Боровкова Ольга Владимировна
«Оптические явления в нелинейных средах и микрорезонаторах»
Описание курса:
Идея создания оптических микрорезонаторов с модами типа шепчущей галереи была предложена в 1982 году В.Б. Брагинским, профессором кафедры физики колебаний физического факультета МГУ, а в 1989 году была успешно реализована им и его коллегами. С тех пор на кафедре активно ведется научно-исследовательская работа по данному направлению, а многие выпускники кафедры физики колебаний работают в различных научных группах по всему миру, занимаясь вопросами, связанными с изучением свойств высокодобротных оптических микрорезонаторов. В настоящее время область науки, связанная с созданием и совершенствованием высокодобротных оптических микрорезонаторов, переживает бурный расцвет в связи с их востребованностью как для задач прикладного характера (например, стабилизации лазеров, создания оптических фильтров, модуляторов, переключателей, высокостабильных генераторов СВЧ), так и для задач фундаментальной физики (например, моделирования процессов квантовой электродинамики, а также создания «фотонных атомов», в которых моды высокодобротных оптических микрорезонаторов выступают в качестве аналогов атомных орбиталей). Отдельно надо отметить, что высокодобротные оптические микрорезонаторы предоставляют широкие возможности для создания компактных и энергоэффективных генераторов оптических частотных гребенок. Частотные гребенки востребованных в области прецизионной частотной метрологии, где они могут быть использованы как высокостабильный стандарт частоты, в астрофизике, в телекоммуникационных технологиях, где требуется высокая пропускная способность, в технологиях создания атомных часов, для генерации аттосекундных импульсов, а также в задачах обработки оптических сигналов и радиофотоники. Обновленный курс позволит улучшить качество подготовки студентов кафедры по данному направлению. Помимо обновления и расширения материалов курса планируется создание нескольких методических разработок для ознакомления студентов с современным состоянием дел в данном научном направлении, что совершенно необходимо для подготовки высококлассных специалистов для дальнейшей работы по специальности. Кроме того, курс может быть полезен также студентам других кафедр радиофизического отделения физического факультета МГУ для расширения знаний об актуальных вопросах в смежных областях физики.
План курса:
Лекция 1
История создания оптических микрорезонаторов. Современное состояние дел, востребованность высокодобротных оптических микрорезонаторов для задач лазерной техники, детектирования, стабилизации генераторов СВЧ, а также задач фундаментальной физики.
Лекция 2
Понятие о резонаторах. Колебательный контур с сосредоточенными параметрами. Основные характеристики резонатора на примере RLC-контура.
Лекция 3
Укороченные уравнения. Объемные электромагнитные резонаторы. Добротность. Эффективный объем. Основные типы оптических микрорезонаторов. Преимущества и области применения резонаторов с модами типа шепчущей галереи (МШГ).
Лекция 4
Резонатор Фабри-Перо. Резкость. Добротность. Согласование. Укороченное уравнение. Гауссовы пучки. Устойчивость резонатора Фабри-Перо. Продольные и поперечные моды. Брэгговские зеркала.Лекция 5
Уравнение Максвелла. Скалярное и векторное уравнение Гельмгольца в цилиндрических координатах. Скалярный и векторный потенциалы.Лекция 6
Векторы Герца. Потенциал Дебая. Цилиндрические векторные гармоники. Моды закрытого цилиндрического резонатора. Моды открытого бесконечного и конечного цилиндрического резонатора. Излучательная добротность.Лекция 7
Скалярное и векторное уравнение Гельмгольца в сферических координатах. Угловые сферические функции. Сферические функции Бесселя. Моды и собственные частоты сферического шара. Излучательные потери сферического микрорезонатора.Лекция 8
Лучевое приближение. Понятие эйконала. Уравнение эйконала и уравнения переноса. Метод эйконала для бесконечного закрытого цилиндра и для открытого диэлектрического резонатора.Лекция 9
Методы возбуждения резонаторов с МШГ. Связь с оптическими микрорезонаторами. Методы расчета элементов связи. Различные типы элементов связи. Призма. Оптическое волокно.Лекция 10
Бюджет добротности оптических микрорезонаторов. Добротности реальных оптических микрорезонаторов. Оптических материалы для микрорезонаторов. Объемные потери. Поглощение и рассеяние. Рамановское рассеяние. Поверхностные потери рассеяния и поглощения.Лекция 11
Методы изготовления оптических микрорезонаторов. Кварцевые микросферы и микроторы. Кристаллические микрорезонаторы. Интегральные технологии (on-chip). Методы измерения добротности.Лекция 12
Применение оптических микрорезонаторов. Оптические фильтры. Стабилизация лазеров. Химические и биологические сенсоры. Переключатели. Модуляторы.Лекция 13
Применение оптических микрорезонаторов. Лазерная и параметрическая генерация. Высокостабильные СВЧ генераторы. Оптические микрорезонаторы в фундаментальной физике.Лекция 14
Микрорезонаторы как платформа для реализации и наблюдения нелинейных эффектов. Нелинейная оптика: исторический обзор. Понятие о нелинейной оптике.Лекция 15
Изотропные среды, одноосные и двухосные кристаллы. Квадратичная и кубичная нелинейные диэлектрические восприимчивости. Квадратично-нелинейные среды. Кубично-нелинейные или керровские среды. Волновое уравнение в нелинейной среде.Лекция 16
Нелинейные свойства микрорезонаторов. Тепловая нелинейность. Частотные гребенки.Лекция 17
Платиконы. Пространственные и пространственно-временные солитоны.
