Рабочая программы дисциплины
1. Оптика композитных сред.
2. Лекторы.
2.1. Доктор физико-математических наук, доцент, Мурзина Татьяна Владимировна, кафедра квантовой электроники физического факультета МГУ, murzina@mail.ru, (495)939-36-69.
2.2. Кандидат физико-математических наук, доцент Никулин Александр Александрович, кафедра квантовой электроники физического факультета МГУ, nikulin@shg.ru, (495)939-36-69.
3. Аннотация дисциплины.
Курс посвящен вопросам оптических свойств широкого круга композитных сред – наночастиц, наногранулярных пленок, фрактальных кластеров, периодических наноструктур, метаматериалов, фотонных кристаллов на основе металлов, магнетиков и полупроводников. Рассматриваются основные модели и приближения, применяемые для описания эффективного отклика композитных сред. Анализируются оптические эффекты, обусловленные наноструктурированностью среды, а также возбуждением локальных или распространяющихся поверхностных плазмонов.
4. Цели освоения дисциплины.
Получить представление о базовых понятиях, методах и приближениях, используемых при описании оптических свойств регулярных и случайно-неоднородных композитных структур.
5. Задачи дисциплины.
-
Изучение основ статистического описания локальных полей в случайно-неоднородных средах.
-
Изучение базовых приближений эффективной среды для композитных структур.
-
Изучение основных механизмов резонансного и нерезонансного усиления локальных полей в регулярных и случайно-неоднородных композитных структурах.
6. Компетенции.
7.1. Компетенции, необходимые для освоения дисциплины.
ПК-1
7.2. Компетенции, формируемые в результате освоения дисциплины.
ПК-2
7. Требования к результатам освоения содержания дисциплины
В результате освоения дисциплины студент должен
-
знать базовые модели и приближения оптики композитных сред;
-
уметь применять эти модели и приближения для описания основных оптических эффектов в регулярных и случайно-неоднородных композитных структурах;
-
уметь оценивать порядок физических величин, характеризующих оптические свойства композитных сред;
8. Содержание и структура дисциплины.
Вид работы
|
Семестр
|
Всего
|
|
7
|
|
Общая трудоёмкость, акад. часов
|
…
|
72
|
…
|
72
|
Аудиторная работа:
|
…
|
36
|
…
|
36
|
Лекции, акад. часов
|
…
|
36
|
…
|
36
|
Семинары, акад. часов
|
…
|
…
|
…
|
…
|
Лабораторные работы, акад. часов
|
…
|
…
|
…
|
…
|
Самостоятельная работа, акад. часов
|
…
|
36
|
…
|
36
|
Вид итогового контроля (зачёт, зачёт с оценкой, экзамен)
|
…
|
зачет
|
…
|
…
|
N
раз-
дела
|
Наименование
раздела
Разделы могут объединять несколько лекций
|
Трудоёмкость (академических часов) и содержание занятий
Распределение общей трудоёмкости по семестрам указано в рабочих планах (приложение 7)
|
Форма
текущего
контроля
|
Аудиторная работа
|
Самостоятельная работа
Содержание самостоятельной работы должно быть обеспечено, например, пособиями, интернет-ресурсами, домашними заданиями и т.п.
|
Лекции
|
Семинары
|
Лабораторные работы
|
1
|
Рэлеевское рассеяние
|
1. 2 часа.
Функция Грина скалярного волнового уравнения. Тензорная функция Грина электромагнитного поля в вакууме, ее связь со скалярной функцией Грина. Предельные случаи: электростатическое поле точечного диполя, поле излучения точечного диполя на больших расстояниях.
|
|
|
2 часа.
Работа с лекционным материалом.
|
КР
|
2. 2 часа
Базовые понятия теории рассеяния. Амплитуда и сечение рассеяния.
Рассеяние света одиночной сферической частицей малого диаметра. Индикатрисы рэлеевского рассеяния одиночной сферой для линейно и циркулярно поляризованной волны и естественного света.
|
|
|
2 часа.
Работа с лекционным материалом.
|
КР
|
3. 2 часа
Рэлеевское рассеяние неупорядоченным массивом частиц. Базовое уравнение для локального поля. Статистические моменты рассеянного поля, проблема расцепления корреляторов. Пространственная эргодичность. Картина рассеяния двумерным массивом частиц в борновском приближении. Когерентные эффекты, обусловленные многократным рассеянием.
|
|
|
2 часа.
Работа с лекционным материалом.
|
КР
|
2
|
Уравнение переноса излучения
|
1. 2 часа.
Вывод уравнения переноса излучения, анализ условий его применимости.
|
|
|
2 часа.
Работа с лекционным материалом.
|
КР
|
3
|
Приближения эффективной среды
|
1. 2 часа.
Концепция эффективной диэлектрической проницаемости. Формулы Клаузиуса−Моссотти и Лорентца – Лоренца. Формула Гарнетта.
|
|
|
2 часа.
Работа с лекционным материалом.
|
КР
|
2. 2 часа.
Эффективная диэлектрическая проницаемость бинарной смеси частиц в приближении когерентного потенциала (приближении Бруггемана). Анализ условий применимости формулы Бруггемана.
|
|
|
2 часа.
Работа с лекционным материалом.
|
КР
|
3. 2 часа.
Приближение когерентного потенциала для оптического отклика бинарной смеси частиц в виде плоского монослоя.
|
|
|
2 часа.
Работа с лекционным материалом.
|
КР
|
4
|
Оптический отклик фрактальных кластеров
|
1. 2 часа.
Понятие фрактальной размерности. Примеры фрактальных объектов. Корреляционная функция плотности.
|
|
|
2 часа.
Работа с лекционным материалом.
|
КР
|
2. 2 часа.
Особенности оптического отклика фрактальных кластеров. Расчет локального поля в бинарном приближении.
|
|
|
2 часа.
Работа с лекционным материалом.
|
КР
|
5.
|
Оптические свойства плазмонных структур
|
1. 2 часа.
Отклик шарообразного включения на внешнее электромагнитное поле. Модель эллипсоида. Локальное оптическое поле в эллипсоиде. Усиление оптических и нелинейно-оптических эффектов в плазмонных структурах.
|
|
|
2 часа.
Работа с лекционным материалом.
|
КР
|
2. 2 часа.
Поверхностные плазмон-поляритоны. Методы возбуждения поверхностных плазмонов. Схема Отто. Схема Кречманна. Возбуждение плазмонов на дифракционной решетке. Дисперсионное условие резонансного возбуждения плазмон-поляритонов.
|
|
|
2 часа.
Работа с лекционным материалом.
|
КР
|
3. 2 часа.
Метаматериалы. Понятие отрицательного показателя преломления. Примеры оптических метаматериалов. Магнитодипольный резонанс в метаматериалах.
|
|
|
2 часа.
Работа с лекционным материалом.
|
КР
|
6.
|
Оптика фотонных кристаллов.
|
1. 2 часа
Определение фотонного кристалла. Типы фотонных кристаллов. аналогия между фотонными и электронными кристаллами. Зона Бриллюэна. Закон дисперсии фотонных кристалллов. Фотонная запрещенная зона.
|
|
|
2 часа.
Работа с лекционным материалом.
|
КР
|
2. 2 часа.
Плотность мод электромагнитного поля. Пространственное распределение электромагнитного поля в фотонном кристалле. Усиление поля в оптическом фотоннокристаллическом микрорезонаторе.
|
|
|
2 часа.
Работа с лекционным материалом.
|
КР
|
3. 2 часа.
Распространение света в фотонных кристаллах. Расчет спектра фотонных кристаллов с использованием метода матриц распространения. Перестраиваемые фотонные кристаллы.
|
|
|
2 часа.
Работа с лекционным материалом.
|
КР
| -
2 часа.
Оптические эффекты в фотонных кристаллах. Медленный свет. Двумерные и трехмерные фотонные кристаллы, примеры экспериментально реализуемых структур. Усиление нелинейно-оптических эффектов в фотонных кристаллах и микрорезонаторах.
|
|
|
2 часа.
Работа с лекционным материалом.
|
КР
|
7.
|
Оптические микрорезонаторы
|
Моды шепчущей галереи и методы их описания. Примеры высокодобротных оптических микрорезонаторов. Реокрдное значение добротности микрорезонаторов. Связанные микрорезонаторы.
|
|
|
2 часа.
Работа с лекционным материалом.
|
КР
|
Семинары и лабораторные работы указываются только при их наличии в учебном плане (приложение 6). Остальные позиции заполняются в обязательном порядке.
Предусмотрены следующие формы текущего контроля успеваемости.
1. Защита лабораторной работы (ЛР);
2. Расчетно-графическое задание (РГЗ);
3. Домашнее задание (ДЗ);
|
4. Реферат (Р);
5. Эссе (Э);
6. Коллоквиум (К);
|
7. Рубежный контроль (РК);
8. Тестирование (Т);
9. Проект (П);
|
10. Контрольная работа (КР);
11. Деловая игра (ДИ);
12. Опрос (Оп);
|
15. Рейтинговая система (РС);
16. Обсуждение (Об).
|
9. Место дисциплины в структуре ООП ВПО
-
Обязательная.
-
Вариативная часть, профессиональный блок, дисциплина профиля.
-
Является основой для чтения дисциплин кафедры квантовой электроники. Необходимо знание материала курсов математического цикла и общей физики, а также курса электродинамики.
-
Математический анализ, линейная алгебра, дифференциальные уравнения, теория вероятностей и математическая статистика, общая физика, электродинамика.
-
Введение в нелинейную оптику, нелинейная оптика.
10. Образовательные технологии
-
включение студентов в проектную деятельность,
-
дискуссии,
-
использование средств дистанционного сопровождения учебного процесса,
11. Оценочные средства для текущего контроля успеваемости и промежуточной аттестации
Образцы контрольных вопросов:
-
Условия применимости первого борновского приближения для рэлеевского рассеяния.
-
Какими свойствами симметрии обладают индикатрисы рэлеевского рассеяния одиночной сферой для (а) линейно поляризованного, (б) циркулярно поляризованного, (в) естественного света?
-
Определите зависимость спектрального положения фотонной запрещенной зоны одномерного фотонного кристалла от угла падения зондирующего излучения.
-
Как лучевая интенсивность связана с вектором Пойнтинга?
-
Какие приближения используются при выводе формулы Гарнетта?
Полный список вопросов к зачету:
-
Определения дифференциального и полного сечения рассеяния.
-
Что такое рэлеевское рассеяние?
-
Условие применимости первого борновского приближения для рэлеевского рассеяния.
-
Выражение для электрического поля внутри сферической частицы из однородного диэлектрика с проницаемостью ε.
-
Выражение для линейной поляризуемости сферической частицы из однородного диэлектрика с проницаемостью ε.
-
Локальное электрическое поле внутри эллипсоида из однородного диэлектрика с проницаемостью ε: какими вкладами оно определяется?
-
Условие пространственной эргодичности.
-
Формула для электростатического поля точечного диполя d.
-
Формула для электрического поля, создаваемого в дальней зоне точечным диполем d, осциллирующим на частоте ω.
-
Формула для магнитного поля, создаваемого в дальней зоне точечным диполем d, осциллирующим на частоте ω.
-
Приближение дифракции Фраунгофера.
-
Формула Клузиуса–Моссотти.
-
Формула Лорентца–Лоренца
-
Формула Гарнетта.
-
Формула Бруггемана.
-
Какова структура тензора эффективной поляризуемости отдельной частицы в приближении когерентного потенциала для бинарной смеси сферических частиц, образующих плоский монослой?
-
Что такое лучевая интенсивность?
-
Простейший случай композитной среды: модель диэлектрика.
-
Выражение для интенсивности излучения , проходящего по вогнутому сферическому зеркалу (геометрическое приближение).
-
Методы возбуждения мод шепчущей галереи в сферическом микрорезонаторе.
-
Чем определяется добротность мод шепчущей галереи в микрорезонаторе.
-
Нарисуйте характерный спектр отражения фотонного кристалла вблизи фотонной запрещенной зоны.
-
Плотность мод электромагнитного поля.
-
Получите выражение для закона дисперсии одномерного фотонного кристалла.
-
Нарисуйте дисперсионные кривые в фотонном и электронном кристаллах.
-
Как распределено электромагнитное поле в фотонном кристалле?
-
Какие примеры двумерных и трехмерных фотонных кристаллов Вы можете привести?
-
Какова зависимость спектрального положения центра фотонной запрещенной зоны одномерного фотонного кристалла от угла падения излучения?
-
Как ведет себя групповая скорость света в фотонном кристалле вблизи края фотонной запрещенной зоны?
-
Каковы механизмы усиления нелинейно-оптических эффектов в фотонных кристаллах?
12. Учебно-методическое обеспечение дисциплины
Основная литература
-
Ч. Киттель. Введение в физику твердого тела. М.: Наука, 1978. [Гл. 13]
-
А.П. Виноградов. Электродинамика композитных материалов. М.: Эдиториал УРСС, 2001. [Гл. 2, 3]
-
А. Исимару. Распространение и рассеяние волн в случайно-неоднородных средах. М.: Мир, 1981. [Том 1, гл. 7]
-
Дж. Займан. Модели беспорядка. М.: Мир, 1982. [Гл. 9]
-
B.N.J. Persson, A. Liebsch. Optical properties of two-dimensional systems of randomly distributed particles. Phys. Rev. B, 1983, vol. 28. No 8, pp. 4247–4254.
-
Б.М. Смирнов. Физика фрактальных кластеров. М.: Наука, 1991.
13. Материально-техническое обеспечение
Компьютер и проектор для демонстрации слайдов.
Стр. из
Достарыңызбен бөлісу: |