Содержание курса лекций по оптике

2024/2025 учебный год. Крылов И. Р.

 

                   Лекция 1.

         Введение.

         Оптика, как предмет физики.

         Излучение ускоренно движущегося заряда и излучение диполя.

         Диаграмма направленности излучения диполя.

         Световые волны в прозрачной изотропной среде.

         Волновые уравнения для светового поля в прозрачной изотропной среде.

 

                   Лекция 2.

         Лекционные демонстрации, 6 минут.

         Частные решения волнового уравнения.

         Параметры плоской монохроматической волны.

         Фазовая скорость волны.

         Поперечность световых волн.

 

                   Лекция 3.

         Поперечность световых волн (продолжение).

         Соотношение величин полей E и H в бегущей световой волне.

         Интенсивность света.

         Поляризация света. Линейная поляризация.

         Старое определение плоскости поляризации.

         Расширенное понятие интерференции, механизм поглощения света, механизм уменьшения фазовой скорости света в среде.

         Пленочный поляризатор или поляроид.

         Поляроидные очки для стереокино.

 

                   Лекция 4.

         Лекционные демонстрации, 10 минут.

         Циркулярно поляризованный свет или свет круговой поляризации.

         Эллиптическая поляризация света.

         Групповая скорость волн.

         Обычно групповая скорость света меньше фазовой скорости.

         Стоячие световые волны.

 

                   Лекция 5.

         Стоячие световые волны (продолжение).

         Коэффициенты Эйнштейна.

         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.

         Уровни энергии твердого тела.

         Полупроводники n- и p-типа.

         Полупроводниковый диод.

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

         Светодиод.

         Полупроводниковые лазеры. Управление частотой полупроводникового лазера.

 

                   Лекция 7.

         Твердотельные лазеры с нелинейным кристаллом.

         Центр инверсии. Хиральность. Оптическая активность.

         Условие фазового синхронизма.

         Излучение Вавилова — Черенкова. Черенковский счетчик.

         Закон отражения и преломления света.

         Формулы Френеля. Амплитудные коэффициенты отражения и пропускания.

 

                   Лекция 8.

         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.

         Отражение света при скользящем падении луча.

         Зеркало телескопа для мягкого рентгеновского излучения.

         Полное внутреннее отражение света.

 

                   Лекция 9.

         Лекционные демонстрации, 19 минут.

         Полное внутреннее отражение в 45-градусной 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.

         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.

         Лучевая и фазовая скорости в простейшем частном случае.

         Фазовая пластинка.

         Пластинки λ / 4 и λ / 2.

 

                   Лекция 11.

         Лекционные демонстрации, 5 минут.

         Пластинка λ / 2.

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

         Оптическая ось кристалла. Одноосные и двуосные кристаллы.

         Обыкновенный и необыкновенный луч.

         Построение двойной лучевой поверхности с помощью лучевого эллипсоида.

         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.

 

                   Лекция 12.

         Лекционные демонстрации, 11 минут.

         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.

         Гомоцентрический пучок лучей. Приведенный радиус кривизны. Правило ABCD.

         Гауссов пучок — хорошее приближение для описания лазерного пучка лучей.

         Глаз.

         Три цвета радуги. Свет и цвет.

         Фотометрический парадокс Ольберса.

         Лупа. Увеличение лупы.

         Окуляр.

 

                   Лекция 14.

         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.

         Апертурная диафрагма. Входной и выходной зрачок. Апертура. Относительное отверстие.

         Распространение света в неоднородной среде. Эйконал. Уравнение эйконала.

 

                   Лекция 15.

         Эйконал по Бутикову.

         Уравнение для вычисления траектории в неоднородной среде.

         Принцип Ферма.

         Из принципа Ферма можно получить закон преломления.

         Рефракция.

         Спектр света.

         Диапазоны электромагнитных волн и источники излучения.

 

                   Лекция 16.

         Миражи.

         Разложение светового поля по частотам.

         Ряды Фурье для светового поля.

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

         Теорема Парсеваля.

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

         Соотношение неопределенности частоты и времени.

 

                   Лекция 17.

         Соотношение неопределенности частоты и времени (продолжение).

         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.

         Интенсивность при сложении двух световых волн произвольной поляризации.

         Связь ширины интерференционных полос и угла между интерферирующими волнами.

         Интерференция лазерных и интерференция нелазерных источников света.

 

                   Лекция 18.

         Лекционные демонстрации 9 минут.

         Интерференция лазерных и интерференция нелазерных источников света (продолжение).

         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.

         Квазимонохроматический свет. Относительная спектральная ширина источника света.

         Длина и время когерентности.

 

                   Лекция 19.

         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.

         Полосы равного наклона.

         Полосы равной толщины.

 

                   Лекция 20.

         Кольца Ньютона.

         Полосы равного наклона в интерферометре Майкельсона.

         Полосы равной толщины в интерферометре Майкельсона.

         Интерферометр Жамена.

         Интерферометр Рождественского.

         Интерферометр Рэлея.

         Дифракция. Интегральная теорема Кирхгофа.

         Скалярная теория дифракции Кирхгофа.

 

                   Лекция 21.

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

         Трудности теории дифракции Кирхгофа.

         Формулы Стрэттона — Чу.

         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 22.

         Лекционные демонстрации 13 минут.

         Дифракция Фраунгофера на круглом отверстии.

         Дифракция Фраунгофера на одной щели.

         Дифракция Фраунгофера на прямоугольном отверстии.

         Дифракция Фраунгофера и фурье-образ амплитудного коэффициента пропускания экрана.

         Алгоритм Герчберга — Сакстона.

 

                   Лекция 23.

         Лекционные демонстрации 10 минут.

         Принцип Бабине.

         Дифракция Френеля на краю экрана. Спираль Корню.

         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.

 

                   Лекция 24.

         Лекционные демонстрации 23 минуты.

         Аппаратная функция дифракционной решетки (продолжение).

         Дифракционная решетка с отсутствующими четными главными дифракционными максимумами.

         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.

 

                   Лекция 25.

         Лекционные демонстрации 13 минут.

         Дифракционный предел разрешения телескопа и глаза.

         Понятие о разрешающей способности микроскопа.

         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.

 

                   Лекция 26.

         Комплексный показатель преломления. Его связь с коэффициентом поглощения и вещественным показателем преломления. Закон Бугера — Ламберта — Бера (продолжение).

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

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

         Причина неравенства n больше единицы 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.

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

 

                   Лекция 27 (лекция 27 за 2022 год).

         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 * Δt >= 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.