Квантовая и оптическая электроника, Киселев Г.Л., 2011

Квантовая и оптическая электроника, Киселев Г.Л., 2011.
 
  В книге в кратком виде изложены основы квантовой и оптической электроники в соответствии с Государственным общеобразовательным стандартом высшего профессионального образования. Рассмотрены: основы теории оптического излучения; лучевая и электромагнитная теории распространения света; формирование полей в оптических волноводах и резонаторах; физические основы взаимодействия излучения с веществом; приближенные уравнения лазерных усилителей и генераторов; принципы построения и основные характеристики лазерных генераторов, усилителей и нелинейных оптических преобразователей частоты; модуляция и детектирование лазерного излучения; некоторые конкретные типы лазеров и мазеров; современное состояние квантовой и оптической наноэлектроники, включая обратные задачи; применение лазеров.
Предназначается для студентов, обучающихся по направлению «Электроника и наноэлектроника».

ЛУЧЕВАЯ И ЭЛЕКТРОМАГНИТНАЯ ТЕОРИИ РАСПРОСТРАНЕНИЯ СВЕТА.
Геометрическая оптика является мощным инструментом, используемым для описания распространения оптического излучения в сложных оптических системах. Геометрическая оптика основана на физическом принципе наименьшего времени — принципе Ферма, основная идея которого заключается в том, что свет распространяется от одной точки пространства до другой по пространственной траектории, требующей для прохождения света минимального времени.
Следствиями принципа Ферма являются законы отражения и преломления света, распространения его в среде с постоянным или неоднородным в пространстве показателем преломления.
Наиболее современная теория геометрической оптики, разработанная Гамильтоном, имеет важные аналогии в аналитической механике. Согласно классической механике частицы движутся вдоль определенных траекторий. Траектории материальных частиц в поле сил совпадают с траекториями лучей в неоднородной оптической среде. В однородной оптической среде свет распространяется по прямой.
ОГЛАВЛЕНИЕ
Предисловие ко второму изданию
Введение
Глава 1 Основы теории оптического излучения
1.1. Основные идеи и принципы
1.2. Электромагнитное излучение
1.2.1. Плоские волны
1.2.2. Энергия электромагнитного излучения
1.2.3. Спектр излучения
1.3. Когерентность
1.3.1. Когерентность первого порядка
1.3.2. Когерентность второго порядка
1.4. Фотонная структура поля
1.4.1. Квантование поля излучения
1.4.2. Формула Планка
Глава 2 Лучевая и электромагнитная теории распространения света
2.1. Основные принципы и идеи
2.2. Моды
2.2.1. Граничные условия
2.2.2. Отражение и преломление волн
2.2.3. Моды диэлектрического волновода
2.3. Дифракция
2.3.1. Постановка дифракционных задач
2.3.2. Функция Грина
2.3.3. Приближение Гюйгенса-Кирхгофа
2.4. Гауссовы пучки
2.5. Оптико-геометрическое приближение
2.5.1. Уравнение эйконала
2.5.2. Уравнение луча
2.5.3. Матрицы преломления и передачи
Глава 3 Оптические линзовые волноводы и резонаторы
3.1. Основные принципы и идеи
3.2. Линзовые волноводы
3.2.1. Преобразование поля с помощью линзы
3.2.2. Условие получения изображения
3.2.3. Преобразование Фурье
3.2.4. Моды конфокального линзового волновода
3.3. Лазерные резонаторы
3.3.1. Моды конфокального резонатора
3.3.2. Моды неконфокального резонатора
3.3.3. Неустойчивые резонаторы
3.3.4. Устройства связи мод
3.3.5. Селекция поперечных мод
3.3.6. Селекция продольных мод
3.3.7. Селекция мод в связанных резонаторах
3.3.8. Синтез оптических резонаторов
3.3.8.1. Синтез амплитудно-фазового корректора
3.3.8.2. Синтез частотного фильтра
Глава 4 Физические основы взаимодействия квантовых систем с электромагнитным полем
4.1. Основные идеи и принципы
4.2. Уравнение Шредингера
4.3. Энергетический спектр состояний
4.3.1. Энергетический спектр свободной частицы
4.3.2. Энергетический спектр частицы во внешнем поле
4.3.3. Энергетический спектр атома во внешних электрическом или магнитном полях
4.3.4. Энергетические зоны в кристаллах
4.4. Однофотонные квантовые переходы
4.4.1. Излучательные и безызлучательные переходы
4.4.2. Спонтанные и индуцированные переходы
4.5. Населенность энергетических уровней
4.5.1. Распределение Больцмана
4.5.2. Распределение Ферми-Дирака
4.5.3. Распределение Бозе-Эйнштейна
4.5.4. Инверсия населенностей уровней
4.6. Схемы создания инверсии населенностей
4.6.1. Двухуровневая схема
4.6.2. Трехуровневая схема
4.6.3. Четырехуровневая схема
4.6.4. Многоуровневые схемы
4.7. Линейная макроскопическая поляризация среды
4.7.1. Дисперсия и усиление в среде
4.7.2. Форма линии усиления
4.8. Методы создания инверсии населенностей в лазерных средах
4.8.1. Твердотельные лазерные среды
4.8.2. Полупроводниковые лазерные среды
4.8.3. Газовые лазерные среды
4.8.4. Жидкостные лазерные среды
Глава 5 Приближенные уравнения теории лазеров
5.1. Основные идеи и принципы
5.2. Уравнения электромагнитного поля
5.3. Материальные уравнения
5.4. Уравнения лазера и лазерного усилителя
5.4.1. Стационарное усиление
5.4.2. Нестационарное усиление
5.4.3. Нестационарная генерация
Глава 6 Лазерные усилители
6.1. Основные принципы и идеи
6.2. Усилители бегущей волны
6.2.1. Частотная характеристика
6.2.2. Коэффициент усиления
6.2.3. Фазовая характеристика
6.2.4. Полоса пропускания
6.2.5. Динамический диапазон усиления
6.2.6. Шумы усилителя
6.2.7. Режимы работы
6.3. Резонаторные усилители
6.3.1. Коэффициент усиления
6.3.2. Полоса пропускания
6.3.3. Динамический диапазон усиления
6.3.4. Шумы усилителя
6.3.5. Стабильность усилителя
6.3.6. Сверхрегенеративный режим усиления
Глава 7 Лазерные генераторы
7.1. Основные идеи и принципы
7.2. Условия самовозбуждения и существования стационарного режима
7.3. Спектр излучения
7.3.1. Однородное уширение линии усиления
7.3.2. Неоднородное уширение линии усиления
7.3.3. Конкуренция мод
7.3.4. Спектральная ширина излучения лазерного генератора
7.3.6. Мощность излучения генератора
7.4. Переходные процессы в генераторе
7.5. Генераторы с нестационарными параметрами
7.5.1. Периодическая модуляция параметров генератора
7.5.2. Синхронизация мод
7.5.3. Генераторы с модулированной добротностью
7.5.4. Генераторы с нелинейными потерями
7.5.5. Генераторы с нелинейным поглощающим фильтром
Глава 8 Нелинейная оптика
8.1. Основные принципы и идеи
8.2. Многофотонные квантовые переходы
8.2.1. Двухфотонные переходы
8.2.2. Трехфотонные переходы
8.2.3. Многофотонные переходы
8.3. Нелинейная макроскопическая поляризация среды
8.4. Методы осуществления когерентного взаимодействия волн в нелинейных средах
8.5. Нелинейное взаимодействие электромагнитных полей
8.6. Умножители частоты
8.6.1. Преобразование основной частоты в частоту второй гармоники
8.6.2. Преобразование основной частоты в частоту высших гармоник
8.7. Параметрическое преобразование частоты
8.8. Параметрические усилители и генераторы
8.8.1. Параметрический усилитель
8.8.2. Параметрический генератор
8.9. Лазеры на вынужденном комбинационном рассеянии
8.10. Лазеры на вынужденном рассеянии Мандельштама-Бриллюэна
8.10.1. Усилитель на ВРМБ
8.10.2. Генераторы на ВРМБ
8.10.3. Модулятор добротности на ВРМБ и обращение волнового фронта
8.11. Лазеры на динамических решетках (голографические лазеры)
8.12. Вещество в сильном поле лазерного излучения
8.12.1. Механическое действие света. Световое давление
8.12.2. Оптический пробой прозрачных диэлектриков
8.12.3. Тепловое воздействие
8.12.3.1. Лазерно-индуцированное плавление
8.12.3.2. Лазерно-индуцированное испарение и абляция
8.12.3.3. Лазерно-индуцированная генерация мощных акустических импульсов
8.13. Вещество в сверхсильных оптических полях
Глава 9 Модуляция и детектирование оптического излучения
9.1. Основные принципы и идеи
9.2. Модуляторы и дефлекторы
9.2.1. Электрооптические модуляторы
9.2.2. Магнитооптические модуляторы
9.2.3. Акустооптические модуляторы
9.2.4. Оптико-механические модуляторы
9.2.5. Модуляторы в схемах интегральной оптики
9.2.6. Пассивные оптические элементы
9.3. Детектирование лазерного излучения
9.3.1. Фотоэлектрические детекторы
9.3.2. Гетеродинное фотодетектирование
9.3.3. Оптические регистрирующие среды
9.4. Лазерные схемы управления параметрами излучения
9.4.1. Схемы управления спектром излучения
9.4.2. Схемы управления временным режимом излучения
9.4.3. Схемы управления поляризацией излучения
9.4.4. Схемы управления распределением поля
9.4.5. Схемы мощных лазеров
Глава 10 Газовые, твердотельные, полупроводниковые и жидкостные лазеры
10.1. Основные принципы и идеи
10.2. Газовые лазеры
10.2.1. Газоразрядные лазеры
10.2.2. Газодинамические лазеры
10.2.3. Плазмодинамические лазеры
10.2.4. Химические лазеры
10.2.5. Электроионизационные лазеры
10.3. Твердотельные лазеры
10.3.1. Конструкция
10.3.2. Рабочие характеристики
10.3.3. Промышленные твердотельные лазеры
10.4. Полупроводниковые лазеры
10.4.1. Инжекционные лазеры
10.4.2. Лазеры с электронной накачкой
10.4.3. Лазеры с оптической накачкой
10.5. Жидкостные лазеры
10.5.1. Лазеры на растворах неорганических соединений
10.5.2. Лазеры на растворах органических красителей
10.6. Тонкопленочные лазеры
Глава 11 Мазеры
11.1. Основные идеи и принципы
11.2. Парамагнитные усилители
11.2.1. Усилители бегущей волны
11.2.2. Резонаторные усилители
11.3. Пучковые генераторы
11.3.1. Генераторы на аммиаке (NH3)
11.3.2. Генераторы на водороде (Н2)
Глава 12 Квантовая и оптическая наноэлектроника
12.1. Основные принципы и идеи
12.2. Квантовые ямы, квантовые нити и ящики
12.2.1. Стоячая волна в бесконечно глубокой потенциальной яме
12.2.2. Стоячая волна в потенциальной яме конечной глубины
12.2.3. Потенциальный барьер конечной высоты и конечной ширины
12.3. Квантово-размерные структуры
12.4. Квантово-размерные лазерные диоды
12.4.1. Лазеры с квантовыми ямами
12.4.2. Униполярные квантово-каскадные лазерные диоды
12.4.3. Лазерный генератор на квантовой точке
12.5. Квантово-размерные фотоприемники
12.6. Квантово-размерные электрооптические модуляторы
12.7. Нанооптика
12.8. Обратные задачи квантовой и оптической электроники
12.8.1.  Управление положением энергетических уровней квантовой системы
12.8.2. Управление пространственным положением волновой функции
12.8.3. Управление энергетическим спектром квантовой системы
12.8.4. Управление временами жизни на энергетических уровнях квантовой системы
Глава 13 Применение лазеров    
13.1. Основные принципы и идеи
13.2. Области применения лазеров
13.3. Информационное применение лазеров
13.3.1. Обработка информации
13.3.2. Голография
13.3.3. Измерительная техника
13.4. Энергетическое применение лазеров
13.4.1. Технология
13.4.2. Медицина
13.4.3. Энергетика
Список рекомендуемой литературы.