Содержание курса лекций по оптике

2020/2021 учебный год. Крылов И. Р.

 

                   Лекция 1.

         Факультативно. Введение.

         Факультативно. Оптика, как предмет физики.

         Излучение ускоренно движущегося заряда и излучение диполя.

         Диаграмма направленности излучения диполя.

 

                   Лекция 2.

         Факультативно. Световые волны в прозрачной изотропной среде.

         Волновые уравнения для светового поля в прозрачной изотропной среде.

         Факультативно. Частные решения волнового уравнения.

         Параметры плоской монохроматической волны.

         Фазовая скорость волны.

 

                   Лекция 3.

         Групповая скорость волн.

         Факультативно. Обычно групповая скорость света меньше фазовой скорости.

         Поперечность световых волн.

         Соотношение полей E и H в бегущей световой волне.

         Интенсивность света.

         Поляризация света. Линейная поляризация.

         Факультативно. Старое определение плоскости поляризации.

         Расширенное понятие интерференции, механизм поглощения света, механизм уменьшения фазовой скорости света.

 

                   Лекция 4.

         Плёночный поляризатор или поляроид.

         Поляроидные очки для стереокино.

         Циркулярно поляризованный свет или свет круговой поляризации.

         Эллиптическая поляризация света.

         Стоячие световые волны.

         Факультативно. Коэффициенты Эйнштейна.

 

                   Лекция 5.

         Факультативно. Коэффициенты Эйнштейна (продолжение).

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

         Продольные и поперечные моды лазера. Управление частотой генерации лазера.

         Селекция лазерных мод. Пленка Троицкого.

 

                   Лекция 6.

         Факультативно. Уровни энергии твёрдого тела.

         Факультативно. Полупроводники n- и p-типа.

         Факультативно. Полупроводниковый диод.

         Приёмники света: фоторезистор, фотодиод, ФЭУ, лавинный фотодиод.

         Факультативно. Светодиод.

         Полупроводниковые лазеры. Управление частотой генерации полупроводникового лазера.

 

                   Лекция 7.

         Полупроводниковые лазеры с нелинейным кристаллом.

         Центр инверсии. Хиральность. Оптическая активность.

         Условие фазового синхронизма.

         Излучение Вавилова — Черенкова. Черенковский счетчик.

         Закон преломления (закон Снеллиуса) и закон отражения света.

 

                   Лекция 8.

         Закон преломления (закон Снеллиуса) и закон отражения света (продолжение).

         Формулы Френеля. Амплитудные коэффициенты отражения и пропускания.

         Угол Брюстера и брюстеровские окна лазерных трубок.

         Коэффициенты отражения и пропускания по энергии.

         Потеря полуволны при отражении от оптически более плотной среды.

         Отражение света при скользящем падении луча.

         Зеркало телескопа для мягкого рентгеновского излучения.

         Полное внутреннее отражение.

 

                   Лекция 9.

         Полное внутреннее отражение в 45-и градусной стеклянной призме. Условие отражения без потерь.

         Уголковый отражатель. Измерение расстояния от Земли до Луны.

         Плоская неоднородная световая волна при полном внутреннем отражении света.

         Экспериментальное наблюдение плоской неоднородной волны.

         Светоделительный куб. Оптический контакт.

         Фазовый сдвиг поляризаций при полном внутреннем отражении света.

         Параллелепипед Френеля.

 

                   Лекция 10.

         Кристаллооптика. Направления векторов D, E, B, H, k, S для плоской монохроматической волны в кристалле.

         Лучевая и фазовая скорости световой волны в кристалле.

         Факультативно. Лучевая и фазовая скорости в простейшем частном случае.

         Фазовая пластинка.

         Пластинки лямбда на четыре и лямбда пополам.

 

                   Лекция 11.

         Пластинки лямбда на четыре и лямбда пополам (продолжение).

         Лучевой эллипсоид (эллипсоид Френеля). 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.

         Факультативно. Построения Гюйгенса в изотропной и анизотропной среде.

         Обыкновенный и необыкновенный луч.

         Поляризаторы на основе призм Николя и Волластона.

 

                   Лекция 12.

         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.

         Фокальная плоскость. 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.

 

                   Лекция 13.

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

         Глаз.

         Три цвета радуги. Свет и цвет.

         Факультативно. Фотометрический парадокс Ольберса.

         Лупа. Увеличение лупы.

         Окуляр.

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

         Угловое увеличение телескопа.

 

                   Лекция 14.

         Микроскоп.

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

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

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

         Распространение света в неоднородной среде. Эйконал. Уравнение эйконала.

         Уравнение для вычисления траектории луча в неоднородной среде.

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

         Принцип Ферма.

 

                   Лекция 15.

         Принцип Ферма (продолжение).

         Факультативно. Из принципа Ферма можно получить закон преломления.

         Рефракция.

         Миражи.

         Спектр света. Диапазоны электромагнитных волн и источники излучения.

         Разложение светового поля по частотам.

 

                   Лекция 16.

         Ряды Фурье для светового поля.

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

         Факультативно. Теорема Парсеваля.

         Спектр огибающей светового импульса и спектр самого импульса.

         Соотношение неопределенности частоты и времени (без доказательства).

         Факультативно. Соотношение неопределенности Гейзенберга.

 

                   Лекция 17.

         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.

         Интенсивность света при сложении двух световых волн произвольной поляризации.

         Связь ширины интерференционных полос и угла между интерферирующими волнами.

         Интерференция лазерных и интерференция нелазерных источников света.

 

                   Лекция 18.

         Рассказ о кафедре Общей физики-1.

         Интерференция лазерных и интерференция нелазерных источников света (продолжение).

         Факультативно. Лазерный дальномер.

         Получение интерференции методом деления амплитуды.

         Интерференция волн отраженной и прошедшей полупрозрачную пластинку.

         Интерференция света при отражении от плоскопараллельной пластинки.

         Интерферометр Майкельсона.

         Опыт Юнга.

         Бипризма Френеля.

         Зеркало Ллойда.

 

                   Лекция 19.

         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.

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

 

                   Лекция 20.

         Звездный интерферометр Майкельсона. Измерение угловых размеров звезд.

         Локализация интерференционной картины на примере наблюдения интерференции с бипризмой Френеля.

         Полосы равного наклона.

         Полосы равной толщины.

         Кольца Ньютона.

         Полосы равного наклона в интерферометре Майкельсона.

         Полосы равной толщины в интерферометре Майкельсона.

 

                   Лекция 21.

         Интерферометр Жамена.

         Интерферометр Рождественского (Маха — Цендера).

         Интерферометр Рэлея.

         Факультативно. Дифракция. Интегральная теорема Кирхгофа.

         Скалярная теория дифракции Кирхгофа.

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

         Факультативно. Трудности теории дифракции Кирхгофа.

         Факультативно. Формулы Стрэттона — Чу.

         Факультативно. Теория дифракции Френеля. Построения Гюйгенса.

 

                   Лекция 22.

         Зоны Френеля.

         Векторные диаграммы для зон Френеля.

         Пятно Пуассона.

         Зонная пластинка. Фокус зонной пластинки.

         Отношение интенсивностей в фокусах линзы и зоной пластинки.

         Ложные фокусы зонной пластинки.

         Дифракция Фраунгофера на круглом отверстии.

         Дифракция Фраунгофера на одной щели.

 

                   Лекция 23.

         Дифракция Фраунгофера на одной щели (продолжение).

         Дифракция Фраунгофера на прямоугольном отверстии.

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

         Факультативно. Алгоритм Герчберга — Сакстона (Gerchberg-Saxton algorithm).

         Принцип Бабине.

         Дифракция Френеля на краю экрана. Спираль Корню.

         Дифракционная решетка. Главные дифракционные максимумы решетки.

         Угловая ширина главного дифракционного максимума решетки.

 

                   Лекция 24.

         Побочные максимумы дифракционной решетки.

         Спектральное разрешение дифракционной решетки. Критерий Рэлея.

         Аппаратная функция дифракционной решетки.

         Дифракционная решетка с отсутствующими четными главными дифракционными максимумами.

         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.

         Голографическая интерферометрия.

         Толстослойная голограмма.

 

                   Лекция 25.

         Дифракционный предел разрешения телескопа и глаза.

         Понятие о разрешающей способности микроскопа.

         Модель атома Томсона. Комплексная поляризуемость атомов.

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

         Лоренцевская форма линии поглощения в модели атома Томсона. Нормальная и аномальная дисперсия света.

         Однородный (лоренцевский) и неоднородный (доплеровский) контур спектральной линии.

 

                   Лекция 26.

         Однородный (лоренцевский) и неоднородный (доплеровский) контур спектральной линии (продолжение).

         Причина неравенства n больше 1 в области прозрачности среды.

         Оптика плазмы.

         Оптика металлов. Прозрачность сред для рентгеновского излучения.

         Термодинамика света. Абсолютно черное тело.

         Закон Кирхгофа.

         Закон Стефана — Больцмана.

         Закон смещения Вина.

         Формула Планка.

         Световое давление. Корпускулярная и волновая трактовка.

         Опыты Столетова. Красная граница фотоэффекта. Формула Эйнштейна.