Основы электромагнитной теории теории света

Система уравнений Максвелла. Поперечность электромагнитных волн. Плоские и сферические монохроматические волны и возможность их экспериментального осуществления, Энергия, переносимая электромаг­нитной волной. Понятие интенсивности. Суперпозиция электромагнитных волн. Биения. Стоячие волны. Поляризация электромагнитных волн. Виды поляризации.

Квазимонохроматические волны. Фурье-анализ и Фурье-синтез вол­новых полей. Спектр импульсов излучения. Соотношение между продол­жительностью импульса и шириной спектра.

Энергетические характеристики излучения. Переход от энергетиче­ских величин к световым. Функция видности. Единицы для световых из­мерений.

Интерференция света

Понятие о когерентности. Интерференция волн. Общая интерферен­ционная схема. Видимость интерференционной картины. Осуществление когерентных волн в оптике по методу деления волнового фронта и методу деления амплитуды. Линии равного наклона и равной толщины. Кольца Ньютона.

Значение размеров источника света. Пространственная когерентность. Интерференция немонохроматических световых пучков. Временная коге­рентность.

Многолучевая интерференция. Формулы Эйри, Интерферометр Фаб­ри-Перо.

Интерферометр Майкельсона, Маха-Цендера, Тваймана-Грина, Рож­дественского. Звездный интерферометр.

Применение интерференции в рефрактометрии, спектроскопии, мет­рологии. Диэлектрические зеркала и просветление оптики. Другие приме­нения интерференции.

Дифракция света

Принцип Гюйгенса-Френеля, его интегральная запись. Метод зон Фре­неля. Зонная пластинка. Применение векторных диаграмм для анализа ди­фракционных картин. Дифракция на круглом отверстии и экране. Принцип Бабине. Дифракция на краю полубесконечного экрана. Спираль Корню.

Приближения Френеля и Фраунгофера. Пространственное преобразо­вание Фурье, угловой спектр, связь его ширины с размерами отверстия. Дифракция Фраунгофера на щели, на прямоугольном и круглом отверсти­ях. Амплитудные и фазовые дифракционные решетки. Дифракция на аку­стических волнах.

Спектральный анализ в оптике. Призменные, дифракционные и ин­терференционные спектральные приборы и их основные характеристики.

Основные понятия Фурье-оптики

Линза как элемент, осуществляющий преобразование Фурье. Дифрак­ционное образование изображения линзой. Предел разрешающей способно­сти оптических приборов. Метод темного поля. Метод фазового контраста. Основные понятия о пространственной фильтрации изображений.

Физические основы метода голографической записи изображений. Схемы записи и восстановления тонкослойных и толстослойных голо­грамм. Особенности голограмм как носителей информации. Применение голографии.

Распространение света в изотропных средах

Классическая электронная теория дисперсии. Нормальная и аномаль­ная дисперсии. Фазовая и групповая скорости света, их соотношения. По­глощение света. Закон Бугера-Ламберта-Бера.

Отражение и преломленне света на границе раздела между диэлектри­ками. Формулы Френеля. Следствия, вытекающие из формул Френеля. Полное внутреннее отраженне.

Распространение света в проводящих средах. Глубина проникновения. Распространение света в оптически неоднородной среде. Природа процессов рассеяния света. Рэлеевское рассеяние и рассеяние Ми. Физическая сущность рассеяния Мандельштама-Бриллюэна и комбинационного рассеяния.

Распространение света в анизотропных средах

Распространение световых волн в анизотропной среде: экспериментальные факты и элементы теории. Уравнения волновых нормалей Френеля. Фазовая и лучевая скорости. Одноосные и двухосные кристаллы. Двойное лучепреломление света. Качественный анализ распространения света с помошью построения Гюйгенса. Интерференция поляризованных волн. Поляризационные приборы, четвертьволновые и полуволновые пластинки. Получение и анализ эллиптически поляризованного света. Понятие о гиротропных средах. Естественная оптическая активность. Сахариметрия. Анизотропия оптических свойств, индуцированная механической деформацией, электрическим (эффекты Поккельса и Керра). магнитным (эффекты
Фарадея и Коттона-Муттона) полями.

Геометрическая оптика и простейшие оптические приборы

Геометрическая оптика как предельный случай волновой оптики. Уравнение эйконала и объяснение искривления луча в оптически неодно­родных средах. Центрированная оптическая система и ее кардинальные элементы. Построение изображения в оптических системах. Аберрация оп­тических систем (астигматизм, сферическая и хроматическая аберрации). Простейшие оптические приборы.

Тепловое излучение

Классические модели излучения света. Модель затухающего дипольного осциллятора. Естественная ширина линии излучения. Лоренцева форма и ширина линии излучения. Уширение спектральных линий. Однородные и неоднородные уширения. Ударное уширение. Доплеровское уширение. Форма составной линии уширения.

Основные законы теплового излучения. Излучательная и поглошательная способности вещества и их соотношения. Модель абсолютно чер­ного тела. Закон Стефана-Больцмана. Формула смешения Вина. Формула Рэлея-Джинса. Формула Планка.

Основные представления о квантовой теории света

Спонтанные и вынужденные переходы. Коэффициенты Эйнштейна. Резонансное усиление света при инверсной заселенности энергетических уровней. Методы создания инверсной заселенности в различных средах. Лазеры - устройство и принцип работы. Роль оптического резонатора. Ус­ловие стационарной генерации (баланс фаз и баланс амплитуд). Продоль­ные и поперечные моды. Спектральный состав изучения лазеров. Синхро­низация мод, генерация сверхкоротких импульсов. Энергетические харак­теристики лазерных систем.

Нелинейные явления в оптике

Нелинейная поляризация среды в поле высокоинтенсивного лазерного излучения. Оптическое детектирование и генерация гармоник. Самовоздействие света в нелинейной среде. Самофокусировка и дефокусировка луча. Вынужденное комбинационное рассеяние света.

Фотоэффект

Основные экспериментальные закономерности и их истолкование. Фотоэлектрические приемники света. Шумы фотоэлектронных приемни­ков излучения.

ОПТИКА- ФЭ

Учебно-методическая карта дисциплины

Номер раздела, темы, занятия	Название раздела, темы, занятия; перечень изучаемых вопросов	Количество аудиторных часов	Материальное обеспечение занятия (наглядные, методические пособия и др.)	Литература	Формы контроля знаний
лекции	практические (семинарские) занятия	лабораторные занятия	контролируемая самостоятельная работа студента
	Раздел 1. Введение		-	-	-
1.1	Введение 1. Предмет оптики 2. Эволюция представлений о природе света 3. Электромагнитная природа света 4. Характеристика оптического диапазона электромагнитных волн. 5. Источники и приемники оптического излучения		-	-	-		[1] [2] [3]
	РАЗДЕЛ 2. ОСНОВЫ ЭЛЕКТРОМАГНИТНОЙ ТЕОРИИ СВЕТА			-
2.1	Уравнения Максвелла и их решения 1. Система уравнений Максвелла. 2. Поперечность электромагнитных волн. 3. Плоские и сферические монохроматические волны и возможность их экспериментального осуществления. 4. Энергия, переносимая электромагнитной волной. 5. Понятие об интенсивности электромагнитной волны.	-		-		Раздаточный материал к практическому занятию	[1] [2] [3] [4] [5]	Групповая консультация
2.2	Суперпозиция электромагнитных волн 1. Суперпозиция электромагнитных волн. 2. Биения. 3. Стоячие волны. 4. Поляризация электромагнитных волн. 5. Виды поляризации.		-	-	-	Демонстрация поляризации света.	[1] [2] [3] [4] [5]
2.3	Фурье-анализ и Фурье-синтез волновых полей 1. Квазимонохроматические волны. 2. Фурье-анализ и Фурье-синтез волновых полей. 3. Спектр импульсов излучения. 4. Соотношение между продолжительностью импульса и шириной спектра.		-	-	-		[4] [5] [21]
2.4	Энергетические и световые характеристики излучения 1. Энергетические характеристики излучения. 2. Световые характеристики излучения. 3. Переход от энергетических величин к световым. 4. Функция видности. 5. Размерности величин и единицы для энергетических и световых измерений.	-		-		Раздаточный материал к практическому занятию	[1] [3] [22]	Групповая консультация
	РАЗДЕЛ 3. ИНТЕРФЕРЕНЦИЯ СВЕТА			-
3.1	Интерференция волн 1. Интерференция волн как физическое явление. 2. Условия стационарной интерференции; понятие о когерентности. 3. Общая интерференционная схема и ее расчет (по опыту Юнга) 4. Видимость интерференционной картины.			-	-	Раздаточный материал к практическому занятию	[1] [2] [3] [4] [5]	Групповая консультация
3.2	Осуществление когерентных волн в оптике 1. Осуществление когерентных волн по методу деления волнового фронта. 2. Осуществление когерентных волн по методу деления амплитуды. 3. Линии равного наклона. 4. Линии равной толщины. Кольца Ньютона.			-	-	Плакаты. Раздаточный материал к практическому занятию	[1] [2] [3] [4] [5]
3.3	Пространственная и временная когерентность 1. Значение размеров источника для наблюдения интерференции 2. Пространственная когерентность. 3. Интерференция немонохроматических пучков. 4. Временная когерентность.		-	-	-		[1] [2] [3] [4] [5]	Защита отчетов по лабораторным работам.
3.4	Многолучевая интерференция 1. Многолучевая интерференция 2. Формулы Эйри. 3. Интерферометр Фабри – Перо.		-	-	-	Демонстрация интерференционной картины	[1] [2] [3] [4] [5] [23]
3.5	Интерференционные приборы и их практическое применение 1. Интерферометры Майкельсона, Маха – Цендера, Тваймана – Грина, Рождественского. 2. Звездный интерферометр. 3. Диэлектрические зеркала и просветление оптики. 4. Применение интерференции в рефрактометрии, спектроскопии, метрологии; другие применения интерференции.	-		-		Раздаточный материал к практическому занятию	[1] [2] [3] [4] [5] [24]	Групповая консультация
	РАЗДЕЛ 4. ДИФРАКЦИЯ СВЕТА			-
4.1	Объяснение дифракции на основе принципа Гюйгенса - Френеля 1. Явление дифракции и условия его наблюдения. 2. Принцип Гюйгенса – Френеля, его интегральная запись. 3. Метод зон Френеля; зонная пластинка. 4. Применение векторных диаграмм для анализа дифракционных картин. 5. Дифракция на круглом отверстии и экране. 6. Принцип Бабине. 7. Дифракция на краю полубесконечного экрана; спираль Корню.		-	-	-		[1] [2] [3] [4] [5] [18]
4.2	Дифракция Френеля и Фраунгофера 1. Приближения Френеля и Фраунгофера. 2. Пространственное преобразование Фурье, угловой спектр, связь его ширины с размерами отверстия. 3. Дифракция Фраунгофера на щели. 4. Дифракция Фраунгофера на прямоугольном отверстии. 5. Дифракция Фраунгофера на круглом отверстии.			-	-	Демонстрация дифракции на щелях, малом препятствии. Раздаточный материал к практическому занятию	[1] [2] [3] [4] [5] [12] [13] [15]
4.3	Дифракция Фраунгофера на дифракционных решетках 1. Дифракция Фраунгофера на одномерной дифракционной решетке. 2. Дифракция на двумерной и трехмерной решетках. 3. Амплитудные и фазовые дифракционные решетки. 4. Дифракция на акустических волнах.	-		-		Демонстрация дифракции на одномерной и двумерной дифракционных решетках. Раздаточный материал к практическому занятию	[1] [2] [3] [4] [5] [12] [13] [15]	Групповая консультация
4.4	Спектральный анализ в оптике 1. Физические основы спектрального анализа в оптике. 2. Принципиальная схема оптического спектрального прибора. 3. Призменные, дифракционные и интерференционные спектральные приборы. 4. Основные характеристики спектральных приборов.	-		-		Оптические схемы приборов на плакатах. Раздаточный материал к практическому занятию	[1] [4] [23] [25]	Групповая консультация
	РАЗДЕЛ 5. ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ ФУРЬЕ-ОПТИКИ		-	-	-
5.1	Фурье-преобразование в оптической системе 1. Линза как элемент, осуществляющий преобразование Фурье. 2. Дифракционное образование изображения линзой. 3. Предел разрешающей способности оптических приборов. 4. Метод темного поля. 5. Метод фазового контраста. 6. Основные понятия о пространственной фильтрации изображений.		-	-	-		[1] [4] [23] [26]
5.2	Оптическая голография 1. Физические основы метода голографической записи изображений. 2. Схемы записи и восстановления тонкослойных и толстослойных голограмм. 3. Особенности голограмм как носителей информации. 4. Применение голографии.		-	-	-		[1] [2] [3] [4] [26]
	РАЗДЕЛ 6. РАСПРОСТРАНЕНИЕ СВЕТА В ИЗОТРОПНЫХ СРЕДАХ			-	-
6.1	Классическая электронная теория дисперсии 1. Суть явления дисперсии. 2. Электронная теория дисперсии. 3. Нормальная и аномальная дисперсии; методы их наблюдения. 4. Фазовая и групповая скорости света, их соотношение.		-	-	-		[1] [2] [3] [4] [5]
6.2	Поглощение света 1. Поглощение света веществом; механизм поглощения. 2. Закон Бугера – Ламбера – Бера. 3. Оптическая плотность вещества. 4. Отклонения от закона Бугера – Ламберта – Бера.			-	-	Раздаточный материал к практическому занятию	[1] [2] [15] [26]
6.3	Отражение и преломление света на границе раздела диэлектриков 1. Оптические явления на границе прозрачных диэлектриков. 2. Формулы Френеля. 3. Следствия, вытекающие из формул Френеля. 4. Полное внутреннее отражение. 5. Распространение света в проводящих средах; глубина проникновения.			-	-	Раздаточный материал к практическому занятию	[1] [2] [3] [4] [5] [26
6.4	Распространение света в оптически неоднородной среде 1. Природа процессов рассеяния света. 2. Рэлеевское рассеяние и рассеяние Ми. 3. Физическая сущность рассеяния Мандельштама – Бриллюэна. 4. Физическая сущность комбинационного рассеяния.		-	-	-		[1] [2] [3] [4] [26]
	РАЗДЕЛ 7. РАСПРОСТРАНЕНИЕ СВЕТА В АНИЗОТРОПНЫХ СРЕДАХ			-
7.1	Распространение световых волн в анизотропной среде 1. Экспериментальные факты и элементы теории распространения световых волн в анизотропной среде 2. Фазовая и лучевая скорости. 3. Одноосные и двуосные кристаллы. 4. Двойное лучепреломление света. 5. Качественный анализ распространения света с применением построения Гюйгенса.			-	-	Раздаточный материал к практическому занятию	[1] [2] [3] [4] [5]
7.2	Интерференция поляризованного света 1. Поляризационная микроструктура света. 2. Условия интерференции поляризованных пучков. 3. Интерференция поляризованного света в сходящихся пучках. 4. Коноскопические фигуры.		-	-	-		[1] [2] [3] [5] [18]
7.3	Получение и анализ эллиптически поляризованного света 1. Естественный и поляризованный свет. 2. Поляризационные приборы, четвертьволновые и полуволновые пластинки. 3. Последовательность анализа состояния поляризации светового пучка.	-	-	-			[1] [2] [3] [5] [18]	Групповая консультация
7.4.	Искусственная анизотропия 1. Анизотропия оптических свойств, индуцированная механической деформацией. 2. Анизотропия оптических свойств, индуцированная электрическим полем (эффекты Поккельса и Керра). 3. Анизотропия оптических свойств, индуцированная магнитным полем (эффект Коттона – Мутона).			-	-	Раздаточный материал к практическому занятию	[1] [2] [3] [4] [5] [18] [26]
7.5	Естественная и искусственная оптическая активность 1. Понятие о гиротропных средах. 2. Естественная гиротропия; теория Френеля. 3. Искусственная гиротропия (эффект Фарадея) 4. Применение гиротропии. Сахариметрия.	-		-		Раздаточный материал к практическому занятию	[1] [3] [4] [5] [18] [26] [27]	Групповая консультация. Контрольная работа по материалу разделов 2 -8.
	РАЗДЕЛ 8. Геометрическая оптика и простейшие оптические приборы			-	-
8.1	Центрированная оптическая система и ее кардинальные элементы 1. Основные законы геометрической оптики. 2. Центрированная оптическая система. 3. Кардинальные элементы (точки, плоскости, отверстия) центрированной оптической системы. 4. Построение изображений в оптических системах. 5. Простейшие оптические приборы.			-	-	Раздаточный материал к практическому занятию	[1] [2] [3] [4]
8.2	Ход луча в оптически неоднородных средах 1. Геометрическая оптика как предельный случай волновой оптики. 2. Уравнение эйконала и объяснение искривления луча в оптически неоднородных средах. 3. Аберрации оптических систем (астигматизм, сферическая и хроматическая аберрации). 4. Влияние аберраций на характеристики оптических приборов.		-	-	-		[1] [2] [3] [4] [11]
	РАЗДЕЛ 9. ТЕПЛОВОЕ ИЗЛУЧЕНИЕ			-	-
9.1	Классические модели излучения света 1. Модель затухающего дипольного осциллятора. 2. Естественная ширина линии излучения. 3. Лоренцева форма и ширина линии излучения. 4. Уширение спектральных линий: однородные и неоднородные уширения; ударное уширение; доплеровское уширение. 5. Форма составной линии уширения.		-	-	-		[1] [2] [3] [4] [28]
9.2	Основные законы теплового излучения 1. Излучательная и поглощательная способность вещества и их соотношения. 2. Модель абсолютно черного тела. 3. Закон Стефана – Больцмана. 4. Формула смещения Вина. 5. Формула Рэлея – Джинса. 6. Формула Планка			-	-	Раздаточный материал к практическому занятию	[1] [2] [3] [4] [18]
	РАЗДЕЛ 10. ОСНОВНЫЕ ПРЕДСТАВЛЕНИЯ О КВАНТОВОЙ ТЕОРИИ СВЕТА		-	-	-
10.1	Усиление излучения при прохождении через лазерную активную среду 1. Спонтанные и вынужденные переходы. 2. Коэффициенты Эйнштейна, их физический смысл. 3. Резонансное усиление света при инверсной заселенности энергетических уровней. 4. Методы создания инверсной заселенности в различных средах.		-	-	-		[1] [2] [4] [29]
10.2	Устройство и принцип действия лазера 1. Основные элементы лазера и их назначение. 2. Функции оптического резонатора. 3. Условие стационарной генерации (баланс фаз и баланс амплитуд).		-	-	-		[1] [2] [4] [29]
10.3	Излучение лазера и его свойства 1. Собственные моды резонатора (продольные и поперечные). 2. Спектральный состав излучения лазера. 3. Синхронизация мод; генерация сверхкоротких импульсов. 4. Свойства лазерного излучения. 5. Энергетические характеристики лазерных систем.		-	-	-		[1] [2] [4] [29]
	РАЗДЕЛ 11. НЕЛИНЕЙНЫЕ ЯВЛЕНИЯ В ОПТИКЕ		-	-	-
	1. Нелинейная поляризация среды в поле высокоинтенсивного лазерногоизлучения. 2. Оптическое детектирование и генерация гармоник; условия фазового синхронизма. 3. Самовоздействие света в нелинейной среде. 4. Самофокусировка и дефокусировка лазерного пучка. 5. Вынужденное комбинационное рассеяние света.		-	-	-		[1] [2] [3] [4]
	РАЗДЕЛ 12. ФОТОЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ЭФФЕКТ			-	-
	Фотоэлектрический эффект и его законы 1. Опыты Герца и Столетова. 2. Законы фотоэффекта. 3. Невозможность объяснения фотоэффекта на основе классической теории. 4. Уравнение Эйнштейна; объяснение законов фотоэффекта в квантовой теории. 5. Фотоэлектрические приемники света, их параметры и характеристики. 6. Шумы фотоэлектронных приемников излучения.			-	-	Раздаточный материал к практическому занятию	[1] [2] [3] [4]
	ВСЕГО:			-