Моделирование физических процессов в квантовой электронике: Рабочая программа дисциплины

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ КРАСНОЯРСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ КАФЕДРА КВАНТОВОЙ ЭЛЕКТРОНИКИ

Одобрено на заседании кафедры квантовой электроники физического факультета Заведующий кафедрой А.С. Проворов ________________ "_____"_____________2002 г

Программа составлена в соответствии с государственными образовательными стандартами высшего профессионального образования по специальности 010400 "Физика" и по направлению 510400 "Физика"

УДК 535 Автор-составитель Е.А. Слюсарева МОДЕЛИРОВАНИЕ ФИЗИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ В КВАНТОВОЙ ЭЛЕКТРОНИКЕ Рабочая программа дисциплины для специальности 010400 «Физика» специализации 010417 «Квантовая электроника» очной формы обучения, для направления 510400 «Физика» специализации «Физика оптических явлений» очной формы обучения

Моделирование физических процессов в квантовой электронике: Рабочая программа дисциплины. Красноярск: РИО КрасГУ, 2002. 6 с. (Экспресс-издание) Предназначена для специальности 010400 «Физика» специализации 010417 «Квантовая электроника» очной формы обучения, для направления 510400 «Физика» специализации «Физика оптических явлений» очной формы обучения.

9 семестр, всего – 45 часов, из них ауд. – 36 час

 КрасГУ, 2002.  Е.А. Слюсарева, 2002 Красноярск 2002

2

I. ОРГАНИЗАЦИОННО-МЕТОДИЧЕСКИЙ РАЗДЕЛ Большинство задач, решаемых в квантовой электронике, связано с необходимостью описания атомно-молекулярных систем, находящихся под воздействием электромагнитного излучения. К таким задачам относятся: изучение активных лазерных сред, распространение электромагнитных волн в резонансных средах, эффекты самовоздействия резонансного излучения в среде, процессы в фотохромных материалах др. Макроскопическое описание эволюции таких систем применимо, когда свойства вещества достаточно медленно меняются вдоль его объема, и во многих случаях обосновано и эффективно. Оно позволяет оперировать с такими экспериментально измеряемыми параметрами, как кинетические константы. Цель курса – изучение подходов и методов решения широкого круга задач квантовой электроники методами математического моделирования с использованием кинетического подхода. В курсе решаются следующие задачи: распространение электромагнитного излучения в усиливающей среде и изучение эволюции многоуровневой молекулярной системы с учетом протекания фотофизических процессов и фотохимических реакций. Для достижения поставленных задач востребуются знания, полученные на общеобразовательных и специализированных курсах: «Статистическая физика», «Методы математической физики», «Программирование», «Спектроскопия», «Фотофизика», «Физика лазеров», «Физика газового разряда» и др. Дипломированный специалист должен уметь реализовывать все этапы моделирования физических процессов: уметь анализировать эффективность протекания различных типов фотопроцессов, создавать наглядные модели и формализовать их, обосновывать приближения, владеть математическими методами, реализовывать алгоритмы на ЭВМ, интерпретировать полученные результаты, а также иметь навыки самостоятельной работы с литературой.

лебательная релаксация, химическая, электронная релаксация. Иерархия времен релаксации. 4. Фотофизические процессы в многоуровневой конденсированной системе. Различные типы фотопроцессов и их эффективность (одно-, и многоступенчатое поглощение, флуоресценция и фосфоресценция, интеркомбинационные переходы). Типы релаксаций в многоуровневых системах (колебательная релаксация, фотохимические превращения и др.). Диффузия и ее пространственно-временные масштабы. 5. Методы решения системы кинетических уравнений. Метод собственных значений. Стационарное и квазистационарное приближение. Последовательное сокращение описания систем с различными скоростями релаксации. Решение системы кинетических уравнений в частных производных. Численные методы. III. ПЕРЕЧЕНЬ ПРАКТИЧЕСКИХ ЗАНЯТИЙ 1. Решение одномерной задачи о распространении излучения в усиливающей среде в резонаторе (параметры: β - коэффициент ослабления, α - насыщающийся коэффициент усиления, L - длина резонатора, R1, R2 - коэффициенты отражения зеркал резонатора). Оптимизация лазерных параметров. 2. Расчет кинетики фотопроцессов в фотохромных материалах. Расчет заселенности уровней красителя (S0, S1, T1, Tn) под действием излучения в полосе S0-S1 перехода с учетом необратимой реакции обесцвечивания с высших возбужденных состояний Tn. Точное решение и использование квазистационарного приближения. 3. Задание по выбору (в соответствии с тематикой научной работы) IV. ФОРМЫ КОНТРОЛЯ Зачет. V. УЧЕБНО-МЕТОДИЧЕСКОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ КУРСА

II. СОДЕРЖАНИЕ КУРСА 1. Этапы моделирования физических процессов. Описательная информационная модель. Формализованная модель. Компьютерная модель. Компьютерный эксперимент. Анализ полученных результатов. 2. Кинетический подход. Переход от микроскопического описания состояния вещества к макроскопическому. Границы применимости кинетической теории. Прямые и обратные задачи физической кинетики. Корректность постановки обратных задач. 3. Взаимодействие излучения с молекулярным газом. Вынужденное и спонтанное излучение, сечение перехода, коэффициенты поглощения и усиления. Релаксационные процессы в газах. Столкновительный механизм восстановления равновесия, поступательная, вращательная релаксация, ко-

1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. 8.

3

Список литературы Квасников И.А. Термодинамика и статистическая физика. Теория неравновесных систем. - М.: Изд-во МГУ, 1987. Лифшиц Е.М., Питаевский Л.П. Физическая кинетика. - М.: Наука, 1979. Звелто О. Принципы лазеров. - М.: Мир, 1984. Смит К., Томсон. Р. Численное моделирование газовых лазеров. - М.: Мир, 1981. Оситпов А.И., Панченко В. Я. Тепловые эффекты при взаимодействии лазерного излучения с молекулярными газами. - М.: Изд-во МГУ, 1983. Теренин А.Н. Фотоника молекул красителей. - Л.: Наука, 1967. Дрэгсхейдж К. Строение и свойства лазерных красителей// Лазеры на красителях. - М.: Мир, 1976. Кольер Р., Берхарт К., Лин Л. Оптическая голография. - М.: Мир, 1987. 4

9. 10. 11. 12. 13. 14. 15.

Введение в фотохимию органических соединений/ Под ред. проф. Г.О. Беккера. - Л.: Химия, 1976. Эмануэль Н.М., Кнорре Д.Г. Курс химической кинетики. - М.: Высшая школа, 1962. Применение лазеров в спектроскопии и фотохимии/ Под ред. М. Мур. - М.: Мир, 1983. Возбужденные молекулы. Кинетика превращения/ Под ред. А.А. Красновского Л., Наука, 1982. Годунов С.К., Рябенький В.С. Разностные схемы. - М.: Наука, 1977. Марчук Г.И. Методы вычислительной математики. - Новосибирск: Наука, 1973. Современные численные методы решения обыкновенных дифференциальных уравнений/ Под ред. Дж. Холла, Дж. Уатта. - М.: Мир, 1979.

Моделирование физических процессов в квантовой электронике Составитель Евгения Алексеевна Слюсарева Редактор О.Ф. Александрова

Корректура автора Для выполнения практических работ необходимо следующее оборудование Компьютеры с программным обеспечением: «Mathlab», “Mathcad”, “Maple”, “C”, “Pascal”, “Delphi”.

Подписано в печать 21.10.2003 Тиражируется на электронных носителях Заказ 281 Дата выхода 22.10.2003 Адрес в Internet: www.lan.krasu.ru/studies/editions.asp Отдел информационных ресурсов управления информатизации КрасГУ 660041 г. Красноярск, пр. Свободный, 79, ауд. 22-05, e-mail: [email protected]

Издательский центр Красноярского государственного университета 660041 г. Красноярск, пр. Свободный, 79, e-mail: [email protected]

5

6