Содержание курса лекций по оптике

2019/2020 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.

 

                   Лекция 2.

         Факультативно. Частные решения волнового уравнения.

         Параметры плоской монохроматической волны.

         Фазовая скорость волны.

         Групповая скорость волн.

 

                   Лекция 3.

         Групповая скорость волн (продолжение).

         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.

         Пленочный поляризатор или поляроид.

         Поляроидные очки для стереокино.

 

                   Лекция 4.

         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 твердого тела.

         Факультативно. Полупроводники n- и p-типа.

         Факультативно. Полупроводниковый диод.

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

         Факультативно. Светодиод.

         Полупроводниковые лазеры. Управление частотой генерации.

         Полупроводниковые лазеры с нелинейным кристаллом.

 

                   Лекция 7.

         Полупроводниковые лазеры с нелинейным кристаллом (продолжение).

         Центр инверсии. Хиральность. Оптическая активность.

         Условие фазового синхронизма.

         Излучение Вавилова — Черенкова. Черенковский счетчик.

         Закон преломления (закон Снеллиуса) и закон отражения света.

         Формулы Френеля. Амплитудные коэффициенты отражения и пропускания.

 

                   Лекция 8.

         Факультативно. Лазерный дальномер.

         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.

 

                   Лекция 9.

         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.

         Экспериментальное наблюдение плоской неоднородной волны.

         Светоделительный куб. Оптический контакт.

         Фазовый сдвиг поляризаций при полном внутреннем отражении света.

 

                   Лекция 10.

         Фазовый сдвиг поляризаций при полном внутреннем отражении света (продолжение).

         Параллелепипед Френеля.

         Кристаллооптика. Направление 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.

 

                   Лекция 11.

         Факультативно. Лекционные демонстрации.

         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.

         Факультативно. Построение двойной лучевой поверхности с помощью лучевого эллипсоида.

 

                   Лекция 12.

         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.

         Фокальная плоскость линзы. Фокусное расстояние. Фокус.

         Построение изображений в тонкой линзе. Действительное и мнимое изображение.

         Построение хода произвольного луча при прохождении тонкой линзы.

 

                   Лекция 13.

         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.

         Три цвета радуги. Свет и цвет.

         Факультативно. Фотометрический парадокс Ольберса.

         Лупа. Увеличение лупы.

 

                   Лекция 14.

         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.

         Распространение света в неоднородной среде. Эйконал. Уравнение эйконала.

         Факультативно. Эйконал по Бутикову.

         Уравнение для вычисления траектории луча в неоднородной среде.

 

                   Лекция 15.

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

         Принцип Ферма.

         Факультативно. Из принципа Ферма можно получить закон преломления.

         Рефракция.

         Миражи.

         Спектр света. Диапазоны электромагнитных волн и источники излучения.

         Разложение светового поля по частотам.

         Ряды Фурье для светового поля.

 

                   Лекция 16.

         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 17.

         Факультативно. Соотношение неопределенности Гейзенберга.

         Интерференция. Явление интерференции. Ширина полос. Видность.

         Интенсивность света при сложении двух световых волн ортогональных поляризаций.

         Интенсивность 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.

         Получение интерференции методом деления амплитуды.

         Интерференция волн отраженной и прошедшей полупрозрачную пластинку.

         Интерференция 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.

 

                   Лекция 18.

         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.

         Звездный интерферометр Майкельсона. Измерение угловых размеров звезд.

         Локализация интерференционной картины на примере наблюдения интерференции с бипризмой Френеля.

 

                   Лекция 19.

         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).

         Интерферометр Рэлея.

         Дифракция.

         Факультативно. Интегральная теорема Кирхгофа.

         Скалярная теория дифракции Кирхгофа.

 

                   Лекция 20.

         Скалярная теория дифракции Кирхгофа (продолжение).

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

         Факультативно. Трудности теории дифракции Кирхгофа. Формулы Стрэттона - Чу.

         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 21.

         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.

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

         Принцип Бабине.

         Дифракция Френеля на краю экрана. Спираль Корню.

 

                   Лекция 22.

         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 опорной волны.

         Голограмма точки при наклонном падении опорной волны.

         Плоская голограмма протяженного объекта.

         Голографическая интерферометрия.

 

                   Лекция 23.

         Толстослойная голограмма Метод Денисюка.

         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.

 

                   Лекция 24.

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

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

         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 25.

         Закон Стефана — Больцмана.

         Закон смещения Вина.

         Формула Планка.

         Дифракция рентгеновских лучей на кристалле. Лауэграммы.

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

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

         Эффект Комптона.

 

                   Лекция 26.

         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.

 

                   Лекция 27.

         Факультативно. Рэлеевское рассеяние света в мутной среде.

         Факультативно. Рэлеевское рассеяние света на флуктуациях плотности газа.

         Факультативно. Интерферометр Фабри — Перо.

         Факультативно. Нелинейная оптика.

         Факультативно. Оптическое удвоение частоты. Оптическое детектирование.

         Факультативно. Самофокусировка.

         Факультативно. 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 — Бриллюэна (ВРМБ).

         Факультативно. Лазерное охлаждение.

         Факультативно. Дисперсионные соотношения Крамерса — Кронига.

         Факультативно. Линза Френеля.

         Факультативно. Фурье-спектрометр.

         Факультативно. Любопытные оптические явления:

                   стробоскопический эффект в дневном свете,

                   радуга,

                   глория,

                   венцы,

                   гало,

                   фата-моргана,

                   норвежская спиральная аномалия.

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

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