Потёмкин Федор Викторович
«Введение в современную физику лазеров»
Описание курса:
Дисциплина «Введение в современную физику лазеров» является профильной дисциплиной образовательной программы «Лазерная физика и нелинейная оптика» и обеспечивает теоретико-экспериментальную подготовку студентов в области лазерной физики. Первая часть курса освещает фундаментальные основы лазерной генерации и представляет собой физический материал традиционного курса кафедры «Введение в физику лазеров» (лектор - профессор Савельев-Трофимов А.Б.) https://teach-in.ru/course/laser-physics.
Во второй оригинальной части курса (лектор - профессор Потёмкин Ф.В.) подробно рассматриваются основы физики лазеров и физики конденсированных лазерных материалов, обсуждаются их спектрально-люминесцентные свойства и основные типы. Описаны наиболее актуальные области применения лазерных материалов – энергетика, оптическая связь, обработка материалов. Отдельное внимание уделено иным способам получения мощных лазерных импульсов, основанных на явлении параметрической генерации и усиления. Заключительная часть курса посвящена методам управления и измерения параметров ультракоротких лазерных импульсов.
План курса:
Лекция 1
Лазерные конденсированные среды: основные типы и современные приложения.
Понятие оптического центра. Спектролюминесцентные свойства активных сред на основе редкоземельных (РЗ) ионов и ионов переходных металлов (ПМ): сравнение.
Лекция 2
Типы матриц (кристаллы, стёкла, керимики): сравнительные характеристики. Диаграмма Сугано-Танабе. Неоднородное и однородное уширение в кристаллах (сравнение с газовыми лазерами, характерные величины).
Лекция 3
Интенсивностные характеристики спектров конденсированных сред.
Связь спектров поглощения и люминесценции через силу осциллятора и коэффициент Эйнштейна (формула Фюхтбауэра-Ланденбурга). Радиационное время для активированных кристаллов и для разрешенного перехода в атоме. Правило Лаппорта для атомов с многоэлектронной конфигурацией (следствия). Теория Джадда-Офельта.
Лекция 4
Электронно-колебательная структура спектров. Стоксов сдвиг (теория и эксперимент). Стоксовы потери, формула Хуанга и Риса (физический смысл).
Лекция 5
Спектроскопические методы определения вын.переходов для трёхуровневой схемы, четырёхуровневой схемы и квазитрёхуровневой схемы.
Занятие 6
Процессы трансформации энергии в активированных лазерных материалах.
Излучательные и безызлучательные переходы. Высокочастотная граница коллебательного спектра матрицы. Вероятность безызлучательной релаксации. Безызлучательная передача возбуждений между оптическими центрами (понятие донора, акцептора, сенсибилизации и тушения).
Лекция 7
Кросс-релаксация. Миграция возбуждений и ап-конверсия. Концентрационное тушение люминесценции. Теория Декстера-Фёрстера (радиус Фёрстера). Экспериментальные методы исследования миграции возбуждений.
Лекция 8
Физико-химические параметры лазерных материалов. Примеры популярных кристаллов, используемых для активации. Неодимовые материалы. Эрбиевые материалы. Иттербиевые материалы. Вариабельность свойств кристаллов, активированных Cr3+. Лазеры на кристаллах Cr2+ и Cr4+. Термоядерный синтез. Эрбиевые усилители в волоконных линиях передачи информации. Иттербиевые лазеры в современных системах обработки материалов.
Лекция 9
Уравнение дифракционной решётки. Нарезные и голографические решётки. Длина волны блеска. Примеры применения спектральных приборов лазерной физике.
Лекция 10
Связь временных и спектральных характеристик лазерных импульсов. Понятие «огибающей» и «набивки» (несущей). Линейный и нелинейный чирпы. Фазовая самомодуляция. Влияние на временную форму импульса через спектральное искажение. Передаточная функция оптической системы.
Лекция 11
Стретчеры и компрессоры ультракоротких лазерных импульсов (призменный, решёточный, брэгговский).
Лекция 12
Pulse shapers.
Лекция 13
Что такое параметрические процессы? Дать классификацию параметрических преобразователей: генераторы, усилители, осцилляторы. В чём разница? Какие отличия от генерации разностной частоты. Математическое описание для понимания, что такое параметрический коэффициент усиления и от чего он зависит. Как достичь фазовый синхронизм? (температура, угол, спектр) Что такое групповой синхронизм? Зачем нужен тип I и тип II преобразования в кристаллах? (нарисовать характерные перестроечные кривые).
Лекция 14
Как достичь фазовый синхронизм? (температура, угол, спектр) Что такое групповой синхронизм? Зачем нужен тип I и тип II преобразования в кристаллах? (нарисовать характерные перестроечные кривые). Критерии поиска групповых синхронизмов на перестроечных кривых. Параметр качества параметрического процесса преобразования (сравнение монохроматического и широкополосного приближений).
Лекция 15
Неколлинеарный и некритичный синхронизм. Экспериментальные особенности в реализации неликоллинеарной геометрии взаимодействия волн. Quasi phase matching. Характерные схемы параметрических усилителей в видимом, ближнем и среднем ИК диапазоне.
Лекция 16
Характерные схемы параметрических усилителей в видимом, ближнем и среднем ИК диапазоне. Критерии построения оптических параметрических усилителей в заданном спектральной диапазоне (общие подходы, характерные длины, область прозрачности: электронное и фононное поглощение, двухфотонное поглощение). Сравнение параметрического и лазерного усилителя. Параметрические усилители с высокой пиковой мощностью. Схемы OPCPA, FOPA и DC-OPA.
Лекция 17
Корреляционные измерения длительности и временной формы оптических сигналов: преимущества и недостатки. Автокорреляционная функция поля. Phase retrieval problem. Интерференционная АКФ. АКФ интенсивности. Одноимпульсная АКФ интенсивности. Неоднозначность восстановления формы импульса по АКФ 2-ого порядка. Форма импульса как влияет на измерение длительности. АКФ 3-его порядка. Кросс-корреляционные методики.
Лекция 18
Корреляционные измерения длительности и временной формы оптических сигналов: преимущества и недостатки. Автокорреляционная функция поля. Phase retrieval problem. Интерференционная АКФ. АКФ интенсивности. Одноимпульсная АКФ интенсивности. Неоднозначность восстановления формы импульса по АКФ 2-ого порядка. Форма импульса как влияет на измерение длительности. АКФ 3-его порядка. Кросс-корреляционные методики.
