Реферат: Інститут телекомунікацій, радіоелектроніки І електронної техніки

ІНСТИТУТ ТЕЛЕКОМУНІКАЦІЙ, РАДІОЕЛЕКТРОНІКИ І ЕЛЕКТРОННОЇ ТЕХНІКИ


Напрям: Лазерна техніка та оптоелектронні системи

Спеціальність: Лазерна техніка та оптоелектронні системи


I. Прикладна оптика


1. Основні положення та закони геометричної оптики

Поняття про оптичний прилад та оптичну систему. Основні закони та положення геометричної оптики. Показник заломлення. Принцип Ферма. Правила знаків. Закони заломлення і відбивання. Повне внутрішнє відбивання. Заломлюючі та відбиваючі поверхні.


2. Заломлення та відбивання променів

Заломлення променів плоскою поверхнею. Заломлення променів сферичною поверхнею. Відбивання променів плоскою поверхнею. Відбивання променів сферичною поверхнею. Заломлення та відбивання променів несферичними поверхнями.


3. Ідеальна оптична система

Поняття про ідеальну оптичну систему. Кардинальні елементи ідеальної оптичної системи та їх властивості. Основні рівняння для ідеальної оптичної системи: рівняння Ньютона, Гауса, рівняння тангенсів. Лінійне, кутове і повздовжнє збільшення. Побудова ходу променя через ідеальну оптичну систему. Побудова зображень. Розрахунок ходу променя. Багатокомпонентні оптичні системи.


4. Оптика параксіальних та нульових променів

Дія параксіальних променів. Інваріант Гюйгенса-Гельмгольца. Розрахунок ходу нульових променів. Формули лінзи. Формула дзеркала.


5. Деталі оптичних систем

Оптичні матеріали. Лінзи. Плоскопаралельні пластини. Плоскі, сферичні та несферичні дзеркала. Призми та клини. Лінзи Френеля. Аксикони. Оптичні растри.


6. Обмеження пучків променів в оптичних системах

Види діафрагм. Апертурна діафрагма. Вхідна і вихідна зіниці. Вплив апертурної діафрагми на якість зображення. Польова діафрагма. Лінійне і кутове поля системи. Віньєтування. Вхідне і вихідне вікна. Діючий отвір вхідної зіниці. Зображення просторових предметів в оптичних системах. Глибина зображуваного простору. Різкість зображення.


7. Оптичний прилад як передавач енергії випромінювання

Енергетичні та фотометричні величини та їх одиниці. Передача світлової енергії оптичним приладом. Втрати світла в оптичному приладі. Коефіцієнт пропускання оптичної системи. Освітленість зображення. Світлосила оптичного приладу.


8. Геометричні аберації оптичних систем

Причини виникнення аберацій. Класифікація. Загальні положення про розрахунок аберацій. Аберації третього порядку. Сферична аберація. Кома. Астигматизм і кривизна поля. Дисторсія.


9. Хроматичні аберації оптичних систем

Хроматизм положення. Хроматизм збільшення. Розрахунок простих ахроматів. Абераційний розрахунок оптичних систем. Сумування аберацій. Оцінка якості зображення.


10. Оптичні системи, що працюють сумісно з оком

Будова ока. Основні характеристики ока. Недоліки ока та їх корекція. Лупа і її характеристики. Оптична схема мікроскопу і його основні характеристики. Роздільна здатність мікроскопа. Телескопічні системи. Схема телескопічної системи та її основні характеристики. Роздільна здатність. Корисне збільшення. Основні відомості про об’єктиви і окуляри телескопічних систем.


11. Фотографічний об’єктив

Основні характеристики. Роздільна здатність. Глибина зображуваного простору. Визначення експозиції при фотографуванні. Основні типи фотографічних об’єктивів.


12. Оптичні освітлювальні системи

Призначення та види освітлювальних систем. Дзеркальні освітлювальні системи. Лінзові конденсори.


13. Проекційні системи

Види та особливості проекційних систем. Епіскопічна і діаскопічна оптична система.


14. Оптичні системи для лазерів

Властивості лазерного випромінювання. Оптичні системи для концентрації випромінювання лазера. Оптичні системи для зменшення розбіжності лазерного пучка.


^ II. Оптичні вимірювання


1. Пристрої для вимірювання поляризаційних характеристик світла

Ідеальні та неідеальні поляризатори. Фазові пластинки. Пластинки /4 та /2. Відбиваючі фазові пластинки. Ахроматичні фазові пластинки. Керовані фазові пластинки на основі електрооптичного та фотопружного ефектів. Активні перетворювачі поляризації. Електрооптичні, фотопружні, магнітооптичні перетворювачі поляризаціїї. Деполляризатори. Деполяризатор Ліотта, деполяризатор з рухомими фазовими пластинками. Електрооптичний деполяризатор.


2. Методики визначення поляризаційних характеристик світла

Зміна поляризації світла при проходженні через поляризатор та фазові пластинки. Вимірювання азимута поляризації лінійно поляризованого світла. Метод повного гасіння. Півтіньовий метод. Метод симетричних кутів. Метод модуляції азимуту поляризації. Визначення азимута поляризації світла по фазі електричного сигналу. Методи вимірювання ступеня поляризації світла. Аналіз випромінювання з допомогою фазової пластинки і аналізатора. Схеми з використанням активних перетворювачів поляризації. Багатоканальні схеми поляриметрії. Методи розділення пучка по каналах. Переваги багатоканальних поляриметрів. Поляризаційна анізотропія оптичних приладів і її вплив на роботу поляриметрів. Зменшення похибки, повязаної з поляризаційною анізотропією.


3. Методи вимірювання інтенсивності світла

Фотометричні вимірювання з високим амплітудним розділенням. Мультиплікативні та компенсаційні методи зменшення похибки вимірювань. Стабілізація часових характеристик джерел випромінювання. Стабілізація просторової структури випромінювання джерел світла. Використання модуляції випромінювання в оптичних вимірюваннях. Оптимізація параметрів фотоприймачів. Фотометрична сфера.


4. Вимірювання світлових величин

Світлові величини. Методики вимірювання яскравості та сили світла. Вимірювання характеристик освітлювальних приладів.


5. Вимірювання властивостей речовин характеристик виробів

Оптичні методи вимірювання лінійних розмірів.Оптичні методи вимірювання кутових величин. Методи контролю сферичних поверхонь. Методи контролю телескопічних дзеркал. Методи вимірювання однорідності оптичних матеріалів. Методи вимірювання площинності оптичних поверхонь. Методи вимірювання показників заломлення. Методи вимірювання двозаломлення. Методи вимірювання коефіцієнтів поглинання. Фотопружний метод визначення розподілу механічних напружень.


^ III. Основи проектування та конструювання лазерів


1. Основні види робіт зі створення нових приладів

Основні види робіт зі створення нових приладів (НДР та ДКР), їх зміст і порядок виконання. Державна система стандартизації. Єдина система конструкторської документації. Комплект конструкторської документації на виріб. Система параметрів, що встановлюються при виготовленні лазерів і способи задання норм на ці параметри.


2. Фізичні основи дії лазерів

Енергетичні рівні. Розщеплення рівнів в зовнішньому магнітному та електричному полі. Однорідне та неоднорідне розширення спектральних ліній. Методи створення інверсії. Блок-схема лазера. Умови забезпечення генерації. Коефіцієнт корисної дії лазера та фактори, що його визначають.


3. Розрахунок оптичних резонаторів

Основні параметри пасивного резонатора. Розрахунок просторово-часових параметрів випромінювання. Умова забезпечення генерації в лазері. Втрати потужності в резонаторі. Розрахунок добротності резонатора. Оптимальний коефіцієнт корисних втрат в резонаторі. Визначення оптимального коефіцієнта пропускання вихідного дзеркала лазера методом каліброваних втрат. Розрахунок критичного кута роз’юстування резонатора. Розрахунок та проектування нестійких оптичних резонаторів. Використання нестійких резонаторів.


4. Розрахунок оптимальних розмірів активного елемента

Розрахунок оптимальної довжини активного елемента для газових і твердотільних лазерів. Розрахунок оптимального поперечного розміру активного елемента твердотільного лазера. Розрахунок оптимального поперечного розміру активного елемента газових лазерів.


5. Принципи частотної селекції в лазерах

Методи селекції поперечних типів коливань. Методи селекції повздовжніх мод. Методи перебудови лазерів по довжинах хвиль.


6. Газові лазери

Газові лазери: класифікація, характеристики, особливості конструкцій. Газові розряди, що використовуються в газорозрядних лазерах та їх особливості. Основні механізми здійснення інверсії в газовому розряді. Імпульсний режим роботи газових лазерів.


7. Атомарні газові лазери

Гелій-неоновий лазер. Принцип дії, особливості та основні характеристики. Розрахунок та вибір оптимальних параметрів та режимів. Особливості конструкцій, вибір основних конструктивних параметрів. Матеріали конструкцій. Конкуруючі переходи, способи селекції робочих довжин хвиль. Тенденції розвитку атомарних лазерів.


8. Іонні лазери на інертних газах

Принцип дії, основні характеристики та параметри Ar-лазера. Особливості конструкцій іонних лазерів: лазери з водяним охолодженням; малогабаритні металокерамічні іонні лазери з повітряним охолодженням. Розрахунок та вибір основних конструктивних параметрів Ar-лазера та Kr-лазера. Основні вузли та елементи конструкцій іонних лазерів. Матеріали конструкцій. Особливості конструкцій аргонових лазерів, що працюють в інтегральному режимі, в режимі перебудови по довжинах хвиль, в одночастотному режимі.


9. Іонні лазери на парах металів

Принцип дії, основні характеристики та параметри He-Cd-лазера. Розрахунок та вибір основних конструктивних параметрів та режимів. Особливості та види конструкцій, основні конструктивні матеріали. Тенденції розвитку іонних лазерів.


10. Молекулярні лазери

Принцип дії, основні характеристики та параметри СО2-лазерів. Типи СО2-лазерів. Відпаяні СО2-лазери: характеристики, особливості конструкцій, розрахунок та вибір оптимальних параметрів та режимів. СО2-лазери з дифузійним охолодженням. Схеми компонування. Способи накачування. Типові конструкції, основні елементи та вузли конструкцій, конструктивні матеріали. Неперервні швидкопроточні газорозрядні СО2-лазери. Принцип конвективного охолодження. Форми газового розряду. Конструкції газорозрядних камер (ГРК) лазерів на постійному струмі. Конструкції газорозрядних камер швидкопроточних лазерів на змінному струмі. Типові конструкції ГРК швидкопроточних лазерів з поздовжнім та поперечним прокачуванням. ТЕА-лазери: принцип дії, особливості та основні характеристики. Типові конструкції. Електроіонізаційний спосіб накачування. Види електроіонізаційних лазерів. Електроіонізаційні СО2-лазери. Типові конструкції газорозрядних камер.


11. Оптичні елементи технологічних лазерів

Характеристики, що визначають променеву стійкість дзеркал. Основні матеріали, що використовуються для виготовлення дзеркал ТЛ. Типові конструкції дзеркал. Охолодження. Діелектричні покриття дзеркал технологічних лазерів. Механізми руйнування ІЧ-вікон в ТЛ. Типові та перспективні матеріали для прохідних оптичних елементів ТЛ. Захисні та просвітлюючі покриття ІЧ-вікон.


12. Конструкції резонаторів технологічних лазерів

Особливості використання в ТЛ стійких резонаторів та їх розрахунок, особливості конструкцій. Нестійкі резонатори ТЛ: особливості конструкцій, розрахунок. Газостатичні та газодинамічні надзвукові вікна.


13. Газодинамічні лазери

Теплові методи створення інверсії. Газодинамічний СО2-лазер. Особливості конструкцій. Шляхи підвищення ККД.


14. Твердотільні лазери

Особливості і види оптичної накачки. Схеми та конструкції практичної реалізації лампової накачки. Основні активні середовища твердотільних лазерів. Типові конструкції активних елементів.


15. Лазер на рубіні

Основні характеристики та параметри. Розрахунок активного елемента. Методика оцінки порогових та енергетичних характеристик. Типові конструкції випромінювачів промислових рубінових лазерів.


16. Лазер на алюмоітрієвому гранаті з неодимом

Лазер на алюмоітрієвому гранаті з неодимом: основні характеристики та параметри. Розрахунок активного елемента. Методика оцінки порогових та енергетичних характеристик. Типові конструкції промислових лазерів.


17. Лазер на неодимовому склі

Основні характеристики та параметри. Оцінка порогових та енергетичних характеристик. Особливості конструкцій промислових лазерів.


18. Твердотільні лазери з діодним накачуванням

Твердотільні лазери з діодним накачуванням: особливості, переваги, способи. Розрахунок ККД. Твердотільні лазери з діодним накачуванням малої і середньої потужності; високої потужності. Волоконний лазер. Одночастотні лазери з діодним накачуванням.


19. Напівпровідникові лазери

Напівпровідникові лазери: основні види, особливості, параметри та характеристики. Матеріали для напівпровідникових лазерів. Принцип дії та типові конструкції інжекційних лазерів. Методика розрахунку основних параметрів і характеристик напівпровідникового інжекційного лазера. Оптична структура інжекційних лазерів. Вплив товщини активного шару на поріг генерації лазера та оптимізація його хвилеводної структури. Потужність випромінювання інжекційних лазерів та причини її обмеження. Надійність інжекційних лазерів. Фізичні процеси поступової деградації лазерів. Гетероструктури, гетеропереходи і гетеролазери. Плівковий лазер з розподіленим зворотнім зв’язком.


^ IV. Матеріали оптоелектроніки та квантової оптики


1. Основні відомості про матеріали оптоелектроніки

Класифікація матеріалів. Типи хімічного зв'язку в твердих тілах. Кристалічна будова твердих тіл. Індекси Міллера. Явище поліморфізму.


2. Елементи зонної теорії твердого тіла

Енергетичні зони. Ефективна маса електрона.


3. Основні властивості матеріалів

Механічні властивості. Деформація і міцність матеріалів. Теплофізичні властивості. Теплове розширення. Стійкість до нагріву і термоудару. Електрофізичні властивості матеріалів. Концентрація і рухливість носіїв заряду. Питома електропровідність. Закон Відемана-Франца. Оптичні властивості матеріалів. Закон Бугера-Ламберта. Механізми оптичного поглинання. Фотопровідність. Рекомбінація нерівноважних носіїв заряду. Спектральна залежність фотопровідності. Люмінесценція матеріалів. Закони Стокса і Вавілова. Механізми люмінесценції. Магнітні властивості матеріалів. Магнітний стан речовини. Типи магнітних матеріалів та їх характеристики.


4. Провідникові матеріали

Метали високої провідності. Метали і сплави різного призначення. Благородні метали. Тугоплавкі метали. Сплави для термопар. Неметалічні провідникові матеріали. Надпровідники і кріопровідники.


5. Напівпровідникові матеріали

Класифікація напівпровідникових матеріалів. Германій. Кремній. Карбід кремнію. Поруватий кремній. Фулерени. Напівпровідникові сполуки типу АІІІ ВV. Нітриди ІІІ групи. Напівпровідникові сполуки типу АII ВVI. Напівпровідникові сполуки типу АIV ВVI. Окисні напівпровідники. Органічні напівпровідники.


6. Діелектричні матеріали

Пасивні діелектрики. Неорганічні скла. Волоконні матеріали і пластмаси. Сітали і кераміка.


7. Активні діелектрики

Класифікація активних діелектриків. Сегнетоелектрики. П'єзоелектрики. Піроелектрики. Електрети.


8. Матеріали квантової електроніки

Кристали для твердотільних лазерів. Матеріали н/п лазерів і світлодіодів. Матеріали для рідинних лазерів. Електрооптичні кристали і кераміка. Нелінійно-оптичні матеріали. Рідкі кристали.


9. Матеріали для оптичного запису інформації

Срібногалоїдні фотоматеріали. Халькогенідні склоподібні напівпровідники. Фоторезисти. Фотохромні матеріали. Термомагнітні матеріали. Металічні плівки. Фототермопластичні матеріали.


^ V. Лазерна техніка та квантова електроніка


1. Елементи квантової механіки та її основні постулати

Основні постулати і теореми квантової механіки. Рівняння Шредінгера. Хвильова функція та її фізичний зміст. Оператори фізичних величин. Принцип невизначеності Гайзенберга. Гармонічний осцилятор. Розв’язок рівняння Шредінгера для гармонічного осцилятора. Поліноми Ерміта. Оператори народження та знищення. Розклад електромагнітного поля за модами резонатора. Квантування поля і плоских хвиль. Густина станів і випромінювання абсолютно чорного тіла.


2. Теорія оптичних резонаторів

Лінзовий хвилевод. Променева матриця. Проходження променів через біперіодичну послідовність лінз. Умови стійкості проходження. Хід променів між дзеркалами. Хвильове рівняння для пучка Гауса. Гаусів пучок в лінзовому хвилеводі. Фокусування пучка Гауса. Локалізація пучка гауса в лінзовому хвилеводі. Закон АВСD. Хвильові пучки вищих порядків в однорідному середовищі. Оптичні резонатори. Резонатори зі сферичними дзеркалами. Резонатор з симетричними дзеркалами. Критерій стійкості мод. Самоузгоджений метод знаходження мод резонатора. Діаграма стійкості. Моди комбінованого резонатора – самоузгоджений метод. Резонансні частоти. Втрати в оптичному резонаторі. Нестійкі оптичні резонатори. Добротність резонатора.


3. Підсилювальні властивості активного середовища лазерів

Спонтанне і вимушене випромінювання, поглинання. Коефіцієнти Анштайна. Розрахунок сприйнятливості методом матриці густини. Насичення. Фізичний прояв сприйнятливості. Однорідне розширення. Неоднорідне розширення. Показник підсилення. Виродження рівнів. Процеси накачування. Оптичне накачування. ККД накачування. Швидкість накачування. Електричне накачування. “Майже” резонансна передача енергії.


4. Генерація лазерів та режими його роботи

Умови виникнення генерації. Порогова інверсія. Частота генерації. Вихідна потужність лазера і оптимальний зв’язок. Швидкісні рівняння. Трирівневі і чотирирівневі лазери. Монохроматичність і затягування частоти. Релаксаційні коливання в лазерах. Модуляція добротності і синхронізація мод в лазерах. Методи модуляції добротності. Синхронізація мод лазера з неоднорідно розширеною лінією підсилення. Синхронізація мод лазера однорідно розширеною лінією підсилення. Методи синхронізації мод. Пасивна синхронізація мод. Селекція поперечних і повздовжніх мод. Просторова і часова когерентність. Комплексна ступінь когерентності.


5. Прилади квантової електроніки

Підсилення сигналів і спонтанного випромінювання в активному середовищі. Квантові підсилювачі та їх моделі. Оптичні квантові підсилювачі. Шуми в лазерних підсилювачах і генераторах. Модель лазера за Ван дер Полем. Флуктуації частоти та інтенсивності. Квантові стандарти частоти, довжини і часу. Аміачний лазер – активний стандарт частоти. Квантові стандарти частоти оптичного діапазону. Ефект Саньяка і кільцевий інтерферометр-резонатор. Основні рівняння кільцевого резонатора і явище захоплення частоти. Метод розносу частоти.


6. Типи лазерів та їх характеристики

Твердотільні лазери. Рубіновий лазер. Розрахунок його характеристик. Лазери на YAG:Nd і неодимовому склі. Неодимові лазери з лазерно-діодним накачуванням. Розрахунок параметрів неодимових лазерів. Порівняння твердотільних лазерів. Газові лазери. Лазери на нейтральних атомах He-Ne суміші. Їх характеристики. Іонні лазери на Ar і Кr. Їхні особливості та характеристики. Лазери на парі металів і їх параметри. Молекулярні лазери. Коливальні та обертальні енергетичні рівні. Ультрафіолетові лазери на водню та азоті. Ексімерні лазери. Лазери в інфрачервоній області спектра. Лазери на CO2 i CO. Газодинамічні лазери. Хімічні лазери. Їхні характеристики та застосування. Лазери на барвниках. Лазери на центрах забарвлення. Їхні характеристики та застосування. Напівпровідникові лазери. Будова і характеристики н/п лазера. Квантово-механічний опис процесів в н/п лазерах. Н/п лазери з розподіленим зворотнім зв’язком та з дзеркалами Брегга. Застосування н/п лазерів. Лазери на вільних електронах. Плазмові лазери. Їх будова та характеристики.


7. Лазери з використанням нелінійних ефектів

Нелінійна взаємодія потужного когерентного випромінювання з речовиною. Генерація другої гармоніки. Процеси параметричного підсилення, генерації і флуоресценції. Перетворення частот.