Optika a optoelektronika

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

Charakteristika studijního programu:
Program 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 dvou zaměření. Kromě obecných společných základů 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 a na metody laserové spektroskopie. Zaměření Optoelektronika a fotonika se podrobně zabývá interakcí světla s pevnými látkami, detekcí světla, a technologií přípravy polovodičových materiálů pro optoelektronické a fotonické aplikace. Součástí studijního plánu na obou 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. Absolventi jsou zcela připraveni k dalšímu doktorskému studiu v ČR nebo v zahraničí.

Profil absolventa studijního programu a cíle studia:
Absolvent má hluboké 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 ve 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). Fyzikální vzdělání spojené se získáním dovedností v oblasti počítačového programování, informačních technologií i organizace týmové vědecké práce zvyšuje možnosti uplatnění na vysokých školách a vědeckých ústavech i v průmyslu. Absolvent je schopen odborně komunikovat v českém i anglickém jazyce a má 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 programu je získání základních znalostí na úrovni následujících předmětů:

kód	Předmět		Kredity	ZS	LS
NOOE021	Vlnová optika		9	—	4/2 Z+Zk
NOOE001	Základy optické spektroskopie		3	—	2/0 Zk

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

Studenti si volí jedno ze dvou zaměření: Kvantová a nelineární optika, Optoelektronika a fotonika. Vzhledem k odlišným požadavkům k ústní části státní závěrečné zkoušky se doporučuje v rámci povinně výběrových předmětů volba předmětů profilujícího základu takto: pro zaměření Kvantová a nelineární optika předměty Kvantová optika I, Kvantová optika II, Integrovaná a vláknová optika, a pro zaměření Optoelektronika a fotonika-předměty Fyzika polovodičů pro optoelektroniku II, Fyzika polovodičů pro optoelektroniku III, Elektronový transport v kvantových systémech.

1. rok magisterského studia

kód	Předmět		Kredity	ZS	LS
NOOE002	Fyzika polovodičů pro optoelektroniku I		3	2/0 Zk	—
NOOE003	Optoelektronické materiály a technologie		3	2/0 Zk	—
NOOE046	Speciální praktikum pro OOE I		6	0/4 KZ	—
NFPL182	Teorie pevných látek		9	4/2 Z+Zk	—
NOOE027	Základy kvantové a nelineární optiky I		6	3/1 Z+Zk	—
NSZZ023	Diplomová práce I		6	—	0/4 Z
NOOE016	Speciální praktikum pro OOE II		6	—	0/4 KZ
NOOE072	Teorie prostorových symetrií pro optiku		3	—	2/0 Zk
NOOE028	Základy kvantové a nelineární optiky II		6	—	3/1 Z+Zk
NBCM067	Kvantová optika I	1	5	2/1 Z+Zk	—
NBCM093	Kvantová optika II	1	5	—	2/1 Z+Zk
NBCM096	Elektronový transport v kvantových systémech	2	5	—	2/1 Z+Zk
NOOE008	Fyzika polovodičů pro optoelektroniku II	2	3	—	2/0 Zk

¹ Doporučeno pro zaměření Kvantová a nelineární optika.

² Doporučeno pro zaměření Optoelektronika a fotonika.

2. rok magisterského studia

kód	Předmět		Kredity	ZS	LS
NSZZ024	Diplomová práce II		9	0/6 Z	—
NOOE061	Nelineární optika polovodičových nanostruktur		5	2/1 Z+Zk	—
NSZZ025	Diplomová práce III		15	—	0/10 Z
NOOE005	Fyzika polovodičů pro optoelektroniku III	2	5	2/1 Z+Zk	—
NOOE007	Integrovaná a vláknová optika	1	3	2/0 Zk	—
NOOE034	Teorie laseru		3	2/0 Zk	—
NOOE026	Ultrakrátké laserové pulzy		3	2/0 Zk	—
NOOE033	Speciální seminář z kvantové a nelineární optiky	1	3	0/2 Z	0/2 Z
NOOE010	Speciální seminář z optoelektroniky	2	3	0/2 Z	0/2 Z

¹ Doporučeno pro zaměření Kvantová a nelineární optika.

² Doporučeno pro zaměření Optoelektronika a fotonika.

Doporučené volitelné předměty

kód	Předmět		Kredity	ZS	LS
NBCM101	Detekce a spektroskopie jednotlivých molekul		3	2/0 Zk	—
NOOE124	Fotonické struktury a elektromagnetické metamateriály		3	2/0 Zk	—
NOOE047	Integrovaná optika		3	2/0 Zk	—
NOOE113	Laserová metrologie		3	2/0 Zk	—
NFPL004	Nerovnovážná statistická fyzika a termodynamika		3	2/0 Zk	—
NBCM305	Optické senzory		3	2/0 Zk	—
NOOE074	Teorie magnetooptiky		3	2/0 Zk	—
NOOE133	Topologické vlastnosti světla a hmoty		3	2/0 Zk	—
NBCM102	Základy klasické radiometrie a fotometrie		3	2/0 Zk	—
NOOE048	Základy konstrukce a výroby optických prvků		2	0/1 Z	—
NOOE119	Nelineární optická spektroskopie		3	—	2/0 Zk
NOOE011	Optika tenkých vrstev a vrstevnatých struktur		3	—	2/0 Zk
NOOE130	Rentgenové lasery a rentgenová optika		3	—	2/0 Zk
NOOE015	Seminář		2	—	0/1 Z
NOOE125	Spektroskopie v terahertzové spektrální oblasti		3	—	2/0 Zk
NOOE073	Moderní mikroskopie		3	2/0 Zk	2/0 Zk
NOOE126	Seminář femtosekundové laserové spektroskopie		2	0/2 Z	0/2 Z
NBCM323	Seminář teorie otevřených kvantových systémů		1	0/1 Z	0/1 Z

Podmínky pro přihlášení ke státní závěrečné zkoušce

– získání alespoň 120 kreditů

– splnění všech povinných předmětů

– získání alespoň 31 kreditů z povinně volitelných předmětů

– odevzdání vypracované diplomové práce ve stanoveném termínu

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

Státní závěrečná zkouška se skládá ze dvou částí:

I Obhajoba diplomové práce

II Ústní část

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.