Оглавление
Глава 1. Предварительные соображения

1.1 Введение
Методы исследований в экспериментальной физике. Методы и способы измерения и регистрации. Требования к достоверности экспериментальных данных и содержащейся в них информации. Косвенные данные, обратные задачи, интерпретация, понятие модели
1.2.Стохастичность физического мира и эксперимент
Случайная величина и случайная функция. Функции распределения и плотность вероятностей. Неравенство Чебышева. Экспериментальные методы оценок математического ожидания и дисперсии

Глава 2.
Основные свойства измерительно-регистрирующих систем

2.1. Линейные измерительно-регистрирующие системы
Линейные измерительно-регистрирующие системы, их важнейшие свойства. Воздействие и отклик в линейных системах. Стандартные сигналы, используемые для исследования линейных систем, их математические аналоги. Границы применимости
2.2. Аппаратная функция, уравнение свертки
Аппаратная функция и связь входного и выходного сигналов. Запись уравнения свертки для временных и пространственных сигналов. Особенности решения уравнений этого типа
2.3. Коэффициент передачи, амплитудно-частотная и фазово-частотная характеристики, связь входного и выходного сигналов в Фурье-пространстве
Фурье-образ функции. Обратное преобразование Фурье (восстановление). Функции, ограниченные по частоте и во времени (пространстве). Теорема Котельникова. Дискретизация. Сумматорная форма записи Фурье преобразований. Коэффициент передачи, амплитудно-частотная и фазово-частотная характеристики, методы их измерения. Связь входного и выходного сигналов в Фурье-пространстве. Неустойчивость решения при восстановлении входного сигнала по выходному. Способы решения уравнений этого типа. Особенности коэффициента передачи для четных вещественных функций. Коэффициент передачи в оптике и методы его измерения. Линейные системы, не искажающие форму сигнала, "запаздывание". Аппаратная функция и коэффициент передачи. Условие Δt х Δω = 2π, границы применимости моделей аппаратной функции
2.4. Информационный подход, скорость передачи информации по электронным и оптическим каналам, информационная емкость запоминающих устройств, энергетическая цена информации
Основные понятия теории информации. Сигналы и шумы, их спектральные и статистические свойства (функции распределения). Скорость передачи информации по радиотехническим и оптическим каналам. Коэффициент потери мощности по К. Шеннону. Пропускная способность канала передачи информации. Информационная емкость запоминающих устройств. Энергетическая цена информации
2.5. Методы измерения параметров измерительно-регистрирующих систем
Методы измерения переходных характеристик и коэффициентов передачи в радиотехнических устройствах. Методы измерения аппаратной функции и частотно-контрастной характеристики в оптических приборах. Методы измерения статистических и спектральных характеристик шумов в радиотехнических устройствах. Стохастические и спектральные характеристики шумов в оптических системах, методы их измерения

Глава 3.
Исследование импульсных процессов

3.1. Измерения интервалов времени и некоторые элементы вычислительных схем
Методы измерения временных интервалов. Принцип работы дискриминатора. Устройства для аналогового интегрирования и дифференцирования электрических сигналов. Ошибки измерения, возникающие при интегрировании и дифференцировании в аналоговых схемах. Компараторы
3.2. Измерения временных зависимостей, аналого-цифровые и цифро-аналоговые преобразователи
Измерение импульсных токов и напряжений, пояс Роговского и делители напряжения. Параллельные и последовательно-параллельные аналого-цифровые преобразователи (АЦП). АЦП последовательного счета. АЦП многотактного интегрирования. Цифро-аналоговые преобразователи (ЦАП). ЦАП с суммированием напряжений, резистивная матрица и ЦАП с суммированием весовых токов. Способы борьбы с наводками в импульсных системах. Системы сбора данных, программно управляемые электронные устройства
3.3. Измерение длительности световых импульсов в фемтосекундном временном диапазоне
Методы измерения формы и длительности импульсов фемтосекундного диапазона. Корреляционные методы измерения длительности импульсов в фемтосекундном временном диапазоне. Измерительная схема FROG. Методы обработки данных – восстановление формы импульсов фемтосекундного диапазона E(t) = A(t)exp{-iφ(t)}, т.е. вычисление A(t) и φ(t).

Глава 4.
Оптические методы исследования быстропротекающих процессов

4.1. Оптико-механические камеры
Скоростные методы оптико-механической регистрации: фоторегистраторы и кадровые камеры. Оптические схемы фоторегистраторов, так называемые ждущие регистраторы (системы непрерывной регистрации). Принципиальная оптическая схема кадровой оптико-механической камеры. Аппаратная функция оптико-механических регистраторов
4.2. Электронно-оптические преобразователи и электронно-оптические камеры
Устройство электронно-оптических преобразователей (ЭОП). Методы фокусирования электронного изображения, пространственное разрешение, аппаратная функция и коэффициент передачи. Фотокатоды электронно-оптических преобразователей – спектральная чувствительность, функция распределения фотоэлектронов по скоростям. Разброс времени пролета и временное разрешение электронно-оптических преобразователей; формула Арцимовича. Микроканальные электронные умножители и микроканальные электронные усилители в электроннооптических преобразователях; их свойства и применения. Шумы электронно-оптического преобразователя и оценка точности амплитудных измерений. Плотность потока передаваемой информации. Электронно-оптические скоростные регистраторы и кадровые камеры – устройство, пространственное и временное разрешения, аппаратная функция, частотно-контрастная характеристика, плотность потока передаваемой информации
4.3. Приборы с зарядовой связью (ПЗС) и ПЗС- камеры
МОП-структуры, ПЗС-матрицы – устройство и возможности. Методы переноса зарядов и их считывания в ПЗС – матрицах. ПЗС-камеры – устройство, аппаратная функция, частотно-контрастная характеристика (ЧКХ) и шумы. Пространственное разрешение и информационная емкость ПЗС-камер
4.4. Фотослой
Устройство фотослоев. Сенситометрические свойства фотослоев: почернение, характеристическая кривая, светочувствительность, спектральная чувствительность, невзаимозаместимость; методы измерений этих характеристик. Фотослой в голографии. Зернистость фотослоя (шумы) и оценка точности зарегистрированного изображения. Аппаратная функция, коэффициент передачи (частотно-контрастная характеристика – ЧКХ) и информационная емкость фотослоя. Методы измерений параметров фоторегистрирующих систем
4.5. Фотоприемники и электрооптические затворы
Фотодиоды и фотоумножители, их конструкции, временное разрешение, особенности применения. Полупроводниковые фотоприемники излучения их временное разрешение. Электрооптические затворы. Регистраторы, использующие электрооптические эффекты и реализующие кадровые режимы и режимы фоторегистрации
4.6. Краткое резюме

Глава 5.
Фурье-оптика и Фурье-спектроскопия

5.1. Основные принципы Фурье-оптики, дифракция света на транспарантах
Предмет Фурье-оптики, физические принципы преобразований Фурье в оптических схемах. Дифракция света на транспарантах, роль линзы в Фурье-оптике. Получение Фурье-спектров изображений в аналоговых схемах
5.2. Фильтрация в Фурье-плоскости
Фильтрация в Фурье-плоскости, опыт Аббе. Фильтры, оптическая обработка информации, оптические методы решения уравнений типа свертки
5.3. Дифракционная теория разрешения оптических приборов
Частотный анализ оптических систем. Фурье-оптика и дифракционные решетки
5.4. Фурье-спектроскопия
Фурье-анализ и интерферометрия; вычисление спектров по интерферограммам. Фурье-спектрометры – основные соотношения, аппаратурная реализация, области применения, преимущества и недостатки

Глава 6.
Методы спектроскопии

6.1. Основные задачи, измеряемые величины, диспергирующие элементы
Основные задачи и измеряемые величины. Диспергирующие элементы – призмы и дифракционные решетки, их основные свойства. Типы призм, их дисперсия и разрешающая способность, потери света, астигматизм и искривление спектральных линий. Дифракционные решетки, их устройство и основные свойства. Дисперсия решеток, их разрешающая способность, искривление спектральных линий. Спектры разных порядков. Энергетическая эффективность дифракционных решеток
6.2. Спектральные приборы и их основные характеристики
Спектрографы, монохроматоры, полихроматоры. Типы спектрографов их основные характеристики. Ширина щели, разрешающая способности и светосила. Критерии сравнения спектральных приборов
6.3. Спектральные приборы с высоким разрешением
Типы приборов с высоким разрешением – пластинка Люммера, эшелон Майкельсона, эталон Фабри-Перо. Основные характеристики эталона Фабри-Перо – дисперсия, постоянная эталона Фабри-Перо, светосила, аппаратная функция и разрешающая способность. Скрещивание эталона Фабри-Перо со спектрографами
6.4. Специальные методы спектрального анализа
Внутрирезонаторная спектроскопия – принципы, измерительные схемы, возможности. Когерентное антистоксовское рамановское рассеяние (CARS). Принципы и возможности

Глава 7.
Интерферометрия и теневые методы

7.1. Интерферометрия
Устройство интерферометров, основные уравнения, описывающие распределение интенсивности в интерференционной картине; неоднородность освещения, погрешности оптики. Неоднозначность в определении формы волнового фронта при интерферометрических измерениях и пути решения этой проблемы. Область использования оптической и микроволновой интерферометрии. Интерферометрические исследования осесимметричных объектов. Уравнение Абеля. Конструкции интерферометров и методы их юстировки
7.2. Теневые и шлирен-методы
Оптические схемы теневых методов и основные соотношения. Метод шлир и фильтрация в Фурье-плоскости. Источники света для интерферометрических и теневых измерений и требования к ним

Глава 8.
Голографические методы измерения

8.1. Оптическая голография
Оптическая голография – основные принципы. Пропускание транспарантов по амплитуде t(x, y), распространение света за транспарантами. Основные уравнения голографии – получение голограмм и восстановление волновых фронтов
8.2. Операции в схеме восстановления
Схемы восстановления в голографии. Операции в схеме восстановления – получение голографических интерферограмм, фильтрация при восстановлении, метод двойных экспозиций. Соотношение сигнал/шум в голографической интерферометрии – дифракционная эффективность, чувствительность и шумы. Применение голографии в физических исследованиях и для кодирования и хранения информации

Глава 9.
Зондирование электромагнитными волнами

9.1. Распространение электромагнитных волн в веществе
Распространение электромагнитных волн в конденсированных средах, газах и плазме. Диэлектрическая постоянная, ее особенности, дисперсионное соотношение, аномальная дисперсия. Поляризация и двулучепреломление. Методы фотоупругости и наблюдение динамики напряжений и деформаций
9.2. Рассеяние электромагнитных волн
Рассеяние света на флуктуациях плотности. Бриллюэновское рассеяние, стоксовы компоненты. Уравнения сохранения энергии и импульса при рассеянии. Томсоновское и релеевское рассеяние, резонансная флуоресценция, Рaмановское рассеяние. Полное и дифференциальное сечения рассеяния, диаграммы направленности рассеянного поляризованного и неполяризованного излучений. Рассеяние света на движущихся электронах, уширение спектра рассеянного излучения при максвелловском распределении электронов по скоростям. Коллективные явления в плазме и комбинационные частоты, критерий Солпитера. Использование явлений рассеяния в методах измерений
9.3. Аппаратурная реализация
Методы измерения рассеянного излучения, схема LIDAR. Требования к источникам света при измерениях рассеянного излучения. Регистраторы и спектральные приборы, используемые для анализа рассеянного излучения

Глава 10.
Рентгеновские измерения

10.1. Спектральная область
Спектральная область и характерные особенности рентгеновского излучения, линейчатый и непрерывный спектры. Источники рентгеновского излучения.

10.2. Детекторы рентгеновского излучения
Рентгеновские фотопленки, открытые ФЭУ, ЭОПы, сцинтилляторы, газовые счетчики, каналовые фотоэлектронные умножители, полупроводниковые детекторы. Физические процессы в газовых счетчиках – ионизационные камеры, пропорциональные счетчики, счетчики Гейгера. Методы измерения спектрального состава рентгеновского излучения при детектировании
10.3. Аппаратура и методы измерений в рентгеновском диапазоне
Фильтры и методы поглотителей. Спектрометры и монохроматоры с решетками и кристаллами. Оптика рентгеновских изображений: камеры-обскуры и объективы с отражательной оптикой. Метод кодирующих апертур. Стандарты излучения и калибровка в рентгеновском диапазоне. Использование рентгеновских измерений в экспериментальной физике

Глава 11.
Корпускулярные методы измерения

11.1. Основные принципы
Масс-анализ заряженных частиц в электрических и магнитных полях. Анализ заряженных и нейтральных частиц, принцип действия и устройство камер перезарядки. Детекторы корпускулярного излучения, эффективность регистрации

11.2. Масс-анализаторы
Схемы анализаторов – классификация. Пролетный масс-спектрограф – устройство, основные соотношения, разрешение, чувствительность. Магнитные анализаторы – принципиальные схемы и физические принципы. – Многоканальные магнитные анализаторы – основные соотношения, разрешение. Масс-спектрограф Томсона – основные соотношения, методы регистрации парабол в масс-спектрографе Томсона. Масс-спектрограф Астона. Электростатический анализатор масс-спектров – принцип действия, основные соотношения. Ω – трон
11.3. Методы измерения
Пассивные и активные корпускулярные методы. Активные корпускулярные методы: "просвечивание" и рассеяние – достоинства и недостатки. Комбинированные методы активной корпускулярной диагностики

Глава 12.
Методы обработки результатов измерений

12.1. Модели
Понятие модели, класс модели. Интерпретация наблюдений – выбор модели. Выбор класса модели на основе метода проверки статистических гипотез и при информационном подходе Методы сопоставления модели с экспериментальными данными, критерии сопоставления
12.2. Восстановление исходных сигналов
Косвенный характер экспериментальных данных и обратные задачи, методы восстановление исходных сигналов. Некорректно поставленные задачи, неустойчивость по Адомару и подход Тихонова. Регуляризация по Тихонову – принципы, техника, коэффициент регуляризации. Типы обратных задач. Решение обратных задач методом подбора, кусочно-полиномиальная аппроксимация исходных сигналов (аппроксимация сплайнами)
12.3. Первичная обработка экспериментальных данных, фильтрация
Первичная обработка экспериментальных данных. Ошибки, возникающие при первичной обработке экспериментальных данных, и их причины. Методы усреднения экспериментальных данных. Принципы фильтрации – усреднение, локальные фильтры, винеровская фильтрация. Погрешности усреднения и ошибки, возникающие при винеровской фильтрации и использовании локальных фильтров
12.4. Квазиреальные эксперименты
Квазиреальные эксперименты– методы, цели, решаемые задачи. Техника и алгоритмы
12.5. Погрешности восстановленных сигналов
Погрешности восстановленных сигналов, источники погрешностей и их влияние на точность восстановления. Оптимальная стратегия считывания зарегистрированных сигналов. Информационные методы оценок ошибок восстановления исходных сигналов. Проблемы точности, верхняя и нижняя границы ошибок эксперимента. Учет априорных данных и информационных оценок при выборе коэффициента регуляризации и определении нижней границы возможной ошибки