Содержание курса лекций по оптике

2021/2022 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.

 

                   Лекция 2.

         Факультативно. Световые волны в прозрачной изотропной среде.

         Волновые уравнения для светового поля в прозрачной изотропной среде.

         Факультативно. Частные решения волнового уравнения.

         Параметры плоской монохроматической волны.

         Фазовая скорость волны.

 

                   Лекция 3.

         Фазовая скорость волны (продолжение).

         Групповая скорость волн.

         Факультативно. Обычно групповая скорость света меньше фазовой скорости.

         Поперечность световых волн.

         Соотношение полей E и H в бегущей световой волне.

         Интенсивность света.

         Линейная поляризация света.

         Факультативно. Старое определение плоскости поляризации.

 

                   Лекция 4.

         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.

 

                   Лекция 5.

         Стоячие световые волны.

         Факультативно. Коэффициенты Эйнштейна.

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

         Продольные и поперечные моды лазера. Управление частотой генерации лазера.

 

                   Лекция 6.

         Селекция лазерных мод. Пленка Троицкого.

         Уровни энергии твердого тела.

         Полупроводники n- и p-типа.

         Полупроводниковый диод.

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

         Светодиод.

 

                   Лекция 7.

         Полупроводниковые лазеры. Управление частотой полупроводникового лазера.

         Полупроводниковые лазеры с нелинейным кристаллом.

         Центр инверсии. Хиральность. Оптическая активность.

         Условие фазового синхронизма.

         Излучение Вавилова — Черенкова. Черенковский счетчик.

 

                   Лекция 8.

         Излучение Вавилова — Черенкова. Черенковский счетчик (продолжение).

         Закон преломления (закон Снеллиуса) и закон отражения света.

         Формулы Френеля. Амплитудные коэффициенты отражения и пропускания света.

         Угол Брюстера и брюстеровские окна лазерных трубок.

         Коэффициенты отражения и пропускания по энергии.

         Потеря полуволны при отражении света 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 света.

         Параллелепипед Френеля.

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

 

                   Лекция 10.

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

         Лучевая и фазовая скорости световой волны в кристалле.

         Факультативно. Лучевая и фазовая скорости в простейшем частном случае.

         Фазовая пластинка.

         Пластинки λ/2 и λ/4.

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

         Оптическая ось кристалла. Одноосные и двуосные кристаллы.

 

                   Лекция 11.

         Обыкновенный и необыкновенный луч.

         Факультативно. Построение двойной лучевой поверхности с помощью лучевого эллипсоида.

         Факультативно. Построения Гюйгенса в изотропной и анизотропной среде.

         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.

 

                   Лекция 12.

         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.

         Гомоцентрический пучок лучей. Приведенный радиус кривизны. Правило ABCD.

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

         Глаз.

 

                   Лекция 13.

         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. Нормальная ширина щели. Градуировка спектрометра.

 

                   Лекция 14.

         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.

         Уравнение для вычисления траектории луча в неоднородной среде.

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

         Принцип Ферма.

 

                   Лекция 15.

         Факультативно. Из принципа Ферма можно получить закон преломления.

         Рефракция.

         Миражи.

         Спектр света. Диапазоны электромагнитных волн и источники излучения.

 

                   Лекция 16.

         Разложение светового поля по частотам.

         Ряды Фурье для светового поля.

         Спектр света. Разные определения спектра света. Спектр экспоненциально затухающего светового цуга.

         Факультативно. Теорема Парсеваля.

 

                   Лекция 17.

         Спектр огибающей амплитудно-модулированного светового импульса и спектр самого импульса.

         Соотношение неопределенности частоты и времени.

         Факультативно. Соотношения 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.

         Интенсивность при сложении двух волн произвольной поляризации.

 

                   Лекция 18.

         Связь ширины интерференционных полос и угла между интерферирующими волнами.

         Интерференция лазерных и интерференция нелазерных источников света.

         Факультативно. Лазерный дальномер.

         Два метода получения двухлучевой интерференционной картины.

         Интерференция волн отраженной и прошедшей полупрозрачную пластинку.

         Интерференция света при отражении от плоскопараллельной пластинки.

         Интерферометр Майкельсона.

         Опыт Юнга.

         Бипризма Френеля.

         Зеркало Ллойда.

         Билинза Бийе.

         Порядок интерференции или номер интерференционной полосы.

         Когерентность. Частично когерентный свет.

 

                   Лекция 19.

         Квазимонохроматический свет. Относительная спектральная ширина источника света.

         Длина и время когерентности.

         Пространственная когерентность.

         Объем когерентности.

         Второй час лекции — лекционные демонстрации.

 

                   Лекция 20.

         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.

         Кольца Ньютона.

         Полосы равного наклона в интерферометре Майкельсона.

         Полосы равной толщины в интерферометре Майкельсона.

 

                   Лекция 21.

         Интерферометр Жамена.

         Интерферометр Рождественского (Маха — Цендера).

         Интерферометр Рэлея.

         Факультативно. Дифракция. Интегральная теорема Кирхгофа.

         Скалярная теория дифракции Кирхгофа.

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

         Факультативно. Трудности теории дифракции Кирхгофа.

         Факультативно. Формулы Стрэттона — Чу.

 

                   Лекция 22.

         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.

         Второй час лекции — лекционные демонстрации.

 

                   Лекция 23.

         Ложные фокусы зонной пластинки.

         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 24.

         Дифракция Френеля на краю экрана. Спираль Корню (продолжение).

         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.

 

                   Лекция 25.

         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.

         Толстослойная голограмма.

         Метод Денисюка.

         Дифракционный предел разрешения телескопа и глаза.

         Понятие о разрешающей способности микроскопа.

 

                   Лекция 26.

         Взаимодействие света с веществом. 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.

         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.

         Закон Стефана — Больцмана.

         Закон смещения Вина.

         Формула Планка.

         Световое давление. Корпускулярная и волновая трактовка.

 

                   Лекция 28 (лекция 25 за 2020 год).

         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 29 (лекция 26 за 2020 год).

         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 30 (лекция 27 за 2020 год).

         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.

 

                   Лекция 31 (2017г., фрагмент лекции 6).

         Факультативно. Потеря полуволны при отражении от оптически более плотной среды (часть 2).

 

                   Лекция 32 (2017г., фрагмент лекции 18).

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

 

                   Лекция 33 (2017г., фрагмент лекций 26-27).

         Рэлеевское рассеяние света в мутной среде.

         Факультативно. Рэлеевское рассеяние света на флуктуациях плотности газа.

         Факультативно. Интерферометр Фабри-Перо.

 

                   Лекция 34 (2016 г., фрагмент лекции 26).

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

 

                   Лекция 35 (2015г., фрагмент лекции 26).

         Лазерный дальномер.

         Эффект Фарадея.

         Оптическая активность (естественная оптическая активность).

         Невзаимный элемент или ячейка Фарадея.

         Факультативно. Оптическая развязка или оптический диод.

 

                   Лекция 36 (2015г., лекция 27).

         Факультативно. Оптическая развязка или оптический диод (продолжение).

         Факультативно. Лазерный гироскоп.

         Эффект Керра.

         Ячейка Керра — быстрый оптический затвор.

         Факультативно. Эффект Поккельса.

         Факультативно. Эффект Коттона-Мутона.

         Нелинейная оптика.

         Оптическое удвоение частоты. Оптическое детектирование.

         Самофокусировка.

         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-Бриллюена (ВРМБ).

 

                   Лекция 37 (2015г., фрагмент лекций 28-29).

         Факультативно. Лазерное охлаждение.

         Факультативно. Дисперсионные соотношения Крамерса-Кронига.

 

                   Лекция 38 (2012г.).

         Факультативно. Любопытные оптические явления. Спеклы. Радуга. Глория. Венцы. Гало. Солнечный столб и солнечный крест. Фата-моргана. Норвежская спиральная аномалия. Стробоскопический эффект в дневном свете.

         Факультативно. Линза Френеля.

         Факультативно. Фурье-оптика.

 

                   Лекция 39 (2010г.).

         Факультативно. Разделение переменных в сферической системе координат при решении уравнения Гельмгольца.

         Факультативно. Связь интенсивности света и объемной плотности энергии световой волны.

         Факультативно. Почему фазовая, а не групповая скорость.

         Факультативно. Эффект Зеемана. Сигма-плюс, сигма-минус, пи- компоненты света.

         Факультативно. Отражение радиоволн от поверхности проводника.

         Факультативно. Условие равенства в неравенстве ΔΩ * Δ>= 1/2.

         Факультативно. Разложение светового поля по плоским монохроматическим волнам.

 

                   Лекция 40 (2010г.).

         Факультативно. Элементы квантовой механики. Волна де Бройля.

         Факультативно. Дифракция и интерференция электронов.

         Факультативно. Квантование энергии атома водорода.

         Факультативно. Полуклассическое описание излучения и поглощения света. Разрешенные и запрещенные переходы. Правила отбора.

         Факультативно. Дифференциальное уравнение для волновой функции.

         Факультативно. Сжатое состояние света.