Osoba odpowiedzialna za przedmiot: prof. dr hab. inż. Paweł Szczepański

 

Streszczenie
Treści kształcenia: Zjawiska fizyczne leżące u podstaw działania laserów. Zaawansowane półklasyczne modele generacji promieniowania laserowego. Elementy kwantowej teorii laserów. Różne typy laserów i ich aplikacje.Efekty kształcenia - umiejętności i kompetencje: analiza i projektowanie różnych struktur laserowych oraz prostych systemów telekomunikacyjnych.

Treść wykładu
  • Wprowadzenie (2h) - Podstawowe zasady klasycznej teorii dyspersji Lorentza. Zespolony współczynnik załamania i relacje dyspersyjne opisujące związek absorpcji z dyspersją
  • Podstawowe pojęcia i metody mechaniki kwantowej stosowane w półklasycznej teorii oddziaływania fali e.m. z materią (2h) - Funkcja falowa. Jednowymiarowe równanie Schrödingera. Równanie Schrödingera uogólnione na przypadek trójwymiarowy. Model oscylatora harmonicznego. Rachunek zaburzeń bez czasu. Rachunek zaburzeń z czasem. Rachunek wariacyjny.
  • Zagadnienie oddziaływania układu dwupoziomowego z falą e.m (2h) - Rozwiązanie równania Schrödingera metodą rachunku zaburzeń. Równania ruchu dla populacyjnej macierzy gęstości.
  • Wzmocnienie i próg akcji laserowej (2h) - Analiza progowa. Równania kinetyczne dla fotonów i populacji. Małosygnałowe wzmocnienie. Zjawisko nasycenia wzmocnienia. Efekt przestrzennego wypalania dziur.
  • Moc wyjściowa i częstotliwość lasera (2h) - Równanie kinetyczne dla natężenia promieniowania. Przybliżenie jednorodnego pola. Optymalna transmisja. "Lamb dip". Efekt "przeciągania" częstotliwości (z ang. mode pulling).
  • Wzbudzenie jedno- i wielomodowe (2h) - Generacja na jednej częstotliwości. Konkurencja międzymodowa. Synchronizacja modów. Selekcja modów.
  • Dynamika akcji laserowej i efekt włączeniowy (2h) - Drgania relaksacyjne. Impulsy gigantyczne. Optyczna bistabilność. Chaos deterministyczny.
  • Półklasyczna teoria lasera (2h) - Model punktowy lasera. Równania samouzgodnione. Polaryzacja ośrodka aktywnego. Formalizm macierzy gęstości.
  • Aplikacje półklasycznej teorii (3h) - Aplikacje półklasycznej teorii lasera do opisu różnego typu laserów, w szczególności laserów gazowych, laserów na ciele stałym (dielektryczne lasery planarne z rozłożonym sprzężeniem zwrotnym (DFB)), struktur półprzewodnikowych ze studniami kwantowymi (jednowymiarowej, dwuwymiarowej - tzw. struktura z drutem kwantowym lub trójwymiarowej - tzw. struktura z kropką kwantową) oraz struktur z przerwą fotoniczną (tzw. kryształów fotonicznych).
  • Elementy kwantowej teorii lasera (2h) - Szerokość linii widmowej generowanej przez laser. Szum kwantowy lasera. Równanie Langevina. Równanie Fokkera-Plancka dla fazy i amplitudy pola modu laserowego.
  • Własności statystyczne światła laserowego (1h) - Koherencja czasowa i przestrzenna. Funkcje koherencji. Statystyka fotonów.
  • Efekty generacyjne wykorzystujące zjawiska nieliniowe (2h) - Generacja drugiej i wyższych harmonicznych. Wymuszone rozpraszanie Ramana. Generacja superkontinuum.
  • Rezonatory optyczne i wiązki laserowe (3h) - ABCD optyki geometrycznej. Stabilność rezonatorów optycznych. Przyosiowe równanie falowe. Poprzeczne mody rezonatora. Wiązka gaussowska. ABCD wiązki gaussowskiej.
  • Typy laserów i mechanizmy uzyskiwania inwersji obsadzeń (2h) - Lasery gazowe (He-Ne, argonowy, laser CO2). Lasery barwnikowe. Lasery na swobodnych elektronach. Lasery na ciele stałym. Lasery półprzewodnikowe.
  • Wybrane zastosowania laserów (1h) - aplikacje laserów ze szczególnym uwzględnieniem technik telekomunikacyjnych.