Физический факультет МГУ им. М.В.Ломоносова
Кафедра физики колебаний

Основы оптоэлектроники

доцент Балакший Владимир Иванович
7 семестр, 36 часов

Курс содержит изложение принципов действия основных типов оптоэлектронных устройств. Приводятся физические и технические характеристики этих устройств, рассматриваются вопросы их применения в системах обработки информации.

Основные разделы курса:

1. Общая характеристика источников света, используемых в оптоэлектронных системах, их сравнение, особенности применения. Инжекционные лазеры с гомо- и гетеропереходами. Светодиоды.
2. Типы фотоприемников, их характеристики. Приемники с внешним и внутренним фотоэффектом. Шумы фотоприемников. Методы фотоприема. Приемники оптических изображений видимого и ИК диапазонов спектра.
3. Методы управления оптическим излучением. Электрооптический и акустооптический эффекты. Модуляторы и дефлекторы световых пучков, акустооптические фильтры. Пространственная модуляция света. Управляемые транспаранты для систем оптической обработки информации.
4. Распространение света в планарных и канальных световодах. Пассивные и активные устройства интегральной оптики. Типы оптических волокон. Виды дисперсии. Механизмы потерь в световодах. Оптические линии связи.

Теория групп в физике колебаний

профессор Белов Александр Александрович
10 семестр, 32 часа.

Курс содержит изложение ряда основных положений теории представлений конечных групп симметрии и принципов применения абстрактных понятий и положений теории представлений в целях использования симметрии колебательных систем для упрощения расчета частот и форм нормальных колебаний. Курс базируется на материале ряда монографий.

Краткое содержание курса

В курсе излагается теория представлений конечных групп симметрии. Рассматриваются эквивалентные и неэквивалентные, приводимые и неприводимые представления. Обсуждается проблема приводимости представлений, обосновывается свойство ортогональности неприводимых представлений. Проводится классификация нормальных колебаний по типам симметрии и излагаются приемы, позволяющие до решения колебательной задачи определять типы симметрии нормальных колебаний и кратности собственных частот с помощью теории представлений конечных групп симметрии. Обосновывается возможность расщепления сложной колебательной задачи на более простые, соответствующие различным типам симметрии нормальных колебаний. Вводится понятие координат симметрии, в которых сложная колебательная задача разделяется на более простые по типам симметрии, и излагаются методы их построения.

Волны в направляющих структурах

доцент Белокопытов Геннадий Васильевич
8 семестр, 32 часа

Основные разделы курса

Бегущие электромагнитные волны в направляющих системах. Уравнения Максвелла в криволинейных координатах. Волны типа ТЕМ и квази-ТЕМ, многопроводные и коаксиальные линии. Микрополосковые линии.

Собственные волны прямоугольного и круглого волноводов, ТЕ и ТМ моды. Вырождение мод и его значение.

Замедление волн диэлектрической пластиной и круглым диэлектрическим стержнем. Собственные и вытекающие моды диэлектрических волноводов. Фокусировка волн в неоднородной среде. Планарный градиентный волновод и волоконный световод.

Дисперсия волн в линиях передачи. Критические частоты.. Особенности применения направляющих структур в различных диапазонах спектра электромагнитных волн.

Возбуждение электромагнитных волноводов.

Упругие волны в твердом теле. Поле упругих напряжений. Основные уравнения теории упругости. Тензор упругих деформаций, обобщенный закон Гука. Однородные плоские упругие волны в твердом теле. Акустическая анизотропия, уравнение Кристофеля.

Понятие об изотропном упругом континууме. Нормальные волны в изотропной пластинке (поперечные, продольные, изгибные). Понятие о поверхностных акустических волнах (волны Рэлея).

Введение в квантовые измерения

профессор Брагинский Владимир Борисович
6 семестр, 36 часов

Основные разделы курса:

1. Основные погрешности измерений: метрологические, квазистатические, стохастические.
2. Механические осцилляторы и электромагнитные резонаторы с малыми потерями
3. Методы измерения малых вариаций длины.
4. Стабилизация частоты автогенераторов
5. Квантовые ограничения в макроскопических измерениях
6. Измерения малых магнитных полей и малых потоков энергии
7. Обзор современных макроскопических экспериментов.
8. Основные методы статистической обработки результатов измерений.

Физические основы электро- и акустооптики

доцент Волошинов Виталий Борисович
9 семестр, 36 часов

Спецкурс знакомит с физическими основами работы современных приборов оптоэлектроники: модуляторов, дефлекторов и перестраиваемых фильтров. В спецкурсе рассматриваются основные положения оптики и акустики анизотропных сред, а также даются основные сведения о физических свойствах кристаллов и их описании с помощью тензоров. Подробно рассматривается линейный электрооптический эффект и его проявление в кристаллах различных классов. Обсуждаются особенности применения электрооптического эффекта в электрооптических приборах для фазовой и амплитудной модуляции световых потоков. В спецкурсе изучается фотоупругий эффект и особенностями его проявления в одноосных и двуосных кристаллах. Рассматриваются брэгговский и раман-натовский режимы дифракции света на акустических волнах в стеклах и кристаллах, а также подробно изучаются закономерности дифракции света на ультразвуке в оптически анизотропных средах. Обсуждаются закономерности применения анизотропной дифракции в современной оптоэлектронике при решении задач лазерной техники и оптической обработки информации.

Квантовая теория измерений, проверки гипотез и оценивания

доцент Воронцов Юрий Иванович
10 семестр, 32 часа

Основные разделы курса:

Предмет квантовой теории измерений. Элементы математического аппарата квантовой теории измерений. Состояние системы после измерения. Соотношения неопределенностей. Соотношения погрешность измерения-возмущение. Непрерывные измерения и оценивание параметров состояния системы. Невозмущающие и квазиневозмущающие измерения.

Принципы и методы измерений. Характеристики измерителей координаты. Эквивалентная флуктуационная схема прибора. Квантовый предел соотношения спектральных плотностей флуктуаций. Квантовый предел шумовой температуры. Измерения в распределенных системах.

Квантовая теория оценивания. Квантовый аналог неравенства Рао-Крамера. Оптимальные измерения при оценивании параметра смещения.

Квантовая теория проверки гипотез. Оптимальная стратегия различения состояний. Предел ошибки различения чистых состояний. Квантовый порог обнаружения действия классической силы.

Квантовые коммуникации и квантовые вычисления

профессор Вятчанин Сергей Петрович
10 семестр, 32 часа

Программа в стадии разработки.

Распределенные колебательные системы

профессор Иванов Игорь Васильевич, доцент Белокопытов Геннадий Васильевич
5 курс, 9 семестр, 36 часов

Основные разделы курса:

Особенности колебательных процессов в распределенных системах. Волновая и колебательная трактовка явлений. Волновое уравнение для различных систем. Поток энергии.

Распространение негармонического сигнала в системе с дисперсией. Дисперсионные искажения сигналов. Линейная теория дисперсии. Распространение сигнала с широким спектром. Качественная картина распространяющихся волн. Метод стационарной фазы. Фронт волны, условие существования фронта.

Явления на стыке двух систем с различными параметрами. Приближенные граничные условия. Методы согласования линий. Четвертьволновый трансформатор. Просветленная оптика. Трансформирующие свойства неоднородностей. Теорема Вайсфлоха. Согласование с помощью отрезков линий.

Неоднородные системы с непрерывным изменением параметров. Экспоненциальная линия. Волны переменной амплитуды. Дисперсия. Явления на высоких частотах. Системы с малой неоднородностью.

Системы с периодической неоднородностью. Практические примеры. Дисперсионное уравнение. Полосы непропускания и прозрачности. Пространственные гармоники. Обратные потоки энергии. Лампа обратной волны.

Связанные распределенные системы. Случай двух однородных систем. Синфазные и антифазные волны. Пространственные биения. Ответвители.

Волновые явления в нелинейных линиях. Случай малой дисперсии. Нелинейная линия без потерь. Искажение профиля волны в процессе распространения. Образование ударных волн. Условия образования ударных волн в нелинейных средах с потерями.

Нелинейные системы с сильной дисперсией. Приближение заданного поля. Параметрическое усиление бегущих волн. Соотношения частот взаимодействующих волн. Усилитель-преобразователь. Регенеративный усилитель бегущих волн.

Электромагнитные и акустические резонаторы. Собственные колебания объемных электромагнитных резонаторов (прямоугольных, цилиндрических). Открытые резонаторы диэлектрические резонаторы. Моды сферического диэлектрического резонатора. Возбуждение электромагнитных резонаторов.

Взаимодействия волн в нелинейных диэлектрических резонаторах. Роль граничных условий. Интегралы перекрытия мод. Трехчастотное взаимодействие, порог параметрического возбуждения. Резонаторные параметрические усилители и генераторы.

Акусто-электромагнитные взаимодействия в нелинейных резонаторах. Роль электрострикции и пондеромоторных сил. Режимы с преобразованием и без преобразования моды накачки. Усиление ультразвука, усиление СВЧ колебаний.

Квантовые колебательные системы

профессор Халили Фарит Явдатович
8-9 семестр, 64 часа.

Основные разделы курса:

Часть 1.

1. Статистическая модель квантовой механики.
2. Собственные значения и собственные состояния квантовых операторов.
3. Постулат о редукции фон Неймана. Проекционные операторы.
4. Динамическое поведение квантовых объектов.
5. Квантовый гармонический осциллятор.
6. Техника вычислений с некоммутирующими операторами.
7. Гауссовские состояния гармонического осциллятора.
8. Распределенные квантовые системы.
9. Квантовые состояния бегущей волны.
10. Диссипация в квантовых системах
11. Квантовый гармонический осциллятор с диссипацией.

Часть 2.

1. Флуктуации в линейных квантовых системах.
2. Двухуровневые квантовые системы.
3. Взаимодействие двухуровневой системы с квантованным электромагнитным полем.
4. Квантовый эффект Зенона.
5. Нелинейные квантовые системы с непрерывным измерением.
6. Квантовый эффект Зенона в двухуровневых квантовых системах.
7. "Скрещенные" квантовые состояния.

Компьютерные методы в физических исследованиях

профессор Халили Фарит Явдатович,профессор Вятчанин Сергей Петрович,
доцент Биленко Игорь Антонович, с. н. с. Городецкий Михаил Леонидович.
8 семестр, 32 часа.

Курс содержит следующие разделы:

Система для подготовки научных публикаций TEX.

Общее знакомство с TEX'ом и LATEX'ом. Набор обычных текстов. Набор формул. Дополнительные возможности TEX.

Система численных и аналитических вычислений MAPLE.

Общее знакомство с системой MAPLE. Использование MAPLE для анализа данных.

Решение уравнений в MAPLE.

Автоматизация физического эксперимента.

Аппаратные средства автоматизации исследований. Специальные средства для измерительных систем. Программная поддержка средств автоматизации.

Система визуального программирования LabView.

Приемы программирования на LabView. Теоретические основы цифровой обработки сигналов.Принципы построения современных измерительных систем. Вэйвлет-преобразование.

Параметрические и автоколебательные системы

ассистент Косых Татьяна Борисовна.
9 семестр, 36 часов

Целью курса является расширение знаний в области колебательных и автоколебательных радиофизических систем, получение новых знаний и навыков анализа колебательных систем.

Структура и содержание курса:

Раздел 1. Параметрические системы: коэффициенты усиления, коэффициент шума, полоса пропускания,

1. Параметрические усилители (ПУ) с повышением частоты.
2. ПУ с отрицательным сопротивлением.
3. Регенеративные ПУ с циркулятором.
4. четырехчастотные ПУ.
5. Емкостной датчик механических перемещений.
6. Параметрический видеоусилитель.

Раздел 2. Автоколебательные системы (АКС).

1. Физические определения и классификация АКС. Уравнение
   Ван-дер Поля.
2. АКС томсоновского типа.
3. Вырожденные АКС.
4. Особенности поведения АКС с инерционными элементами.
5. АКС с запаздывающими силами.
6. Хаотические автоколебания в динамических системах.

Введение в теорию динамических систем

доцент Кузнецов Юрий Иванович
10 семестр, 32 часа.

Курс знакомит с основными понятиями и методами исследования процессов в динамических системах. Рассмотрены основные методы исследования устойчивости, переходные процессы и бифуркационные явления в линейных и нелинейных конечномерных динамических системах.

Курс содержит следующие разделы:

1. Основные понятия и подходы в теории динамических систем.
2. Операторный метод анализа линейных систем.
3. Устойчивость линейных систем.
4. Переходные процессы в линейных системах.
5. Метод корневого годографа.
6. Пространство состояний и фазовый портрет динамической системы.
7. Метод точечных отображений Пуанкаре.
8. Грубость и бифуркации динамических систем.
9. Хаотические колебания в динамических системах.

Импульсные сигналы и нестационарные процессы в электронных системах

профессор Логгинов Александр Сергеевич
9 семестр, 36 часов

Рассмотрены нестационарные процессы в электронных и оптоэлектронных системах, методы генерации и регистрации электрических и оптических сигналов предельно малой длительности. Студенты приобретают знание физических механизмов, определяющих особенности генерации, распространения и регистрации импульсных сигналов в электронных и оптоэлектронных системах.

Курс содержит следующие разделы:

1. Спектральный и временной методы анализа нестационарных процессов в линейных электрических цепях.
2. Распространение сигналов в распределенных и сосредоточенных системах передачи.
3. Методы генерации импульсных сигналов предельно малой длительности.
4. Осциллографический метод регистрации импульсных сигналов и его ограничения.
5. Стробоскопическое осциллографирование.
6. Методы анализа оптических сигналов.
7. Метод электронно-оптической хронографии.
8. Современные методы регистрации быстропротекающих процессов в оптически прозрачных средах и приборах микро- и оптоэлектроники.

Измерительные методы, основанные на квантовых эффектах

профессор Митрофанов Валерий Павлович
10 семестр, 32 часа

Рассматриваются устройства и методы измерений различных физических величин, относящихся к макроскопическим объектам, основанные на эффектах, имеющих существенно квантовую природу. Их применение позволяет значительно улучшить метрологическую точность и разрешение в физических экспериментах и технических приложениях. Эти устройства условно разделены на несколько групп. К ним относятся квантовые генераторы высокостабильного электромагнитного и оптического излучения, такие как мазеры и лазеры; устройства, основанные на туннельном эффекте и молекулярных силах типа туннельного и атомно-силового микроскопов; использующие квантовые макроскопические эффекты в сверхпроводниках; измерительные системы, оперирующие с единичными атомами, ионами и молекулами, удерживаемыми в ловушках или устройствах типа мазера на одном атоме. Специальное внимание уделяется рассмотрению физической сущности и теоретическому анализу квантовых явлений, лежащих в основе этих измерительных систем.

Колебательные системы с малой диссипацией

профессор Митрофанов Валерий Павлович
9 семестр, 36 часов

Механические и электромагнитные колебательные системы с малой диссипацией широко применяются в прецизионных физических экспериментах и в технике. Основное внимание в курсе уделяется рассмотрению физических механизмов, вызывающих диссипацию, и методов ее уменьшения в различных системах. Отдельно рассматриваются механические осцилляторы от низкочастотных маятников до акустических резонаторов ультразвукового диапазона частот и электромагнитные колебательные системы вплоть до оптических резонаторов. Систематизируются и анализируются механизмы потерь энергии, которые в принципе могут быть устранены, и их устранение определяется техническими возможностями, например, созданием высокочистых бездефектных кристаллов для изготовления акустических и диэлектрических электромагнитных резонаторов. Специальное внимание уделяется рассмотрению фундаментальных принципиально неустранимых механизмов потерь энергии в механических и электромагнитных системах. Обычно они связаны с нелинейностью, ангармонизмом кристаллической решетки, вызывающим взаимодействие упругих и электромагнитных колебаний с фононами. Даются практические рекомендации по созданию колебательных систем в различных частотных диапазонах с добротностью превышающей 109.

Статистический анализ и обработка сигналов при физических измерениях

профессор Митрофанов Валерий Павлович
9 семестр, 36 часов

Рассматриваются различные аспекты проблемы достижения максимальной чувствительности в физических измерениях. Проанализированы флуктуационные процессы в преобразователях и электронных цепях, использующихся для усиления и обработки сигналов. Рассматриваются методы описания и анализа случайных процессов, основные виды шумов, их прохождение через линейные и нелинейные системы. Наряду с классическими представлениями в этой области специальное внимание уделяется квантовым шумам, проявляющимся в высокодобротных или высокочастотных колебательных системах. Рассмотрены неклассические состояния оптического излучения и возможности их использования в измерительных системах. Изложены основные положения теории фильтрации и обнаружения слабых сигналов, методы обработки сигналов и их выделения из шумов.

Оптическая обработка информации

профессор Парыгин Владимир Николаевич
10 семестр,32 часа.

Изучаются особенности оптического сигнала, как носителя информации, показываются преимущества оптического носителя с точки зрения быстродействия и возможности параллельной обработки информации. Рассказывается об основных схемах и устройствах систем оптической обработки информации. Студенты получают основы знаний по оптической обработке информации, включая анализ и синтез оптических изображений, возможности когерентных и некогерентных методов обработки, в том числе в системах с быстрым вводом информации.

Курс содержит следующие разделы:

1. Основные понятия при описании оптических изображений.
2. Оптическое изображение в когерентном и некогерентном свете.
3. Пространственная фильтрация оптических изображений.
4. Обработка изображений с радиолокатора с синтезированной апертурой.
5. Системы обработки информации, использующие динамические транспаранты.

Радиофизика

профессор Вятчанин Сергей Петрович, профессор Логгинов Александр Сергеевич
5 семестр, 48 часов

В курсе описаны физические процессы и явления при линейном и нелинейном преобразованиях сигналов в радио- и оптоэлектронных устройствах. Приведена классификация линейных и нелинейных сосредоточенных и распределенных систем. Описаны возможности нелинейных преобразований сигналов, реализующих, в частности, операции модуляции и детектирования. Изложены физические основы работы нелинейных элементов электроники, принципы создания усилителей и генераторов электрических и оптических сигналов, элементы теории информации, принципы и устройства цифровой обработки сигналов. Даны примеры использования методов радиофизики.

Основные разделы курса:

1. Линейные системы. Методы исследования. Сосредоточенные и распределенные цепи. Спектральный метод анализа процессов в линейных цепях.
2. Нелинейные преобразования в радиофизике.
3. Основы полупроводниковой электроники.
4. Усиление электрических сигналов.
5. Электрические флуктуации в линейных и нелинейных элементах.
6. Генерирование электрических колебаний.
7. Элементы теории информации.
8. Некоторые применения радиофизических методов.

Полупроводниковые лазеры и оптические волноводы

ассистент Ржанов Алексей Георгиевич
9 семестр, 36 часов

Рассматриваются физические основы и математическое описание диэлектрических и полупроводниковых волноводных структур пассивного и активного типов. Студенты приобретают знание физики распространения сигналов в направляющих линиях волоконной оптики, СВЧ-устройствах и других родственных радиофизических объектах; а также знание физики, технологии изготовления и практического применения полупроводниковых лазерных и усиливающих структур.

Курс содержит следующие разделы:

1. Основы и история изучения взаимодействия света и вещества.
2. История волноводов и лазеров.
3. Теория пассивных оптических волноводов.
4. Теория и технология инжекционных лазеров.
5. Методы расчета активных волноводов и резонаторов.
6. Обзор последних достижений в области волноводной оптики, фотоники и оптоэлектроники.

Электроника полупроводниковых приборов

 доцент Ржевкин Кирилл Сергеевич
9 семестр,36 часов

Рассматриваются физические механизмы электропроводности и движения электронов в твердых телах; контактные явления; свойства, характеристики, принципы действия и области применения современных твердотельных приборов в широком диапазоне частот.

Курс содержит следующие разделы:

1. Особенности движения электронов в твердых телах.
2. Механизмы электропроводности.
3. Контактные явления.
4. Приборы на "пролетных эффектах".
5. Квантовые механизмы электропроводности.

Флуктуации в физических системах

ст.преп. Степанов Александр Викторович
10 семестр, 32 часа

Измерение шума и сигнала на фоне шума. Свойства различных статистических оценок при усреднении по времени, спектральные и временные окна. Линейная и нелинейная фильтрация сигналов и шума. Модуляционные измерения, синхронное детектирование. Корреляционные измерения, схема совпадений. Компенсация помехи, адаптивная компенсация. Стохастический резонанс. Шумовые характеристики усилителей. Оптимизация шумовых характеристик системы датчик - усилитель. Коэффициенты передачи сигнала и шума. Минимальный шум усилителей.

Основные виды флуктуаций. Равновесный шум в электрических системах. Шумовая термометрия. Шумовое охлаждение. Дробовой шум приборов, шумы токораспределения и вторичной эмиссии. Регистрация фототока, счет фотонов. Избыточные шумы, флуктуации сопротивления. Токовая зависимость, модуляционный эффект. Равновесные флуктуации параметров. Флуктуаторы. Пространственное распределение флуктуаторов и геометрический фактор шума. Шум генерации-рекомбинации. Термически активируемые процессы, температурная зависимость шума. Шум 1/f. Основные экспериментальные данные, математические и физические модели шума 1/f.

Теория колебаний

профессор Александр Александрович Белов, профессор Владимир Николаевич Парыгин
6 -7 семестр, 64 часа.

Целью курса является ознакомление студентов с физическими основами колебаний в механических, электрических, оптических и иных колебательных системах. При этом на конкретных примерах реальных физических систем выявляются общие свойства всех динамических объектов, описываемых аналогичными дифференциальными уравнениями.

Структура и содержание курса:

1. Основные понятия теории колебаний
2. Свободные колебания в системах с 1 степенью свободы
3. Колебания в системах с 1 степенью свободы при внешнем воздействии
4. Метод медленно меняющихся амплитуд
5. Элементы теории автоколебаний
6. Линейные колебательные системы с 2 степенями свободы
7. Параметрические и автоколебательные системы с 2 степенями свободы
8. Колебания в системах со многими степенями свободы
9. Колебательные процессы в распределенных системах

Введение в физику твердого тела

профессор Халили Фарит Явдатович
7 семестр, 36 часов

Курс содержит следующие разделы:

1. Введение.

Раздел I. Кристаллические структуры.

1. Кристаллические структуры.
2. Обратная решетка.
3. Теорема Блоха.

Раздел II. Колебания решетки.

1. Фононы.
2. Линейная одноатомная цепочка.
3. Линейная двухатомная цепочка.
4. Спектральная плотность нормальных колебаний решетки.
5. Теплоемкость кристаллической решетки.
6. Ангармонические эффекты в кристалле.
7. Электронный газ.
8. Электроны в периодическом поле решетки.