Содержание курса лекций по оптике

2012/2013 учебный год. Крылов И. Р.

Лекция 1.

Факультативно. Введение.

Факультативно. Излучение ускоренно движущегося заряда.

Факультативно. Напряженность поля излучения диполя.

Факультативно. Диаграмма направленности излучения диполя.

Факультативно. Свет.

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.

Поперечность световых волн.

Лекция 3.

Соотношение полей E и H в бегущей световой волне.

Интенсивность света.

Поляризация света. Линейная поляризация.

Факультативно. Старое определение плоскости поляризации.

Пленочный поляризатор или поляроид.

Поляроидные очки для стереокино.

Циркулярно поляризованный свет или свет круговой поляризации.

Эллиптическая поляризация света.

Стоячие световые волны.

Лекция 4.

Стоячие световые волны (продолжение).

Продольные и поперечные моды лазера. Управление частотой генерации лазера.

Пленка Троицкого. Селекция лазерных мод.

Закон преломления (закон Снеллиуса) и закон отражения света.

Формулы Френеля. Амплитудные коэффициенты отражения и пропускания.

Лекция 5.

Формулы Френеля. Амплитудные коэффициенты отражения и пропускания (продолжение).

Угол Брюстера и брюстеровские окна лазерных трубок.

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).

Лекция 6.

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.

Уголковый отражатель. Измерение расстояния от Земли до Луны.

Плоская неоднородная волна при полном внутреннем отражении света.

Экспериментальное наблюдение неоднородной плоской волны.

Лекция 7.

Светоделительный куб. Оптический контакт.

Фазовый сдвиг поляризаций при полном внутреннем отражении.

Параллелепипед Френеля.

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

Лекция 8.

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 по лучевому эллипсоиду (без доказательства).

Оптическая ось кристалла. Одноосные и двуосные кристаллы.

Факультативно. Построение двойной лучевой поверхности с помощью лучевого эллипсоида.

Факультативно. Построение Гюйгенса в изотропной и анизотропной средах.

Лекция 9.

Факультативно. Построение Гюйгенса в изотропной и анизотропной средах (продолжение).

Обыкновенный и необыкновенный лучи.

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 10.

Фокальная плоскость линзы. Фокус. Фокусное расстояние.

Построение изображений в тонкой линзе. Действительное и мнимое изображения.

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 лучей — хорошее приближение для описания лазерного пучка лучей.

Глаз.

Лекция 11.

Три цвета радуги. Свет и цвет.

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 аберрации, астигматизм, дисторсия, кома.

Лекция 12.

Факультативно. Апертурная диафрагма. Входной и выходной зрачки. 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.

Рефракция.

Лекция 13.

Миражи.

Спектр света. Диапазоны электромагнитных волн и источники излучения.

Разложение светового поля по частотам.

Ряды Фурье для светового поля.

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

Лекция 14.

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

Факультативно. Теорема Парсеваля.

Спектр огибающей светового импульса и спектр самого импульса.

Лекция 15.

Соотношение неопределенности частоты и времени (без доказательства).

Факультативно. Соотношение неопределенности Гейзенберга.

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.

Лекция 16.

Интерференция лазерных и интерференция нелазерных источников света.

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.

Лекция 17.

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.

Звездный интерферометр Майкельсона. Измерение угловых размеров звезд.

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

Лекция 18.

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.

Интерферометр Жамена.

Интерферометр Рождественского (Маха-Цендера).

Лекция 19.

Факультативно. Дифракция. Интегральная теорема Кирхгофа.

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.

Лекция 20.

Зоны Френеля (продолжение).

Векторные диаграммы для зон Френеля.

Пятно Пуассона.

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.

Лекция 21.

Дифракция Фраунгофера на одной щели (продолжение).

Дифракция Фраунгофера на прямоугольном отверстии.

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

Принцип Бабине.

Дифракция Френеля на краю экрана. Спираль Корню.

Лекция 22.

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.

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.

Лекция 23.

Плоская голограмма протяженного объекта.

Толстослойная голограмма.

Дифракционный предел разрешения телескопа и глаза.

Понятие о разрешающей способности микроскопа.

Модель атома Томсона. Комплексная поляризуемость атомов.

Лекция 24.

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

Факультативно. Лоренцевская форма линии поглощения. Нормальная и аномальная дисперсия света.

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

Лекция 25.

Причина неравенства n > 1 в области прозрачности среды.

Оптика плазмы.

Оптика металлов. Прозрачность сред для рентгеновского излучения.

Рассеяние света в мутной среде.

Факультативно. Рэлеевское рассеяние света на флуктуациях плотности газа.

Лекция 26.

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

Факультативно. Эффект Комптона.

Световое давление. Корпускулярная и волновая трактовки.

Термодинамика света. Абсолютно черное тело.

Закон Кирхгофа.

Закон Стефана-Больцмана.

Закон смещения Вина.

Лекция 27.

Формула Планка.

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

Факультативно. Дисперсионные соотношения Крамерса-Кронига.

Факультативно. Понятие о коэффициентах Эйнштейна.

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