Экспериментальные методы квантовой радиофизики

Экспериментальные методы квантовой радиофизики

(включает в себя программы лабораторных занятий “Методы оптической и лазерной спектроскопии” и “Люминесцентные и поляризационные методы”)

Разделы
1.        Характеристики световых полей

Энергетические характеристики оптического излучения: фотометрические и радиометрические, их взаимная связь. Спектральные и временные свойства светового излучения. Временная и пространственная когерентность. Теорема Ван-Циттера-Цернике. Поляризация света. Параметры Стокса и сфера Пуанкаре.

2.        Источники оптического излучения

Тепловые источники излучения, Законы излучения и модели абсолютно черного тела. Излучение реальных источников: лампа накаливания, штифт Нернста, глобар, газоразрядные лампы, дуга, искра. Области использования. Спектральные и яркостные характеристики. Ширины линий излучения газоразрядных источников. Лазерные источники излучения. Основные характеристики: спектральный диапазон, направленность излучения, когерентность, ширина линий генерации, спектральная яркость. Сравнение тепловых и лазерных источников излучения.

3.        Общие принципы построения спектральных приборов

Структурная схема спектрального прибора с одномерной дисперсией. Формирование спектра в приборах с одномерной дисперсией. Уравнение Лангранжа-Гельмгольца. Параметры спектральных приборов: угловое увеличение, угловая и линейная дисперсия, аппаратная функция.

 

Дифракционные явления в спектральном приборе. Критерии разрешения спектральных линий. Разрешающая сила. Влияние ширины щели на аппаратную функцию спектрографа и монохроматора. Аподизация аппаратной функции. Истинный и наблюдаемый контуры спектральных линий. Уравнение свертки. Теорема о спектре свертки. Восстановление истинного контура. Частные случаи свертки для дисперсионных и (или) гауссовых контуров. Влияние фотоэлектронной схемы на зарегистрированный спектр.

 

Характеристики спектрального прибора для непрерывного спектра. Чистота спектра. Спектральный состав излучения на выходе монохроматора при непрерывном  спектре.

 

Энергетические характеристики спектрального прибора. Светосила по освещенности и по потоку.

4.        Призма как диспергирующий элемент

Основные характеристики призмы как диспергирующего элемента. Угловая дисперсия, разрешающая способность призмы Угловое увеличение призмы. Призменный телескоп в селективном лазерном резонаторе. Поглощение и поляризующее действие призмы. Астигматизм. Кривизна спектральных линий в призменном спектральном приборе. Разрешающая способность призменных спектральных приборов. Материалы для дисперсионных призм. Характеристики систем из нескольких одинаковых призм.

 

Типы призм и схемы призменных спектральных приборов. Двойные призменные монохроматоры. Многощелевые монохроматоры.

5.        Дифракционная решетка

Представления о пространственном Фурье-разложении. Понятие об угловом спектре плоских волн. Применение пространственного Фурье – разложения к решению задачи о дифракции на плоском экране. Дифракционная решетка: формирование спектра плоской периодической решеткой. Основная формула решетки. Аппаратная функция. Характеристики решетки: угловая дисперсия, область дисперсии, разрешающая сила. Дифракционная решетка с треугольным профилем штриха – эшелетт, распределение энергии по углам, „угол блеска”. Голографические дифрешетки. Основные схемы приборов с плоскими дифракционными решетками. Спектрографы со скрещенной дисперсией. Дифракционные монохроматоры. Двойные дифракционные монохроматоры.

 

Вогнутые дифракционные решетки. Теория вогнутой дифракционной решетки. Схема установки вогнутой решетки. Круг Роуланда. Спектроскопические характеристики, астигматизм. “Духи” и рассеянный свет в спектрах дифракционных решеток. Сравнение призменного и дифракционного спектральных приборов.

6.        Интерферометр Фабри-Перо

Устройство и принцип действия интерферометра и эталона Фабри-Перо. Распределение интенсивности в интерференционной картине. Аппаратная функция интерферометра, её параметры и их зависимость от параметров интерферометра. Спектроскопические характеристики интерферометра: угловая и линейная дисперсия, область дисперсии, разрешающая способность. Светосила интерферометра. Сканирование спектра в интерферометре. Сферический интерферометр. Сложный интерферометр или мультиплекс.

 

Сравнение дифракционного спектрографа и интерферометра Фабри-Перо.

7.        Растровые спектрометры

Принципы работы растровых спектрометров. Аппаратная функция растрового спектрометра. Аподизация аппаратной функции растрового спектрометра. Влияние дифракции. Схемы построения растровых спектрометров. Двумерные растры. Сравнение растрового спектрометра и щелевого монохроматора.

8.        Спектрометры с интерференционной селективной модуляцией (СИСАМ)

Интерферометр Майкельсона с подвижным зеркалом. СИСАМ. Аппаратная функция и светосила СИСАМА. Аподизация аппаратной функции СИСАМА. Оптические схемы СИСАМА. Сравнение СИСАМА и щелевого монохроматора.

9.        Фурье – спектрометры

Основные принципы Фурье-спектроскопии. Аппаратная функция, разрешающая способность, светосила Фурье-спектрометра. Аподизация аппаратной функции. Теорема Котельникова. Дискретизация интерферограммы, использование ЭВМ. Преимущества Фурье-спектрометра. Схема построения Фурье-спектрометра.

10.   Оптическое гетеродинирование

Принцип действия оптического гетеродина. Спектральное преобразование при гетеродинировании. Согласование фронтов сигнальной волны и гетеродинного источника. Разрешающая способность оптического гетеродина. Пороговая чувствительность метода оптического гетеродинирования. Кольцевой лазер и лазерный гироскоп.

11.   Поляризационные измерения

Методы получения и анализа линейно поляризованного и эллиптически поляризованного света. Поляризаторы и поляризационные устройства: дихроичные, брюстеровские поляризаторы, призмы Глана, Николя, Глана-Томсона, Волластона. Фазовые пластинки. Пластинки – λ/2 и λ/4. Компенсатор Солейля. Ахроматические пластинки λ/ 4.

12.   Лазерная спектрополяриметрия

Принципиальная схема поляриметра. Оценка предельной чувствительности, сравнение с пределом при измерении коэффициентов поглощения. Выбор оптимальных условий эксперимента с учетом избыточных шумов. Элементы поляриметра. Модуляция и “нулевой”метод регистрации. Ложные спектральные эффекты. Возможности фарадеевской спектроскопия.

13.   Ослабители оптического излучения

Общие сведения и классификация ослабителей. Типы ослабителей: френелевские, поляризационные, абсорбционные, изменяющие геометрию светового пучка. Особенности технологии и градуировки ослабителей.

14.   Приемники оптического излучения

Общие характеристики приемников оптического излучения. Квантовые и тепловые фотоприемники. Фотоэлементы. Фотоумножители: аналоговый режим и режим счета фотонов. Фоторезисторы. Фотодиоды: фотовольтаический и фотодиодный режимы работы. Лавинные фотодиоды. Приборы с зарядовой связью, матричные фотоприемники. Болометр. Термопарный, пироэлектрический и оптико-акустический фотоприемники.

15.   Современные достижения в экспериментальной квантовой радиофизике

Студенты выполняют курсовую работу в соответствии с направлениями научной работы в лаборатории ФИАН, в которой они выполняют НИР.

 
Литература
1.     Малышев В.И. Введение в экспериментальную спектроскопию. М.: Наука,  1979
2.     Лебедева В.В. Техника оптической спектроскопии, М., изд. МГУ, 1986. Гл. 1
3.     Зайдель А.А., Островская Г.В., Островский Ю.Н. Техника и практика спектроскопии, кроме главы 14. М.: Наука, 1972.
4.     Толмачев Ю.А. Новые спектральные приборы. Л., изд. ЛГУ, 1976.
5.     Королев Ф.А. Спектроскопия высокой разрешающей силы. М.: .Т.Л., 1953.
6.     Тарасов К.П., Спектральные приборы (кроме главы 12) Л. Машиностроение, 1968.
7.     Ландсберг Г.С. Оптика. М.: Физматлит, 2010 , гл. 16,17.
8.     Гудмен Дж. Введение в Фурье-оптику. М.: Мир, 1970. Гл. 2,3. § 7
9.     Звелто 0. Физика лазеров. М.: Мир, 1989. 2-е изд.
10. Балл Р.Дж. Введение в Фурье спектроскопию. М.: Мир, 1975. гл. 1-7.
11. Строук Дж, Введение в когерентную оптику и голографию. М.:Мир. 1970. Гл. 4.
12. Ищенко Е.Ф., Соколов А.Л. Поляризационная оптика. М. Физматлит. 2012.
13. Бухштаб М.А. Измерения малых оптических потерь. Л.:Энергоатомиздат, 1988
14. Воронков Г.Л. Ослабители оптического излучения. Л.: Машиностроение, 1980
15. Лебедева В.В. Экспериментальная оптика. Изд. Московского университета, 1994
16. Ахманов С.А., Никитин С.Ю. Физическая оптика. М. Изд. Наука, 2004
17. Демтрёдер В. Лазерная спектроскопия: основные принципы и техника. М. Наука, 1985
18. Мазанько И.П., Швец Ю.И. Принципы преобразования и детектирования оптических сигналов. М. Изд. МФТИ 2001
19. Козлов С.А., Самарский В.В., Основы фемтосекундной оптики. М. Физматлит. 2009

Leave a Comment