Электрическая накачка лазеров. Лазеры на нейтральных атомах, ионах, на парах металлов. Молекулярные газовые лазеры на колебательно-вращательных и электронных переходах.
Электрическая накачка полупроводниковых лазеров. Лазеры на p-n-переходе.
Газодинамический лазер. Химические газовые лазеры. Фотодиссоциативные лазеры, лазеры на центрах окраски, лазеры на свободных электронах.
Резонаторы лазеров. Двухзеркальный открытый резонатор. Дифракционные потери. Классификация мод открытого резонатора. Резонатор со сферическими зеркалами. Устойчивость мод. Неустойчивые резонаторы. Сложные резонаторы.
Метод лучевых матриц и его применение в лазерной физике.
Лазерная генерация. Порог, частота и мощность генерации. Оптимальная связь лазера с внешним пространством. Вклад спонтанного испускания излучения в выходную мощность лазера.
Режимы и спектральные характеристики лазерной генерации.
Пичковые режимы генерации.
Синхронизация мод в лазерах с однородно и неоднородно уширенной линией усиления. Методы синхронизации мод.
Режим "гигантского" импульса и его получение методом модуляции добротности.

Фундаментальные и прикладные проблемы физической оптики

профессор П.В.Короленко; ст.преп. О.Е.Наний
5 семестр, 36 часов

Гносеологический аспект оптических исследований. Два взгляда на место оптики в системе физической картины мира.
Новый облик геометрической оптики. Катастрофы в геометрической оптике. Метаморфозы каустик и волновых фронтов с точки зрения теории катастроф. Нелинейная и стохастическая динамика лучей. Физика перехода к хаосу.
Проблема расходимости и фокусировки световых пучков. Физические причины расходимости излучения. Предельные возможности коллимации и фокусировки световых пучков. Использование методов адаптивной оптики и обращение волнового фронта для улучшения качества фокусировки излучения. Лазерный термояд и лазерные технологии.
Проблема улучшения качества изображений и повышения разрешающей способности оптических устройств. Соотношение между объектом и изображением. Физические причины ограничения разрешающей способности оптических приборов. О возможности сверхразрешения в оптических системах.
Управление временными и спектральными характеристиками оптического излучения. Сверхстабильные источники излучения. Оптические стандарты частоты. "Сжатые" состояния светового излучения. "Самоорганизующиеся" и "хаотические" оптические поля. Сверхсильные электромагнитные поля.
Проблемы оптической связи. Волоконно-оптические и атмосферные линии связи. Оптическая связь в космосе. Связь с "внеземными" цивилизациями. Когерентные системы оптической связи нового поколения.
Компьютерная оптика и оптический компьютер. Формирование оптических полей методами компьютерной оптики. "Интеллектуальные" оптические системы. Обратные задачи оптики и спектроскопии. Распознание изображений. Концепция оптической ЭВМ. Оптические компакт диски. Голографические системы хранения информации. Оптические процессоры.

Взаимодействие излучения с веществом и нелинейная оптика, 1

профессор П.В.Короленко
8 семестр, 32 часов

Когерентное взаимодействие. Резонансное приближение. Гамильтониан атома в электромагнитном поле. Динамическое полевое уширение. Нутации. Метод медленных амплитуд. /2 и -импульсы. Когерентное затухание.
Фотонное эхо и самоиндуцированная прозрачность. Поляризация при воздействии двумя короткими резонансными импульсами. Обратимая расфазировка. Длительность сигнала эха. Синус-уравнение Гордона. Автомодельное решение. 2-импульс. Солитоны.
Релаксационные процессы. Уравнение движения матрицы плотности. Продольная и поперечная релаксации. Самосогласованные уравнения для поля, поляризации и разности заселенностей уровней.
Восприимчивость двухуровневой системы и эффекты насыщения. Восприимчивость. Ширина линии. Дисперсионные соотношения Крамерса-Кронинга. Насыщение однородно- и неоднородно уширенных линий.
Когерентные процессы в сложных многоуровневых системах. Ансамблевое усреднение. Система одиночный уровень - зона уровней. Распад нижнего уровня в зону. Распределение заселенностей в зоне. Система типа зона-зона. Вырождение зоны.
Фотонная структура процессов взаимодействия. Квантование поля. Многофотонные процессы и виртуальные многофотонные процессы. Фотонная кратность процессов взаимодействия в разных порядках.
Однофотонные процессы. Вероятности стимулированных процессов. Спонтанное испускание в дипольном приближении. Квадрупольные и магнитнодипольные переходы.
Двухфотонные и трехфотонные процессы. Рассеяние света как двухфотонный процесс. Матричный элемент для прямых переходов. Матричный элемент для переходов через промежуточное состояние. Когерентное рассеяние и комбинационное рассеяние.

Взаимодействие излучения с веществом и нелинейная оптика, 2

ст.научный сотр. В.И.Одинцов
9 семестр, 36 часов

Теоретическое описание нелинейных эффектов. Физические механизмы нелинейности. Нелинейные восприимчивости. Укороченные уравнения для медленных амплитуд связанных волн. Фазовое согласование. Параметрические процессы.
Генерация второй гармоники. Параметрическое усиление и преобразование частоты. Соотношения Мэнли-Роу. Визуализация ИК излучения. Перестраиваемый параметрический генератор.
Явления самофокусировки и самодефокусировки и их физические механизмы. Пороговая мощность и длина самофокусировки. Самоискривление пучков. Самодифракция.
Вынужденное рассеяние света. Классическое описание ВКР на молекулярных колебаниях. Квантовая теория ВКР. Возбуждение антистоксовых и высших стоксовых компонент. ВКР в резонаторах и световодах. Классическая теория ВРМБ. ВКР и ВРМБ при широкополосной и пространственно неоднородной накачке. Вынужденное температурное рассеяние.
Вырожденное взаимодействие волн в насыщающейся среде. Двухуровневая система в сильном световом поле. Вынужденное резонансное рассеяние света.
Общие свойства резонансных нелинейных процессов. Двухфотонное поглощение. Резонансное ВКР.Четырехфотонные резонансные параметрические процессы.
Четырехволновое взаимодействие. Коэффициент отражения сигнальной волны. Параметрическая неустойчивость.
Фоторефрактивные кристаллы как нелинейные среды. Физические механизмы нелинейности. Энергообмен между двумя волнами и ЧВВ в ФРК.
Обращение волнового фронта методами нелинейной оптики. ОВФ при вынужденном рассеянии света и ЧВВ. Схемы с параметрической обратной связью. Практическое использование ОВФ.

Экспериментальные методы в оптике

ст.научный сотрудник В.В.Лебедева
6 семестр, 64 часа

Место оптики и спектроскопии в современной науке и технике. Основные характеристики излучения. Этапы развития и основные направления экспериментальных исследований в оптике.
Оптические материалы. Отражение излучения, поглощение и прозрачность оптических материалов в различных областях спектра от крайнего ультрафиолета до субмиллиметровых волн. Применение оптических материалов. Металлические и диэлектрические тонкие пленки, просветляющие и зеркальные покрытия. Атмосфера как оптическая среда.
Получение оптического излучения. Источники теплового излучения. Газоразрядные источники излучения. Мощность и спектральный состав излучения. Форма и уширение спектральных линий. Основные типы газоразрядных источников излучения. Источники излучения с электронными потоками.
Измерение параметров оптического излучения. Фотографические приемники. Тепловые приемники излучения. Приемники с внешним и внутренним фотоэффектом: фотоэлементы, фотоумножители,вторично-электронные умножители, электронно-оптические преобразователи, фоторезисторы, фотодиоды, полупроводниковые приемники изображения.
Спектральная фильтрация оптического излучения. Светофильтры на основе явлений поглощения, дисперсии, преломления, отражения, интерференции. Интерференционные, интерференционно-поляризационные фильтры. Классы спектральных приборов. Плоские дифракционные решетки, их свойства. Нарезные и голографические дифракционные решетки. Спектральные приборы с плоскими решетками. Вогнутые дифракционные решетки, их свойства. Голографические вогнутые решетки. Спектральные приборы с вогнутыми дифракционными решетками. Решетки в лазерной технике.
Интерферометр Фабри-Перо. Отличие его аппаратной функции от аппаратной функции призменных и дифракционных приборов. Мультиплекс- и многопроходный интерферометры. Использование интерферометра Фабри-Перо в спектральных приборах и в лазерной технике. Фотографическая и фотоэлектрическая регистрация интерферограмм. Светосила приборов с интерферометром Фабри-Перо. Модуляционные спектральные приборы.Фурье-спектрометр.
Применение лазерного излучения в спектроскопии. Лазер как источник излучения. Спектральные характеристики лазерного излучения.

Спектроскопия твердого тела

профессор В.В.Михайлин
10 семестр, 36 часов

Феноменологическое описание взаимодействия света с веществом. Диэлектрические функции. Соотношения Крамерса-Кронига и правила сумм. Экспериментальные методы получения диэлектрических функций в области фундаментального поглощения. Взаимодействие заряженных частиц с веществом. Функция потерь энергии.
Электронные возбуждения (одноэлектронные зонные возбуждения, электронно-дырочные пары, экситоны) в идеальных и дефектных недеформируемых кристаллах (без учета фононов).
Эффекты Оже и Фано. Возбуждения, создаваемые рентгеновскими фотонами. Вопросы поглощения фотонов большой энергии. Область EXAFS и XANES.
Экспериментальные аспекты спектроскопии твердого тела, в том числе с применением синхротронного излучения. Свойства источников света в вакуумной ультрафиолетовой области спектра. Применение синхротронов и накопителей электронов в спектроскопии твердого тела. Конкретные примеры исследования широкозонных диэлектриков. Обзор современного состояния проблем спектроскопии твердого тела.
Вклад различных возбуждений в мнимую часть диэлектрической проницаемости. Электронные возбуждения в системах с дефектами. Электронные возбуждения в неупорядоченных системах. Модификация электронных возбуждений в деформируемых кристаллах за счет взаимодействия с фононами. Спектры поглощения и люминесценции дефектов в кристаллах, эффект Яна-Теллера, поляронные состояния, непрямые переходы. Автолокализация электронных возбуждений и дефектообразование.
Вторичные процессы в диэлектрических кристаллах (люминесценция, фотоэмиссия, термолюминесценция, дефектообразование и т.д.), в которых проявляется взаимодействие электронных возбуждений. Релаксация возбуждений, перенос энергии и заряда, захват на ловушки, неупругие процессы электрон-электронного рассеяния и проч. Формирование сложных возбуждений с учетом электрон-электронных и электрон-фононных взаимодействий.

Оптические методы в информатике

ст. преп. Наний О.Е.
7 семестр, 36 часов

Оптические измерительные устройства. Оптические измерительные преобразователи. Волоконно-оптические датчики. Измерительные устройства на основе многоканальных лазеров.
Оптическая связь. Методы модуляции света. Волоконно-оптические линии связи. Мультиплексирование каналов связи. Методы сжатия одномерной и видео информации.
Оптические методы записи и хранения информации. Геометрическая и волновая теория формирования изображений. Формы представления видеоинформации. Оптические методы записи одномерных массивов информации. Оптические методы записи двумерных массивов информации. Голографические методы записи информации. Базы данных, форматы данных и системы управления базами данных. Международные и национальные стандарты в области оптической записи информации.
Распознавание оптический информации, техническое зрение. Оптические пространственные корреляторы света. Цифровая обработка полей в оптических системах. Особенности распознавания графической и текстовой информации, автоматическое "чтение" и обработка текстов.
Физические принципы цифровой оптической обработки информации. Оптические бистабильные устройства и логические элементы. Информационные характеристики ансамблей бозонов и фермионов (фотонов и электронов). Оптические процессоры.
Физические принципы аналоговой оптической обработки информации. Параллельные вычисления. Физические принципы создания оптической ассоциативной памяти. Обучающиеся распределенные системы. Модель Хопфилда-Литтла. Оптический нейрокомпьютер. Генерация структур в оптических системах с двумерной обратной связью.
Синтез изображений. Графическое представление информации. Интеллектуальный графический интерфейс. Синтез объемных изображений. Компьютерная оптика.
Оптическая связь в распределённых информационных системах. Принципы открытых систем.

Статистическая оптика

проф. П.В.Короленко, доцент А.И.Одинцов
9 семестр, 36 часов

Введение. Статистические явления в оптике.
Соотношения между длиной цуга и шириной спектра излучения. Сложение колебаний в волнах, приходящих от одного или нескольких источников. Аналитический сигнал.
Временная и пространственная когерентности. Интерферометры Майкельсона и Юнга. Функции собственной и взаимной когерентности. Комплексная степень когерентности света.
Распространение взаимной когерентности. Теорема Ван Циттерта-Цернике. Дифракция некогерентной волны на отверстии. Звездный интерферометр Майкельсона. Некогерентные протяженные источники когерентного излучения.
Когерентность в плоскости изображения протяженного источника. Влияние временной когерентности на явления дифракции. Дифракционные изображения щели и круглого отверстия.
Случайные процессы и случайные поля. Распределения случайных величин, моменты и характеристические функции случайного процесса различных порядков. Спектральное представление. Теорема Винера-Хинчина.
Статистика частично-поляризованного излучения. Векторные случайные поля. Поляризационная матрица, связь её элементов с параметрами Стокса.
Статистика фотоотсчетов. Статистика интенсивностей и статистика фотоотсчетов в случайном световом поле. Функция распределения фотоотсчетов. Формула Манделя. Получение распределения интенсивности из распределения фотоотсчетов. Статистика фотоотсчетов в случае теплового и квазитеплового излучения. Влияние времени регистрации, фотоотсчеты в поле лазерного излучения.
Временная статистика излучения одномодовых и многомодовых лазеров. Источники шумов, их спектры. Корреляционные функциии.
Пространственная когерентность излучения лазера. Модель статистически независимых мод. Зависимость радиуса корреляции от числа мод. Предельная пространственная когерентность излучения одномодового лазера.

Оптические спектры атомов и молекул

доцент А.И.Одинцов
8 семестр, 64 часа

Спектры водорода и щелочных металлов. Спектральные серии. Тонкая структура уровней.
Систематика спектров сложных атомов. Приближение центрального поля. Электростатическое и магнитное взаимодействие электронов. L-S связь. Исходные термы. Генеалогические коэффициенты. Классификация термов по старшинству. Кулоновские и обменные радиальные интегралы. Расчет энергий термов. Мультиплетная структура. Связь типа j-j. Промежуточная связь. Связь типа j-l. Взаимодействие конфигураций.
Спектры гелия и щелочно-земельных элементов. Схемы уровней и переходов. Мультиплетная структура. Метастабильные состояния. Смещенные термы.
Cпектры элементов с внешними p-электронами. Электронные конфигурации и термы. Мультиплетная структура. Отступления от L-S cвязи. Спектры инертных газов.
Спектры элементов с достраивающимися внутренними оболочками. Причины усложнения спектров. Общая характеристика спектров. Переходы внутри f-оболочек.
Виды движения в молекуле. Адиабатическое приближение. Разделение энергий электронного, колебательного и вращательного движения.
Основные точечные группы симметрии молекул. Неприводимые представления. Классификация термов. Правила отбора.
Вращательные спектры молекул для различных видов ротаторов. Влияние ядерных моментов на вращательные спектры.
Модель молекулы как гармонического осциллятора. Вероятности переходов. Ангармонический осциллятор. Колебательные спектры двухатомных молекул.
Классификация колебаний по их симметрии. Нормальные колебания. Вырождение. Резонанс Ферми. Колебательные спектры многоатомных молекул.
Классификация электронных состояний двухатомных молекул. Принцип Франка-Кондона. Связь электронного движения и вращения. Электронные спектры. Возмущения уровней и предиссоциация.
Электронное строение и образование химических связей в многоатомных молекулах. Гибридизация. Нелокализованные электроны. Типы электронных спектров.

Люминесценция кристаллов

ст.н.с. Ореханов П.А.
7 семестр, 36 часов

Предмет люминесценции, как один из разделов спектроскопии. Традиационная классификация явлений люминесценции (в зависимости от метода возбуждения; по длительности свечения и т.д.). Зонная схема кристаллов с центрами свечения и центрами захвата. Механизмы внутрицентрового и рекомбинационного свечения.
Кинетика послесвечения при внутрицентровой и рекомбинационнной люминесценции. Рекомбинационное взаимодействие центров свечения различных типов. Стационарная люминесценция. Внешнее тушение. Оптическое освобождение электронов и дырок.
Спектры поглощения и излучения кристаллов в модели потенциальных кривых центра свечения. Расчет спектров излучения и поглощения в модели конфигурационных кривых. Внутреннее тушение. Температурное и оптическое тушение люминесценции.
Зонная модель кристаллофосфора с несколкими сортами центров свечения и захвата. Кинетические уравнения. Баланс электронов и дырок на уровнях энергий при стационарном возбуждении.
Основные характеристики кристаллофосфоров и методы их определения: спектральные и кинетические. Спектры возбуждения люминесценции. Термическое освобождение электронов из ловушек и длительность фосфоресценции. Метод термовысвечивания. Явление оптической вспышки.
Поглощение и перенос энергии в кристаллах. Резонансная передача энергии и сенсибилизированная люминесценция. Антистоксовская люминесценция.
Энергетический и квантовый выход люминесценции. Размножение электронных возбуждений. Экситоны. Оптическое поглощение, соотношение между оптическими постоянными. Соотношения Крамерса - Кронига.
Дефекты кристаллической решетки: собственные дефекты как центры свечения и захвата; примесные дефекты. Линейные и поверхностные дефекты в кристаллах.
Возможности использования синхротронного излучения в экспериментах с люминесцирующими кристаллами: фотонное умножение, вторичные экситоны, кросслюминесценция, поляризованная люминесценция, рентгеновская люминесценция.

Спектроскопия атомов и атомные столкновения

профессор В.С.Сенашенко
10 семестр, 32 часа

Атомные столкновения как метод изучения структуры атомов и ионов. Абсорбционная фотоэлектронная спектроскопия.
Систематика атомных спектров в приближении центрального поля. Непрерывные спектры атомов и ионов. Метод самосогласованного поля Хартри-Фока. Многоконфигурационное приближение. Учет магнитных взаимодействий.
Фотопоглощение атомов и ионов. Переходы между дискретными уровнями и внепрерывный спектр. Спектральное распределение сил осцилляторов. Правила сумм. Экспериментальные методы исследования спектров фотопоглощения и фотоионизации. Многоступенчатая фотоионизация. Явление автоионизации. Нерезонансное и резонансное фотопоглощение. Угловые и энергетические распределения фотоэлектронов. Особенности фотоионизации сложных атомных систем. Фотопроцессы с участием электронов внутренних оболочек атомов. Диэлектронная рекомбинация. Сателлитная структура спектров излучения многозарядных ионов.
Смещённые спектры атома гелия и щелочноземельных элементов. Двухэлектронное возбуждение валентных оболочек. Смещенные термы щелочных атомов. Состояния одноэлектронного возбуждения внутренних оболочек. Типы автоионизационных состояний атомов инертных газов. Правила отбора для автоионизационных переходов. Оже-спектроскопия.
Столкновения электронов с атомами и ионами. Спектры неупругих потерь рассеянных электронов. Спектры выбитых электронов. Спектроскопические возможности изучения структуры атомных и молекулярных систем. Возбуждение автоионизационных состояний электронным ударом. Сечения ионизации атомов с учетом автоионизационных переходов. Формирование автоионизационных резонансов.
Электронная спектроскопия ионизационных столкновений протонов с атомами. Угловые и энергетические распределения электронов при ионизации атомов многозарядными ионами.

Кинетика молекулярных сред

доцент В.А.Спажакин
10 семестр, 36 часов

Кинетические процессы в резонансном световом поле и их практиическое приложение. Основные достижения и проблемы. Механизмы релаксации. Адиабатичность столкновений. Вероятности прямых и обратных процессов. Квазиклассическое приближение в физике столкновений.

Газокинетическое уравнение Больцмана и его применение в задачах о поступательной и вращательной релаксации. Переход к системе кинетических уравнений для заселенностей вращательных уровней. Вероятности R-T процессов. Понятие о методе Монте-Карло и методе молекулярной динамики. Вероятности процессов колебательного обмена и релаксации. Особенности релаксации ангармонических молекул. Система кинетических уравнений. Стационарные и квазистационарные распределения. Токовые модели колебательных распределений. Стохастизация колебательной энергии.

Понятие о кинетике когерентных процессов. Кинетические уравнения с учетом поля излучения и методы его решения. Оптическая накачка молекулярного газа. Роль процессов колебательной и вращательной релаксации.

Тепловые эффекты в резонансном поле. Нагрев газа при колебательном обмене. Эффект кинетического охлаждения и его применение для диагностики среды. Влияние тепловых эффектов на распространение лазерного излучения в атмосфере.

Кинетика диссоциации, стимулированной лазерным излучением. Смещение химического равновесия в резонансном поле. Пороговый характер химических реакций.

Методы лазерного разделения изотопов. Термодиффузионное разделение газов в поле излучения. Лазерная хроматография.

Модели лазеров на гармонических и ангармонических молекулах. Особенности кинетики химических, газодинамических и эксимерных лазеров. Лазеры с солнечной накачкой. Лазерный эффект в атмосферах планет.

Основы физической оптики

доцент В.А.Спажакин
7 семестр

Волновое уравнение. Скалярная теория дифракции. Уравнение Гельмгольца. Теория Грина. Теории Кирхгофа-Френеля и Рэлея Зоммерфельда. Элементы Фурье-анализа. Функции с разделяющимися переменными и функции с осевой симметрией. Дифракция Френеля и Фраунгофера.

Различные состояния поляризации световой волны. Ортогональные формы поляризации. Параметры Стокса. Геометрическое представление состояний поляризации с помощью сферы Пуанкаре. Статистическое описание частично поляризованного света. Матрица когерентности. ее связь с параметрами Стокса. Выражение степени поляризации излучения через параметры Стокса и инварианты матрицы когерентности. Рассчетные методы в поляризационной оптике, основанные на использовании матриц Джонса и Мюллера, их сравнение между собой. Собственнвые вектора анизотропной оптической системы. Поляризация излучения при отражении от диэлектрика и металла. Поляризационные оптические устройства. Пленочные поляризаторы. Поляризационные призмы.

Основы электронной теории дисперсии. Формула Лоренц-Лоренца. Соотношения Крамерса-Кронига. Распространение оптических сигналов в диспергирующих средах. Искажения импульсов в волоконных световодах. Особенности нелинейных оптических процессов, связанные с дисперсией среды. Самовоздействие света в диспергирующей среде.

Электрические свойства анизотропной среды. Тензор диэлектрической проницаемости. Оптические свойства одноосных и двуосных кристаллов. Коническая рефракция. Интерференция в одноосных и двуосных кристаллах. Изохроматоры и изогиры. Компенсаторы. Искусственная анизотропия.

Рассмотрение излучения в оптически неоднородной среде. Классический и квантовый подходы к описанию рассения излучения. Рассеяние света свободными электронами, атомами и молекулами. Интенсивность, частота и поляризация рассеянного излучения.

Когерентность рассеянного излучения. Рассеяние света взвешенными частицами. Теория Ми. Молекулярное рассеяние света на адиабатических и изобарических флуктуациях плотности. Соотношение Энштейна. Рассеяние Мандельштама-Бриллюэна конденсированными средами. Частота и ширина линии.

Комбинационное рассеяние света. Колебательные и вращательные спектры. Интенсивности стоксовых и антистоксовых компонент. Правила отбора.

Сила светового давления на атом в резонансном поле. Светоиндуцированный дрейф атомов и молекул и его практические применения. Изменения показателя преломления при колебательном возбуждении молекулярного газа. Газовые линзы и возможности фокусировки и дефокусировки света неоднородными средами.

Люминесценция редкоземельных ионов

д.ф.-м.н. Ю.П.Тимофеев
10 семестр, 32 часа

Редкоземельные (р.з.) ионы в качестве оптически активных центров.
Спектроскопия свободных р.з. ионов. Группа лантаноидов в периодической системе элементов. Специфика заполнения, архитектуры и оптических свойств 4f оболочки. Принцип Паули и антисимметрия волновых функций для эквивалентных электронов. Связь Рассел-Саундерса. Обозначения термов, правило Хунда. Понятие о коэффициентах Клебша-Гордана и Рака.
Люминесценция твердых тел с р.з. ионами. Штарковское расщепление уровней в кристаллах и стеклах в случае слабого кристаллического поля. Приближение кубического поля. Основные элементы локальной симметрии кристаллов.
Вероятности оптических электро- и магнитодипольных переходов. Частичное снятие запрета на 4f-4f переходы в кристаллах. Связь коэффициентов поглощения с вероятностями оптических переходов, их измерения.
Многофононные переходы в р.з. ионах. Приближение "энергетической щели" и современные подходы к расчету вероятностей безызлучательных переходов.
Квантовый выход и коэффициенты ветвления люминесценции.
Трех-, четырех уровневые, каскадные и др.схемы лазеров с р.з.ионами.
Различные механизмы взаимодействия р.з.ионов: резо- нансное, обменное, рекомбинационное и др. Миграция и перенос энергии электронных возбуждения. Кинетика послесвечения и выход люминесценции при переносе энергии.
Особые виды переноса: кроссрелаксационное и нелинейное взаимодействие. Суммирование и размножение электронных возбуждения р.з. ионов. Различные механизмы антистоксова преобразования ИК лучей в видимый свет.

Конденсированное состояние вещества

профессор А.Н.Васильев
9 семестр, 36 часов

Кристаллические и аморфные твердые тела. Жидкости. Ближний и дальний порядок. Энергия взаимодействия. Кристаллы с ионной, ковалентной, молекулярной связью. Методы исследования.

Свойства симметрии кристаллов. Реальные кристаллы.

Проникновение света в поглощающие среды. Диэлектрическая проницаемость и её связь с микроскопическими свойствами твердых тел.

Электроны в кристаллах. Теорема Блоха. Зона Бриллюэна. Энергетические зоны. Приближение сильной и слабой связи. Плотность состояний в твердых телах. Зонные структуры диэлектриков, металлов, полупроводников и полуметаллов. Обзор методов расчета электронной структуры кристаллов.

Металлы. Уровень и поверхность Ферми.

Взаимодействие электронов и дырок в диэлектриках. Экситоны Ванье-Мота и Френкеля. Особенности электронной структуры молекулярных кристаллов.

Конфигурационное взаимодействие. Эффект Оже. Биэкситоны и конденсация экситонов.

Дефекты в кристаллах. Классификация дефектов.

Неупорядоченные системы, стекла. Особенности электронной структуры неупорядоченных сред. Поглощение света неупорядоченными системами.

Элементы динамической теории кристаллических решеток. Нормальные колебания. Фононы. Акустические и оптические ветви. Теплоемкость кристаллов.

Взаимодействие колебаний решетки с электромагнитным полем. Поляритоны.

Взаимодействие электронной и фононной подсистем. Адиабатическое приближение. Форма линии поглощения дефектов. Поляроны. Автолокализация электронов и дырок. Квантовые размерные эффекты. Наноструктуры.

Введение в интегральную и волоконную оптику

к.ф.м.н. В.Г.Воронин
10 семестр, 32 часа

Предмет интегральной оптики. Волоконные световоды. Лучевая трактовка распространения света в двухслойных и градиентных световодах. Типы лучей. Числовая апертура. Волоконно-оптические жгуты. Фоконы. Волоконные пластины. Основные применения. Основы технологии изготовления. Волновое уравнение волоконного световода. Волоконные моды. Характеристическое уравнение. Частоты отсечки. Постоянные распространения и распределения полей мод. Вытекающие моды. Основные типы световодов.

Ввод и вывод излучения в волновод. Интегрально-оптические элементы, преобразующие пространственную структуру световых потоков (линзы, осветители, решетки и т.п.). Интегрально-оптические элементы, преобразующие временную структуру световых пучков. Акустооптическое взаимодействие в волноводных структурах.

Источники излучения для интегрально-оптических схем. Лазеры с распределенной обратной связью. Приемники излучения. Основы технологии изготовления интегрально-оптических схем. Потери в материалах для пленочных волноводов. Использование интегрально-оптических схем в системах обработки информации и в лазерной технике.

Связь и конверсия мод. Нерегулярный световод. Изгиб световода. Потери на изгибах и микроизгибах. Согласование световодов с источниками и приемниками излучения. Направленные осветители. Поляризационные свойства световодов. Двулучепреломление и оптическая активность световодов. Эффект Фарадея в световоде. Деполяризация излучения в многомодовом световоде. Дисперсия фазовой и групповой скоростей в оптических волноводах. Межмодовая дисперсия в волоконном световоде. Распространения сигналов в волоконно-оптическом тракте.

Световодная система связи. Её основные элементы. Ёмкость канала световодной связи. Основы технологии изготовления волоконных световодов. Потери в материалах для волокон. Нелинейно-оптические явления в волноводах и световодах (ВКР, ВРМБ, параметрические процессы, генерация гармоник, фазовая самомодуляция излу чения). Использование этих явлений. Солитон. Световодные датчики физических величин. Фазовые датчики. Амплитудные датчики.

Оптика когерентного излучения

проф. П.В.Короленко
8 семестр, 32 часа

Общетеоретические положения. Понятие когерентности. Основы волновой оптики. Теория дифракции по Кирхгофу. Фурье-оптика. Геометрооптическое приближение. Элементы гамильтоновой оптики.
Формирование и распространение волновых пучков. Моды свободного пространства. Поля оптических резонаторов. Волноводное распространение излучения. Распространение света в среде со случайными неоднородностями. Формирование спекл-полей при взаимодействии света с диффузными объектами. Стохастизация волновых пучков в каналах с регулярным распределением неоднородностей. Оптический хаос и фрактальные структуры лучей. Пучки с винтовыми дислокациями волнового фронта. Элементы сингулярной оптики.
Запись и обработка оптической информации. Получение изображений в оптических схемах. Теории Аббе и Релея. Влияние аберраций. Голографическая запись информации. Оптическая фильтрация и распознавание образов. Сопоставление методов когерентной и некогерентной оптики. Характеристики качества изображения.
Методы компьютерной оптики. Цифровая обработка оптических полей. Цифровая голография. Киноформ. Фазовая проблема в оптике. Создание на основе решения обратных задач нового класса оптических элементов. Дифракционные оптические элементы. Создание фокусаторов на основе управляемых зеркал. Использование принципов адаптивной оптики.

Теория синхротронного излучения

к.ф.м.н. О.С.Павлова
8 семестр, 32 часа

Уравнения движения электрона в бетатроне. Связь радиуса орбиты с энергией электрона. Условия существования устойчивой равновесной орбиты. Фокусировка. Основные элементы конструкции бетатрона. Предельная энергия электрона в бетатроне.
Принцип автофазировки. Уравнение движения электрона в синхротроне. Квазистационарная теория фазовых колебаний. Принцип жёсткой фокусировки. Резонансные явления. "Ромб" устойчивости. Фазовая устойчивость.
Влияние синхротронного излучения на работу циклического ускорителя. Энергетические потери. Радиационное затухание бетатронных и синхротронных колебаний. Выводы квантовой теории. Квантовые флуктуации.
Накопительные кольца. Встречные пучки частиц. Конструкции накопительных колец. Светимость пучка. Поляризация частиц в накопительных кольцах. Источники синхротронного излучения (СИ).
Классическая теория синхротронного излучения. Общие характеристики СИ: мощность, особенности углового и спектрального состава излучения. Формула Шотта. Поляризационные свойства СИ. Спектральный состав СИ. Мощность мгновенного излучения.
Классическая теория ондуляторного излучения. Уравнения движения частицы в плоском и спиральном ондуляторе. Ондулятор бесконечной длины: угловое распределение мощности излучения, спектральный состав и поляризационные свойства излучения. Ондулятор конечной длины. Спиральный ондулятор.