Фотоника и оптоинформатика

СОГЛАСОВАНО
Председатель методической комиссии
профессор
Богатин А.С.
УТВЕРЖДАЮ
Декан физического факультета
профессор
Малышевский В.С.
22 марта 2011 г.
Программа
государственного экзамена бакалавра техники и технологии
по направлению 200600 "Фотоника и оптоинформатика"
«ОСНОВЫ ФОТОНИКИ, КВАНТОВОЙ ЭЛЕКТРОНИКИ И ОПТИЧЕСКОЙ СВЯЗИ»
1. Энтропия и количество информации. Свойства энтропии.
2. Скорость передачи информации и пропускная способность канала связи.
3. Теоремы Шеннона для идеального и реального каналов связи.
4. Кодирование сообщений. Коды Шеннона-Фано и Хаффмена.
5. Математические модели детерминированных сигналов.
6. Квантование сигналов. Теорема Котельникова.
7. Случайные сигналы и их вероятностные характеристики.
8. Энергетический спектр стационарного случайного процесса и его связь с корреляционной
функцией.
9. Принципы обнаружения сигналов на фоне шума. Обнаружение сигнала с помощью
коррелятора.
10. Сравнение электрических и оптических способов обработки информации.
11. Элементы зонной теории полупроводников. Поглощение света в полупроводниках.
12. Вакуумный фотодиод. Фотоумножитель. Фотоприемник на микроканальных пластинах.
13. Фоторезистор. Полупроводниковый фотодиод. Режимы работы фотодиода.
Быстродействие фотодиода. P-i-N фотодиоды. Лавинные фотодиоды. Фотодиоды Шоттки.
Фототранзистор. Фототиристор.
14. Фотоприемники с зарядовой связью и с зарядовой инжекцией.
15. Люминесценция полупроводников. Инжекционная люминесценция. Люминесценция на
гетероструктурах. Светоизлучающие диоды (СИД).
16. Внутренняя модуляция полупроводниковых лазеров и светодиодов.
17. Элементы кристаллооптики. Эффект Керра. Эффект Поккельса.
18. Электрооптические модуляторы на эффекте Керра. Модуляторы и дефлекторы на ячейке
Поккельса.
19. Оптически и электрически управляемые транспаранты (пространственно-временные
модуляторы).
20. Взаимодействие акустических и оптических волн (упруго-оптический эффект).
Условие волнового синхронизма. Дифракция Рамана-Ната. Дифракция Брэгга.
21. Акустооптические модуляторы и дефлекторы.
22. Оптические каналы связи. Устройство волоконных световодов. Апертура оптического
волокна. Моды в световодах.
23. Типы волоконных световодов. Методы изготовления. Потери и дисперсия в волоконных
световодах.
24. Пассивные и активные элементы линий связи. Построение волоконной линии связи.
Принципы уплотнения волоконно–оптических линий связи.
25. Волоконно-оптические датчики: давления, перемещений, напряжений. ускорений.
Гидрофоны. Датчик оптической плотности и концентрации растворов. Датчики
электрических и магнитных величин. Оптический гироскоп.
26. Дисковые оптические запоминающие устройства. Методы записи на диск. Лазеры для
записи.
27. Типы дисковых ОЗУ: постоянные, однократной записи (R), реверсивные (RW)
(многократной записи). Материалы для оптических дисков. Магнитооптические диски.
Другие реверсивные ОЗУ.
28. Оптико-механическая схема ОЗУ. Методы повышения плотности оптической записи.
29. Элементы оптических вычислительных машин. Оптически связанные лазеры. Оптическая
бистабильность. Трансфазор. Логические и импульсные схемы на бистабильных
элементах.
30. Акустооптические конвеерные (систолические) процессоры.
31. Элементы интегральной фотоники (оптоэлектроники). Планарные оптические волноводы.
Фокусирующие элементы. Волноводные переключатели. Волноводные модуляторы: на
связанных волноводах и интерференционные Маха-Цендера.
32. Оптические АЦП и ЦАП. Гибридные бистабильные устройства. Многоканальные
переключатели.
33.Интегрально-оптический коррелятор. Процессор для распознавания наборов данных.
Интегрально-оптический спектроанализатор.
34. Когерентность. Временная и пространственная когерентность. Измерение когерентности.
35. Временная когерентность. Спектр прямоугольного цуга волн. Время когерентности. Длина
когерентности. Спектр затухающего осциллятора. Когерентность характерных
источников.
36. Фурье-преобразования волн. Интегралы Фурье. Примеры Фурье-образов. Свойства
преобразований Фурье. Доказательство теоремы корреляции. Фурье-спектроскопия.
37. Пространственная когерентность. Теореме Ван-Циттерта-Цернике. Радиус, угол и объем
когерентности. Звездный интерферометр.
38. Основные методы когерентных аналоговых оптических вычислений.
39. Общая структурная схема оптической системы обработки информации.
40. Комплексная амплитуда.
41. Двумерное преобразование Фурье.
42. Пространственная фильтрация оптических сигналов.
43. Голография. Способ регистрации фазы волны. Уравнение голограммы. Восстановление
светового поля голограммы. Голограмма плоской волны, точки. Свойства голограмм.
Требования к регистрирующим средам. Типы голограмм. Трехмерные голограммы
Денисюка.
44. Применение голографии. Голографическая интерферометрия. Цифровая голография.
Применение в микроэлектронике. Голографическая оптика. Голографическое
распознавание образов. Кодирование и декодирование информации. Ассоциативный
поиск информации.
45. Взаимодействие излучения с веществом (типы энергетических уровней в квантовых
системах и виды переходов между ними. Переходы с поглощением и излучением:
спонтанное и индуцированное излучение, его вероятность).
46. Форма и ширина спектральных линий. Типы уширения спектральных линий. Уширение в
газах: однородное (естественное и столкновительное уширение) и неоднородное (за счет
эффекта Доплера)
47. Поглощение излучения квантовой системой: выравнивание населенностей уровней и
насыщение поглощаемой мощности. Влияние насыщения на форму линии при ее
однородном и неоднородном уширении.
48. Понятие об инверсии населенностей. Линейный (погонный) коэффициент усиления,
ненасыщенный линейный коэффициент усиления, насыщение коэффициента усиления
49. Резонаторы СВЧ и оптического диапазонов, их функции и параметры. Приближение
плоской волны для открытого резонатора оптического диапазона. Добротность открытого
оптического резонатора.
50. Устойчивость резонатора, критерий устойчивости, примеры устойчивых и неустойчивых
резонаторов. типы колебаний (моды) и резонансные частоты пассивного открытого
резонатора.
51. Общее устройство лазера. Функции резонатора, активной среды, устройства накачки.
Привести примеры лазеров с различными типами активной среды.
52. Методы селекции модового состава излучения лазера при неоднородном уширении
контура усиления: селекция поперечных мод (пространственная)-одномодовый режим
работы лазера, селекция одной продольной моды (частотная)-одночастотный режим
работы лазера.
53. Методы реализации импульсного режима работы лазера: режим свободной генерации,
режим модулированной добротности, режим синхронизации мод.
54. Условия максимальной эффективности для оптической накачки активной среды лазера.
Сравнительная характеристика трех- и четырехуровневых схем генерации.
55. Примеры квантовых усилителей и генераторов (лазеров), работающих по "трехуровневой"
схеме. Их основные характеристики.
56. Примеры квантовых генераторов (лазеров), работающих по "четырехуровневой" схеме.
Их основные характеристики.
57. Накачка столкновениями частиц в газоразрядных лазерах. Типы столкновений, примеры
лазеров, их основные характеристики
58. Принципы работы полупроводниковых лазеров. Инжекционные лазеры. Лазеры на гомо–
и гетероструктурах. Лазеры с вертикальным резонатором. Линейки и массивы лазеров.
Лазеры на квантово-размерных структурах. Одночастотные лазеры: лазеры с внешним
резонатором; РОС, РБЗ, и С3 – лазеры. Оптоволоконные лазеры и усилители.
59. Методы измерения ненасыщенного коэффициента усиления активной среды.
60. Методы измерения мощности и энергии оптического излучения. Калориметры переменной
температуры. Калориметры постоянной температуры.
61. Линейная и нелинейная поляризация и восприимчивость.
62. Основные нелинейно-оптических явлений.
63. Нелинейно-оптические явления и многофотонные процессы.
64. Когерентные и некогерентные процессы преобразования света в свет.
65. Волновой синхронизм на примере генерации второй гармоники.
66. Основные параметры и свойства газоразрядной плазмы (нейтральность, излучение
плазмы).
67. Виды разрядов в газе, используемых в источниках света и плазменных индикаторных
панелях.
68. Основные свойства положительного столба разряда, используемого в источниках света и
газоразрядных лазерах
69. Физика и техника ртутных и натриевых ламп высокого давления (условия разряда,
резонансный захват излучения и его влияние на спектр излучения, устройство)
70. Лазерная абсорбционная спектроскопия. Внутрирезонаторная спектроскопия.
Оптоакустическая спектроскопия. Внутридоплеровская спектроскопия высокого
разрешения (спектроскопия в коллимированных молекулярных пучках).
71. Применение лазеров для дистанционного зондирования в аналитических целях.
72. Лазерная фотохимия (лазерное разделение изотопов, лазерное получение чистых веществ).
73. Лазерный управляемый термоядерный синтез.
74. Лазеры в метрологии. Лазерные методы измерения длины.
75. Лазерные доплеровские анемометры.
76. Лазерные гироскопы.
77. Лазерные навигационные системы.
78. Лазеры в технологии.
79. Активные оптические системы с усилением яркости. Лазерный микроскоп.
80. Использование лазеров в хирургии.