Министерство образования Российской Федерации
Нижегородский государственный университет им. Н.И.Лобачевского

"УТВЕРЖДАЮ"
Декан радиофизического факультета
профессор ___________ С.Н.Гурбатов

УЧЕБНАЯ ПРОГРАММА
курса
"ВВЕДЕНИЕ В КВАНТОВУЮ РАДИОФИЗИКУ.
ФИЗИКА ДВУХУРОВНЕВЫХ СИСТЕМ"
для направления подготовки 511500 - Радиофизика
(цикл специальных дисциплин)
и для специальностей
071500 - Радиофизика и электроника
(цикл специальных дисциплин)
Н.Новгород - 2001

 1. Организационно-методический раздел.

    Курс предназначен для подготовки бакалавров и магистров радиофизики, а также специалистов по радиофизическим специальности "Радиофизика и электроника", "Фундаментальная радиофизика и физическая электроника". Спецкурс "Физика двухуровневых систем" читается в 6 семестре для студентов, специализирующихся на кафедре квантовой радиофизики. Он базируется на знаниях студентов, приобретенных в курсах общей физики, математического анализа, классической (теоретической) механики и квантовой механики.
    Цель курса - знакомство специализирующихся в области квантовой электроники студентов с фундаментальными физическими явлениями, лежащими в основе функционирования техники волоконно-оптической связи, оптической генерации и усиления, а также стандартов частоты и времени.

2. Содержание курса.

I. ПРЕДМЕТ "КВАНТОВОЙ РАДИОФИЗИКА"

Квантовая радиофизика и научно-технический прогресс. Двухуровневая квантовая система как основная модель физических явлений, связанных с резонансным взаимодействием вещества и поля

II.УРАВНЕНИЕ ШРЕДИНГЕРА.

Уравнение Шредингера в представлении взаимодействия.Уравнение Шредингера для двухуровневой системы, взаимодействующей с классическим электромагнитным полем. Электродипольное, магнитодипольное приближения для взаимодействиявещества с электромагнитным полем. Методы решения уравнения Шредингера. Сдвиги энергетических уровней и квантовые переходы.

III. КОГЕРЕНТНОЕ ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ ДВУХУРОВНЕВОЙ СИСТЕМЫ С РЕЗОНАНСНЫМ ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫМ ПОЛЕМ.

Амплитуда вероятности квантового перехода. Приближение вращающейся волны. Осцилляции Раби. Частота Раби. Спектральная линия излучения (поглощения) при квантовом переходе. Динамическое полевое уширение спектральной линии. Эффект оптической нутации. Когерентное взаимодействие импульсных резонансных полей со средой. Площадь под огибающей электромагнитного импульса. p /2 - импульсы, p - импульсы.

IV. ОДНОРОДНОЕ И НЕОДНОРОДНОЕ УШИРЕНИЕ СПЕКТРАЛЬНЫХ ЛИНИЙ. ФИЗИЧЕСКИЕ МЕХАНИЗМЫ УШИРЕНИЯ.

Уширение спектральных линий из-за конечности времени взаимодействия с полем. Спонтанное излучение. Безизлучательные переходы. Ударное уширение спеткральных линий. Фазосбивающие соударения, их физическая модель. Уширение спетральных линий магнитного резонанса из-за спин-спинового и спин-решеточного взаимодействий. Уширение линий из-за эффекта Доплера. Уширение линий из-за неоднородности полей в средах.

V. . КОГЕРЕНТНОЕ ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ ЭЛЕКТРОМАГНИТНОГО ПОЛЯ СО СПЕКТРАЛЬНО-НЕОДНОРОДНО-УШИРЕННОЙ СРЕДОЙ.

Разность населенностей и поляризация двухуровневой неоднородно-уширенной среды в резонансном поле. Явление "фотонное эхо". Провал Лэмба. Газовый лазер с метановой ячейкой. Обращенный провал Лэмба.

VI. ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ ДВУХУРОВНЕВЫХ СИСТЕМ С МЕДЛЕННО МЕНЯЮЩИМИСЯ И СТАТИЧЕСКИМИ НЕОДНОРОДНЫМИ ЭЛЕКТРИЧЕСКИМИ И МАГНИТНЫМИ ПОЛЯМИ.

Сортировка атомов и молекул неоднородными электрическими полями. Молукулярный генератор. Сортировка атомов неоднородными магнитными полями. Водородный мазер (Н-мазер).

VII. ДВУХУРОВНЕВАЯ КВАНТОВАЯ ПОДСИСТЕМА И ЕЕ ОПИСАНИЕ.

Понятие открытой системы. Матрица плотности для неполно описанных систем. Свойства матрицы плотности. Уравнение фон Неймана для матрицы плотности. Матрица плотности подсистемы. Квантовое кинетическое уравнение.

VIII. КВАНТОВЫЙ УСИЛИТЕЛЬ.

Среды для квантовых усилителей. Создание инверсной заселенности на рабочем переходе усилителя. Коэффициент усиления квантового усилителя. Насыщение. Шумы и чувствительность квантового усилителя.

IX. КВАНТОВЫЙ ГЕНЕРАТОР (МОЛЕКУЛЯРНЫЙ И ВОДОРОДНЫЙ КВАНТОВЫЕ ГЕНЕРАТОРЫ)

Устройство квантовых генераторов радиодиапазона. Уравнения квантового генератора. Условие самовозбуждения квантовых генераторов. Эффект затягивания частоты в квантовом генераторе. Мощность квантового генератора.

Х. КВАНТОВЫЕ СТАНДАРТЫ ЧАСТОТЫ И ВРЕМЕНИ.

3. Распределение часов курса по темам и видам работ.

N
п/п

Наименование
тем и разделов

Всего
часов

Аудиторные занятия

Самостоятельная
работа

Лекции
 

I

3

2

1
 

II

6

4

2
 

III

6

4

2
 

IV

6

4

2
 

V

6

4

2
 

VI

4

2

2
 

VII

6

4

2
 

VIII

4

2

2
 

IX-X

10

6

4
 

ИТОГО:

51

32

19

4. Формы текущего, промежуточного и итогового контроля.

Итоговый контроль: зачет в конце 6-го семестра/

5. Учебно-методическое обеспечение курса.

5.1. Рекомендуемая литература (основная).

  1. Мессиа А. Квантовая механика. Т.2. М. "Наука", 1979г.
  2. Аллен Л., Эберли Дж. Оптический резонанс и двухуровневые атомы. М. "Мир", 1978г.
  3. Летохов В.С., Чеботаев В.П. Принципы нелинейной лазерной спектроскопии. М. "Наука", 1975г.
  4. Акулин В.М., Карлов Н.В. Интенсивность резонансные взаимодействия в квантовой электронике. М. "Наука", 1987г.
  5. Страховский Г.М., Успенский А.В. Основы квантовой электроники. М. "Высшая школа", 1979г.

Составитель программы:
доцент В.Б.Цареградский