Квантовая электроника
профессор Кулик С.П.

Спецкурс разработан Д.Н.Клышко и читается студентам кафедры квантовой электроники физического факультета МГУ в 1-м семестре 4-го курса; форма отчетности - зачет.

Курс посвящен физическим основам квантовых усилителей и генераторов, освоению основных понятий теории взаимодействия поля и вещества (вынужденное излучение и поглощение, инверсия населенностей и отрицательная температура, сечение взаимодействия, диэлектрическая восприимчивость, релаксация, спонтанные переходы, когерентное взаимодействие). Основные разделы программы: вероятность перехода в случае когерентного и некогерентного поля, коэффициент поглощения и усиления, линейная поляризация среды, эффект насыщения, нестационарные эффекты (самопрозрачность, оптическое эхо, сверхизлучение).

Программа курса:
1. Введение.
История квантовой электроники. Основные понятия: вынужденное и спонтанное излучение, инверсия населенностей, релаксация, обратная связь. Сечение перехода и коэффициент поглощения (усиления). Условие самовозбуждения квантового генератора. Методы инверсии населенностей. Основные типы лазеров и мазеров и области их применения.

2. Коэффициенты поглощения и усиления.
Уравнение Шредингера в энергетическом представлении. Теория возмущения. Приближения: линейное, дипольное, вращающейся волны, неподвижных независимых атомов. Вероятность перехода в монохроматическом поле. Учет ширины резонанса. Естественное, столкновительное, доплеровское уширение. Однородное и неоднородное уширение.

3. Взаимодействие с некогерентным полем.
Функция корреляции, время когерентности и ширина спектра. Спектральная плотность поля. Коэффициенты Эйнштейна А и В. Вывод формулы Планка по Эйнштейну. Электромагнитное поле как термостат. Плотность мод. Спектральная яркость излучения и число фотонов на моду. Эффективная температура.

4. Линейная поляризация среды.
Определение и общие свойства диэлектрической восприимчивости -- роль вещественности поля, симметрии среды, принципа причинности. Симметрия кинетических коэффициентов. Классическая модель дисперсии. Поправки на локальное поле. Закон дисперсии и нормальные волны. Поляритоны. Двупреломление. Квантовая теория дисперсии. Матрица плотности - определение, свойства, связь с поляризацией среды. Уравнение фон Неймана. Кинетические уравнения. Времена релаксации Т1, Т2 и Т2*. Дисперсионная формула Крамерса-Гейзенберга. Сила осциллятора.

5. Двухуровневая модель
Уравненя Блоха. Стационарное решение. Эффект насыщения. Времена релаксации T1, T2, T2*. Насыщение неоднородно-уширенного перехода. Провалы Беннета и Лемба. Спектроскопия насыщения. Когерентое взаимодействие. Условия наблюдения нестационарных эффектов. Вектор и сфера Блоха. Геометрическая интерпретация. Свободная прецессия. Вынужденная нутация. Формула Раби для населенностей. Эффекты самоиндуцированной прозрачности, оптического эхо, сверхизлучения, резонансной флуоресценции. Когерентеная спектроскопия.

Литература:

1. Д. Н. Клышко. Физические основы квантовой электроники
2. П. В. Елютин. Теоретические основы квантовой радиофизики
3. Ю. А. Ильинский, Л.В.Келдыш. Взаимодействие электромагнитного излучения с веществом
4. Н. В. Карлов. Лекции по квантовой электронике
5. Ф. Качмарек. Введение в физику лазеров