Программа курса общей физики

ОПТИКА

1. План лекций

1.1. Введение.
Основные проблемы и направления в современной оптике. Классическая электромагнитная теория света. Классификация электромагнитных волн. Шкала электромагнитных волн. Источники света, их характеристики. Ограниченность классической теории. Корпускулярно-волновой дуализм.

1.2. Основы электромагнитной теории света.
Уравнение Максвелла. Волновое уравнение. Бегущие электромагнитные волны. Скорость света в однородных изотропных диэлектриках. Плотность энергии и импульса электромагнитных волн. Вектор Умова-Пойнтинга. Интенсивность света. Давление света. Опыты Лебедева.

1.3. Модулированные волны.
Модели оптического излучения. Волновые пучки и волновые пакеты. Монохроматические и квазимонохроматические волны, широкополосное излучение. Фурье-анализ и Фурье-синтез волновых полей. Спектральная плотность мощности. Соотношение между длительностью импульса и шириной спектра.

1.4. Явление интерференции.
Интерференция монохроматических волн. Интерференция квазимонохроматического света. Функция видности. Основные интерференционные схемы. Получение интерференционных картин делением волнового фронта (метод Юнга) и делением амплитуды (метод Френеля). Полосы равной толщины и равного наклона. Интерферометр Майкельсона.

1.5. Когерентность волн.
Временная когерентность, время и длина когерентности; спектральное и временное рассмотрение. Взаимосвязь спектра и корреляционной функции. Понятие о Фурье-спектроскопии. Пространственная когерентность. Интерферометр Юнга. Звездный интерферометр Майкельсона. Радиус и степень пространственной когерентности, их оценка для полей тепловых источников и лазеров. Методы повышения степени когерентности. Пространственные фильтры.

1.6. Многолучевая интерференция.
Суперпозиция многих волн с равными амплитудами. Интерферометр Фабри-Перо. Формула Эйри. Пластинка Люммера-Герке. Стоячие световые волны. Опыты Винера. Применение интерферометров в науке и технике: измерение малых смещений, рефрактометрия. Интерференционные фильтры и зеркала.

1.7. Явление дифракции.
Принцип Гюйгенса-Френеля, его интегральная запись и трактовка. Зоны Френеля. Применение векторных диаграмм для анализа дифракционных картин. Зонные пластинки. Дифракция на круглом отверстии и экране. Принцип Бабине. Ближняя и дальняя зоны дифракции. Дифракционная длина. Дифракция на краю полубесконечного экрана. Спираль Корню.

1.8. Понятие о теории дифракции Кирхгофа.
Приближение Френеля и приближение Фраунгофера. Пространственное преобразование Фурье. Дифракционная картина в дальней зоне как Фурье-образ дифракционного объекта. Угловой спектр, связь его ширины с размерами отверстия. Дифракция Фраунгофера на щели, на прямоугольном и круглом отверстиях. Амплитудные и фазовые дифракционные решетки. Дифракция на акустических волнах. Акустооптические модуляторы.

1.9. Дифракция и спектральный анализ.
Спектральный анализ в оптике. Спектроскопия с пространственным разложением спектров. Призменные, дифракционные и интерференционные спектральные приборы и их основные характеристики: аппаратная функция, угловая и линейная дисперсия, разрешающая способность, область дисперсии.

1.10. Дифракция волновых пучков.
Дифракционная теория формирования изображений. Роль дифракции в приборах формирующих изображение: линзе, телескопе, микроскопе. Специальные методы наблюдения фазовых объектов: метод фазового контраста, метод темного поля.

1.11. Дисперсия света.
Микроскопическая картина распространения света в веществе. Линейный оптический осциллятор. Классическая электронная теория дисперсии. Зависимости показателей преломления и поглощения от частоты. Фазовая и групповая скорости, их соотношение (формула Рэлея). Нормальная и аномальная дисперсия показателя преломления. Дисперсионное расплывание волновых пакетов. Поглощение света. Закон Бугера-Ламберта-Бэра. Особенности распространения света в металлах. Критическая частота. Отражение света поверхностью металла.

1.12. Поляризация света.
Линейно-, циркулярно- и эллиптически- поляризованный свет. Математическое описание состояния поляризации. Поляризация естественного света. Оптические явления на границе раздела изотропных диэлектриков. Формулы Френеля. Поляризация отраженной и преломленной волн. Угол Брюстера. Явление полного внутреннего отражения света и его применение.

1.13. Оптика анизотропных сред.
Распространение световых волн в анизотропных средах: экспериментальные факты и элементы теории. Уравнение волновых нормалей Френеля. Фазовая и лучевая скорости. Одноосные и двухосные кристаллы. Двойное лучепреломление света. Качественный анализ распространения света с помощью построения Гюйгенса. Интерференция поляризованных волн. Поляризационные приборы, четвертьволновые и полуволновые пластинки. Получение и анализ эллиптически поляризованного света. Понятие о гиротропных средах. Естественная оптическая активность. Сахарометрия. Анизотропия оптических свойств, индуцированная механической деформацией, электрическим (эффекты Поккельса и Керра), магнитным (эффекты Фарадея и Коттона-Муттона) полями. Эффект Зеемана.

1.14. Рассеяние света.
Молекулярное рассеяние света. Зависимость интенсивности рассеянного света от частоты света (формула Рэлея) и угловая диаграмма рассеяния. Поляризация рассеянного света, его спектральный состав. Спонтанное рассеяние Мандельштама-Бриллюена и комбинационное рассеяние, крыло линии Рэлея. Рассеяние света в мелкодисперсных и мутных средах.

1.15. Классические модели излучения света.
Классическая модель затухающего дипольного осциллятора. Оценка времени затухания. Лоренцева форма и ширина линии излучения. Естественная ширина линии излучения. Излучение ансамбля статистически независимых осцилляторов. Ударное (столкновительное) и доплеровское уширение спектральной линии. Понятие об однородном и неоднородном уширении.
Тепловое излучение. Излучательная и поглощательная способности вещества и их соотношение. Модель абсолютно черного тела. Закон Стефана-Больцмана, формула смещения Вина. Формула Рэлея-Джинса. Ограниченность классической теории излучения. Элементы квантового подхода. Формула Планка.

1.16. Основные представления о квантовой теории излучения света атомами и молекулами.
Модель двухуровневой системы. Взаимодействие двухуровневой системы с излучением: спонтанные и вынужденные переходы. Коэффициенты Эйнштейна. Многоуровневые системы. Явление люминесценции: основные закономерности, спектральные и временные характеристики, интерпретация в рамках квантовых представлений. Резонансное усиление света при инверсной заселенности энергетических уровней. Методы создания инверсной заселенности в различных средах. Факторы определяющие ширину линии усиления.
Лазеры – устройство и принцип работы. Роль оптического резонатора. Условие стационарной генерации (баланс фаз и баланс амплитуд). Продольные и поперечные моды. Спектральный состав излучения лазеров. Синхронизация мод, генерация сверхкоротких импульсов. Энергетические характеристики лазерных систем.

1.17. Нелинейные оптические явления.
Поляризация среды в поле высокоинтенсивного лазерного излучения. Среды с квадратичной нелинейностью. Генерация гармоник, оптическое детектирование. Фазовый синхронизм и его реализация. Среды с кубической нелинейностью. Самофокусировка волновых пучков. Вынужденное комбинационное рассеяние света.

2. Темы семинаров по курсу "Оптика"

2.1. Уравнения Максвелла. Волновое уравнение. Электромагнитные волны, их основные свойства, комплексная запись. Плотность потока энергии и импульса электромагнитных волн. Давление света. Волновые пучки.

2.2. Фурье-анализ и Фурье-синтез в оптике. Комплексная запись интеграла Фурье. Спектры модулированных волн, импульсных последовательностей и уединенных импульсов. Спектральная плотность мощности. Соотношение между длительностью импульса и шириной спектра.

2.3. Двухволновая интерференция. Интерференция плоских, сферических и цилиндрических монохроматических волн. Анализ основных интерференционных схем (бипризма, билинза, зеркало Ллойда).

2.4. Интерференция квазимонохроматического света. Функция видности. Временная когерентность. Спектральное и временное рассмотрение. Корреляционная функция поля.

2.5. Интерференция от протяженных квазимонохроматических источников. Интерферометр Юнга. Пространственная когерентность. Интерференция в тонких пленках. Полосы равного наклона и полосы равной толщины, их локализация.

2.6. Многолучевая интерференция. Интерферометр Фабри-Перо. Формула Эйри. Интерференционные фильтры и зеркала.

2.7. Дифракция света. Принцип Гюйгенса-Френеля. Использование зон Френеля и векторных диаграмм для качественного анализа дифракционных картин. Зонная пластинка. Дифракционный интеграл Френеля-Кирхгофа; приближения Френеля и Фраунгофера.

2.8. Дифракция Фраунгофера. Дифракция на прямоугольном и круглом отверстиях. Дифракция Фраунгофера как пространственное преобразование Фурье. Угловой спектр, его ширина. Дифракционные решетки.

2.9. Спектральные приборы и их основные характеристики (аппаратная функция, угловая и линейная дисперсия, разрешающая сила, область дисперсии). Дифракционные ограничения на разрешающую способность линзы, телескопа и микроскопа.

2.10. Дисперсия света. Зависимость показателя преломления от частоты. Фазовая и групповая скорости света. Формула Рэлея. Дисперсионное расплывание волновых пакетов.

2.11. Оптические явления на границе раздела изотропных диэлектриков. Формулы Френеля. Угол Брюстера. Полное внутреннее отражение.

2.12. Распространение света в анизотропных средах. Фазовая и лучевая скорости света. Одноосные кристаллы. Двойное лучепреломление. Качественный анализ распространения волн с помощью построения Гюйгенса.

2.13. Интерференция поляризованного света. Поляризационные приборы. Четвертьволновая и полуволновая пластинки. Получение и анализ эллиптически поляризованного света.

3. Основная тематика задач Общего Физического Практикума (Лабораторные работы)

3.1. Исследование сложных оптических систем.

3.2. Определение показателя преломления, дисперсии и разрешающей способности призмы спектрометром.

3.3. Определение показателей преломления жидких и твердых тел рефрактометрами.

3.4. Определения радиуса кривизны линзы и длины световой волны с помощью колец Ньютона.

3.5. Изучение основных интерференционных явлений с помощью интерферометра Майкельсона.

3.6. Изучение дифракционной решетки и определение длины волны света.

3.7. Изучение роли дифракционных явлений в формировании оптического изображения.

3.8. Получение и исследование поляризованного света.

3.9. Изучение явления естественного вращения плоскости поляризации света.

3.10. Ознакомление с работой интерференционного спектроскопа Фабри-Перо.

3.11. Дифракция рентгеновских лучей на моно- и поликристаллах.

3.12. Измерение коэффициентов отражения света на границе двух диэлектриков и проверка формул Френеля.

3.13. Ознакомление с работой оптического квантового усилителя и генератора (лазера) света.

3.14. Дифракция в ближней зоне (дифракция Френеля).

3.15. Дифракция в дальней зоне (дифракция Фраунгофера).

3.16. Измерение скорости света.

3.17. Изучение работы фотоэлектронного умножителя (ФЭУ).

3.18. Основы спектрального анализа.

3.19. Изучение молекулярных спектров поглощения.

4. Учебно-методическое обеспечение раздела "Оптика"

4.1. Основная литература.

4.1.1. Г.С. Ландсберг. Оптика. М.: Наука, 1976.

4.1.2. А.Н. Матвеев. Оптика. М.: Высшая школа, 1985.

4.1.3. Д.В. Сивухин. Общий курс физики. Т. 4. Оптика. М.: Наука, 1985.

4.1.4. В.Л. Гинзбург, Л.М. Левин, Д.В. Сивухин, Е.С. Четверикова, И.А. Яковлев. Сборник задач по общему курсу физики. Оптика. Под ред. Д.В. Сивухина. М.: Наука, 1977.

4.1.5. И.Е. Иродов. Задачи по общей физике. М.: Наука, 1988.

4.1.6. Физический практикум. Электричество и оптика. Под ред. В.И. Ивероновой. М.: Наука, 1968.

4.2. Дополнительная литература.

4.2.1. М. Борн, Э. Вольф. Основы оптики. М.: Наука, 1973.

4.2.2. С.А. Ахманов, С.Ю. Никитин. Физическая оптика. М.: Изд-во МГУ, 1998.

4.2.3. Р. Фейнман и др. Фейнмановские лекции по физике. Вып. 3. М.: Мир, 1977.

4.2.4. Р. Дитчберн. Физическая оптика. М.: Наука, 1965.

4.2.5. Ф. Крауфорд. Волны. М.: Наука, 1984.

4.2.6. Н.М. Годжаев. Оптика. М.: Высшая школа, 1977.

4.2.7. Е.И. Бутиков. Оптика. М.: Высшая школа, 1986.

4.2.8. М. Руссо, Ж.П. Матье. Задачи по оптике. М.: Мир, 1976.

Содержание

 01.11.2010