Місце навчальної дисципліни в структурно-логічній схемі спеціальності.

Нормативна навчальна дисципліна «ОПТИКА» є складовою частиною циклу професійної підготовки фахівців освітньо-кваліфікаційного рівня "бакалавр", та базовою для вивчення більшості спеціальних дисциплін на кафедрах оптики та астрономії. Дисципліна «ОПТИКА» є логічним продовженням та тісно зв’язана з базовою навчальною дисципліною «ЕЛЕКТРИКА», яка також викладається в рамках нормативного курсу «ЗАГАЛЬНА ФІЗИКА» для студентів фізичного факультету.

Контроль знань.

Оцінювання знань студентів здійснюється за модульно-рейтинговою системою.

Контроль здійснюється за наступними формами:

 

Поточний контроль, лабораторні роботи (кількість балів)

- виконання лабораторної роботи: 0 - не виконана

1 - виконана

2 - виконана з додатковими завданнями

- оформлення протоколу лабораторної роботи: 0 - не оформлений

1 – оформлений задовільно

2 – оформлений добре

3 – оформлений відмінно

- захист лабораторної роботи: 0 - не захищена

1 – захищена задовільно

2 – захищена добре

3 – захищена відмінно

- Максимальна кількість робіт у лабораторному практикумі - N

	Виконання роботи (В)	Оформлення протоколів робіт (О)	Захист лабораторних робіт (З)	Разом (підсумкова оцінка)
Максимальна кількість балів	N×2	N×3	N×3
Вагові коефіцієнти	kВ=5/N	kО=10/N	kЗ=20/N
Максимальна оцінка (бали)

Розрахунок зваженої підсумкової оцінки (залік):

ПО= В × k_В+ О × k_О + З × k_З

- Приклад: Максимальна кількість робіт у лабораторному практикумі – N=10

	Виконання роботи (В)	Оформлення протоколів робіт (О)	Захист лабораторних робіт (З)	Разом (підсумкова оцінка)
Максимальна кількість балів	10×2=20	10×3=30	10×3=30
Вагові коефіцієнти	kВ=0,5	kО=1,0	kЗ=2,0
Максимальна оцінка (бали)

Розрахунок зваженої підсумкової оцінки (залік):

ПО= В × 0.5 + О × 1.0 + З × 2.0

Поточний контроль, семінари (Бали: 0-не задовільно, 1-задовільно, 2-добре,3-відмінно):

- 1. домашня письмова робота ( ДР, кількість робіт – N1 ) 0, 1, 2, 3

- 2. усна відповідь ( УВ, максимальна кількість відповідей – N2 ) 0, 1, 2, 3

- 3. письмові самостійні роботи ( СР, кількість робіт – N3 ) 0, 1, 2, 3

- 4. модульні контрольні роботи ( МК, кількість робіт – 1 ) 0, 1, 2, 3

	ДР	УВ	СР	МК	Разом (підсумкова оцінка)
Максимальна кількість балів	N1 ×3	N2 ×3	N3 ×3
Вагові коефіцієнти	kДР=5/ N1	kУВ=5/ N2	kСР=5/ N3	kМК=18,33
Максимальна оцінка (бали)

Розрахунок зваженої підсумкової оцінки:

ПО= ДР × k_ДР+ УВ × k_УВ+ СР × k_СР + МК × k_МК .

Приклад: (кількість ДР – 10, кількість УВ – 5, кількість СР – 3)

	ДР	УВ	СР	МК	Разом (підсумкова оцінка)
Максимальна кількість балів	10×3=30	5×3=15	3×3=9
Вагові коефіцієнти	kДР=0,50	kУВ=1,00	kСР=1,67	kМК=18,33
Максимальна оцінка (бали)

Розрахунок зваженої підсумкової оцінки:

ПО= ДР × 0,50 + УВ × 1,00 + СР × 1,67 + МК × 18,33

Модульний контроль

 

	Колоквіум (К)	Семінари (С1)	Змістовий модуль 1 (ЗМ1)
Максимальна кількість балів
Вагові коефіцієнти (%)	kК=0,5 50%	kС1=0,5 50%	100%
Максимальна оцінка (бали)

Розрахунок зваженої підсумкової оцінки (модульний контроль):

ПО= К × k_К + С1 × k_С1.

	Підсумкова контрольна робота (ПК)	Семінари (С2)	Змістовий модуль 2 (ЗМ2)
Максимальна кількість балів
Вагові коефіцієнти (%)	kПК=0,5 50%	kС2=0,5 50%	100%
Максимальна оцінка (бали)

Розрахунок зваженої підсумкової оцінки (модульний контроль):

ПО= ПК × k_ПК + С2 × k_С2.

 

Підсумковий контроль, іспит

Студенти, які отримали кількість балів менше 60 -тиза лабораторні роботи та змістовні модулі ЗМ₁ та ЗМ₂, не допускаються до складання іспиту.

Студенти, які отримали кількість балів менше 60 -тиза складання іспиту, повинні складати іспит повторно.

	Змістовий модуль 1 (ЗМ1)	Змістовий модуль 2 (ЗМ2)	Лабораторні роботи (ЛР)	Іспит (І)	Разом (підсумкова оцінка)
Максимальна кількість балів
Вагові коефіцієнти (%)	k1=0,15 15%	k2=0,15 15%	kлр=0,3 30%	kісп=0,4 40%	100%
Максимальна оцінка (бали)

Розрахунок зваженої підсумкової оцінки (іспит):

ПО= ЗМ₁ × k₁ + ЗМ₂ × k₂ + ЛР × k_лр+ І × k_ісп.

При цьому, кількість балів відповідає оцінці :

Незадовільно»

Задовільно»

75 - 89 – «добре»;

Відмінно».

Шкала відповідності

За 100-бальною шкалою	Оцінка за національною шкалою
90 – 100		відмінно	зараховано
75 – 89		добре
60 – 74		задовільно
1 – 59		незадовільно	не зараховано

НАВЧАЛЬНО-ТЕМАТИЧНИЙ ПЛАН ЛЕКЦІЙ І СЕМІНАРСЬКИХ ЗАНЯТЬ

№ лекції	ТЕМИ, Назва лекції	Кількість годин
лекції	семінари	лаборат. роботи	самост. робота
Змістовий модуль 1
	ВСТУП.
	ЕЛЕКТРОМАГНІТНА ПРИРОДА СВІТЛА. Властивості електромагнітних хвиль.
	Поляризація світла.
	ПОШИРЕННЯ, ВІДБИВАННЯ ТА ЗАМОВЛЕННЯ СВІТЛА. Відбивання та заломлення світла на плоскій межі поділу двох діелектриків.
	Повне внутрішнє відбивання.
	Поширення електромагнітних хвиль в поглинаючих середовищах.
	ПРОМЕНЕВА ОПТИКА.
	КВАЗІМОНОХРОМАТИЧНЕ СВІТЛО. Суперпозиція різночастотних коливань. Хвильовий цуг.
	Спонтанне випромінювання атома. Ширина лінії лазерного джерела випромінювання.
	ІНТЕРФЕРЕНЦІЯ СВІТЛА. Інтерференція плоских монохроматичних хвиль та монохроматичних хвиль від двох точкових джерел.
	Інтерференція типу Френеля та типу Ньютона (поділ хвильового фронту та поділ амплітуди).
	Просторова та часова когерентність.
	Функція кореляції та просторово-часова когерентність.
	Застосування двохпроменевої інтерференції.
	Інтерференційні дослідження.
Модульний контроль (контрольна робота, колоквіум)

 

№ лекції	ТЕМИ, Назва лекції	Кількість годин
лекції	семінари	лаборат. роботи	самост. робота
Змістовий модуль 2
	Багатопроменева інтерференція.
	Світловоди.
	ДИФРАКЦІЯ СВІТЛА. Зони Френеля.
	Дифракція Френеля на краю екрана.
	Дифракція Фраунгофера.
	Дифракційні гратки Роздільна здатність оптичних приладів.
	Основи голографії.
	ПОГЛИНАННЯ ТА ДИСПЕРСІЯ СВІТЛА. Класична теорія дисперсії.
	Дисперсія у конденсованому середовищі.
	МОЛЕКУЛЯРНА ОПТИКА. Молекулярне розсіяння світла
	ЕЛЕКТРОМАГНІТНІ ХВИЛІ В АНІЗОТРОПНИХ СЕРЕДОВИЩАХ. Поширення світла в анізотропному середовищі.
	Поляризоване світло.
	ЕЛЕМЕНТИ КВАНТОВОЇ ОПТИКИ.
	ЕЛЕМЕНТИ НЕЛІНІЙНОЇ ОПТИКИ.
	ОПТИКА РУХОМИХ СЕРЕДОВИЩ.
Модульний контроль (підсумкова контрольна робота, залік з лабораторних робіт)
ВСЬОГО

Загальний обсяг - 288 год.

В тому числі:

Лекції – 51 год.

Семінари – 34 год.

Лабораторні роботи – 51 год.

Самостійна робота – 152 год.

 

ПРОГРАМА КУРСУ

 

ВСТУП.

Короткий історичний огляд розвитку оптики. Роль оптики у розвитку науки і техніки та формуванні сучасного світогляду.

Око та зір. Основи фотометрії. Фотометричні одиниці. Еталон сили світла. Механічний еквівалент світла. Зв’язок між енергетичними та світловими одиницями.

Колориметрія. Колориметричні системи. Графік кольорів.

 

ЕЛЕКТРОМАГНІТНА ПРИРОДА СВІТЛА.

Електромагнітна природа світла. Зв’язок оптики з електричними та магнітними явищами. Шкала електромагнітних хвиль. Рівняння Максвела. Хвильове рівняння. Одновимірне хвильове рівняння та його аналіз. Швидкість розповсюдження електромагнітних хвиль. Рівняння Максвелла для електромагнітних хвиль в однорідних діелектриках. Плоскі гармонічні ТЕМ хвилі та їх властивості. Фазова швидкість, хвильовий вектор, абсолютний показник заломлення, закон дисперсії. Комплексні амплітуди. Густина та потік енергії. Стоячі хвилі. Досліди Вінера.

Типи поляризації світла. Елементарний дипольний випромінювач. Сферичні хвилі. Гармонічні хвилі довільної форми. Частково поляризоване світло.

 

ПОШИРЕННЯ, ВІДБИВАННЯ ТА ЗАМОВЛЕННЯ СВІТЛА.

Поширення електромагнітних хвиль в діелектриках. Граничні умови для електричного та магнітного полів на межі поділу двох оптичних середовищ. Замовлення та відбивання світла на плоскій межі поділу двох діелектриків. Формули Френеля. Амплітудні та енергетичні коефіцієнти відбивання. Кут Брюстера. Нормальне падіння. Зсув фаз при відбиванні.

Явище повного внутрішнього відбивання та його застосування. Критичний кут повного відбивання. Хвилі біля межі поділу. Зсув фаз. Застосування повного внутрішнього відбивання. Ромб Френеля, призми, модулятори, рефрактометрія, спектроскопія, світловоди, інтегральна оптика.

Поширення електромагнітних хвиль в поглинаючих середовищах. Показники поглинання та заломлення. Коефіцієнти поглинання та відбивання. Закон Бугера.

 

ПРОМЕНЕВА ОПТИКА.

Геометрична оптика. Граничний перехід від хвильової оптики до геометричної. Принцип Ферма. Поняття про світловий промінь. Заломлення променів на сферичній поверхні. Параксіальне наближення. Теорема Лагранжа–Гельмгольца. Типи лінз. Формула тонкої лінзи. Властивості центрованих оптичних систем. Кардинальні елементи оптичної системи. Додавання ідеальних оптичних систем. Товста лінза як оптична система. Оптична система ока, лупи, телескопа та мікроскопа. Діафрагми оптичних систем, явище віньєтування.

 

КВАЗІМОНОХРОМАТИЧНЕ СВІТЛО.

Квазімонохроматичне світло. Суперпозиція 2-х різночастотних коливань (биття). Хвильовий пакет. Фазова та групова швидкості. Амплітудно модульовані хвилі. Хвильовий цуг та його спектр. Степінь монохроматичності. Спонтанне випромінювання атома. Природний контур спектральної лінії. Розширення контурів спектральних ліній. Ширина лінії лазерного джерела випромінювання.

 

ІНТЕРФЕРЕНЦІЯ СВІТЛА.

Інтерференція світла, принцип суперпозиції, когерентність хвиль. Інтерференція двох монохроматичних хвиль, вплив фазових співвідношень. Ширина полос. Інтерференція монохроматичних хвиль від двох точкових джерел. Форма полос та порядок інтерференції. Отримання когерентних джерел методами поділу хвильового фронту (Інтерференція типу Френеля) та поділу амплітуди (Інтерференція типу Ньютона). Дослід Юнга, бідзеркало Френеля, біпризма Френеля, білінза Бійє, дзеркало Ллойда, досліди Месліна та Поля. Інтерференція світла в плоско паралельній пластині. Полоси рівного нахилу. Полоси рівної товщини. Клин, кільця Ньютона. Локалізація інтерференційних смуг.

Інтерфереція частково когерентного світла Інтерфереція світла від протяжного монохроматичного джерела світла. Просторова когерентність. Вплив кутових розмірів джерела світла на видність інтерференційної картини. Зоряний інтерферометр Майкільсона. Інтерференція немонохроматичного світла. Часова когерентність. Довжина та час когерентності. Приклад 2-х частот. Функція видності інтерференційної картини для цугу скінченої довжини. Функція кореляції та просторово-часова когерентність Комплексна степінь когерентності.. Зв’язок функції кореляції з спектром сигналу. Світловий цуг.

Застосування двохпроменевої інтерференції. Пробні пластини. Інтерферометри Майкільсона, Жамена, Маха-Цендера, Тваймана-Гріна. Волоконно- та інтегрально-оптичні інтерферометри. Лазерні інтерферометри бокового зсуву. Просвітлення оптики. Інтерференційні дзеркала та фільтри. Інтерференційні дослідження. Основи Фур’є-спектрометрії. Фур’є-спектрометри. Доплерівські інтерферометри. Інтерферометри Саньяка. Лазерні гіроскопи.

Багатопроменева інтерференція хвиль рівної амплітуди. Монохроматичні хвилі з одинаковим зсувом фаз (фазова градка, інтерференційне дзеркало та фільтр) та зфазовані хвилі з одинаковою різницею частот (синхронізація мод). Багатопроменева інтерференція в плоско паралельній пластині. Формула Ейрі. Інтерферометр Фабрі–Перо. Розподіл інтенсивності в інтерференційній картині, форма полос, спектральний інтервал, ширина лінії, роздільна здатність.

Планарні світловоди. Умова поперечного фазового синхронізму. Дисперсійне рівняння для асиметричних світловодів. Ідеально металевий світловод. Розв’язки дисперсійного рівняння. Відсічка частоти. Фазова та групова швидкості. Діелектричний світловод. Відсічка хвильового вектора. Дисперсійне рівняння.

 

ДИФРАКЦІЯ СВІТЛА.

Дифракція світла. Принцип Гюйгенса–Френеля. Метод зон Френеля. Спіраль Френеля. Прямолінійність поширення світла. Дифракція Френеля на круглому отворі та на круглому екрані. Дослід Поля. Зонна платівка Френеля, положення її фокусів. Дифракція Френеля на краю прямолінійного екрана. Спіраль Корню. Розподіл інтенсивності в дифракційній картині від щілини та непрозорої полоски.

Дифракція Френеля та Фраунгофера. Дифракція Фраунгофера на одній щілині. Роль розмірів джерела. Дифракція Фраунгофера на прямокутному та круглому отворах.. Дифракція Фраунгофера на двох щілинах. Інтерферометр Релея. Дифракційна гратка. Розподіл інтенсивності в дифракційній картині від ступінчатої та синусоїдальної дифракційної гратки. Дисперсія вільний спектральний діапазон та роздільна здатність дифракційної гратки. Похиле падіння, профільовані штрихи. Дифракція електромагнітних хвиль на періодичних двомірних та трьохмірних структурах. Умова Вульфа – Брегга. Лауеграма та Дебаєграма.

Оптичні схеми спектральних приладів. Типи призм, їх дисперсія та роздільна здатність. Прилади високої роздільної здатності та їх застосування. Роздільна здатність телескопа та мікроскопа. Мікроскопія фазового контрасту.

Основи голографії. Запис та відтворення голограмного зображення. Властивості світлочутливих матеріалів. Основні формули голографії. Властивості голограм різних типів. Максимальна дифракційна ефективність плоских голограм. Застосування голографії. Голографічна інтерферометрія. Отримання контурів рельєфу. Передача зображення через фазово неоднорідне середовище.

 

8. ПОГЛИНАННЯ ТА ДИСПЕРСІЯ СВІТЛА.

Природа елементарних випромінювачів. Звя’зок між явищами поглинаня та дисперсії світла. Класична теорія дисперсії. Формули Зельмейера та Коші. Показники заломлення та поглинання для газів. Нормальна та аномальна дисперсія. Напівширина лінії поглинання. Дисперсія рентгенівських променів. Дисперсія у розрідженій плазмі. Частота колективних коливань заряджених частинок в плазмі, властивості іоносфери. Дисперсія при наявності декількох типів осциляторів. Дисперсія у конденсованому середовищі. Формула Лоренц-Лорентца. Молекулярна рефракція. Дисперсія в провідниках. Формули Друде.

МОЛЕКУЛЯРНА ОПТИКА.

Розсіяння в неоднорідному середовищі. Ефект Тіндаля. Релеївське розсіяння світла та його основні закономірності. Формула Релея. Класичний радіус електрона.

Комбінаційне розсіяння світла, його основні закономірності та зв”язок з структурою молекул. Розсіяння Мандельштама-Бріллюена.

Явище люмінесценсії, його визначення за Вавіловим. Основні закони люмінесценції. Люмінесценція речовини в різних агрегатних станах. Застосування люмінесценції.

Явище Вавілова–Черенкова, його основні закономірності. Застосування явища Вавілова–Черенкова.