Содержание курса лекций по оптике

2017/2018 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.

Лекция 2.

Факультативно. Частные решения волнового уравнения.

Параметры плоской монохроматической волны.

Фазовая скорость волны.

Групповая скорость волн.

Лекция 3.

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.

Лекция 4.

Факультативно. Три формализма описания взаимодействия света со средой.

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

Пленочный поляризатор или поляроид.

Поляроидные очки для стереокино.

Циркулярно поляризованный свет или свет круговой поляризации.

Эллиптическая поляризация света.

Стоячие световые волны.

Лекция 5.

Стоячие световые волны (продолжение).

Факультативно. Коэффициенты Эйнштейна.

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

Продольные и поперечные моды лазера. Управление частотой генерации лазера.

Пленка Троицкого. Селекция лазерных мод.

Полупроводниковые оптические устройства.

Лекция 6.

Полупроводниковые оптические устройства (продолжение).

Уровни энергии в твердом теле.

Фоторезистор.

Полупроводники n- и p-типа.

Полупроводниковый диод.

Фотодиод и варианты его включения.

ФЭУ.

Светодиод.

Полупроводниковые лазеры.

Лекция 7.

Полупроводниковые оптические устройства (продолжение).

Центр инверсии. Хиральность. Оптическая активность.

Условие фазового синхронизма.

Излучение Вавилова — Черенкова. Построения Гюйгенса.

Закон преломления (закон Снеллиуса) и закон отражения света.

Формулы Френеля. Амплитудные коэффициенты отражения и пропускания.

Лекция 8.

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.

Отражение света при скользящем падении луча.

Зеркало телескопа для мягкого рентгеновского излучения.

Лекция 9.

Полное внутреннее отражение.

Полное внутреннее отражение в 45⁰-й 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.

Параллелепипед Френеля.

Кристаллооптика.

Лекция 10.

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

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

Оптическая ось кристалла. Одноосные и двуосные кристаллы.

Лекция 11.

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.

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 12.

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 лучей — хорошее приближение для описания лазерного пучка лучей.

Лекция 13.

Презентация кафедры Общей физики-1.

Глаз.

Три цвета радуги. Свет и цвет.

Факультативно. Фотометрический парадокс Ольберса.

Лекция 14.

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.

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

Лекция 15.

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.

Миражи.

Лекция 16.

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 17.

Факультативно. Теорема Парсеваля.

Спектр огибающей светового импульса и спектр самого импульса.

Соотношение неопределенности частоты и времени (без доказательства).

Факультативно. Соотношение неопределенности Гейзенберга.

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 18.

Интерференция лазерных и интерференция нелазерных источников света (продолжение).

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 19.

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

Звездный интерферометр Майкельсона. Измерение угловых размеров звезд.

Локализация интерференционной картины на примере наблюдения интерференции с бипризмой Френеля.

Полосы равного наклона.

Полосы равной толщины.

Лекция 20.

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.

Скалярная теория дифракции Кирхгофа.

Лекция 21.

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.

Зонная пластинка. Фокус зонной пластинки.

Отношение интенсивностей в фокусах линзы и зонной пластинки.

Ложные фокусы зонной пластинки.

Лекция 22.

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.

Лекция 23.

Принцип Бабине.

Дифракция Френеля на краю экрана. Спираль Корню.

Главные дифракционные максимумы решетки.

Угловая ширина главного дифракционного максимума решетки.

Спектральное разрешение дифракционной решетки. Критерий Рэлея.

Побочные максимумы дифракционной решетки.

Лекция 24.

Интенсивность света при дифракции Фраунгофера на дифракционной решетке.

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.

Толстослойная голограмма.

Дифракционный предел разрешения телескопа и глаза.

Лекция 25.

Понятие о разрешающей способности микроскопа.

Модель атома Томсона. Комплексная поляризуемость атомов.

Понятие об адаптивной оптике.

Лекция 26.

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.

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

Причина неравенства n > 1 в области прозрачности среды.

Лекция 27.

Оптика плазмы.

Оптика металлов. Прозрачность сред для рентгеновского излучения.

Термодинамика света. Абсолютно черное тело.

Закон Кирхгофа.

Закон Стефана — Больцмана.

Закон смещения Вина.

Формула Планка.