Планы лекций, прочитанных в 2022 г.

Планы ближайшей и прочитанных в 2023 г. лекций 

Билеты с теоретическими вопросами 

 

Программа курса

 

1. Классификация различных методов спектроскопии. Разрешающая сила спектральных приборов во временном и частотном пространствах.

2. Представление поля в виде совокупности случайных величин. Моменты поля. Вероятность и плотность вероятности. Многомерная совместная вероятность. Эргодические процессы. Пуассоновский и гауссовский процессы. Статистика одномодового хаотического излучения в классическом и квантовом рассмотрении. Когерентное излучение.

3. Аналитический сигнал. Определение, назначение, отличие от комплексного сигнала. Квазимонохроматический сигнал.

4. Глауберовские корреляционные функции. Интенсивность. Функция взаимной когерентности. Взаимная спектральная плотность.  Автокорреляционная функция и спектральная плотность излучения.

5. Корреляционные функции первого порядка как характеристики степени когерентности излучения. Длина  продольной и радиус поперечной когерентности поля.  Выражение корреляционных функций высших порядков для  гауссовских («тепловых») полей.

6. Измерение временной когерентности  с помощью интерферометра Майкельсона. Примеры времен и длин продольной когерентности различных источников. 

7. Теоретические основы Фурье-спектроскопии. Дискретный спектр напряженности поля  спектральная плотность мощности стационарного излучения. Теорема Винера-Хинчина. Примеры автокорреляционных функций и соответствующих им спектров мощности.

8. Особенности экспериментальной Фурье-спектроскопии. Базовая схема Фурье-спектрометра и основные требования к характеристикам ее элементов.

9. Аппаратная функция Фурье-спектрометра. Преимущества и области применения Фурье-спектроскопии. Энергетические выигрыши Жакино и Фелжетта. 

10.  Характеристики пространственной когерентности излучения.  Измерение радиуса поперечной когерентности с помощью интерферометра Юнга. Радиус когерентности излучения с тепловой статистикой в дальней зоне. Измерение угловых размеров звезд.

11.  Объем когерентности и фактор вырождения. Выражение спектральной яркости излучения в единицах фотонов на моду. Сравнение чисел фотонов в моде и в объеме когерентности. Теорема Ван Циттерта – Цернике.

12.  Объем когерентности и объем детектирования. Определение числа мод детектирования через их соотношение. Статистика многомодового поля в пределах больших объемов детектирования.

13.  Типы фотодетекторов и принципы их работы. Основное отличие оптических детекторов от детекторов радиодиапазона. Эффективная температура и граница 70 см^-1 . Измерение статистики фотоосчетов ФЭУ. Аналоговый и счетный режимы регистрации. «Точечный» детектор и условие одномодового детектирования.

14.  Скорость счета фотонов в зависимости от интенсивности излучения, квантовой эффективности детектора и объема детектирования. Полуклассическая формула Манделя для случаев одномодового и многомодового детектирования.  Связь функции распределения фотоотсчетов P(m) и  моментов интенсивности  излучения.

15.  Связь моментов интенсивности излучения и факториальных моментов чисел фотоотсчетов при детектировании. Выражение для дисперсии фотоотсчетов через дробовые шумы и дисперсию интенсивности излучения. Группировка фотоотсчетов благодаря вкладу флуктуаций классических полей. Дисперсия фотоотсчетов при детектировании когерентного излучения, одномодового и многомодового теплового излучения.

16.  Основные потребительские параметры фотодетекторов. Спектральная область чувствительности, время отклика. Мощность сигнала, мощность шума, спектральная плотность шума, соотношение сигнал-шум. Эквивалентная мощность шума. Детектирующая способность фотодетектора. Особенности шумовых характеристик фотодетекторов в отсутствии и при наличии фонового излучения. спектр флуктуаций фототока.

17.  Примеры корреляционных функций второго порядка. Формула Зигерта для полей с гауссовской статистикой. Измерение пространственной когерентности второго порядка с помощью интерферометра Хэнбери Брауна - Твисса.

18.  Корреляционная спектроскопия на основе измерения функции временной когерентности второго порядка. Временная корреляционная функция фототока и ее связь с автокорреляционной функцией теплового излучения. Измерение спектральных характеристик излучения по автокорреляционной функции фототока. Спектрометр квадратичного детектирования (спектрометр с самобиением света). Области применения спектроскопии оптических биений.

19.  Гомодинный и гетеродинный прием сигналов в радиофизике. Спектрометр оптического гетеродинирования. Связь оптического спектра сигнального излучения и спектра мощности фототока. Спектроскопия оптического смешения: теоретические основы, преимущества и ограничения,  области применения. 

20. Построение скрытых изображений по корреляциям показаний однопиксельных детекторов и ССD камер. Квантовый ghost imaging на основе параметрического рассеяния света. Классический подход с квазитепловым излучением. Компьютерный ghost imaging и однопиксельные камеры.

21. Безэталонная калибровка квантовой эффективности фотодетекторов на основе спонтанного параметрического рассеяния света.

           

            Литература.

1. “Спектроскопия оптического смешения и корреляция фотонов”. Сб.статей под редакцией Г.Камминса и Э.Пайка,”Мир”,Москва,1978.

2.”Лазерная и когерентная спектроскопия”. Сб.статей под редакцией Дж.Стейнфелда, “Мир”, Москва,1982.

3. Д.Н. Клышко «Физические основы квантовой электроники» Москва, "Наука", 1986 – параграф 7.2

4. R.N.Kingston.”Detection of Optical and Infrared Radiation”, Springer-Verlag, Berlin Heidelberg, 1978.

5. Р.Дж. Белл. ”Введение в Фурье - спектроскопию”, “Мир”, Москва, 1975.

6. Л.А.Вайнштейн, Д.Е.Вакман. «Разделение частот в теории колебаний и волн», Москва, «Наука», 1983.

7. M. J. Padgett, R.W. Boyd. "An introduction to ghost imaging: quantum and classical". Philisophical Transactions R. Soc. A, 375:20160233

P.-A. Moreau, E.Tonelli, et al.  "Ghost imaging using optical correlations". Laser Photonics Rev. v.12, p.1700143 (2018).

8. S.V.Polyakov, A.L.Migdall “High accuracy verification of a correlated photon-based method for determining photoncounting detection efficiency”, Optics Express, v.15, p.1390-1407 (2007)