Программа лекций по общему курсу физики, раздел «Оптика»

по направлениям «Прикладные математика и физика» и «Радиофизика»,

факультет нелинейных процессов СГУ

(2013 г)

1. Введение. Оптика в современной физике. Краткая история развития оптики и основные разделы

оптики. Открытия в оптике в 20-ом столетии.

Шкала электромагнитных волн. Оптический диапазон. Источники приемники света.

Элек тро магни тн ые волны оп тическог о диапазона. Поляризация све та

2. Электромагнитные волны в однородных, изотропных, не поглощающих, диэлектрических средах.

Уравнения Максвелла. Волновое уравнение. Уравнение волны. Плоская монохроматическая волна. Основные характеристики колебаний и волн и их физический смысл. Волновой фронт.

Волновые поверхности.

Сферическая и цилиндрическая волны. Представление монохроматических волн в комплексном виде. Комплексная амплитуда волнового поля.

Энергия электромагнитных волн. Плотность потока энергии. Вектор Умова-Пойтинга.

Интенсивность света.

3. Поляризация электромагнитной волны. Поперечность электромагнитной волны. Взаимная ориентация волнового вектора, векторов электрического и магнитного полей в плоской волне.

Типы поляризации электромагнитных волн. Линейно (плоско) поляризованная волна. Плоскость поляризации. Круговая (циркулярная) и эллиптическая поляризации.

Суперпозиция ортогонально поляризованных волн с различными частотами. Суперпозиция ортогонально поляризованных волн с изменяющимися во времени начальными фазами.

Хаотическая поляризация света - естественный свет. Степень поляризации.

4. Стоячие электромагнитные волны. Уравнение стоячей волны. Регистрация стоячих. электромагнитных волн. Опыт Винера. Оптический резонатор. Цветная фотография Липпмана.

5. Квазимонохроматические волны. Излучение дипольного осциллятора. Разложение по гармоническим составляющим. Частотный спектр. Модулированные волны. Амплитудная и фазовая модуляции. Волновой цуг конечной длительности. Соотношение между длиной волнового цуга и шириной спектрального интервала.

Суперпозиция двух плоских монохроматических волн различной частоты. Биения. Групповая скорость. Формула Рэлея. Дисперсия света.

О тражение и прело мление све та 6. Отражение и преломление света на плоской границе раздела двух изотропных диэлектриков.

Законы отражения и преломления света. Соотношения амплитуд падающей, отраженной и преломленной волн – формулы Френеля. Следствия из формул Френеля. Эффект Брюстера.

Брюстеровские окна в лазере. Стопа Столетова.

Энергетические коэффициенты отражения и пропускания. Закон сохранения энергии при отражении и преломлении света. Коэффициент отражения при произвольном азимуте линейной поляризации. Коэффициент отражения для естественного (хаотически поляризованного) света.

7. Полное внутреннее отражение. Критический (предельный) угол полнового отражения.

Оптические элементы и приборы, работающие на полном внутреннем отражении. Волоконные и планарные световоды.

Изменение фазы волны при полном внутреннем отражении. Изменение состояния поляризации света при полном внутреннем отражении. Параллелепипед Френеля.

8. Отражение света поверхностью металлов. Изменение состояния поляризации линейно поляризованной волны при отражении поверхностью металлов. Эллипсометрия.

Оп тика анизо тропных сред. Крис талл ооп тика 9. Распространение света в анизотропной среде. Тензор диэлектрической проницаемости.

Одноосные и двуосные оптические кристаллы. Обыкновенные и необыкновенные волны в анизотропной среде. Уравнения для лучевых скоростей в одноосном кристалле. Поверхности лучевых скоростей обыкновенной и необыкновенной волн в одноосном кристалле.

Двулучевое преломление света на границе анизотропной среды.

10. Поляризационные устройства. Дихроичные пластины и поляроиды. Закон Малюса.

Кристаллические фазовые пластинки. Изменение состояния и параметров поляризации света с помощью фазовых пластин. Пластины в /4 и /2. Компенсаторы.

Устройства с фазовыми пластинами между линейными поляризаторами (поляроидами).

Поляризационные призмы Николя, Волластона, Рошона, Сенармона.

Жидкие кристаллы. Устройство и принцип действия ЖК дисплеев. ЖК затворы. Принципы 3D дисплеев.

Искусственная анизотропия. Фотоупругость – фотоэластический, пьезооптический эффект. Закон Брюстера для фотоупругости. Полярископы.

Электрооптические эффекты Керра и Поккельса. Эффект Коттона-Мутона.

Ин тер ференция све та 11. Интерференция монохроматических волн точечных источников. Уравнение интерференции монохроматических волн. Пространственное распределение интенсивности в интерференционной картине. Интерференционные полосы. Контраст (видность) интерференционных полос. Интерференция плоских и сферических волн.

12. Взаимная когерентность волн. Уравнение интерференции частично когерентных волн.

Способы получения взаимно когерентных световых волн - интерферометры.

Оптический путь, оптическая разность хода. Связь разности фаз волн с их оптической разностью хода. Условия формирования светлых и темных интерференционных полос.

Оптическая разность хода лучей света при отражении от границ плоского прозрачного слоя.

Полосы равного наклона. Оптический клин. Полосы равной толщины.

13. Интерферометры с делением исходной волны по амплитуде.

Интерферометр Ньютона - кольца Ньютона. Интерферометр Майкельсона. Разность хода волн в интерферометре Майкельсона. Изменение интенсивности света на выходе интерферометра Майкельсона при смещении одного из зеркал интерферометра.

Интерферометр Маха-Цендера. Разность хода волн в интерферометре Маха-Цендера.

14. Интерферометры с делением исходной волны по волновому фронту.

Интерферометр Юнга. Период интерференционных полос Юнга. Определение длины волны света с помощью интерферометра Юнга. Интерферометр Релея.

Интерференционные опыты с делением волнового фронта: бипризма Френеля, зеркала Френеля, билинза Бийе, зеркало Ллойда.

15. Интерференция монохроматических волн различной частоты. Зависимость наблюдаемой картины от постоянной времени фотоприемника и разности частот.

16. Временная когерентность световых волн. Время и длина временной когерентности. Длина волнового цуга. Соотношения между временем когерентности и шириной спектрального интервала.

Условие наблюдения интерференции квазимонохроматических волн точечных источников.

Соотношение между разностью хода волн в интерферометре и длиной временной когерентности.

Интерференция света при отражении от тонких пленок – цвета тонких пленок.

Проявление временной когерентности света в интерферометре Майкельсона.

Спектральная интерференция (интерференция при больших разностях хода).

17. Интерференция квазимонохроматических волн протяженных источников света.

Поперечная пространственная когерентность. Длина поперечной когерентности и ее зависимость от угловых размеров источника света.

Интерферометр Юнга с протяженным источником света. Зависимость контраста интерференционных полос Юнга от размеров источника света. Измерение длины поперечной когерентности.

Звездный интерферометр Майкельсона и его современные модификации. Измерение угловых размеров звезд с использованием эффекта пространственной когерентности.

18. Многолучевая интерференция.

Интерферометр Фабри-Перо. Распределение интенсивности в интерференционных картинах интерферометре Фабри-Перо в проходящем и отраженном свете.

Применение интерферометра Фабри-Перо в высокоразрешающей спектроскопии.

Интерферометр Фабри-Перо – лазерный резонатор. Интерференционные светофильтры.

Многослойные диэлектрические интерференционные зеркала.

Фотография Липпмана в натуральных цветах. Голограммы Денисюка.

Просветление поверхностей оптических деталей.

19. Интерференция поляризованных волн. Интерференция ортогонально поляризованных плоских волн. Кристаллические пластинки между двумя поляроидами.

Дифракция све та 20. Дифракция волн. Принцип Гюйгенса и принцип Гюйгенса-Френеля. Зонная теория дифракции Френеля. Зоны Френеля. Радиусы зон Френеля. Векторная диаграмма. Дифракция света на круглом экране. Пятно Пуассона.

Зонная пластинка Френеля и ее сравнение с линзой. Линза Френеля.

21. Дифракция Фраунгофера – дифракция дальнего поля. Дифракция Фраунгофера на щели и на прямоугольном отверстии. Дифракция Фраунгофера на круглом отверстии. Дифракционная расходимость (уширение) световых пучков. Лазерные гауссовы пучки.

Дифракционный предел разрешения оптических систем формирования изображения. Предельные поперечные размеры сфокусированного пучка света.

22. Дифракционные решетки. Амплитудная щелевая дифракционная решетка. Условия наблюдения главных максимумов дифракции. Распределение интенсивности в картине дифракции света на амплитудной дифракционной решетке. Фазовые дифракционные решетки.

Дифракционная решетка как спектральный прибор. Разрешающая способность дифракционной решетки. Дифракционный спектрограф.

Объемные дифракционные решетки. Дифракция Брэгга-Вульфа.

Дифракция света на акустических волнах.

23. Физические принципы оптической голографии. Голографические схемы записи и восстановления волновых полей. Объемные голограммы Денисюка. Цифровая голография.

Мо лекуля рная оп тика 24. Распространения света в изотропной диспергирующей среде. Поляризация среды. Дисперсия вещества. Уравнение плоской монохроматической волны в поглощающей среде. Закон Бугера.

Волновые пакеты. Групповая скорость волны. Формула Рэлея.

Классическая электронная теория дисперсии. Дисперсия вдали от линии поглощения.

Дисперсия в области линии поглощения - аномальная дисперсия. Дисперсионная кривая и спектральный контур поглощения света.

Экспериментальные методы исследования аномальной дисперсии. Метод скрещенных призм.

Интерференционный метод с использованием интерферометра Маха-Цендера.

25. Эффект вращения плоскости поляризации света в среде. Естественное вращение плоскости поляризации – естественная оптическая активность. Представление линейно поляризованного света в виде суперпозиции циркулярно поляризованных волн. Сахарометрия. Поляриметры.

Эффект вращения плоскости поляризации света в среде в магнитном поле - эффект Фарадея.

26. Рассеяние света в неоднородных средах и его закономерности. Поляризация рассеянного света.

Индикатриса рассеяния. Закон Релея. Молекулярное рассеяние. Объяснение цвета зари и неба.

Теория рассеяния Ми. Упругое и неупругое рассеяния света. Комбинационное рассеяние.

27. Нелинейная оптика. Генерация второй гармоники. Самофокусировка световых пучков.

Оп тика дви жущ ихся тел 28. Скорость света и методы ее определения. Лабораторные методы: Физо - метод прерываний, и Фуко - метод вращающегося зеркала.

Астрономические методы: Ремера - по спутникам Юпитера, и Брадлея - метод аберраций.

29. Проявление движения среды в интерференционных опытах. Опыт Физо с кольцевым интерферометром и движущейся жидкостью. Эффект Саньяка. Волоконный кольцевой интерферометр Саньяка - оптический интерференционный гироскоп.

Опыт Майкельсона по обнаружению движения Земли вокруг Солнца интерференционным методом.

30. Эффект Доплера в оптике. Проявление эффекта Доплера в спектральных исследованиях (частотный сдвиг спектральных линий излучения звезд, Доплеровское уширение спектральных линий).

Проявление эффекта Доплера при интерференции и дифракции света. Сдвиг частоты света при дифракции на движущейся дифракционной решетке. Дифракция света на бегущей акустической Перечень основной и дополнительной литературы а) основная литература:

1. Бутиков Е.И. Оптика. - С.-Петербург: Невский Диалект: БХВ-Петербург. 2003. - 480 с.

2. Ландсберг Г.С. Оптика. Издание 5-е. - М.: Наука, 1976. - 928 с. Издание 6-е. - М.: Наука, 2006. с.

3. Савельев И. В. Курс общей физики. В 3-х т. Т.2. Электричество и магнетизм. Волны. Оптика. 9-е изд. Учебное пособие в 3х томах. - M: Астрель АСТ 2005, 2007 – 336 c:

4. Калитеевский Н. И. Волновая оптика Учебное пособие – 5е издание стер. СПб, М: Краснодар:

Лань, 2008-465 с 5. Стафеев С.К., Боярский К.К., Башнина Г.Л. Основы оптики. С.-П. Изд-во «Питер», 2006. – 336 с.

6. Сивухин Д. В. Общий курс физики. Учеб. пособие. В 5-ти томах. Т.4. Оптика Учебное пособие для ВУЗ в 5ти томах. - М; ФИЗМАТЛИТ, 2005-2006 - 792 с.

7. Ахманов С.А., Никитин С.Ю. Физическая оптика: Учебник. - М.: Изд-во Моск. ун-та, 1998. 656 с.

2-е изд. - М.: Изд-во МГУ; Наука, 2004. - 656 с.

8. Матвеев А.Н. Оптика. - М.: Высшая школа, 1985. - 351 с.

9. Годжаев Н.М. Оптика. - М.: Высшая школа, 1977. - 432 с.

10. Горелик Г.С. Колебания и волны. Введение в акустику, радиофизику и оптику. 3-е изд. - М.:

ФИЗМАТЛИТ, 2008. – 656 с.

Задачники. Физический практикум 11. Сборник задач по общему курсу физики. В 5 томах. Т.4. Оптика/В.Л. Гинзенбург (и др): под редакцией Д.В.Сивухина - 5е издание стер.-М: Лань-ФИЗМАТЛИТ, 2006. - 267 c.

12. Рябухо В.П. Сборник задач по общему курсу физики. Волновая оптика. – СГУ. Кафедра оптики и биофотоники. 2013. 111 с. http://optics.sgu.ru/library/education 13. Физический практикум. Оптика. http://optics.sgu.ru, http://optics.sgu.ru/library/education, http://optics.sgu.ru/library/education/laboptics 14. Иродов И. Задачи по общей физике Учебное пособие/И.Е.Иродов-10е издание стер. СПб: M:

Краснодар: Лань, 2006-416 с:

15. Ильичева Е.Н., Кудеяров Ю.В., Матвеев А.Н. Методика решения задач оптики. /Под ред.

А.Н.Матвеева. – М.: Изд-во Моск. ун-та, 1981. – 232 с.

16. Физический практикум. Электричество и оптика. Под ред. В.И. Ивероновой. М.; Наука, 1968.

б) дополнительная литература:

17. Борн М., Вольф Э. Основы оптики. - М.: Наука, 1973. - 720 с.

18. Дитчберн Р. Физическая оптика. 1965.

19. Учебно-методические материалы по оптике, размещенные на Интернет-сайте кафедры оптики и биофотоники http://optics.sgu.ru, http://optics.sgu.ru/library/education 20. Федосов И.В. Геометрическая оптика (учебное пособие). - Саратов: Сателлит. – 2008. – 92 с.

http://optics.sgu.ru/library/education/geomoptics