Предмет и задачи фотоники. Актуальные проблемы и достижения фотоники. Фотон как носитель информации. Передача, прием и обработка оптических сигналов. Виды оптических сигналов и их характеристики. Источники и приемники когерентного излучения. Линейное и нелинейное распространение. Новые материалы и среды в фотонике: фотонные кристаллы, метаматериалы. Приложения: интегральная оптика, оптоинформатика, голография, оптическая связь.
Распространение оптических сигналов. Уравнения Максвелла и материальные уравнения. Волновое уравнение. Дисперсия. Волновой пакет в диспергирующей среде. Связь между дисперсией и поглощением. Пространственная дисперсия. Оптическая активность. Дифракция Френеля и Фраунгофера. Дифракция слабо расходящихся волновых пучков. Параболическое уравнение. Угловой спектр - разложение по плоским волнам. Дифракция гауссовых и сингулярных пучков (вортексов).
Фотонные кристаллы. Среды с периодической модуляцией диэлектрической и магнитной проницаемостей. Типы фотонных кристаллов. Волны Блоха в периодических структурах. Дисперсионная диаграмма. Запрещенные фотонные зоны. Дискретная дифракция. Медленный свет. Аналогия с оптическими кристаллами. Применения фотонных кристаллов. Многослойные периодические структуры. Просветляющие покрытия и диэлектрические зеркала.
Метаматериалы. Среды с отрицательным показателем преломления. Левая ориентация векторов E, H, k в бегущей волне. Законы преломления и линзовые свойства "левых" сред. Плащ-невидимка. Нанотрубки и графены.
Плазмоника. Поверхностные электромагнитные волны. Плазмон-поляритоны. Дисперсия поверхностных плазмон-поляритонов. Плазмонные субволновые системы. Оптические свойства металлодиэлектрических пленок. Эффект экстраординарного прохождения света. Применение плазмонных систем в устройствах интегральной оптики.
Нелинейная оптика. Волновые и материальные уравнения. Поляризуемость диэлектрической среды. Линейная и нелинейная части поляризуемости. Разложение нелинейной поляризуемости в ряд по степеням напряженности электрического поля. Тензоры восприимчивости. Свойства симметрии. Квадратичная и кубичная поляризуемости и восприимчивости.
Взаимодействие оптических волн. Квадратично-нелинейные среды без центра инверсии. Волновое уравнение. Метод медленно меняющихся амплитуд для плоских монохроматических волн. Уравнения для медленных комплексных амплитуд. Расстройка волновых векторов. Методы ее компенсации (взаимодействие волн разной поляризации, слоистые среды - фотонные кристаллы). Закон сохранения энергии.
Генерация второй гармоники. Уравнения для амплитуд 1-ой и 2-ой гармоник. Преобразование энергии при фазовом синхронизме. Нелинейная длина. Полное преобразование энергии во вторую гармонику. Удвоение частоты при расстройке волновых векторов. Приближение заданного поля. Длина когерентного взаимодействия.
Трехчастотное взаимодействие. Уравнения для ММА. Расстройка волновых векторов. Соотношения Мэнли - Роу для интенсивностей и числа фотонов. Генерация суммарных и разностных частот. Параметрическое усиление.
Самовоздействие. Кубично - нелинейные среды. Двухфотонное поглощение. Нелинейный ограничитель мощности. Нелинейный показатель преломления. Самофокусировка. Нелинейное уравнение Шредингера (НУШ). Уравнение для ширины пучка. Критическая мощность. Коллапс при самофокусировке. Нелинейный волновод - пространственный солитон. Тонкая нелинейная линза. Дефокусировка. Изменение ширины пучка. Нелинейная расходимость. Темный солитон.
Нелинейное распространение оптических импульсов. Пространственно-временная аналогия с нелинейной дифракцией лазерного пучка. Уширение спектра. Самокомпрессия. Уравнение для длительности импульса. Условие компрессии. Критическая энергия. Оптический солитон. Нелинейная декомпрессия. Динамика изменения длительности импульса. Темный солитон. Нелинейная волоконная оптика.
Магнитооптика. Магнитооптические материалы. Гиротропные среды. Тензор диэлектрической проницаемости. Распространение электромагнитного излучения в однородной магнитной среде. Методы получения магнитооптических материалов. Ферриты-гранаты. Ортоферриты. Сплавы железа, никеля, кобальта.
Магнитооптические эффекты: эффекты Фарадея, Керра, Фохта, магнитный дихроизм. Микромагнитная природа магнитооптических эффектов. Эффект Зеемана. Магнитооптические функциональные устройства: оптический изолятор, магнитооптический модулятор, дефлектор, сенсор магнитного поля, дефлектор. Перестраиваемые магнитные фотонные кристаллы. Магнитооптические эффекты в фотонных кристаллах. Усиление эффекта Фарадея.
Электрооптика. Линейный электрооптический эффект. Квадратичный электрооптический эффект. Модуляторы и дефлекторы на основе электрооптического эффекта.
Акустооптика. Фотоупругий эффект, тензор фотоупругости. Формирование фазовой дифракционной решетки акустической волной за счет фотоупругого эффекта. Коэффициент акустооптического качества. Режимы дифракции Рамана-Ната и Брэгга. Закон сохранения энергии и импульса при акустооптическом взаимодействии. Уравнение связанных мод и его решение. Условие брэгговского синхронизма. Понятие об изотропной и анизотропной акустооптической дифракции. Акустооптические устройства: модуляторы, дефлекторы, фильтры.
Квантовые эффекты в резонансных средах. Активная среда. Двухуровневая схема. Поглощение, сечение поглощения. Вынужденное и спонтанное излучение, сечение излучения. Коэффициенты Эйнштейна. Условие усиления малого сигнала; насыщение усиления сильного сигнала. Трехуровневая и четырехуровневая схемы. Полоса пропускания усилителя.
Принципы работы лазеров. Открытый резонатор. Поперечные и продольные моды. Потери на зеркалах. Добротность. Условие возбуждения. Непрерывный и импульсный режимы генерации лазеров. Модуляция добротности и синхронизация мод. Типы лазеров - газовые, на красителях, твердотельные, полупроводниковые, волоконные. Рамановские и параметрические генераторы.
Применения лазеров и усилителей. Обработка материалов. Диагностика и детектирование, лидары, интерферометры, лазерный гироскоп. Адаптивная оптика. Датчики. Телекоммуникационные линии связи.
Регистрация оптических сигналов: детектирование, измерение амплитуды, фазы, поляризации. ФЭУ, ПЗС, фотодиоды, фоторезисторы.
