Государственное бюджетное образовательное учреждение

высшего профессионального образования Московской области

«Международный университет природы, общества и человека «Дубна»

(университет «Дубна»)

Факультет естественных и инженерных наук

Кафедра «Нанотехнологии и новые материалы»

УТВЕРЖДАЮ

Проректор по учебной работе С.В. Моржухина «_» _ 201 г.

ПРОГРАММА ДИСЦИПЛИНЫ

Взаимодействие(наименование дисциплины) с материалами излучения Направление подготовки 020300.62 – «Химия, физика и механика материалов»

Профиль подготовки Функциональные материалы и наноматериалы Квалификация (степень) выпускника бакалавр Форма обучения очная г. Дубна, Автор программы:

Чижов А.В., профессор, доктор физико-математических наук, кафедра «Нанотехнологии и новые материалы»

_ (подпись) Программа составлена в соответствии с требованиями ФГОС ВПО с учетом рекомендаций и ПрООП ВПО по направлению и профилю подготовки 020300 «Химия, физика и механика материалов»

Программа рассмотрена на заседании кафедры « Нанотехнологии и новые материалы »

(название кафедры) Протокол заседания № _ от « _ » 201 г.

Заведующий кафедрой / Осипов В.А. /

СОГЛАСОВАНО

Декан факультета _ / Деникин А.С. / (подпись) (ФИО) « _ » 201 г.

Рецензент: (ученая степень, ученое звание, ФИО) _ (место работы, должность) Руководитель библиотечной системы _ / Черепанова В.Г. / (подпись) (ФИО) Цели и задачи дисциплины 1.

Настоящий курс является неотъемлемой частью общепрофессиональной подготовки бакалавра в области материаловедения. Цель его изучения состоит в ознакомлении слушателей с основными механизмами и закономерностями лазерного воздействия на различные материалы. Курс позволяет необходимым и существенным образом дополнить представления о фундаментальных фотофизических процессах, происходящих в веществе (в первую очередь, в конденсированных средах) при воздействии световых потоков различных длительностей и длин волн. Он также позволяет разработать физические основы многочисленных прикладных направлений, связанных с лазерами и их применениями в нанотехнологии.

Задача дисциплины состоит в том, чтобы дать студентам современные специальные знания с учетом последних научных достижений в области лазерных воздействий на вещество, включая механизмы поглощения света и передачи энергии.

Место дисциплины в структуре ООП ВПО бакалавриата:

2.

Курс «Взаимодействие излучения с материалами» входит в учебный план подготовки бакалавров по направлению 020300.62 «Химия, физика и механика материалов» и изучается студентами на четвертом курсе в седьмом семестре после получения ими элементарных знаний по основам теории электромагнетизма, волновых процессов и оптики в курсе физики, а также по дифференциальному и интегральному исчислению в курсе математического анализа.

Курс состоит как из теоретических лекций, так и практических занятий (семинаров). Текущий контроль знаний студентов проводится в виде контрольных работ на 7-ой и 12-ой неделях семестра. Проверка полученных знаний и навыков осуществляется в конце семестра в виде зачета по практической и экзамена по теоретической части курса.

3. Требования к уровню освоения содержания дисциплины В результате изучения курса студент должен приобрести знания общефизического характера, способствующие формированию его физического мышления; получить специальные знания, необходимые для исследовательских и прикладных работ в области лазерной техники, физики и технологии.

В результате изучения дисциплины студенты должны общие понятия и определения, используемые при описании процессов взаимодействия лазерного излучения с материалами, основные свойства и параметры материалов в оптическом диапазоне частот;

оценить результаты влияния лазерного излучения заданной интенсивности и частоты на различные материалы, правильно применять полученные знания при решении задач взаимодействия лазерного излучения с металлами, диэлектриками и полупроводниками;

основными методами описания механизмов рассеяния, поглощения и диссипации энергии лазерного излучения;

приобрести навыки количественных оценок основных характеристик лазерных воздействий на вещество, выбора необходимых режимов лазерного облучения для получения заданного моделирования процессов взаимодействия лазерного излучения с материалами для создания лазерной техники и лазерных технологий.

4. Содержание программы Основные направления исследований по взаимодействию лазерного излучения с веществом. Предмет и тия, общее состояние работ по взаимодействию лазерного излучения с веществом.

Основные положения классической электродинамики. Уравнения Максвелла. Свойства электромагнитной Оптические характеристики вещества. Связь оптических постоянных вещества с его микрохарактеристиками. Дисперсионные соотношения.

Поглощение излучения металлами и их оптические свойства. Основные уравнения оптики металлов. Скинэффект и его свойства.

Поглощение излучения и передачи энергии в полупроводниках. Основные механизмы оптического поглощения в полупроводниках; механизмы и последовательность передачи энергии. Особенности межзонного поглощения. Понятие о насыщении межзонного поглощения.

Внутризонное поглощение излучения в полупроводниках. Внутризонное поглощение излучения и зависимость поглощательной способности 3 3 полупроводника от концентрации свободных носителей. Кинетика фотовозбуждения полупроводника лазерным излучением.

Поверхностные электромагнитные волны оптического диапазона. Основные свойства поверхностных элек- 3 3 тромагнитных волн (ПЭВ), структура и распределение полей.

Поверхностные плазмонполяритоны на границе металла с диэлектриком. Условия существова- 3 3 ния ПЭВ, дисперсионное соотношение.

Методы возбуждения ПЭВ. Призменный метод возбуждения ПЭВ. 3 3 Возбуждение ПЭВ на решетке.

Основные эффекты нелинейной оптики. Механизмы оптической нели- 3 3 нейности.

Материальное уравнение нелинейной среды. Нелинейная поляризация и восприимчивость. Классическая модель нелинейной среды.

Самофокусировка и явление самоиндуцированной прозрачности. Самовоздействие света в нелинейной Механизмы изменения поглощения в диэлектриках Фотоионизация газа.

Лавинная многофотонная ионизация.

Ударная ионизация.

Вынужденное рассеяние Мандельштама-Бриллюэна. Роль вынужденного рассеяния МандельштамаБриллюэна.

Элементы теории оптической левитации. Оптическая левитация малых прозрачных частиц. Опыты Эшкина.

Оптическая ловушка.

Световое давление в лазерных пучках. Геометрия и энергетика отражения и преломления. Формулы Френе- 5 5 ля. Световое давление вдоль и поверх Практические занятия (семинары) п.п. дисциплины Вектор Пойнтинга. Фазовая скорость. Показатель преломления Граничные условия для электромагнитного поля (решение задач).

Концентрация носителей на поверхности полупроводников.

Угол падения света и период резонансной решетки для возбуждения ПЭВ (решение задач).

Длина самофокусировки и пороговая мощность пучка для самофокусировки. Скорость ионизации (решение задач).

Численные оценки левитации малых прозрачных частиц (решение задач).

7. Учебно-методическое обеспечение дисциплины Основная литература 1. С.А. Ахманов, С.Ю. Никитин. Физическая оптика. М.: МГУ, 2004.

2. И.Е. Иродов. Волновые процессы. Основные законы. М.: БИНОМ. Лаборатория знаний, 2010.

3. И.Е. Иродов. Задачи по общей физике. М.: БИНОМ. Лаборатория знаний, 2010.

Дополнительная литература 1. Р. Дитчберн. Физическая оптика. М.: Наука, 1965.

2. Н.Б. Делоне. Взаимодействие лазерного излучения с веществом. М.: Наука, 1989.

8. Материально-техническое обеспечение дисциплины Аудитория, оборудованная экраном и прибором для демонстрации лекционного материала.

9. Формы контроля, перечень выносимых на экзамен (зачет) вопросов.

Занятия проводятся в виде лекций и семинаров.

В ходе изучения дисциплины используются различные вида контроля студента:

опросы, контрольные работы, решение задач на семинарах и в домашних условиях. Итоговая аттестация осуществляется в виде зачёта и последующего экзамена.

Перечень обязательных видов работы студента:

посещение лекционных занятий;

ответы на теоретические вопросы на семинаре;

решение практических задач и заданий на семинаре;

выполнение самостоятельных работ;

выполнение контрольных работ;

выполнение домашних работ.

В ходе изучения дисциплины предусматриваются текущий контроль знаний, промежуточная и итоговая аттестации.

Текущий контроль знаний организуется путем краткого опроса по материалу, пройденному на предыдущей лекции и семинарском занятии.

Промежуточная аттестация студентов проходит на 7-ой и 12-й неделях семестра в виде контрольных работ. Контрольная работа состоит из 2-х задач разной степени сложности. В случае пропуска по уважительной причине контрольная работа в течение двух недель может быть написана на консультации.

Итоговый контроль проводится в виде зачета и экзамена. Зачет проводится на 17ой неделе семестра и формируется на основе текущего контроля успеваемости, сданных домашних заданий и контрольных работ, а также проведенного опроса. Экзамен проводится согласно расписанию экзаменационной сессии в виде опроса по выбранному студентом билету, в который входят 3 вопроса.

Примеры задач для практических занятий и зачета:

1. Какова энергия кванта красного света с длиной волны 6, 6 10 см ? Чему равна соответствующая частота света?

2. Чему равна частота и длина волны излучения, энергия кванта которого равна энергии электронов, прошедших разность потенциалов 1, 24 В ?

3. Электромагнитная волна частоты 3, 0 МГц переходит из вакуума в диэлектрик проницаемости ОТН 4, 0. Найти приращение ее длины волны.

случаях считать f e 1.

6. Вычислить групповую скорость u для различных законов дисперсии ( v – фазовая рость света в вакууме, – длина волны в среде).

7. Имея в виду, что для достаточно жестких рентгеновских лучей электроны вещества можно считать свободными, определить, на сколько отличается от единицы показатель преломления графита для рентгеновских лучей с длиной волны в вакууме 50 пм.

8. Показатель преломления сероуглерода для света с длинами волн 509, 534 и 589 нм равен соответственно 1,647, 1,640 и 1,630. Вычислить фазовую и групповую скорости света вблизи 534 нм.

9. Вычислить глубину проникновения э/м волны в металл для следующих металлов: меди ( Cu 5,8 107 1/Ом м ), серебра ( Ag 6,139 107 1/Ом м ) и алюминия Варианты контрольных работ Контрольная работа № 1. Электромагнитная волна частоты 3, 0 МГц переходит из вакуума в диэлектрик проницаемости ОТН 4, 0. Найти приращение ее длины волны.

де с удельной проводимостью 10 мСм/м и диэлектрической проницаемостью 9. Найти отношение амплитуд плотностей токов проводимости и смещения.

Контрольная работа № 1. Найти зависимость между u групповой и v фазовой скоростями для закона дисперсии вида v 1, где – длина волны.

2. Обозначим через – длину волны, при которой (где – время релаксации). Рассчитать для серебра при 0 C, когда N 1, 475 10 и 6,13 1017 (в электростатических единицах), если считать f e 1.

Экзаменационные вопросы:

1. Общее состояние работ по взаимодействию лазерного излучения с веществом.

2. Связь оптических постоянных с микрохарактеристиками металла.

3. Качественная схема механизмов и последовательности процессов поглощения света и перехода поглощенной энергии в тепло.

4. Основные механизмы оптического поглощения в полупроводниках; механизмы и последовательность передачи энергии.

5. Скин-эффект и его свойства.

6. Частотная зависимость поглощательной способности металла при различных видах нормального скин-эффекта.

7. Внутризонное поглощение света и зависимость поглощательной способности полупроводника от концентрации свободных носителей.

8. Понятие о насыщении межзонного поглощения.

9. Тепловая модель как основа современных представлений о лазерном воздействии.

10. Механизмы поглощения и диссипации энергии в веществе.

11. Дисперсионные соотношения.

12. Особенности межзонного поглощения. Влияние диффузионно-рекомбинационных процессов.

13. Оптические процессы в металлах.

14. Основные уравнения оптики металлов.

15. Оптические процессы в полупроводниках.

16. Кинетика фотовозбуждения полупроводника лазерным излучением 17. Поглощательная способность металлов.

18. Основные свойства поверхностных электромагнитных волн, структура и распределение полей.

19. Условия существования поверхностных плазмон-поляритонов на границе металла с диэлектриком. Дисперсионное соотношение.

20. Методы возбуждения поверхностных электромагнитных волн.

21. Основные эффекты нелинейной оптики.

22. Классическая модель нелинейной среды. Нелинейная поляризация и восприимчивость.

23. Самовоздействие света в нелинейной среде. Самофокусировка и явление самоиндуцированной прозрачности.

24. Фотоионизация газа.

25. Лавинная многофотонная ионизация.

26. Ударная ионизация.

27. Вынужденное рассеяние Мандельштама-Бриллюэна.

28. Оптическая левитация малых прозрачных частиц. Опыты Эшкина.

29. Оптическая ловушка.

30. Световое давление в лазерных пучках. Формулы Френеля. Световое давление вдоль и поверх пучка.

Пример экзаменационного билета Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования Международный университет природы, общества и человека «Дубна»

Специальность: Химия, физика и механика материалов, IV курс (7 семестр).

Дисциплина: Взаимодействие излучения с материалами 1. Связь оптических постоянных с микрохарактеристиками металла.

2. Особенности межзонного поглощения. Влияние диффузионнорекомбинационных процессов.

3. Классическая модель нелинейной среды. Нелинейная поляризация и восприимчивость 20.12. Методические рекомендации по организации изучения дисциплины.

Рабочей программой дисциплины предусмотрена самостоятельная работа студентов в объеме часов в семестр.

Самостоятельная работа проводится с целью углубления знаний по дисциплине и предусматривает:

чтение студентами рекомендованной литературы и усвоение теоретического материала дисциплины;

выполнение домашних заданий (решение задач);

подготовку к контрольным работам;

подготовку к сдаче зачета и экзамена.

Планирование времени на самостоятельную работу студентам лучше осуществлять на весь семестр. Материал, законспектированный на лекциях, необходимо регулярно дополнять сведениями из литературных источников, представленных в программе дисциплины. Каждая из тем, данная на лекциях, закрепляется на семинарах. На семинарских занятиях также разбираются типовые задачи по каждой теме, необходимые для выполнения самостоятельных и контрольных работ.