Содержание курса лекций по оптике

2016/2017 учебный год. Крылов И. Р.

 

                   Лекция 1.

         Факультативно. Введение.

         Факультативно. Оптика.

         Излучение ускоренно движущегося заряда.

         Напряженность поля излучения диполя.

         Диаграмма направленности излучения диполя.

         Факультативно. Световые волны в прозрачной изотропной среде.

         Волновые уравнения для светового поля в прозрачной изотропной среде.

         Факультативно. Частные решения волнового уравнения.

 

                   Лекция 2.

         Факультативно. Частные решения волнового уравнения (продолжение).

         Параметры плоской монохроматической волны.

         Фазовая скорость волны.

         Групповая скорость волн.

         Факультативно. Обычно групповая скорость меньше фазовой скорости.

 

                   Лекция 3.

         Поперечность световых волн.

         Соотношение E и H в бегущей световой волне.

         Интенсивность света.

         Поляризация света. Линейная поляризация.

         Факультативно. Старое определение плоскости поляризации.

         Факультативно. Механизм поглощения света.

         Пленочный поляризатор или поляроид.

         Поляроидные очки для стереокино.

         Циркулярно поляризованный свет или свет круговой поляризации.

 

                   Лекция 4.

         Циркулярно поляризованный свет или свет круговой поляризации (продолжение).

         Эллиптическая поляризация света.

         Стоячие световые волны.

         Продольные и поперечные моды лазера. Управление частотой генерации лазера.

 

                   Лекция 5.

         Пленка Троицкого. Селекция лазерных мод.

         Закон преломления (закон Снеллиуса) и закон отражения света.

         Формулы Френеля. Амплитудные коэффициенты отражения и пропускания.

         Угол Брюстера и брюстеровские окна лазерных трубок.

 

                   Лекция 6.

         Угол Брюстера и брюстеровские окна лазерных трубок (продолжение).

         Коэффициенты отражения и пропускания по энергии.

         Потеря полуволны при отражении от оптически более плотной среды.

         Факультативно. Потеря полуволны при отражении от оптически более плотной среды (часть 2).

         Отражение света при скользящем падении луча.

         Зеркало телескопа для мягкого рентгеновского излучения.

         Полное внутреннее отражение.

         Полное внутреннее отражение в 450-ой стеклянной призме. Условие отражения без потерь.

 

                   Лекция 7.

         Уголковый отражатель. Измерение расстояния от Земли до Луны.

         Плоская неоднородная световая волна при полном внутреннем отражении света.

         Экспериментальное наблюдение неоднородной плоской волны.

         Светоделительный куб. Оптический контакт.

         Фазовый сдвиг поляризаций при полном внутреннем отражении.

         Параллелепипед Френеля.

 

                   Лекция 8.

         Представление кафедры Общей физики - 1.

         Кристаллооптика. Направление векторов D, E, B, H, k, S для плоской световой волны в кристалле.

 

                   Лекция 9.

         Лучевая и фазовая скорости световой волны в кристалле.

         Факультативно. Лучевая и фазовая скорости в простейшем частном случае.

         Фазовая пластинка.

         Пластинки λ/4 и λ/2.

         Лучевой эллипсоид. Определение поляризации и лучевой скорости лучей по лучевому эллипсоиду (без доказательства).

         Оптическая ось кристалла. Одноосные и двуосные кристаллы.

         Факультативно. Построение двойной лучевой поверхности с помощью лучевого эллипсоида.

 

                   Лекция 10.

         Факультативно. Построения Гюйгенса в изотропной и анизотропной среде.

         Обыкновенный и необыкновенный луч.

         Поляризаторы на основе призм Николя и Волластона.

         Геометрическая оптика. Центрированные оптические системы. Оптическая ось.

         Приближение параксиальной оптики.

         Опорная плоскость. Трансляция луча.

         Преломление света на сферической границе.

         Координаты луча. Матрица трансляции. Матрица преломления на сферической границе.

         Матричная оптика.

         Оптическая сила сферической границы. Оптическая сила тонкой линзы.

         Изображение точечного источника света. Сопряженные плоскости. Формула тонкой линзы.

 

                   Лекция 11.

         Фокальная плоскость линзы, фокус, фокусное расстояние.

         Построение изображений в тонкой линзе. Действительное и мнимое изображение.

         Построение хода произвольного луча при прохождении тонкой линзы.

         Сферическое зеркало.

         Матрица толстой линзы.

         Главные плоскости центрированной оптической системы.

         Гомоцентрический пучок лучей. Приведенный радиус кривизны. Правило ABCD.

         Факультативно. Гауссов пучок - хорошее приближение для описания лазерного пучка лучей.

         Глаз.

         Три цвета радуги. Свет и цвет.

 

                   Лекция 12.

         Три цвета радуги. Свет и цвет (продолжение).

         Факультативно. Фотометрический парадокс Ольберса.

         Лупа. Увеличение лупы.

         Окуляр.

         Подзорная труба или телескоп. Подзорная труба Кеплера. Подзорная труба Галилея.

         Угловое увеличение телескопа.

         Микроскоп.

         Призменный спектрометр. Линзы спектрометра: конденсорная, коллиматорная, объектив, окуляр. Нормальная ширина щели. Градуировка спектрометра.

         Аберрация. Хроматическая и сферическая аберрация, астигматизм, дисторсия, кома.

 

                   Лекция 13.

         Аберрация. Хроматическая и сферическая аберрация, астигматизм, дисторсия, кома (продолжение).

         Факультативно. Апертурная диаграмма. Входной и выходной зрачок. Апертура. Относительное отверстие.

         Распространение света в неоднородной среде. Эйконал. Уравнение эйконала.

         Факультативно. Эйконал по Бутикову.

         Уравнение для вычисления траектории луча в неоднородной среде.

         Распространение света в среде, где показатель преломления зависит только от вертикальной координаты.

         Принцип Ферма.

         Факультативно. Из принципа Ферма можно получить закон преломления.

 

                   Лекция 14.

         Рефракция.

         Миражи.

         Диапазоны электромагнитных волн и источники излучения.

         Разложение светового поля по частотам.

         Ряды Фурье для светового поля.

         Спектр света. Различные определения спектра света. Спектр экспоненциально затухающего светового цуга.

 

                   Лекция 15.

         Спектр света. Различные определения спектра света. Спектр экспоненциально затухающего светового цуга (продолжение).

         Факультативно. Теорема Парсеваля.

         Спектр огибающей светового импульса и спектр самого импульса.

         Соотношение неопределенности частоты и времени (без доказательства).

         Факультативно. Соотношение неопределенности Гейзенберга.

 

                   Лекция 16.

         Интерференция. Явление интерференции. Ширина полос. Видность.

         Интенсивность света при сложении двух световых волн ортогональных поляризаций.

         Интенсивность света при сложении двух световых волн одинаковой поляризации, как функция разности фаз.

         Связь ширины интерференционных полос и угла между интерферирующими волнами.

         Интерференция лазерных и интерференция нелазерных источников света.

 

                   Лекция 17.

         Получение интерференции методом деления амплитуды.

         Интерференция волн отраженной и прошедшей полупрозрачную пластинку.

         Интерференция света при отражении от плоскопараллельной пластинки.

         Интерферометр Майкельсона.

         Получение интерференции методом деления волнового фронта.

         Опыт Юнга.

         Бипризма Френеля.

         Зеркало Ллойда.

         Билинза Бийе.

         Порядок интерференции или номер интерференционной полосы.

         Когерентность. Частично когерентный свет.

         Квазимонохроматический свет. Относительная спектральная ширина источника света.

         Длина и время когерентности.

         Пространственная когерентность.

         Объем когерентности.

 

                   Лекция 18.

         Механизм смазывания интерференционной картины за счет немонохроматичности и за счет протяженности источника света на примере опыта Юнга.

         Звездный интерферометр Майкельсона. Измерение угловых размеров звезд.

         Оптический аналог опыта Брауна-Твисса. Понятие об эффекте группировки фотонов. Параметр вырождения света.

         Локализация интерференционной картины на примере наблюдения интерференции с бипризмой Френеля.

         Полосы равного наклона.

 

                   Лекция 19.

         Полосы равной толщины.

         Кольца Ньютона.

         Полосы равного наклона в интерферометре Майкельсона.

         Полосы равной толщины в интерферометре Майкельсона.

         Интерферометр Жамена.

         Интерферометр Рождественского (Маха-Цендера).

         Интерферометр Рэлея.

         Факультативно. Дифракция. Интегральная теорема Кирхгофа.

 

                   Лекция 20.

         Скалярная теория дифракции Кирхгофа.

         Применение теории Кирхгофа к дифракции света на отверстии произвольной формы в плоском экране.

         Факультативно. Трудности теории дифракции Кирхгофа.

         Факультативно. Теория дифракции Френеля. Построения Гюйгенса.

         Зоны Френеля.

         Векторные диаграммы для зон Френеля.

         Пятно Пуассона.

 

                   Лекция 21.

         Зонная пластинка. Фокус зонной пластинки.

         Отношение интенсивностей в фокусах линзы и зонной пластинки.

         Ложные фокусы зонной пластинки.

         Дифракция Фраунгофера на круглом отверстии.

         Дифракция Фраунгофера на одной щели.

         Дифракция Фраунгофера на прямоугольном отверстии.

         Факультативно. Дифракция Фраунгофера и Фурье-образ амплитудного коэффициента пропускания экрана.

         Принцип Бабине.

 

                   Лекция 22.

         Дифракция Френеля на краю экрана. Спираль Корню.

         Дифракционная решетка. Главные дифракционные максимумы решетки.

         Угловая ширина главного дифракционного максимума решетки.

         Спектральное разрешение дифракционной решетки. Критерий Рэлея.

         Побочные максимумы дифракционной решетки.

         Дифракционная решетка с отсутствующими четными главными дифракционными максимумами.

 

                   Лекция 23.

         Дифракционная решетка с отсутствующими четными главными дифракционными максимумами (продолжение).

         Факультативно. Отражательная решетка с профилированным штрихом.

         Голография. Голограмма плоской световой волны.

         Голограмма точки при нормальном падении опорной волны.

         Голограмма точки при наклонном падении опорной волны.

         Плоская голограмма протяженного объекта.

         Толстослойная голограмма.

         Дифракционный предел разрешения телескопа и глаза.

 

                   Лекция 24.

         Лекционная демонстрация пятна Пуассона и дифракции: на краю экрана, на сетке квадратных ячеек, на четырех отверстиях.

         Понятие о разрешающей способности микроскопа.

         Взаимодействие света с веществом. Модель атома Томсона. Комплексная поляризуемость атомов.

 

                   Лекция 25.

         Лекционная демонстрация спектра ртути в разных порядках дифракционной решетки.

         Комплексный показатель преломления. Его связь с коэффициентом поглощения и вещественным показателем преломления. Закон Бугера-Ламберта-Бера.

         Лоренцевская форма линии поглощения. Нормальная и аномальная дисперсия света.

 

                   Лекция 26.

         Однородная (лоренцевская) и неоднородная (доплеровская) ширина спектральной линии.

         Причина неравенства n > 1 в области прозрачности среды.

         Оптика плазмы.

         Оптика металлов. Прозрачность сред для рентгеновского излучения.

         Рэлеевское рассеяние света в мутной среде.

 

                   Лекция 27.

         Рэлеевское рассеяние света в мутной среде (продолжение).

         Факультативно. Рэлеевское рассеяние света на флуктуациях плотности газа.

         Факультативно. Интерферометр Фабри-Перо.

         Рентгеновское излучение. Сплошной и линейчатый спектры. K, L, M, N -серии спектральных линий.

         Факультативно. Понятие о коэффициентах Эйнштейна.

 

                  Лекция 28.

         Инверсия заселенностей лазерной среды. Усиление света. Генерация света лазером.

         Фотоэффект. Опыты Столетова. Красная граница фотоэффекта. Формула Эйнштейна.

         Термодинамика света. Абсолютно черное тело.

         Закон Кирхгофа.

         Закон Стефана-Больцмана.

         Закон смещения Вина.

         Формула Планка.

 

                  Лекция 29 (2016 г., фрагмент лекции 26).

         Факультативно. Зеркальный ящик. Плотность возможных состояний в пространстве импульсов или волновых векторов.

 

                   Лекция 30 (2015г., лекция 26).

         Дифракция рентгеновских лучей на кристалле. Лауэграммы.

         Условие Вульфа-Брэгга для дифракции монохроматических рентгеновских лучей на поликристаллическом порошке.

         Лазерный дальномер.

         Эффект Фарадея.

         Естественное вращение плоскости поляризации.

         Невзаимный элемент или ячейка Фарадея.

         Факультативно. Оптическая развязка или оптический диод.

 

                   Лекция 31 (2015г., лекция 27).

         Факультативно. Оптическая развязка или оптический диод (продолжение).

         Факультативно. Лазерный гироскоп.

         Эффект Керра.

         Ячейка Керра — быстрый оптический затвор.

         Факультативно. Эффект Поккельса.

         Факультативно. Эффект Коттона-Мутона.

         Нелинейная оптика.

         Оптическое удвоение частоты. Оптическое детектирование.

         Самофокусировка.

         Комбинационное или рамановское рассеяние света.

         Факультативно. Обращение волнового фронта (вариант 1). Динамическая голография или четырехволновое взаимодействие.

         Факультативно. Обращение волнового фронта (вариант 2). Вынужденное рассеяние Мандельштама-Бриллюена (ВРМБ).

 

                   Лекция 32 (2015г., лекция 28-29).

         Голографическая интерферометрия.

         Факультативно. Лазерное охлаждение.

         Эффект Комптона.

         Световое давление. Корпускулярная и волновая трактовки.

         Факультативно. Дисперсионные соотношения Крамерса-Кронига.

 

                   Лекция 33 (2012г.).

         Факультативно. Любопытные оптические явления. Спеклы. Радуга. Глория. Венцы. Гало. Солнечный столб и солнечный крест. Фата-моргана. Норвежская спиральная аномалия. Стробоскопический эффект в дневном свете.

         Факультативно. Линза Френеля.

         Факультативно. Фурье-оптика.

 

                   Лекция 34 (2010г.).

         Факультативно. Разделение переменных в сферической системе координат при решении уравнения Гельмгольца.

         Факультативно. Связь интенсивности света и объемной плотности энергии световой волны.

         Факультативно. Почему фазовая, а не групповая скорость.

         Факультативно. Эффект Зеемана. Сигма-плюс, сигма-минус, пи- компоненты света.

         Факультативно. Отражение радиоволн от поверхности проводника.

         Факультативно. Условие равенства в неравенстве дельта-омега * дельта-тэ >= 1/2.

         Факультативно. Разложение светового поля по плоским монохроматическим волнам.

 

                   Лекция 35 (2010г.).

         Факультативно. Элементы квантовой механики. Волна де Бройля.

         Факультативно. Дифракция и интерференция электронов.

         Факультативно. Квантование энергии атома водорода.

         Факультативно. Полуклассическое описание излучения и поглощения света. Разрешенные и запрещенные переходы. Правила отбора.

         Факультативно. Дифференциальное уравнение для волновой функции.

         Факультативно. Сжатое состояние света.