УТВЕРЖДАЮ

Проректор по учебной работе

_ Д.А. Зубцов

10 декабря 2013 года

ПРОГРАММА

по дисциплине: ОБЩАЯ ФИЗИКА: ОПТИКА

по направлению подготовки 010900 «Прикладные математика и физика»

факультеты: для всех факультетов

кафедра _ОБЩЕЙ ФИЗИКИ

курс II

семестр 4 Трудоёмкость:

теор.курс: обязательная часть — 3 зач. ед., вариативная часть — 1 зач. ед., доп. за сложность — 1 зач. ед.

физ. практикум: обязательная часть — 2 зач. ед., доп. за сложность — 1 зач. ед.

лекции — 34 часа Экзамен — 4 семестр практические (семинарские) занятия — 34 часа Диф. зачёт — 4 семестр лабораторные занятия — 68 часа ВСЕГО ЧАСОВ — 136 Самостоятельная работа — 2 часа в неделю Программу и задание составили:

д.ф.-м.н., проф. С.М. Козел д.ф.-м.н., проф. Г.Р. Локшин Программа принята на заседании кафедры общей физики 21 ноября 2013 года Заведующий кафедрой А.В. Максимычев

ОПТИКА

1. Принцип Ферма и законы геометрической оптики. Полное внутреннее отражение. Оптические инструменты: телескоп, микроскоп. Элементы фотометрии. Яркость и освещённость изображения.

2. Волновое уравнение, монохроматические волны, комплексная амплитуда, уравнение Гельмгольца, плоские и сферические волны. Принцип суперпозиции и интерференция монохроматических волн. Видность полос, ширина полосы.

3. Статистическая природа излучения квазимонохроматической волны. Временная когерентность, функция временной когерентности, связь со спектральной интенсивностью (теорема Винера–Хинчина). Ограничение на допустимую разность хода в двухлучевых интерференционных схемах, соотношение неопределенностей.

4. Интерференция при использовании протяженных источников.

Пространственная когерентность, функция пространственной когерентности, связь с распределением интенсивности излучения по источнику I(x) (теорема Ван Циттерта–Цернике). Ограничения на допустимые размеры источника и апертуру интерференции в двухлучевых схемах. Лазеры как источники когерентного излучения.

5. Дифракция волн. Принцип Гюйгенса–Френеля. Дифракция на тонком экране. Граничные условия Кирхгофа. Волновой параметр. Дифракция Френеля. Задачи с осевой симметрией, зоны Френеля, спираль Френеля. Зонные пластинки, линза. Дифракция на дополнительном экране, пятно Пуассона.

6. Дифракция Фраунгофера. Световое поле в зоне Фраунгофера как преобразование Фурье граничного поля. Дифракция Фраунгофера на щели, дифракционная расходимость. Поле в фокальной плоскости линзы.

7. Спектральные приборы: призма, дифракционная решётка, интерферометр Фабри–Перо. Характеристики спектральных приборов: разрешающая способность, область дисперсии, угловая дисперсия.

8. Принципы фурье-оптики. Метод Рэлея решения задачи дифракции: волновое поле как суперпозиция плоских волн разных направлений (пространственное фурье-разложение), соотношение неопределённостей.

Дифракция Френеля на периодических структурах (эффект саморепродукции). Область геометрической оптики.

9. Теория Аббе формирования оптического изображения (принцип двойной дифракции). Полоса пропускания оптической системы, связь с разрешающей способностью. Дифракционный предел разрешения телескопа и микроскопа. Разрешающая способность при когерентном и некогерентном освещении.

10. Принципы голографии. Голограмма Габора. Голограмма с наклонным опорным пучком. Разрешающая способность голограммы. Объмная голограмма, объёмная решётка в регистрирующей среде, условие Брэгга–Вульфа.

11. Дисперсия света, фазовая и групповая скорости, формула Рэлея.

Классическая теория дисперсии. Комплексный показатель преломления и поглощения света в среде. Затухающие волны, закон Бугера. Нормальная и аномальная дисперсии. Радиоволны в ионосфере и дальняя радиосвязь.

12. Поляризация света. Естественный свет. Явление Брюстера. Дихроизм, поляроиды, закон Малюса. Двойное лучепреломление в одноосных кристаллах. Интерференционные явления в кристаллических пластинках.

Понятие об искусственной анизотропии. Эффект Фарадея и эффект Керра.

13. Рассеяние света. Рассеяние в мутных средах (рассеяние Тиндаля) и рассеяние на флуктуациях плотности (рэлеевское рассеяние). Эффективное сечение рассеяния. Поляризация рассеянного света.

14. Нелинейные оптические явления. Нелинейная поляризация среды. Генерация второй гармоники (удвоение частоты), фазовый синхронизм. Самофокусировка Литература Основная 1. Кингсеп А.С., Локшин Г.Р., Ольхов О.А. Основы физики. Т. I, ч. III, гл.

6–11. – М.: Физматгиз, 2001.

2. Сивухин Д.В. Общий курс физики. Оптика. Т. IV. – М.: Наука, 1985.

Дополнительная 1. Горелик Г.С. Колебания и волны. – М.: Физматлит, 1959, 2007.

2. Бутиков Е.И. Оптика. – М.: Высшая школа, 1986.

3. Ландсберг Г.С. Оптика. – М.: Физматлит, 2003.

4. Борн М., Вольф Э. Основы оптики. – М.: Наука, 1973.

5. Ахманов С.А, Никитин С.Ю. Физическая оптика. – Издательство МГУ, Наука, 2004.

6. Козел С.М., Листвин В.И., Локшин Г.Р. Введение в когерентную оптику и голографию: учебно-метод. пособие. – М.: МФТИ, 2000.

ЗАДАНИЕ ПО ФИЗИКЕ

21– 28 мар.

– 3апр.

4– апр.

9– 16– 1. Номера задач указаны по книге «Сборник задач по общему курсу физики». Ч. 2. Электричество и магнетизм. Оптика / под редакцией В.А. Овчинкина. – М.: МФТИ, 2004.

2. При выполнении заданий предусмотрена следующая вариативность — в каждой теме семинара задачи разбиты на 3 группы:

0 — задачи, которые студент должен самостоятельно решать в течение недели к каждому предстоящему семинару, где они при необходимости разбираются. Эти задачи должны быть аккуратно оформлены в тетради.

1 — задачи, предлагаемые для обсуждения на семинаре. Это набор задач, раскрывающих тему семинара. Преподаватель по своему усмотрению выбирает из них необходимое число задач. Допустимо менять задачи на равноценные. Решения всех задач 1-й группы студент должен иметь в своей тетради при сдаче задания.

2 — задачи повышенного уровня студент решает дополнительно к основным задачам курса (с получением дополнительных зачётных единиц). Они также должны быть оформлены студентами в своих тетрадях.

1. Сформулируйте принцип Ферма.

2. Решите задачу 1.1.

3. Решите задачу 1.3.

1. Напишите уравнение монохроматической волны. Дайте определение комплексной амплитуды монохроматической волны. Напишите выражение для комплексной амплитуды плоской волны.

2. Решите задачу 3.1.

3. Решите задачу 3.3.

ности и ширину спектра источника.

2. В интерференционном опыте используется источник света с длиной волны и шириной спектра. Оцените число интерференционных полос, которые можно наблюдать в этом опыте.

3. Наблюдаются интерференционные полосы при отражении квазимонохроматического света с длиной волны = 500 нм от двух граней клиновидного зазора между двумя плоскопараллельными пластинками.

Угол при вершине клина 10. Оказалось, что полосы размылись на расстоянии l 8 см от вершины. Оцените из этих данных ширину спектра излучения источника.

1. Дайте определение апертуры интерференции. Найдите апертуру интерференции в опыте с бипризмой с преломляющим углом и показателем преломления n, если источник и плоскость наблюдения расположены на одинаковых расстояниях от бипризмы.

2. Запишите условие наблюдения интерференции при использовании протяжённого квазимонохроматического источника с длиной волны. Размер источника b, апертура интерференции.

3. Дайте определение радиуса пространственной когерентности.

Решите задачу 5.2.

1. Дайте математическую формулировку принципа Гюйгенса– Френеля.

3. Зонная пластинка содержит 10 прозрачных нечётных зон Френеля. Во сколько раз интенсивность света в фокусе пластинки превышает интенсивность падающего света?

1. Дайте определение волнового параметра. При каких значениях волнового параметра наблюдаются явления геометрической оптики, дифракция Френеля и дифракция Фраунгофера?

2. Найдите распределение интенсивности в дифракционной картине Фраунгофера на щели ширины b, освещаемой параллельным пучком света с длиной волны. Определите угловую полуширину главного максимума в этой картине.

3. Сформулируйте критерий Рэлея разрешающей способности оптических инструментов. Решите задачу 7.41.

1. Сформулируйте критерий Рэлея разрешающей способности спектральных приборов. Решите задачу 8.1.

2. Запишите выражение для дифракционного предела спектрального разрешения призмы, дифракционной решётки, интерферометра Фабри–Перо.

3. Дифракционная решётка с периодом d имеет размер D в направлении, перпендикулярном штрихам. Ширина прозрачных штрихов решётки равна половине периода. Определите разрешающую способность решётки в спектре 1-го и 2-го порядков.

1. Запишите выражение для комплексной амплитуды плоской волны с длиной волны плоскости xz под углом к оси z. Дайте определение пространственной частоты.

2. Укажите пространственные частоты и амплитуды плоских волн за дифракционной решёткой, прозрачность которой ( x ) cos ( x ).

Решётка освещается монохроматической волной с амплитудой А.

3. Оцените ширину пространственного спектра плоских волн u при дифракции плоской монохроматической волны на щели шириной 1. Нарисуйте схему Габора записи голограммы. В чём состоит основной недостаток голограммы, записанной по этой схеме?

2. Почему при получении голографических изображений объёмных объектов практический интерес представляют только мнимые изображения? Поясните ответ с помощью схематического рисунка.

3. Почему голограмму, записанную по методу Денисюка, можно просвечивать белым светом и получать при этом цветные изображения?

1. Дайте определение фазовой и групповой скорости. Решите задачу 10.2.

2. Найдите связь между фазовой v и групповой u скоростями для электромагнитных волн в ионосфере. Закон дисперсии имеет вид v c 2 b22 , где с – скорость света в вакууме, – длина волны в среде, b – некоторая постоянная величина.

3. Концентрация электронов в ионосфере равна N 3 10 см.

Волны какой длины будут испытывать отражение при вертикальном ряд электрона 3. Как с помощью двоякопреломляющих пластинок, вырезанных параллельно оптической оси, превратить эллиптически поляризованный свет в свет, поляризованный по кругу? Какие для этого потребуются пластинки?