План изучения раздела "Оптика" курса общей физики

• Лекции
• Семинары
• Литература

ПЛАН ЛЕКЦИЙ [Семинары] [Литература]

Лекция 1.
Предмет физической оптики. Электромагнитная теория света. Уравнения Максвелла и материальные уравнения. Волновое уравнение. Скорость света. Бегущие электромагнитные волны. Плоские и сферические волны. Гармоническая волна и комплексная форма ее представления. Модели реальных световых волн, модулированные волны - световые пучки и импульсы.

Лекция 2.
Свойства плоских волн. Ориентация и взаимосвязь полевых векторов. Поляризация света. Поток энергии электромагнитной волны. Вектор Умова-Пойнтинга. Интенсивность света. Плотность потока импульса и давление электромагнитной волны. Энергетика световых пучков и импульсов.

Лекция 3.
Метод спектрального описания волновых полей. Фурье-анализ и Фурье-синтез волновых полей. Преобразования Фурье. Спектральные амплитуда, фаза и плотность. Свойства преобразований Фурье. Соотношение между длительностью импульса и шириной спектра. Теорема Планшереля. Спектральная плотность интенсивности.

Лекция 4.
Интерференция света. Двухволновая интерференция монохроматических волн. Уравнение интерференции и функция видности. Интерференция квазимонохроматического света. Спектральное описание, время и длина когерентности. Временное описание, функция временной корреляции. Взаимосвязь спектра и функции временной корреляции, понятие о Фурье-спектроскопии. Степень временной когерентности и функция видности.

Лекция 5.
Пространственная когерентность. Угол и радиус когерентности. Звездный интерферометр Майкельсона. Функция пространственно-временной корреляции. Степень пространственно-временной когерентности и функция видности.

Лекция 6.
Методы получения интерференционных картин - деление волнового фронта и деление амплитуды, реализации методов. Интерференция в тонких пленках. Полосы равной толщины и равного наклона. Многоволновая интерференция. Формулы Эйри. Интерферометр Фабри-Перо и пластинка Люммера-Герке. Просветление оптических поверхностей, интерференционные фильтры и зеркала.

Лекция 7.
Дифракция света. Принципы Гюйгенса и Гюйгенса-Френеля. Дифракционный интеграл Френеля. Метод зон Френеля. Метод векторных диаграмм. Зонные пластинки и линза.

Лекция 8.
Простейшие дифракционные задачи. Дифракция на круглом отверстии и круглом экране, спираль Френеля. Пятно Пуассона. Дифракция на крае полубесконечного экрана, спираль Корню. Ближняя и дальняя зоны дифракции. Дифракционная длина. Дифракционная расходимость пучка в дальней зоне. Фокусировка света, как дифракционное явление.

Лекция 9.
Недостатки принципа Гюйгенса-Френеля. Понятие о теории дифракции Кирхгофа. Дифракционный интеграл Френеля-Кирхгофа. Приближения Френеля и Фраунгофера. Дифракция в дальней зоне как пространственное преобразование Фурье. Угловой спектр пучка. Связь ширины спектра с поперечными размерами пучка.

Лекция 10.
Дифракция Фраунгофера на пространственных структурах: прямоугольном отверстии, круглом отверстии и щели. Функция пропускания. Амплитудные и фазовые дифракционные решетки. Распределение интенсивности в дифракционной картине, интерференционная функция. Дифракция на акустических волнах.

Лекция 11.
Спектральный анализ световых полей. Спектроскопия с пространственным разложением спектров. Спектральный прибор и его основные характеристики - аппаратная функция, угловая и линейная дисперсии, разрешающая способность и область дисперсии. Дисперсионные, дифракционные и интерференционные спектральные приборы.

Лекция 12.
Преобразование и синтез световых полей. Дифракционная теория формирования изображений. Роль дифракции в приборах, формирующих изображение: линзе, телескопе и микроскопе. Специальные методы наблюдения фазовых объектов: метод темного поля и метод фазового контраста.Запись и восстановление светового поля. Голография.

Лекция 13.
Распространение света в веществе: микроскопическая картина. Поляризуемость среды и молекулы. Дисперсия света. Классическая электронная теория дисперсии. Поглощение света (закон Бугера). Зависимости показателя преломления и коэффициента поглощения от частоты. Дисперсионная формула Зелмеера. Фазовая и групповая скорости. Формула Рэлея. Дисперсионное расплывание волновых пакетов. Дисперсионная длина.

Лекция 14.
Оптические явления на границе раздела изотропных диэлектриков. Законы отражения и преломления света. Формулы Френеля. Эффект Брюстера и явление полного внутреннего отражения. Энергетические соотношения при преломлении и отражении света.

Лекция 15.
Распространение света в анизотропных средах. Описание диэлектрических свойств анизотропных сред. Плоские электромагнитные волны в анизотропной среде. Структура световой волны, фазовая и лучевая скорости. Уравнения Френеля для фазовых и лучевых скоростей. Эллипсоид лучевых скоростей и лучевая поверхность. Одноосные и двухосные кристаллы.

Лекция 16.
Оптические свойства одноосных кристаллов. Обыкновенный и необыкновенный лучи. Отрицательные и положительные кристаллы. Построение Гюйгенса. Двойное лучепреломление и поляризация света. Поляризационные приборы, четвертьволновая и полуволновая пластинки. Анизотропия оптических свойств, наведенная механической деформацией, электрическим и магнитным полями.

Лекция 17.
Рассеяние света. Излучение элементарного рассеивателя. Индикатриса рассеяния, поляризация рассеянного света и закон Рэлея. Молекулярное рассеяние. Элементы статистической теории рассеяния, формулы Эйнштейна и Рэлея. Основные особенности молекулярного рассеяния. Рассеяние света в мелкодисперсных и мутных средах.

Лекция 18.
Излучение света. Классическая модель затухающего дипольного осциллятора. Естественные форма и ширина линии излучения. Излучение ансамбля статистически независимых осцилляторов. Ударное и доплеровское уширения 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.

Лекция 19.
Основные представления квантовой теории излучения света атомами и молекулами. Квантовые свойства света: фотоэлектрический эффект и эффект Комптона. Квантовые свойства атомов, постулаты Бора. Модель двухуровневой системы. Взаимодействие двухуровневой системы с излучением. Типы радиационных переходов. Коэффициенты Эйнштейна. Взаимодействие при термодинамическом равновесии. Формула Планка.

Лекция 20.
Многоуровневые системы. Структура энергетических уровней атомов, молекул и твердых тел. Явление люминесценции: основные закономерности, спектральные и временные характеристики, интерпретация в рамках квантовых представлений. Резонансное усиление света. Инверсная заселенность энергетических уровней и коэффициент усиления. Получение инверсной заселенности в трехуровневой системе. Ширина линии усиления.

Лекция 21.
Лазеры - устройство и принцип работы. Принципиальная схема лазера. Условия стационарной генерации (баланс фаз и амплитуд). Продольные и поперечные моды. Спектральный состав излучения лазера. Синхронизация мод, генерация сверхкоротких импульсов. Факторы, определяющие предельную степень временной и пространственной когерентности.

Лекция 22.
Нелинейные оптические явления. Поляризация среды в поле высокоинтенсивного лазерного излучения. Среды с квадратичной нелинейностью, оптическое детектирование и генерация второй гармоники. Среды с кубичной нелинейностью, самофокусировка волновых пучков и генерация третьей гармоники.

[Лекции] ПЛАН СЕМИНАРОВ [Литература]

Семинары 1, 2.
Геометрическая оптика. Зеркала, линзы и оптические системы. Кардинальные элементы оптической системы. Построение изображений. Аберрация оптических систем. Схемы оптических приборов.

Семинар 3.
Уравнения Максвелла и материальные уравнения. Волновое уравнение. Электромагнитные волны и их основные свойства. Комплексная форма представления волны. Бегущие и стоячие волны. Плотность потока энергии и импульса электромагнитных волн. Интенсивность и давление света.

Семинар 4.
Излучение света. Классическая модель затухающего дипольного осциллятора. Оценка времени затухания. Естественные форма и ширина линии излучения. Излучение ансамбля статистически независимых осцилляторов. Ударное и доплеровское уширения спектральной линии.

Семинар 5.
Преобразования Фурье. Спектральные амплитуда, фаза и плотность. Свойства преобразований Фурье. Соотношение между длительностью импульса и шириной спектра. Спектры уединенных импульсов, последовательностей импульсов и модулированных волн. Спектральная плотность интенсивности.

Семинар 6.
Двухволновая интерференция. Интерференционные картины при сложении монохроматических волн. Уравнение интерференции и функция видности. Анализ простейших интерференционных схем (бизеркало и бипризма Френеля, билинза Бийе, зеркало Ллойда).

Семинар 7.
Интерференция квазимонохроматического света. Спектральное описание, время и длина когерентности. Временное описание, функция временной корреляции. Взаимосвязь спектра и функции временной корреляции. Степень временной когерентности и функция видности.

Семинар 8.
Интерференция света протяженных квазимонохроматических источников. Пространственная когерентность, схема интерференции Юнга. Угол и радиус когерентности. Функция пространственно-временной корреляции. Степень пространственно-временной когерентности и функция видности.

Семинар 9.
Интерференция в тонких пленках. Полосы равной толщины и равного наклона, их локализация. Многоволновая интерференция. Формулы Эйри. Интерферометр Фабри-Перо и пластинка Люммера-Герке.

Семинар 10.
Контрольная работа.

Семинар 11.
Дифракция света. Принцип Гюйгенса-Френеля. Использование зон Френеля и векторных диаграмм для качественного анализа дифракционных картин. Спирали Френеля и Корню. Зонные пластинки и линза. Ближняя и дальняя зоны дифракции. Дифракционная длина.

Семинары 12,13.
Дифракционный интеграл Френеля-Кирхгофа. Приближения Френеля и Фраунгофера. Дифракция Фраунгофера на прямоугольном и круглом отверстиях, щели. Функция пропускания. Дифракция в дальней зоне как пространственное преобразование Фурье. Угловой спектр пучка. Связь ширины спектра с поперечными размерами пучка.

Семинар 14.
Амплитудные и фазовые дифракционные решетки. Распределение интенсивности в дифракционной картине, интерференционная функция.

Семинар 15.
Основные характеристики дисперсионных, дифракционных и интерференционных спектральных приборов - аппаратная функция, угловая и линейная дисперсии, разрешающая способность и область дисперсии.

Семинар 16.
Дисперсия света. Классическая электронная теория дисперсии. Поглощение света (закон Бугера). Зависимости показателя преломления и коэффициента поглощения от частоты. Фазовая и групповая скорости. Формула Рэлея.

Семинар 17.
Оптические явления на границе раздела изотропных диэлектриков. Законы отражения и преломления света. Формулы Френеля. Эффект Брюстера и явление полного внутреннего отражения. Энергетические соотношения при преломлении и отражении света.

Семинар 18.
Распространение света в анизотропных средах. Структура световой волны, фазовая и лучевая скорости. Эллипсоид лучевых скоростей и лучевая поверхность. Оптические свойства одноосных кристаллов. Обыкновенный и необыкновенный лучи. Построение Гюйгенса.

Семинар 19.
Двойное лучепреломление и поляризация света. Интерференция поляризованного света. Поляризационные приборы, четвертьволновая и полуволновая пластинки. Получение и анализ эллиптически поляризованного света.

Семинар 20.
Контрольная работа.

[Лекции] [Семинары] ЛИТЕРАТУРА

Основная

1. Ландсберг Г.С. ОПТИКА. 5-е изд', М., "Наука". 1976
2. Матвеев А.Н. ОПТИКА. М., "Высшая школа". 1985
3. Сивухин Д.В. Общий курс физики- том 4. Оптика, 2-е изд. М. "Наука". 1977.
4. Ахманов С.А., Никитин С.Ю. Физическая оптика.М. МГУ, 1998

Дополнительная

1. Борн М., Вольф В. ОСНОВЫ ОПТИКИ. М.. "Наука". 1970
2. Годжаев Н.М. ОПТИКА. М. "Высшая школа". 1977
3. Крауфорд Ф. ВОЛНЫ, 3-е изд. М."Наука".1984

Задачники

1. Сборник задач по общему курсу физики. Оптика (под ред. Д.В, Сивухина). 4-е изд. М. "Наука". 1977
2. Иродов И.Е. Задачи по общей физике, 2-е изд. М. Наука" 1988

 01.11.2010