Эта программа также доступна в pdf формате.
См. также вопросы к экзамену по этому курсу.История развития квантовой электроники. Статистика Бозе-Эйнштейна, квантовая теория излучения Дирака. Развитие в радиоспектроскопии монохроматических источников излучения и объемных резонаторов высокой добротности. Создание мазера и - затем - монохроматических генераторов оптических колебаний (лазеров). Развитие лазеров от рубинового до фемтосекундных терраваттных лазеров.
Пути создания условий увеличения потерь нежелательных мод. Выбор мощности накачки. Выбор длины резонатора. Диафрагмирование сечения пучка для подавления поперечных мод. Внутренняя и внешняя селекция, уменьшение выходной мощности лазера во втором случае. Преимущества внутрирезонаторной селекции мод.
Зависимость флуктуации частоты от флуктуаций длины резонатора и показателя преломления активной следы. Причины долговременного дрейфа частоты и коротковременных её флуктуаций от параметров окружающей среды. Влияние температуры, давления, колебаний зеркал, стабильности газового разряда или струи красителя на частоту излучения. Методы стабилизации частоты лазера.
Конечный нижний предел ширины лазерной линии. Три источника шумов фундаментальной природы. Спонтанное излучение возбужденных атомов с верхнего лазерного уровня. Флуктуации амплитуды вследствие статистического распределения числа фотонов в генерирующей моде. Флуктуации фазы - основной вклад в величину предельной ширины лазерной линии. Теоретический нижний предел ширины лазерной линии, соотношение Таунса-Шавлова.
Модовая структура поля в резонаторах. Частота межмодовых биений. Требования к режиму синхронизации мод. Периодическая модуляция параметров лазерного резонатора. Сохранение постоянной разности фаз между синхронизированными колебаниями - условие жесткой синхронизации. Активная и пассивная синхронизация мод.
Понятие нелинейной оптики. Уравнения Максвелла. Зависимость величин &epsilon и &chi от напряженности в сильном постоянном поле. Нелинейная восприимчивость в случаях изотропных и анизотропных сред. Поляризация в высокочастотном поле. Возникновение гармоник в сильном световом поле вследствие нелинейных свойств среды.
Эксперимент по генерации второй гармоники. Теоретическое рассмотрение процесса генерации волны на удвоенной частоте. Соотношения фазовых скоростей распространения основной волны и гармоник. Пути ослабления и усиления потока энергии второй гармоники. Понятие когерентной длины. Условия полной передачи энергии падающей волны волне второй гармоники. Условие фазового синхронизма. Использование излучения второй гармоники.
Физическая природа нелинейных коэффициентов. Связь тензора &chi с электрооптическим тензором r. Тензоры n-порядка, определение &chi(n) для конкретной среды. Случаи центросимметричных и нецентросимметричных кристаллов. Правило Клейнмана для прозрачных кристаллов с электронным характером нелинейности.
Оптическое детектирование. Нелинейное изменение показателя преломления. Основные возможные причины нелинейности показателя преломления. Пример: исследование нелинейной рефракции газообраз-ного ксенона в поле излучения эксимерного XeCl лазера. Многофотонное поглощение и многофотонный фотоэффект. Вынужденное рассеяние Мандельштама-Бриллюэна. Явление самофокусировки лазерного излучения.
Параметрическое взаимодействие как процесс, обратный процессу смешения частот. Роль фотонного шума. Схема параметрического генератора света, основные используемые кристаллы источники излучения накачки. Последовательное использование параметрических генераторов для получения коротких импульсов. Трех- и четырехфотонное параметрическое взаимодействие. Генерация "белых" пикосекундных импульсов.
Комбинационное рассеяние - один из немногих нелинейных оптических эффектов, наблюдавшихся до появления лазеров. Основные понятия теории комбинационного рассеяния (КР), классическое описание Плачека. Стоксово и антистоксово КР. Квантовомеханический подход для описания интенсивностей линий.
Модуляция света молекулярными колебаниями в поле мощного лазера. Демонстрация эффекта в нитробензоле и жидком азоте. Пространственная когерентность рассеянного излучения рост интенсивности рассеянных компонент. Классическое описание явления. Пороговый характер процесса. Стоксово и антистоксово вынужденное КР. Необходимость соблюдения фазового синхронизма. Основные различия между спонтанным и вынужденным КР.
Теоретическая модель КАРС-спектроскопии. Типичные схемы экспериментальных установок. Применения КАРС в изучении пространственного распределения температуры в пламенах. Достоинства КАРС-спектрскопии: высокий уровень сигнала, возможность спектрального и пространственного разделения сигнала от флуоресценции или теплового излучения, высокое пространственное разрешение и возможность изучения микрообъемов вещества. Условия наблюдения гиперкомбинационного рассеяния. Основные положения теории ГКР.
Сложности детектирования слабых сигналов на фоне интенсивного поля излучения. Методы увеличения интенсивности рассеянного сигнала. Использование многоходовых кювет, внутрирезонаторных методов, оптических многоканальных анализаторов, оптических волноводов, дифференциальных схем регистрации. Применение КАРС-спектроскопии в диагностике нестационарной плазмы.
Оптика фемтосекундных лазерных импульсов. Последние достижения в получении предельно коротких импульсов света (длительностью до 1 периода оптического колебания) и сверхсильных световых полей. Исследования быстрорелаксирующих возбуждений в полупроводниках, многоатомных молекулах и металлах, оптически индуцируемых фазовых переходов в веществе. Реализация предельных скоростей оптической обработки и передачи информации. Возможность достижения напряженности световых полей, превышающих внутриатомные, и наблюдения эффектов, предсказываемых нелинейной квантовой электродинамикой.
Метод фазировки спектральных компонент света для укорочения импульса и увеличения его пиковой мощности. Получение широкополосного излучения при взаимодействиях лазерных импульсов в нелинейной среде. Использование фазового модулятора и компрессора, диспергирующие элементы. Элементарная теория оптического компрессора. Применение титан-сапфирового лазера.
Пикосекундная и фемтосекундная КАРС-спектроскопия. Получение информации о механизмах и скоростях процессов дефазировки молекулярных колебаний. Восстановление спектра по импульсному отклику. Импульсное вынужденное рассеяние. Управление молекулярными колебаниями с помощью фемтосекундных импульсов: возбуждение колебаний цугом импульсов, эффекты "гашения" и "выпрямления" колебаний.
Перспективные направления исследований: сверхкороткие и рентгеновские импульсы; сильные нелинейности и "управление света светом";от нелинейной оптики атомов и молекул к нелинейной электронной физике; туннельная ионизация атомов; лавинный оптический пробой;
Гелий-неоновый лазер. Аргоновый лазер. Кадмиевый лазер. Медный лазер. СО2-лазер. Газодинамический лазер. Химический лазер. Фотодиссоциационный лазер. СО-лазер. Азотный и водородный лазеры. Эксимерные лазеры. Рубиновый лазер. Неодимовый лазер. Лазеры на красителях. Лазеры на F-центрах. Полупроводниковые лазеры.