Optika a optoelektronika

6. Optika a optoelektronika

Garantující pracoviště: Katedra chemické fyziky a optiky
Oborový garant: prof. RNDr. Petr Malý, DrSc.

Charakteristika studijního oboru:
Obor je nabízen studentům, kteří chtějí získat širší fyzikální rozhled a detailní znalosti i praktické dovednosti potřebné k výzkumné a vědecké činnosti v oboru optiky a optoelektroniky. Výuka připravuje studenty jak pro samostatnou tvůrčí činnost, tak i pro týmovou spolupráci. Získaný širší přehled vytváří předpoklady také pro práci v mezioborových oblastech na rozhraní fyziky, biologie a technických oborů. Důraz je kladen na vysokou profesionalitu v optice a optoelektronice s dobrou znalostí výpočetní techniky.

Student si vybírá podle zájmu a tématu diplomové práce jedno ze tří zaměření. Kromě obecných společných předmětů tak získává hlubší znalosti ve zvolených oblastech. Zaměření Kvantová a nelineární optika se soustředí zejména na vlastnosti světelných polí v rámci klasické i kvantové optiky, na nelineárně optické jevy. Zaměření Optoelektronika a fotonika se podrobně zabývá interakcí světla s pevnými látkami, detekcí světla, a technologií přípravy polovodičových materiálů pro optoelektronické a fotonické aplikace. V zaměření Teorie a modelování pro kvantovou optiku a optoelektroniku se vyučuje teoretický fyzikální aparát a rozvíjí metody modelování a počítačového programování pro teoretické řešení náročných problémů z oblasti kvantové i klasické optiky, interakce světla s látkami (včetně biologických objektů).

Součástí studijního plánu na všech zaměřeních je praktická výuka vedená v laboratořích vybavených na současné světové úrovni, která zajišťuje kompetence absolventů v oblasti experimentálního výzkumu, optické spektroskopie, aplikované optiky, optoelektroniky a spintroniky. Výběrové přednášky pokrývají ve světě se nově rozvíjející obory jako opto-spintronika, fyzika metamateriálů či terahertzová spektroskopie. Zasahování optiky do řady oborů (fyzika, biologie, chemie, medicína) i její stále rostoucí aplikace v každodenním životě zvyšují adaptibilitu absolventů a možnosti jejich uplatnění ve vědecké práci i v praxi.

Profil absolventa studijního oboru a cíle studia:
Absolvent má teoretické i experimentální znalosti z klasické i kvantové optiky a optoelektroniky. Zvládá matematické modelování fyzikálních procesů v optice a optoelektronice. Tyto znalosti a dovednosti je schopen uplatnit v další výzkumné a vědecké činnosti v oborech optika, optoelektronika, spintronika, fotonika, fyzika laserů, statistická a koherenční optika, nelineární optika, optické sdělování a zpracování informace, přístrojová optika, i v řadě oborů, kde se optika nebo optická spektroskopie využívá (biologie, chemie, medicína). Ovládá moderní informační technologie a zpracování vědeckých informací ze světových elektronických databází a je schopen odborně komunikovat v českém i anglickém jazyce. Má i zkušenosti s přípravou a navrhováním grantových projektů a s organizací vědecké práce. Je mu otevřena možnost dalšího doktorského studia nebo vědecké a pedagogické činnosti na vysokých školách a vědeckých ústavech v ČR i v zahraničí. Absolventi se uplatní i jako vědecko-výzkumní a vývojoví pracovníci nebo řídící pracovníci v soukromých firmách a institucích.

Doporučený průběh studia

Předpokladem úspěšného magisterského studia tohoto oboru je získání základních znalostí na úrovni následujících předmětů:

Tyto předměty se obvykle zapisují ve třetím roce bakalářského studia programu Fyzika jako povinně volitelné. Pokud posluchač tyto nebo jim ekvivalentní předměty neabsolvoval, měl by si je ve vlastním zájmu zapsat jako volitelné v prvním roce navazujícího magisterského studia. Obsah uvedených předmětů je součástí společných požadavků státní závěrečné zkoušky.

Povinné a povinně volitelné předměty – skupina 1 (24 kreditů)

Studenti si volí jedno ze tří zaměření Kvantová a nelineární optika, Optoelektronika a fotonika a Teorie a modelování pro kvantovou optiku a elektroniku.

1. rok magisterského studia

2. rok magisterského studia

Povinně volitelné předměty – skupina 2 (15 kreditů)

Doporučené volitelné předměty

Podmínky pro přihlášení ke státní závěrečné zkoušce

– získání alespoň 120 kreditů

– splnění všech povinných předmětů zvoleného oboru

– získání alespoň 24 kreditů z povinně volitelných předmětů oboru ze skupiny 1

– získání alespoň 15 kreditů z povinně volitelných předmětů oboru ze skupiny 2

– odevzdání vypracované diplomové práce ve stanoveném termínu

Předmět lze splnit jeho úspěšným absolvováním či uznáním z předchozího studia.

Požadavky k ústní části státní závěrečné zkoušky

A. Společné požadavky

1. Pokročilá kvantová mechanika
Variační princip a poruchový počet.

Symetrie vlnové funkce, bosony a fermiony. Pauliho princip. Symetrie a zákony zachování. Štěpení hladin při snížení symetrie.

Oddělení pohybu elektronů a jader. Jednočásticová aproximace. Hladiny atomů, molekul a pevných látek. Typy vazeb v molekulách a kondenzovaných systémech.

Orbitální a spinový moment hybnosti, jejich operátory a kvantování. Skládání momentů hybnosti. Orbitální a spinový magnetický moment a jejich interakce s vnějším polem. Spin-orbitální interakce.

Druhé kvantování. Kvantování elektromagnetického pole. Koherentní stavy. Interakce elektromagnetického záření s látkou. Zlaté pravidlo. Absorpce, stimulovaná a spontánní emise. Výběrová pravidla. Doby života kvantových stavů. Absorpce a emise. Šířka a tvar spektrální čáry.

2. Kvantová teorie molekul a pevných látek
Bornova-Oppenheimerova a adiabatická aproximace. Základy kvantové teorie pevných látek se zaměřením na elektronovou strukturu a dynamiku elementárních excitací. Kvantový problém mnoha částic. Fonony a elektrony v periodických strukturách. Rozměrové vlivy, dimenze soustavy a vliv okrajových podmínek.

3. Termodynamika a statistická fyzika molekulárních soustav
Zákon působících hmot. Gibbsovo fázové pravidlo. Rovnice Clausiova-Clapeyronova. Stavová suma. Statistická rozdělení. Entropie ve statistické fyzice. Boltzmannova rovnice. Pauliho řídící rovnice.

4. Vlnová optika
Světlo jako elektromanetické vlnění v různých prostředích (vakuum, dielektrikum, bezztrátové–ztrátové, vodivé, homogenní–nehomogenní, izotropní–anizotropní, lineární–nelineární). Polarizace světla–matematický popis (Jonesovy vektory a matice, Stokesovy parametry) a experiment. Jevy na rozhraní mezi prostředími, Fresnelovy vzorce. Optické konstanty, Kramersovy-Kronigovy relace. Přiblížení paprskové optiky, eikonálová rovnice, paprsková rovnice, vady zobrazení. Komplexní reprezentace monochromatických a polychromatických polí, komplexní analytický signál. Vlnová teorie optické koherence, stupeň koherence, koherenční matice a částečně polarizované vlnění. Skalární teorie difrakce, Fresnelova a Fraunhoferova difrakce. Fourierovská optika, prostorové frekvence, přenosová funkce zobrazovací soustavy. Holografie. Gaussovské svazky, jejich šíření a transformace, další typy optických svazků (hermiteovské–gaussovské, laguerrovské-gaussovské, besselovské svazky). Optické rezonátory, stabilita rezonátoru, módy rezonátoru. Integrovaná a vláknová optika, typy optických vláken a vlnovodů, optické komunikace, vláknové senzory.

5. Experimentální metody
Způsoby měření optických konstant látek. Spektroskopické metody zkoumání látek (podle druhu interakce - absorpční, emisní, reflexní, měření rozptylu atd.). Spektroskopické přístroje. Zdroje a detektory optického záření. Měření parametrů světelných svazků (spektrální složení, výkon, časový průběh, polarizační a koherenční vlastnosti). Základní experimenty kvantové optiky.

B. Užší zaměření

Student si volí okruh otázek odpovídající jeho zaměření.

1. Kvantová a nelineární optika
Popis laseru: kinetické rovnice, semiklasická teorie, základy kvantové teorie laseru. Laserové rezonátory. Dynamické vlastnosti laseru (kontinuální režim a relaxační oscilace, Q-spínání, modová synchronizace, ultrakrátké pulsy). Typy laserů. Metody měření parametrů v laseru. Základy laserové spektroskopie. Lineární a nelineární optika (nelineární susceptibilita, klasický a semiklasický popis, základy kvantové teorie). Nelineární jevy druhého řádu (generace druhé harmonické, součtové a rozdílové frekvence, parametrický generátor a zesilovač). Nelineární jevy třetího řádu (generace třetí harmonické frekvence, nelineární index lomu a absorpce, čtyřvlnné směšování, optická fázová konjugace, optická bistabilita). Spontánní a stimulované rozptyly. Nestacionární koherentní jevy. Nelineárně optické materiály.

2. Optoelektronika a fotonika.
Krystalová struktura. Pásové schéma polovodičů, kvantové jámy a supermřížky, kvantové body (nanokrystaly) a dráty. Volné elektrony. Stacionární transportní jevy v polovodičích, vodivost a Hallův jev. Fotovodivost, základní mechanismy excitace a rekombinace nosičů. Optické vlastnosti polovodičů. Absorpční hrana. Příměsi a excitony, kmity mříže. Optické vlastnosti polovodičů ve vnějších polích. Zdroje optického záření, luminiscence, optický zisk, luminiscenční diody a polovodičové lasery. Polovodičové detektory záření. Polovodičové struktury kov-polovodič, přechod P-N, MIS, FET (JFET, MOSFET, HEMT). Metody přípravy monokrystalů, tenkých vrstev a superstruktur, optoelektronických prvků a systémů, technologie polovodičových systémů. Základy laserové a nelineární optiky. Nelineární optické vlastnosti polovodičů. Optická bistabilita, optické spínání.

3. Teorie a modelování pro kvantovou optiku a elektroniku
Kvantování elektromagnetického pole, klasická a kvantová teorie koherence. Koherentní stavy, stlačené stavy. Kvantová teorie fotoelektrické detekce. Kvantové korelace a fotonová statistika. Kvantový popis interakce světla s dvouhladinovým systémem. Teorie odezvy. Interakce světla s polovodiči. Interakce světla s kmity látky. Semiklasický a kvantový popis laseru. Dynamické vlastnosti laseru (kontinuální laser, synchronizace modů, Q spínání). Semiklasický a kvantový popis nelineárních optických procesů (generace harmonických frekvencí, součtové a rozdílové frekvence, parametrický generátor a zesilovač, nelineární komplexní index lomu, čtyřvlnné směšování, optická fázová konjugace, optická bistabilita). Kvantová teorie polovodičů.