Содержание курса лекций по оптике

2018/2019 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.

         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 света меньше фазовой скорости.

         Поперечность световых волн.

 

                   Лекция 3.

         Поперечность световых волн (продолжение).

         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.

         Пленочный поляризатор или поляроид.

 

                   Лекция 4.

         Поляроидные очки для стереокино.

         Циркулярно поляризованный свет или свет круговой поляризации.

         Эллиптическая поляризация света.

         Стоячие световые волны.

         Факультативно. Коэффициенты Эйнштейна.

 

                   Лекция 5.

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

         Продольные и поперечные моды лазера. Управление частотой генерации лазера.

         Селекция лазерных мод. Пленка Троицкого.

         Факультативно. Уровни энергии твердого тела.

         Факультативно. Полупроводники n- и p-типа.

 

                   Лекция 6.

         Факультативно. Полупроводниковый диод.

         Факультативно. Фоторезистор, фотодиод, ФЭУ, лавинный фотодиод.

         Факультативно. Светодиод.

         Полупроводниковые лазеры. Управление частотой генерации.

         Полупроводниковые лазеры с нелинейным кристаллом.

         Факультативно. Центр инверсии. Хиральность. Оптическая активность.

         Условие фазового синхронизма.

 

                   Лекция 7.

         Условие фазового синхронизма (продолжение).

         Излучение Вавилова — Черенкова. Построения Гюйгенса.

         Закон преломления (закон Снеллиуса) и закон отражения.

         Формулы Френеля. Амплитудные коэффициенты отражения и пропускания.

 

                   Лекция 8.

         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.

         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.

 

                   Лекция 9.

         Плоская неоднородная световая волна при полном внутреннем отражении света (продолжение).

         Экспериментальное наблюдение неоднородной плоской волны.

         Светоделительный куб. Оптический контакт.

         Фазовый сдвиг поляризаций при полном внутреннем отражении света.

         Параллелепипед Френеля.

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

 

                   Лекция 10.

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

         Лучевая и фазовая скорость 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.

         Лекционные демонстрации.

         Факультативно. Построение двойной лучевой поверхности с помощью лучевого эллипсоида.

         Факультативно. Построения Гюйгенса в изотропной и анизотропной среде.

         Обыкновенный и необыкновенный луч.

 

                   Лекция 12.

         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.

         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.

 

                   Лекция 13.

         Реклама кафедры Общей физики-1.

         Гомоцентрический пучок лучей. Приведенный радиус кривизны. Правило ABCD.

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

 

                   Лекция 14.

         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.

         Микроскоп.

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

 

                   Лекция 15.

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

         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.

         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.

 

                   Лекция 16.

         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 17.

         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).

 

                   Лекция 18.

         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.

         Интерференция лазерных и интерференция нелазерных источников света.

 

                   Лекция 19.

         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.

         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.

         Интерферометр Жамена.

 

                   Лекция 21.

         Интерферометр Рождественского (Маха — Цендера).

         Интерферометр Рэлея.

         Факультативно. 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.

 

                   Лекция 22.

         Факультативно. Теория дифракции Френеля. Построение 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.

         Дифракция Фраунгофера на круглом отверстии.

 

                   Лекция 23.

         Дифракция Фраунгофера на одной щели.

         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 24.

         Дифракционная решетка. Главные дифракционные максимумы решетки.

         Угловая ширина главного дифракционного максимума решетки.

         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 световой волны.

 

                   Лекция 25.

         Голограмма точки при наклонном падении опорной волны.

         Плоская голограмма протяженного объекта.

         Голографическая интерферометрия.

         Толстослойная голограмма.

         Дифракционный предел разрешения телескопа и глаза.

         Понятие о разрешающей способности микроскопа.

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

 

                   Лекция 26.

         Взаимодействие света с веществом. Модель атома Томсона. Комплексная поляризуемость атомов (продолжение).

         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.

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

 

                   Лекция 27.

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

         Причина неравенства n > 1 в области прозрачности среды.

         Оптика плазмы.

         Оптика металлов. Прозрачность сред для рентгеновского излучения.

         Термодинамика света. Абсолютно черное тело.

         Закон Кирхгофа.

 

                   Лекция 28.

         Закон Кирхгофа (продолжение).

         Закон Стефана — Больцмана.

         Закон смещения Вина.

         Формула Планка.

         Дифракция рентгеновских лучей на кристалле. Лауэграммы.

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

 

                   Лекция 29.

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

         Эффект Комптона.

         Световое давление. Корпускулярная и волновая трактовка.

         Факультативно. Эффект Фарадея.

         Факультативно. Естественное вращение плоскости поляризации.

         Факультативно. Оптическая развязка или оптический диод.

         Факультативно. Невзаимный элемент или ячейка Фарадея.

         Факультативно. Лазерный гироскоп.

         Факультативно. Эффект Керра.

         Факультативно. Ячейка Керра — быстрый оптический затвор.

         Факультативно. Эффект Поккельса.

         Факультативно Эффект Коттона — Мутона.