Министерство образования Российской Федерации

УЧЕБНАЯ ПРОГРАММА
по курсу

"КВАНТОВАЯ РАДИОФИЗИКА"

для направления подготовки 511500 - Радиофизика
(цикл общепрофессиональных дисциплин)
и для специальности
013800 - Радиофизика и электроника
(дисциплины специальности)

Цель курса - изучение основ квантовой теории взаимодействия излучения с веществом. Рассмотрены квантовая теория свободного электромагнитного поля, квантовая теория взаимодействия поля с веществом. Механизмы уширения спектральных линий, релаксация, квантовая кинетика рассматриваются с позиций квантовых статистических ансамблей. Курс включает в себя обсуждение наиболее ярких проявлений квантовых эффектов в эксперименте и последние достижения в их теоретическом описании.

Задача курса - сформировать у студента современное представление о фотонной структуре электромагнитного поля, об элементарных квантовых актах однофотонного и многофотонного взаимодействия поля с веществом и их конкретном проявлении при преобразовании, усилении и генерации когерентного электромагнитного излучения в квантовых усилителях и генераторах радио- и оптического диапазонов длин волн. Рассмотрение взаимодействия двухуровневой среды с резонансным ЭМ полем, причем обсуждаются особенности как слабых так и сильных полей, и методы создания инверсной разности заселенностей позволяют сформировать у студента концептуальное понимание механизмов создания и функционирования квантовые усилителей и генераторов.

Для освоения спецкурса необходимы знания из математической физики, линейной алгебры, квантовой механики. В результате усвоения курса студент приобретает фундаментальные знания о принципах взаимодействия квантового поля с квантовой системой, знакомится с современным математическим формализмом описания взаимодействий, приобретает практические навыки работы с оптическими квантовыми генераторами.

В результате изучения дисциплины студент должен знать:

• - квантовую теорию излучения и поглощения электромагнитных волн веществом;
• - основные элементарные квантовые процессы с участием фотонов;
• - квантовую теорию релаксации;
• - основные механизмы уширения спектральных линий;
• - различные методы создания инверсной населенности в среде;
• - физические принципы функционирования и основные характеристики квантовых усилителей и генераторов; 

СОДЕРЖАНИЕ КУРСА

" КВАНТОВАЯ РАДИОФИЗИКА "

(наименование тем и их содержание)

I. Введение. Предмет и историческая справка развития квантовой радиофизики. Квантовые усилители и генераторы СВЧ и оптического диапазона частот. Роль квантовой радиофизики в разработке новейшей техники

1. Постановка задачи. Идея квантования.
2. Основные постулаты и математический формализм квантовой теории. Матричное представление операторов. Операторная алгебра. Унитарные, сопряженные и эрмитовы операторы. Определение коммутирующих операторов. Коммутирующие операторы как операторы с общим набором волновых функций. Нормировка волновых функций.
3. Основы квантовой статистики. Фермионы и бозоны. Принцип Паули. Статистический вес.
4. Основные принципы квантования систем. Уравнения Лагранжа и Гамильтона. Каноническая форма. Обобщенные координаты. Логическая структура формализма Лагранжа, квантование через формализм Лагранжа.
5. Квантовая теория свободного электромагнитного поля. Гармонический осциллятор (квантовый и классический) Собственные состояния и вектора Операторы рождения и уничтожения частиц и их алгебраические свойства . Спектр и базисная система оператора числа частиц. . Операторы физических величин (вектор потенциала, напряженностей электрического и магнитного поля и энергии) для электромагнитных полей. Квантование свободного электромагнитного поля. Энергетический спектр и стационарные состояния свободного электромагнитного поля. Общая характеристика и свойства электромагнитного поля в стационарном состоянии. Разложение электромагнитного поля по свободным типам колебаний. Понятие электромагнитного вакуума. Его характерные свойства.
6. Понятие фотона. Свойства фотона. Оператор фазы фотона. Операторы рождения и уничтожения для фотонов.

1. Поле как совокупность квантовых гармонических осцилляторов. Волновая функция поля. Математический аппарат вторичного квантования.
2. Оператор Гамильтона системы заряженных частиц и электромагнитного поля. Оператор энергии взаимодействия электромагнитного поля с веществом. Однофотонные и двуфотонные переходы в первом порядке теории возмущений. Матричные элементы оператора энергии взаимодействия поля с веществом для процессов однофотонного излучения и поглощения
3. .Спонтанное и индуцированное излучение фотона. Свойства индуцированного и спонтанного излучения. Вероятность однофотонного поглощения.
4. Вероятности излучения и поглощения в мультипольном приближении. Соотношение между вероятностями индуцированного и спонтанного процессов. Влияние вырождения состояний квантовой системы на величину вероятностей излучения и поглощения. Правила отбора для мультипольного излучения (поглощения). Элементы теории групп для анализа симметрии состояния и связь пространственной четности волновой функции квантовой системы с правилом отбора для мультипольного излучения (поглощения). Электродипольное, магнитодипольное и квадрупольное излучение (поглощение). Многофотонные процессы. Параметрические и непараметрические многофотонные процессы, их вероятности.
5. Уравнения для двухуровневой среды, взаимодействующей с классическим электромагнитным полем. Стационарные решения уравнений двухуровневой среды, взаимодействующей с резонансным полем. Эффекты насыщения и просветления среды в сильном электромагнитном поле

IV.МЕХАНИЗМЫ УШИРЕНИЯ СПЕКТРАЛЬНЫХ ЛИНИЙ. РЕЛАКСАЦИЯ.

1. Понятие когерентности излучения. Когерентность световых волн (временная и пространственная). Когерентность второго порядка. Продольное и поперечное время релаксации. Понятие ансамбля частиц. Спектральный контур линии Соотношение неопределенностей энергия-время и естественная ширина линии излучения. Естественное, допплеровское и ударное уширение. Физические механизмы однородного и неоднородного уширения. Оценки величин неоднородного уширения линий в различных средах. Новые формы контура и обуславливающие их эффекты.
2. Релаксация. Релаксационные процессы в различных физических системах Продольное и поперечное времена релаксации и их физический смысл. Влияние фазосбивающих соударений на времена релаксации. Оценки продольного и поперечного времен релаксации для различных сред.

V. КВАНТОВАЯ КИНЕТИКА.

1. Чистые и смешанные состояния. Временная эволюция статистических смесей.
2. Матрица плотности в квантовой теории и ее свойства. Свойства матричных элементов матрицы плотности. Оператор временной эволюции. Уравнение Лиувилля-Неймана. Временная эволюция элементов матрицы плотности.
3. Уравнения, описывающие релаксацию динамических подсистем. Кинетические уравнения. Понятие о динамической и диссипативной подсистемах. Релаксация динамической подсистемы как процесс взаимодействия с диссипативной подсистемой.

VI.МЕТОДЫ СОЗДАНИЯ ИНВЕРСНОЙ РАЗНОСТИ НАСЕЛЕННОСТЕЙ.

1. Физика явления Уравнение переноса излучения в усиливающей среде. Коэффициент и показатель усиления. Инверсия населенностей. Понятие отрицательной температуры.
2. Основные методы создания инверсии в средах. Метод оптической накачки. Трехуровневые системы. Представление 3-х уровневой системы. Преимущества четырехуровневых систем.
3. Электрический разряд Создание инверсной разности населенностей в газах с помощью газового разряда. Возбуждение атомов при столкновении с электронами. Вероятность возбуждения атома налетающим электроном. Неупругие соударения атомов. Перенос энергии при неупругом соударении атомов и молекул.
4. Химический способ.
5. Использование р-п перехода в полупроводниках.
6. Газодинамический метод.

VII. КВАНТОВЫЕ УСИЛИТЕЛИ И ГЕНЕРАТОРЫ.

1. Физика лазеров и математический формализм. Уравнение переноса излучения в усиливающей среде. Коэффициент и показатель усиления. Оценки величины показателя усиления для различных сред.
2. Параметры лазерных систем. Внешние лазерные параметры. Мощность излучения., распределение мощности излучения внутри пучка, энергия излучения ,угловая расходимость и линейный размер пучка, поляризация. Методы повышения мощности генерации лазеров. Метод модулированной добротности. Метод синхронизации мод в лазерах. Плотность потока в ближней и дальней зонах. Распределение мощности излучения внутри пучка. Энергия излучения. Плотность энергии в ближней и дальней зонах. Распределение энергии излучения внутри пучка. Угловая расходимость и линейный размер пучка. Поляризация.
3. Внутренние лазерные параметры. Спектр мод резонатора. Типы открытых резонаторов . Поля в открытых резонаторах. Принципы расчета оптического резонатора. Конфокальный резонатор. Дискретные частоты внутри спектральной ширины линии излучения. Ширина полосы отдельной моды резонатора. Относительные и абсолютные значения частот. Стабильность, ее пределы. Воспроизводимость частоты. Усиление. Параметры ,определяющие существование усиления. Потери в рабочем веществе, в оптическом резонаторе . Шумы . Внутренние и внешние источники . Спектральное распределение и его свойства
4. Стационарный и импульсный режимы.
5. . Способы управления параметрами лазеров. Управление пространственным распределением, амплитудной и временной характеристиками, перестройкой частоты. . Применение эффекта насыщения для управления параметрами лазерного излучения.
6. Рассмотрение конкретных лазеров. Твердотельные лазеры. Активная среда, способ создания инверсной заселенности, принципиальные особенности. Требования к лазерному веществу твердотельных лазеров. Лазер на стекле с неодимом.
7. Лазер на рубине. Строение и физические свойства рубина. Схема уровней и переходы. Спектры поглощения и люминесценции рубина. Конструкция и принципы работы. Энергетические и временные характеристики излучения.
8. Атомные лазеры. Строение атома. Атомные орбитали. Квантовые числа электрона. Сложение векторных моментов в атоме. Типы связей. Электронные конфигурации атомов. Идентификация уровней. Гелий-неоновый лазер. Состав активной среды. Механизмы возбуждения Лазер на аргоне. Состав активной среды. Механизмы возбуждения
9. Молекулярные лазеры. Основные типы движений в молекулах. Электронные, колебательные и вращательные уровни. Идентификация уровней Оптические переходы в молекулах. Разрешенные и запрещенные переходы. Вероятность переходов. Лазер на углекислом газе. Состав рабочей смеси, роль каждой компоненты. Технические решения и особенности конструкций СО2 лазеров (продольная, поперечная прокачка, волноводные, отпаянные, газодинамические лазеры). Лазер на оксиде углерода как пример ангармонической накачки и каскадного излучения.
10. Эксимерные лазеры Состав активной среды. Механизмы возбуждения Кривые потенциальной энергии в верхних и нижних состояниях. Галогениды инертных газов. Состояние с переносом заряда.
11. Жидкостные лазеры. Лазеры на красителях. Состав активной среды. Механизмы возбуждения. Энергетическая структура молекулы красителя. Синглет - триплетная конверсия.
12. Полупроводниковые лазеры. Зонная теория. Волновая функция Блоха. Уровни и квазиуровни Ферми. Гомо- и гетеропереходы. Энергетические состояния электронов в вырожденных полупроводниках. Усиление излучения в р-п переходе вырожденных полупроводников. Принцип действия и конструкция инжекционного лазера на р-п переходе . Принцип действия и устройство лазера на гетеропереходе. Пространственно-энергетические и спектральные характеристики излучения инжекционного лазера. Преимущества и недостатки полупроводниковых лазеров.
13. Применение лазеров. Применение квантовых усилителей в науке и технике. Квантовые стандарты времени и частоты. Лазерное охлаждение атомов и его использование в новых поколениях квантовых приборов. Электронный парамагнитный резонанс (ЭПР). Применение ЭПР в науке (физика, химия,биология) и технике. Ядерный магнитный резонанс (ЯМР). Применение ЯМР в науке, технике и медицине.

Рекомендуемая литература (основная)

1. В.В. Колпаков. Квантовая радиофизика. - Изд. ТГУ, Томск, 1984, 222с.
2. А.Мессиа. Квантовая механика.- М., Наука. ГРФМЛ, 1979, т.1 и Т.2.
3. У.Флайгер. Строение и динамика молекул. М.Мир, 1982,тт. 1, 2.
4. В.М.Файн, Я.И Ханин. Квантовая радиофизика. М., Сов.Радио, 1965, тт. 1, 2.
5. В.М.Файн. Квантовая радиофизика. М., Сов.Радио, 1972.
6. Р.Фейнман. Квантовая электродинамика. М., Мир,1964.
7. Дж.Макомбер . Динамика спектроскопических переходов М., Мир.,1979.
8. У.Люиселл. Излучение и шумы в квантовой электронике. Изд. Наука, ГРФМЛ, М., 1972.
9. А. Ярив. Квантовая электроника М. , Сов. Радио, 1980.
10. О.Звелто. Принципы лазеров. М., Мир,1984.
11. Я.И.Ханин. Основы динамики лазеров. М.,Наука, Физматлит,1999.

Рекомендуемая литература ( дополнительная)

1. В.Г. Гусев. Б.Н. Пойзнер. Лабораторный практикум по физике лазеров Учебное пособие , Томск.Изд-во Томского госуниверситета 1992.-238с.
2. Н.В.Карлов. Лекции по квантовой электронике .М.,ГРФМЛ,1983.
3. Квантовая оптика и квантовая радиофизика. Пер. под ред.О.В.Богданкевича и О.Н. Крохина, . М., Мир,1966.
4. Клышко Д.Н. Физические основы квантовой электроники. - М.: Наука. Гл.ред.физ.-мат.литературы, 1986.
5. Н.Б. Делоне. Взаимодействиеи лазерного излучения с веществом. М.: Наука. Гл.ред.физ.-мат. литературы, 1989.