Optoelectronics - NSZF105 (Fyzika nMgr. - Optika a optoelektronika)

• Title: Optika a optoelektronika
• Guaranteed by: Student Affairs Department (32-STUD)
• Faculty: Faculty of Mathematics and Physics
• Actual: from 2020
• Semester: both
• E-Credits: 0
• Hours per week, examination: 0/0, STEX [HT]
• Capacity: unlimited
• Min. number of students: unlimited
• 4EU+: no
• Virtual mobility / capacity: no
• State of the course: taught
• Language: Czech
• Teaching methods: full-time
• Teaching methods: full-time
• Note: can be fulfilled in the future; no points awarded for fulfilment; you can enroll for the course in winter and in summer semester

Requirements to the exam

Last update: Mgr. Dina Novotná Obeidová (26.08.2021)

Požadavky k~ústní části státní závěrečné zkoušky

Poznámka: Student dostane dvě otázky z~části A~a~jednu otázku z~části B. V~části B si student volí okruh otázek podle svého zaměření.

A Společné požadavky

1. Pokročilá kvantová mechanika, kvantová teorie pevných látek

Role symetrie ve fyzice, vlastní stavy a~jejich degenerace. Výběrová pravidla fyzikálních procesů v~atomech, molekulách a~pevných látkách. Problém mnoha částic v~kvantové teorii. Atomy a~molekuly. Elektronové a~vibrační vlastnosti pevných látek. Druhé kvantování. Kvantování elektromagnetického pole. Interakce atomu se zářením. Základy relativistické kvantové teorie elektronu. Jednoelektronová aproximace v~kvantové teorii pevných látek, Blochův teorém, Brillouinovy zóny. Vliv porušení translační symetrie, Wannierův teorém, supermřížky a~kvantové struktury. Termodynamika a~statistická fyzika elementárních excitací. Pohyb elektronu v~elektrickém a~magnetickém poli. Dielektrické vlastnosti pevných látek. Kvazičástice v~pevných látkách.

2. Vlnová optika, základy kvantové a~nelineární optiky

Světlo jako elektromagnetické vlnění. Polarizace světla a~její matematický popis. Optické konstanty, Kramers-Kronigovy relace. Jevy na rozhraní mezi prostředími. Světelné vlny v~absorbujícím prostředí. Komplexní reprezentace optických polí. Vlnová teorie optické koherence. Skalární teorie difrakce. Fourierovská optika a~holografie. Gaussovské svazky, další typy optických svazků. Optické rezonátory. Šíření světla ve vlnovodech, optická vlákna. Interakce světla s~látkou, klasický a~semiklasický popis. Popis laseru, aproximace kinetických rovnic a~semiklasická teorie. Dynamické vlastnosti laseru. Typy laserů. Lineární a~nelineární optika. Nelineární jevy druhého řádu. Nelineární jevy třetího řádu. Spontánní a~stimulované rozptyly. Nestacionární koherentní jevy.

3. Základy fyziky a~technologie polovodičů pro optoelektroniku

Polovodičové materiály a~jejich parametry. Fázové rovnováhy. Růst krystalů. Poruchy krystalů. Příměsi v~krystalech. Pasivace a~metalizace povrchů. Příprava monokrystalů a~tenkých vrstev. Elektrony, díry, pásová struktura objemových polovodičů. Drift, difúze, generace, rekombinace, zachycení a~tunelování nosičů náboje. Nízkodimenzionální polovodičové struktury. Lineární a~nelineární optické vlastnosti polovodičů a~jejich nanostruktur.

4. Experimentální metody

Metody měření vlastností optického záření. Měření parametrů světelných svazků. Zdroje a~detektory optického záření. Spektroskopické přístroje. Metody měření optických konstant látek. Spektroskopické metody zkoumání látek podle druhu interakce. Základní experimenty klasické a~kvantové optiky.

B Užší zaměření

Zaměření Kvantová a~nelineární optika

1. Kvantová optika

Kvantování elektromagnetického pole. Fotonové, koherentní a~tepelné stavy pole. Interakce světla s~látkou. Spontánní, stimulovaná emise a~absorpce. Doba života, tvar spektrální čáry. Interakce atomu s~koherentním světlem. Blochovy rovnice. Redukovaná matice hustoty. Relaxace v~otevřených systémech, řídicí rovnice, stochastická kvantová dynamika. Kubova teorie odezvy. Korelace polí prvního a~druhého řádu, Mach-Zenderův a~Hanbury Brown-Twissův interferometr. Štěpení svazku. Mnohomodové světlo. Spojitá frekvenční a~časová reprezentace. Fotonové echo. Einstein-Podolsky-Rosenův paradox. Entanglované stavy. Kvantová kryptografie a~teleportace. Metody kvantového popisu laseru, kinetické rovnice. Fluktuace v~kvantových systémech, stabilita laseru, statistika výstupního pole. Kvantový popis nelineárních optických procesů.

2. Integrovaná a~vláknová optika

Optika rozhraní, tenkých filmů a~multivrstev. Maticový popis šíření světla vrstevnatými strukturami. Periodické struktury. Základy teorie fotonických krystalů. Křemíková fotonika. Fotonická pásová struktura. Mikrodutiny. Metody charakterizace vlnovodných struktur. Základy technologie integrované optiky. Pasivní struktury a~dynamické součástky integrované optiky. Šíření optických vln ve vlnovodech, módy. Charakteristiky vlnovodů. Vazební prvky pro optické vlnovody. Cylindrický dielektrický vlnovod. Jednomódová a~mnohomódová optická vlákna. Aplikace struktur integrované fotoniky v~optickém sdělování, informačních technologiích a~senzorech.

3. Metody optické spektroskopie

Optická absorpční a~luminiscenční spektroskopie. Luminiscenční spektroskopie polovodičů. Studium vlastností elektronů, excitonů, fotonů, příměsových stavů. Efekty silného buzení. Stimulovaná emise v~polovodičích a~jejich nanostrukturách. Způsoby generace a~detekce spinově polarizovaných nosičů náboje. Metody optické spektroskopie pro studium spinově polarizovaných nosičů v polovodičích. Vlastnosti ultrakrátkých laserových pulsů a~jejich šíření prostředím. Metody spektroskopie s vysokým časovým rozlišením.

Zaměření Optoelektronika a~fotonika

1. Fyzika polovodičů pro optoelektroniku

Metody excitace nosičů náboje v~polovodičích. Rekombinace nosičů náboje v~polovodičích. Zářivé a~nezářivé přechody. Horké nosiče, relaxace. Fotovodivost při nehomogenní excitaci. Povrchové stavy, povrchová vodivost a~rekombinace. Přechod P-N a~jeho charakteristiky. Schottkyho kontakt, základní přístupy k~transportu náboje. Struktura MIS. Heterogenní přechody. Nízkodimenzionální polovodičové struktury, elektronové stavy kvantových mříží, drátů a~bodů. Fotovoltaické jevy, ozářený přechod P-N, ozářený Schottkyho kontakt.

2. Optické a~transportní vlastnosti polovodičů a~jejich nanostruktur

Disperzní relace a~obecné vlastnosti optických konstant. Kramers-Kronigovy relace. Kvantová teorie optických přechodů. Mezipásové přechody. Dovolené a~zakázané, přímé a~nepřímé přechody. Příměsová absorpce. Reflexe v~oblasti kmitů mříže. Neporuchový popis interakcí v~krystalu, kvazičástice (fonon, plasmon, exciton, polariton). Model volných elektronů. Plazmová hrana. Mezipásová rekombinace. Stimulovaná emise. Nízkodimenzionální polovodičové struktury, jejich optické vlastnosti, magnetotransport a~rezonanční tunelování. Klasický, semiklasický a~kvantově-mechanický popis elektronového transportu. Aharonův-Bohmův jev. Rezonanční tunelování a~Coulombická blokáda. Kvantový Hallův jev. Spintronika.

3. Optoelektronické a~fotonické prvky

Polovodičové zdroje optického záření. Elektroluminiscenční vrstvy, luminiscenční diody. Polovodičové lasery. Kvantové kaskádové lasery. Polovodičové detektory, faktory ovlivňující detektivitu. Fotoodpory, fotodiody, lavinové fotodiody, fototransistory. Polovodičové snímací prvky. Vidikon, struktury s přenosem náboje. Fotovoltaické články. Struktury integrované optiky. Mikrorezonátory, křemíková fotonika. Fotonická zrcadla, vlnovody, vlákna, rezonátory, optické filtry, zařízení založená na negativním indexu lomu. Plazmonické struktury.