Содержание курса лекций по оптике

2023/2024 учебный год. Крылов И. Р.

Лекция 1.

Факультативно. Введение.

Факультативно. Оптика, как предмет физики.

Излучение ускоренно движущегося заряда и излучение диполя.

Лекционные демонстрации 14 минут с 58 минуты.

Диаграмма направленности излучения диполя.

Лекция 2.

Световые волны в прозрачной изотропной среде.

Волновые уравнения для светового поля в прозрачной изотропной среде.

Частные решения волнового уравнения.

Параметры плоской монохроматической волны.

Фазовая скорость волны.

Поперечность световых волн.

Лекция 3.

Поперечность световых волн (продолжение).

Соотношение 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.

Пленочный поляризатор или поляроид.

Поляроидные очки для стереокино.

Лекция 4.

Лекционные демонстрации, 27 минут.

Циркулярно поляризованный свет или свет круговой поляризации.

Эллиптическая поляризация света.

Групповая скорость волн.

Обычно групповая скорость света меньше фазовой скорости.

Лекция 5.

Стоячие световые волны.

Коэффициенты Эйнштейна.

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

Продольные и поперечные моды 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 генерации полупроводникового лазера.

Твердотельные лазеры с нелинейным кристаллом.

Центр инверсии. Хиральность. Оптическая активность.

Условие фазового синхронизма.

Излучение Вавилова — Черенкова. Черенковский счетчик.

Лекция 8.

Закон преломления (закон Снеллиуса) и закон отражения света.

Формулы Френеля. Амплитудные коэффициенты отражения и пропускания.

Угол Брюстера и брюстеровские окна лазерных трубок.

Коэффициенты отражения и пропускания по энергии.

Лекция 9.

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.

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.

Лекция 10.

Светоделительный куб. Оптический контакт.

Фазовый сдвиг поляризаций при полном внутреннем отражении света.

Параллелепипед Френеля.

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

Лучевая и фазовая скорости световой волны в кристалле.

Лучевая и фазовая скорости в простейшем частном случае.

Лекция 11.

Фазовая пластинка.

Пластинки λ/4 и λ/2.

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

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.

Лекция 12.

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. Фокус. Фокусное расстояние.

Построение изображений в тонкой линзе. Действительное и мнимое изображение.

Лекция 13.

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.

Гауссов пучок — хорошее приближение для описания лазерного пучка лучей.

Глаз.

Три цвета радуги. Свет и цвет.

Лекция 14.

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.

Аберрация. Хроматическая аберрация.

Лекция 15.

Сферическая аберрация, астигматизм, дисторсия, кома.

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.

Принцип Ферма.

Рефракция.

Миражи.

Лекция 16.

Спектр света. Диапазоны электромагнитных волн и источники излучения.

Разложение светового поля по частотам.

Ряды Фурье для светового поля.

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

Лекция 17.

Теорема Парсеваля.

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

Соотношение неопределенности частоты и времени.

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 света при сложении двух световых волн произвольной поляризации.

Связь ширины интерференционных полос и угла между интерферирующими волнами.

Лекция 18.

Интерференция лазерных и интерференция нелазерных источников света.

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.

Лекция 19.

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.

Полосы равного наклона.

Полосы равной толщины.