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.