Microsoft Word doc

---

Министерство
образования
и
науки
Российской
Федерации
Федеральное
государственное
бюджетное
образовательное
учреждение
высшего
профессионального
образования
«
Пермский
национальный
исследовательский
политехнический
университет
» 
А
.
И
. 
Цаплин
 
ФОТОНИКА
 
И
 
ОПТОИНФОРМАТИКА
 
Введение
 
в
 
специальность
 
Утверждено
Редакционно
-
издательским
советом
университета
в
качестве
учебного
пособия
 
Издательство
Пермского
национального
исследовательского
политехнического
университета
2012 

---

УДК
536.7: 621.036 
ББК
22.3 
Ц
25 
Рецензенты
: 
доктор
технических
наук
, 
профессор
,
заведующий
кафедрой
прикладной
математики
В
.
П
. 
Первадчук
(
Пермский
национальный
исследовательский
политехнический
университет
); 
кандидат
технических
наук
, 
начальник
производственно
-
конструкторского
отдела
И
.
И
. 
Крюков
(
Пермская
научно
-
производственная
приборостроительная
компания
) 
Цаплин
, 
А
.
И
. 
Ц
25
Фотоника
и
оптоинформатика
. 
Введение
в
специальность
: 
учеб
. 
пособие
/ 
А
.
И
. 
Цаплин
. – 
Пермь
: 
Изд
-
во
Перм
. 
нац
. 
исслед
. 
политехн
. 
ун
-
та
, 2012. – 399 
с
. 
ISBN 978-5-398-00898-2 
Рассматриваются
система
современного
высшего
технического
образования
, 
особенности
обучения
в
вузе
, 
фундаментальные
основы
инженерной
деятельности
. 
Представлены
исторические
этапы
зарождения
фотоники
и
оп
-
тоинформатики
, 
определена
роль
фотонов
как
носителей
информации
и
энергии
на
современном
этапе
. 
Приведены
необходимые
для
пони
-
мания
на
квантовом
уровне
теоретические
основы
физики
, 
научные
и
нанотехнологические
основы
фотоники
. 
Рассматриваются
принци
-
пы
работы
лазеров
, 
оптических
волокон
, 
перспективы
и
тенденции
дальнейшего
развития
компьютеров
на
основе
фотонов
. 
Предназначено
для
студентов
вузов
, 
обучающихся
по
направле
-
нию
бакалаврской
подготовки
«
Фотоника
и
оптоинформатика
», 
про
-
филь
«
Волоконная
оптика
». 
УДК
536.7: 621.036 
ББК
22.3 
ISBN 
978-5-398-00898-2
© 
ПНИПУ
, 2012 

---

3 
ОГЛАВЛЕНИЕ
 
Предисловие
..................................................................................................6 
Часть
 1. 
Фундаментальные
 
основы
 
высшего
 
образования
..............10 
1. 
Особенности
высшего
технического
образования
..............................10 
1.1. 
Современная
система
высшего
образования
и
его
цели
.............10 
1.2. 
Особенности
обучения
в
вузе
........................................................12 
2. 
Фундаментальные
основы
творческой
деятельности
..........................14 
2.1. 
Направления
творческой
деятельности
.........................................14 
2.2. 
Практическая
деятельность
человека
и
современное
естествознание
.......................................................17 
2.3. 
Естественно
-
научные
основы
практической
деятельности
человека
....................................................................20 
2.4. 
Эволюция
вселенной
и
общность
законов
природы
....................27 
2.5. 
Деятельность
специалиста
и
реальность
.......................................33 
3. 
Фундаментальные
основы
дисциплин
учебного
плана
......................40 
3.1. 
Особенности
Федерального
государственного
образовательного
стандарта
по
направлению
«
Фотоника
и
оптоинформатика
» ...................................................40 
3.2. 
Математические
и
естественно
-
научные
дисциплины
................42 
3.3. 
Профессиональные
дисциплины
...................................................45 
3.4. 
Гуманитарные
, 
социальные
и
экономические
дисциплины
.......50 
3.5. 
Основные
требования
бакалаврской
подготовки
.........................53 
Часть
 2. 
Научные
 
основы
 
фотоники
.....................................................56 
4. 
Элементы
квантовой
физики
.................................................................56 
4.1. 
Связь
фотоники
и
оптоинформатики
с
квантовой
физикой
..........56 
4.2. 
Этапы
развития
фотоники
и
оптоинформатики
...........................58 
4.3. 
Основные
представления
квантовой
механики
............................66 
4.4. 
Квантовая
модель
атома
.................................................................71 
4.5. 
Понятие
о
потенциальных
ямах
и
барьерах
.................................74 
4.6. 
Микрочастица
в
прямоугольной
потенциальной
яме
..................77 
4.7. 
Туннельный
эффект
........................................................................81 
5. 
Элементы
физики
твердого
тела
...........................................................83 
5.1. 
Кристаллические
решетки
..............................................................83 
5.2. 
Дефекты
кристаллического
строения
............................................89 

---

4 
5.3. 
Элементы
зонной
теории
................................................................93 
5.4. 
Энергетический
спектр
кристалла
.................................................96 
5.5. 
Понятие
эффективной
массы
электрона
.......................................99 
5.6. 
Экситонные
эффекты
....................................................................100 
6. 
Физические
основы
оптики
..................................................................104 
6.1. 
Электромагнитная
природа
света
................................................104 
6.2. 
Основные
явления
волновой
оптики
...........................................111 
6.3. 
Основные
явления
квантовой
оптики
.........................................119 
7. 
Элементы
нелинейной
оптики
.............................................................123 
7.1. 
Механизмы
оптической
нелинейности
.......................................123 
7.2. 
Вынужденное
рассеяние
света
.....................................................127 
7.3. 
Самофокусировка
..........................................................................128 
7.4. 
Нелинейные
эффекты
в
волоконных
световодах
.......................130 
7.5. 
Оптические
солитоны
...................................................................133 
Часть
 3. 
Физические
 
и
 
нанотехнологические
 
основы
 
фотоники
....... 138 
8. 
Полупроводниковые
квантовые
структуры
.......................................138 
8.1. 
Роль
полупроводниковых
структур
в
оптоэлектронике
............138 
8.2. 
Твердотельные
гетероструктуры
.
Полупроводниковый
гетеропереход
...........................................139 
8.3. 
Квантоворазмерные
структуры
, 
их
самоорганизация
...............144 
8.4. 
Применение
квантовых
структур
в
приборах
оптоэлектроники
...........................................................................158 
9. 
Основы
нанотехнологий
получения
оптических
материалов
..........178 
9.1. 
Исторические
аспекты
..................................................................178 
9.2. 
Наноматериалы
..............................................................................189 
9.3. 
Оптические
метаматериалы
.........................................................212 
9.4. 
Методы
формирования
наноструктур
.........................................218 
9.4.1. 
Молекулярно
-
лучевая
эпитаксия
........................................220 
9.4.2. 
Нанолитография
...................................................................224 
9.4.3. 
Сканирующая
туннельная
и
атомно
-
силовая
микроскопия
.........................................................................226 
9.5. 
Применение
нанотехнологий
в
технике
......................................231 
10. 
Лазеры
..................................................................................................236 
10.1. 
Спонтанное
и
вынужденное
излучение
, 
поглощение
..............237 
10.2. 
Принцип
работы
лазера
..............................................................240 
10.3. 
Схемы
накачки
.............................................................................241 
10.4. 
Свойства
лазерных
пучков
.........................................................242 
10.5. 
Типы
лазеров
................................................................................245 
10.6. 
Области
применения
лазеров
.....................................................255 

---

5 
11. 
Оптические
волокна
............................................................................270 
11.1. 
Общие
сведения
...........................................................................270 
11.2. 
Типы
оптических
волокон
..........................................................281 
11.3. 
Материалы
для
изготовления
оптических
волокон
.................293 
11.4. 
Технология
изготовления
оптических
волокон
.......................295 
11.5. 
Механическая
прочность
оптических
волокон
........................298 
11.6. 
Принцип
работы
волоконного
оптического
гироскопа
...........300