Электромагнитные волны оптического диапазона

Введение

 

Электромагнитные волны оптического диапазона

 

· Оптика как раздел физики

· Электромагнитные волны оптического диапазона

· Видимый диапазон

· Видимый диапазон и солнечное излучение

 

Фотометрия

 

· Фотометрия как раздел оптики

· Перенос энергии электромагнитной волной

o Плотность потока энергии

o Вектор Умова-Пойтинга

o Постоянная и переменная составляющая вектора Умова-Пойтинга

o Порядок величины периода световых колебаний

· Усреднение энергии детектирующим устройством

· Интенсивность

· Пропорциональность интенсивности квадрату амплитуды

· Единицы измерения интенсивности

· Эффективная интенсивность

· Два метода измерения энергии

o энергетический (объективный)

o визуальный (субъективный)

· Два типа фотометрических единиц

o энергетические

o визуальные (световые, фотометрические)

· Фотометрические характеристики в энергетических единицах

o Поток энергии излучения (поток лучистой энергии)

§ Точечный источник

§ Усредненная мощность излучения через площадку

§ Единицы измерения

§ Связь потока и интенсивности

o Сила света

§ Телесный угол

· Определение телесного угла

· Телесный угол, определяемый произвольной площадкой

§ Определение силы света

§ Средняя сила света

§ Изотропные источники

§ Полный световой поток

o Освещенность

§ Связь освещенности и силы света

§ Законы освещенности

· Закон обратных квадратов

· Закон косинуса

o Яркость

§ Протяженные источники

§ Видимая поверхность

§ Яркость источника

§ Ламбертовы (диффузно светящиеся) источники

o Светимость

§ Интегральная величина

§ Светимость Ламбертовых источников

· Переход от энергетических единиц к световым (визуальным)

o Спектральная чувствительность глаза

§ Идеальный (объективный) фотоприемник и глаз

§ Относительная видность

§ Усредненная кривая спектральной чувствительности (кривая видности)

§ Колбочки и палочки

o Кандела – основная световая единица измерения

o Световой поток – люмен

§ Переход от Вт к Лм

o Освещенность – люкс

o Яркость

 

Основные законы оптики

 

· Закон прямолинейного распространения света

o Опытные доказательства (четкая подобная геометрическая тень)

o Ограничение (малое отверстие)

· Закон независимости световых пучков

· Закон отражения света

o Угол падения и угол отражения

o Ограничение

· Закон преломления света

o Угол преломления

o Формулировка закона

o Относительный показатель преломления

o Абсолютный показатель преломления

o Показатели преломления вакуума, воды, стекла

o Закон Снелиуса

o Оптически более плотная среда

o Пример с монеткой на дне водоема

o Определение показателя преломления стекла при помощи микроскопа

o Полное внутреннее отражение

§ Суть явления

§ Применения

· Определение показателя преломления

· Оптические волокна

o Примеры применения закона преломления

§ Преломление света на плоскопараллельной пластинке (делители излучения)

§ Оптическая призма

· Отклонение падающего излучения

· Полное отражение в требуемом направлении

· Принцип Ферма

o Траектория светового луча в однородной и неоднородной среде

o Оптическая длина пути (однородная и неоднородная среда)

o Принцип Ферма

o Вывод законов прямолинейного распространения и отражения света

o Вариационный принцип

o Таутохронные системы

· Принцип Гюйгенса

o Принцип Гюйгенса

o Иллюстрация на примере плоской и сферической волны

o Преломление параллельного пучка

 

Волновая природа света

 

· Волна

· Продольные и поперечные волны

· Скорость света, показатель преломления

· Фронт волны

· Плоские и сферические волны

· Плоская монохроматическая волна

o Фронт волны

o Волновое уравнение

o Общий вид решения

o Уравнение плоской монохроматической волны

§ Амплитуда

§ Круговая (циклическая) частота

§ Фаза, начальная фаза

o Волновое число

o Монохроматическая волна

o Экспоненциальное представление плоской монохроматической волны

§ Формула Эйлера

§ Действительная (мнимая) часть

o Уравнение плоской монохроматической волны, распространяющейся в произвольном направлении

· Сферическая волна

o Точечный источник света

o Убывающая амплитуда

o Уравнение сферической волны

o Как получить плоскую волну, используя точечный источник света

· Монохроматические и квазимонохроматические волны

o По определению описывается гармонической функцией

o Постоянные частота, амплитуда и фаза

o Любая реальная волна не является монохроматической

o Больше интервал постоянства амплитуды – более монохроматическая волна

o Монохроматическая волна – абстракция (модель)

o Квазимонохроматическая волна

o Гармоническая волна с изменяющейся амплитудой эквивалентна совокупности нескольких монохроматических волн

§ Пример с гармонически изменяющейся амплитудой

§ Интегралы Фурье (любой периодический и непериодический закон изменения амплитуды)

o Модуляция

§ Пример с двумя камертонами

o Световые волны, излучаемые атомами

§ Цуг

§ Длина цуга

§ Спектральный состав излучения цуга

 

Поляризация света

 

· Равнозначность продольных волн

· Различие поперечных волн

· Волна вида ” E _x, B _y”

o Синфазность колебаний

o Правая тройка векторов

· Понятие поляризации

o Плоско (линейно) поляризованные волны

o Волна вида ” E _x, B _y”

o Плоскость поляризации

o Колебания вдоль одной линии – линейная поляризация

o Изменим плоскость поляризации – ” E _y, B _x” (– E _y = B _x)

· Направление поляризации – направление колебаний вектора

o Изображение в виде линии

o Приоритет при взаимодействии света с веществом

· Общий случай поляризации

o Бесконечное число различных линейных поляризаций света

o Суперпозиция линейно поляризованных волн

o Уравнение эллипса, вписанного в прямоугольник

o Эллиптически поляризованная волна – общий случай поляризации света

o Понятие правой и левой поляризации

§ Направление вращения определяется разностью фаз

o Важные частные случаи

§ Линейная поляризация

§ Круговая (циркулярная) поляризация

§ Суперпозиция волн, поляризованных по правому и левому кругу

· Естественная поляризация

o Полностью поляризованная волна

o Хаотические изменения поляризации нелазерного источника света

o Равновероятные направления – естественно поляризованная волна

o Солнечный свет, излучение лампочки накаливания

· Частично поляризованный свет

o Суперпозиция естественно и линейно поляризованных компонент

· Степень поляризации

o Определение

o Неоднозначность термина

· Поляризатор

o Ось поляризатора

o Прохождение естественного света через поляризатор

o Прохождение линейно поляризованного света через поляризатор

o Закон Малюса

· Применение поляризации света

o Исследование оптической анизотропии

o Плавное изменение интенсивности проходящего света

o Блокировка встречного света фар

o Устранение бликов

o Очки для сварки

o 3D-кино

o Светофильтры

o Определение концентраций растворов

o Специальные оптические применения: формирование коротких импульсов, модуляция света, измерение высоких напряжений

 

Интерференция

Интерференция световых волн

· Интерференция двух волн, поляризованных во взаимно перпендикулярных плоскостях

· Интерференция волн разной частоты

· Условия максимума и минимума интерференционной картины

· Связь между разностью хода и разностью фаз

· Интерференционная картина на экране

· Видимость интерференционной картины

Интерференционные схемы

· Интерференция свидетельствует о волновой природе света

· Излучение обычных источников света

· Длина когерентности

· Общая идея интерференционных схем

· Ограничение, накладываемое на разность хода

Метод деления амплитуды

· Преимущество: менее жесткие условия к размерам источника

· Интерференция в тонких пленках

o Оптическая длина пути

o Разность хода между интерферирующими лучами

o Отражение от оптически более плотной среды

o Интерференционная картина

o Полосы равного наклона

o Допустимые толщины пленки

o Локализация полос равного наклона

· Полосы равной толщины

o Локализация полос равной толщины

o Разноцветные полосы на пленке бензина

o Кольца Ньютона

§ Локализация интерференционной картины

§ Вид интерференционной картины

§ Радиус темного кольца

§ Кольца Ньютона в проходящем свете

§ Кольца Ньютона в белом свете

§ Тип используемой линзы

 

Применение интерференции

· Определение показателей преломления веществ

o Интерферометры

o Двулучевые и многолучевые интерферометры

o Интерферометр Рэлея

· Измерение длины когерентности

o Интерферометр Майкельсона

· Интерференционные светофильтры

o Интерферометр Фабри-Перо

· Зеркала с высокими коэффициентами отражения

o Многослойные диэлектрические покрытия

· Просветление оптики

· Контроль качества поверхностей

 

Дифракция света

· Принцип Гюйгенса

o Возможности принципа

o Ограниченность принципа

· Принцип интерференции Френеля

· Определение дифракции

· Условия наблюдения дифракции

o Дифракция звука

o Дифракция света

· Виды дифракции

o Дифракция Френеля

o Дифракция Фраунгофера

Дифракция Френеля

· Интеграл Кирхгофа

o Волновая поверхность – совокупность вторичных источников

o Математическое выражение принципа Гюйгенса-Френеля

· Дифракция Френеля на круглом отверстии

· Зоны Френеля

o Полуволновые кольцевые зоны

o Взаимное гашение излучения от соседних зон

o Равные размеры зон Френеля

o Зависимость амплитуды волны от номера зоны Френеля

o Зависимость границ зон Френеля от точки наблюдения

o Радиус зоны Френеля

§ Сферическая волна

§ Плоская волна

o Спираль Френеля (графический метод вычисления результирующей амплитуды)

§ Метод векторных диаграмм

§ Суммарное колебание от первой зоны

§ Спираль Френеля

§ Примеры расчета результирующей интенсивности

· первая зона перекрыта по диаметру

· перекрыта внутренняя половина первой зоны

· дифракция на непрозрачном диске, закрывающем 1,5 зоны

o Дифракционная картина на экране (набор концентрических колец)

· Зонная пластинка

· Дифракция Френеля на краю полуплоскости

o Разбиение на малые зоны

o Уменьшение ширины зоны с увеличением ее номера

o Отношение площадей зон

o Графическое определение амплитуды результирующего колебания

§ Первая ветвь спирали Корню

§ Вторая ветвь спирали Корню

§ Фокусы спирали Корню

§ Амплитуда падающей волны

§ Параметр v на спирали Корню

§ Распределение интенсивности на экране вблизи полуплоскости

Дифракция Фраунгофера

· Дифракция Фраунгофера на одной щели

o Нормальное падение света на бесконечно длинную узкую щель

o Размеры щели

o Условия максимума и минимума

§ Элементарная амплитуда

§ Элементарное колебание

§ Результирующее световое возмущение в определенном направлении

§ Амплитуда результирующей волны

§ Центральный максимум

§ Условия минимумов

§ Условия максимумов

o Графический метод расчета дифракции Фраунгофера на одной щели

§ Расчет результирующей амплитуды

§ Отношение амплитуд максимумов разных порядков

§ График распределения интенсивности по углу

o Требование малости размера щели

· Дифракционная решетка

o Период решетки

o Первая решетка из проволок

o Характерная плотность нанесения штрихов

o Главные максимумы

o Главные минимумы

o Добавочные минимумы

o Разная интенсивность главных максимумов

o Падение белого света на дифракционную решетку

o Максимальный порядок дифракции

o Амплитудные и фазовые дифракционные решетки

Голография

· Стереоскопическое (бинокулярное) зрение. Ощущение глубины пространства.

· Отличие фотографии от голограммы. Роль фазы световой волны.

· Голографическая запись и восстановление плоской волны

o Запись только плоской предметной волны на фотопластинку

o Опорная и предметная волны

o Распределение интенсивности на пластинке

o Период интерференционной картины

o Воспроизведение записанной предметной волны

· Голографическое изображение сложного предмета

o Схема Габора (Лейта-Упатниекса)

o Сложная волна – совокупность плоских волн

· Область хранения информации об объекте в голограмме

· Плоские и объемные голограммы

· Объемная голограмма

o Схема записи объемной голограммы

o Отбор по длинам волн – можем видеть в солнечном свете

o Цветная голограмма

· Применения голографии

o Представление изображений

o Голографическое кино и телевидение

o Исследование быстрых процессов

§ Не надо фокусировать изображение

§ Короткое время регистрации

o Голографическая интерферометрия

o Распознавание образов

o Голографическая память

o Технологическая обработка поверхностей

 

Геометрическая оптика

· Основные законы геометрической оптики

· Понятие светового луча

o Роль дифракции

o Приближение геометрической оптики

o Распространение энергии

· Геометрическая оптика – предельный случай волновой оптики

o Принцип обратимости

o Сопряженные точки

o Центрированная оптическая система

o Оптическая ось

o Параксиальное приближение

· Преломление лучей сферической поверхностью

o Правило знаков

o Нулевой инвариант Аббе

o Расчет изображения для сферической поверхности

o Фокусы сферической поверхности

· Пример расчета толстой линзы

· Тонкая линза

o Формула тонкой линзы

o Оптическая сила линзы

o Формула для симметричной тонкой линзы в воздухе

o Оптические силы собирающей и рассеивающей линз

o Фокусы тонкой линзы

o Основные правила построения изображений в тонкой линзе

§ Фокус

§ Фокальная плоскость

 

Оптическая анизотропия

 

· Оптическая анизотропия

o Причины оптической анизотропии

· Связь между векторами и в случае анизотропной среды

o Тензор диэлектрической проницаемости

o Симметричный вид тензора для прозрачных кристаллов

o Диагональный вид тензора

§ Главные диэлектрические проницаемости

· Эллипсоид диэлектрических проницаемостей

o Круговые сечения эллипсоида

o Оптические оси кристалла

o Эллипсоид вращения

o Изотропная среда

· Направления распространения энергии и фазы световой волны

 

Хроматическая поляризация

 

Тепловое излучение

 

· Определение

· Равновесное излучение

· Правило Прево

· Закон Кирхгофа

o Излучательная способность тела

o Поглощательная способность тела

· Абсолютно черное тело

· Серое тело

· Модель абсолютно черного тела

· Законы теплового излучения

o Закон Стефана-Больцмана

o Закон смещения Вина

o Формула Рэлея-Джинса

· Формула Планка. Вывод по Эйнштейну

o Дискретный характер процессов поглощения и испускания света

o Двухуровневая система

o Вынужденные и спонтанные оптические переходы

o Объемная спектральная плотность энергии излучения

o Термодинамическое равновесие

o Распределение Больцмана

o Связь объемной плотности энергии с излучательной способностью

o Равенство коэффициентов Эйнштейна для вынужденных переходов

o Сравнение с формулой Рэлея-Джинса

o Формула Планка

 

Фотоэффект

 

Лазеры

 

· Аббревиатура

· Идея использования вынужденного излучения

· Идентичность испускаемых фотонов

· Возможность усиления света

· Положительная обратная связь

· Основные компоненты лазера

· Инверсная населенность

· Схемы накачки

o Трехуровневая система

o Четырехуровневая система

· Свойства лазерного излучения

o Направленность

o Монохроматичность

o Когерентность

o Высокий уровень яркости

o Возможность получения высокой мощности

· Применение лазеров

 

Введение

 

Электромагнитные волны оптического диапазона

 

· Оптика как раздел физики

· Электромагнитные волны оптического диапазона

· Видимый диапазон

· Видимый диапазон и солнечное излучение

 

Фотометрия

 

· Фотометрия как раздел оптики

· Перенос энергии электромагнитной волной

o Плотность потока энергии

o Вектор Умова-Пойтинга

o Постоянная и переменная составляющая вектора Умова-Пойтинга

o Порядок величины периода световых колебаний

· Усреднение энергии детектирующим устройством

· Интенсивность

· Пропорциональность интенсивности квадрату амплитуды

· Единицы измерения интенсивности

· Эффективная интенсивность

· Два метода измерения энергии

o энергетический (объективный)

o визуальный (субъективный)

· Два типа фотометрических единиц

o энергетические

o визуальные (световые, фотометрические)

· Фотометрические характеристики в энергетических единицах

o Поток энергии излучения (поток лучистой энергии)

§ Точечный источник

§ Усредненная мощность излучения через площадку

§ Единицы измерения

§ Связь потока и интенсивности

o Сила света

§ Телесный угол

· Определение телесного угла

· Телесный угол, определяемый произвольной площадкой

§ Определение силы света

§ Средняя сила света

§ Изотропные источники

§ Полный световой поток

o Освещенность

§ Связь освещенности и силы света

§ Законы освещенности

· Закон обратных квадратов

· Закон косинуса

o Яркость

§ Протяженные источники

§ Видимая поверхность

§ Яркость источника

§ Ламбертовы (диффузно светящиеся) источники

o Светимость

§ Интегральная величина

§ Светимость Ламбертовых источников

· Переход от энергетических единиц к световым (визуальным)

o Спектральная чувствительность глаза

§ Идеальный (объективный) фотоприемник и глаз

§ Относительная видность

§ Усредненная кривая спектральной чувствительности (кривая видности)

§ Колбочки и палочки

o Кандела – основная световая единица измерения

o Световой поток – люмен

§ Переход от Вт к Лм

o Освещенность – люкс

o Яркость

 

Основные законы оптики

 

· Закон прямолинейного распространения света

o Опытные доказательства (четкая подобная геометрическая тень)

o Ограничение (малое отверстие)

· Закон независимости световых пучков

· Закон отражения света

o Угол падения и угол отражения

o Ограничение

· Закон преломления света

o Угол преломления

o Формулировка закона

o Относительный показатель преломления

o Абсолютный показатель преломления

o Показатели преломления вакуума, воды, стекла

o Закон Снелиуса

o Оптически более плотная среда

o Пример с монеткой на дне водоема

o Определение показателя преломления стекла при помощи микроскопа

o Полное внутреннее отражение

§ Суть явления

§ Применения

· Определение показателя преломления

· Оптические волокна

o Примеры применения закона преломления

§ Преломление света на плоскопараллельной пластинке (делители излучения)

§ Оптическая призма

· Отклонение падающего излучения

· Полное отражение в требуемом направлении

· Принцип Ферма

o Траектория светового луча в однородной и неоднородной среде

o Оптическая длина пути (однородная и неоднородная среда)

o Принцип Ферма

o Вывод законов прямолинейного распространения и отражения света

o Вариационный принцип

o Таутохронные системы

· Принцип Гюйгенса

o Принцип Гюйгенса

o Иллюстрация на примере плоской и сферической волны

o Преломление параллельного пучка

 

Волновая природа света

 

· Волна

· Продольные и поперечные волны

· Скорость света, показатель преломления

· Фронт волны

· Плоские и сферические волны

· Плоская монохроматическая волна

o Фронт волны

o Волновое уравнение

o Общий вид решения

o Уравнение плоской монохроматической волны

§ Амплитуда

§ Круговая (циклическая) частота

§ Фаза, начальная фаза

o Волновое число

o Монохроматическая волна

o Экспоненциальное представление плоской монохроматической волны

§ Формула Эйлера

§ Действительная (мнимая) часть

o Уравнение плоской монохроматической волны, распространяющейся в произвольном направлении

· Сферическая волна

o Точечный источник света

o Убывающая амплитуда

o Уравнение сферической волны

o Как получить плоскую волну, используя точечный источник света

· Монохроматические и квазимонохроматические волны

o По определению описывается гармонической функцией

o Постоянные частота, амплитуда и фаза

o Любая реальная волна не является монохроматической

o Больше интервал постоянства амплитуды – более монохроматическая волна

o Монохроматическая волна – абстракция (модель)

o Квазимонохроматическая волна

o Гармоническая волна с изменяющейся амплитудой эквивалентна совокупности нескольких монохроматических волн

§ Пример с гармонически изменяющейся амплитудой

§ Интегралы Фурье (любой периодический и непериодический закон изменения амплитуды)

o Модуляция

§ Пример с двумя камертонами

o Световые волны, излучаемые атомами

§ Цуг

§ Длина цуга

§ Спектральный состав излучения цуга

 

Поляризация света

 

· Равнозначность продольных волн

· Различие поперечных волн

· Волна вида ” E _x, B _y”

o Синфазность колебаний

o Правая тройка векторов

· Понятие поляризации

o Плоско (линейно) поляризованные волны

o Волна вида ” E _x, B _y”

o Плоскость поляризации

o Колебания вдоль одной линии – линейная поляризация

o Изменим плоскость поляризации – ” E _y, B _x” (– E _y = B _x)

· Направление поляризации – направление колебаний вектора

o Изображение в виде линии

o Приоритет при взаимодействии света с веществом

· Общий случай поляризации

o Бесконечное число различных линейных поляризаций света

o Суперпозиция линейно поляризованных волн

o Уравнение эллипса, вписанного в прямоугольник

o Эллиптически поляризованная волна – общий случай поляризации света

o Понятие правой и левой поляризации

§ Направление вращения определяется разностью фаз

o Важные частные случаи

§ Линейная поляризация

§ Круговая (циркулярная) поляризация

§ Суперпозиция волн, поляризованных по правому и левому кругу

· Естественная поляризация

o Полностью поляризованная волна

o Хаотические изменения поляризации нелазерного источника света

o Равновероятные направления – естественно поляризованная волна

o Солнечный свет, излучение лампочки накаливания

· Частично поляризованный свет

o Суперпозиция естественно и линейно поляризованных компонент

· Степень поляризации

o Определение

o Неоднозначность термина

· Поляризатор

o Ось поляризатора

o Прохождение естественного света через поляризатор

o Прохождение линейно поляризованного света через поляризатор

o Закон Малюса

· Применение поляризации света

o Исследование оптической анизотропии

o Плавное изменение интенсивности проходящего света

o Блокировка встречного света фар

o Устранение бликов

o Очки для сварки

o 3D-кино

o Светофильтры

o Определение концентраций растворов

o Специальные оптические применения: формирование коротких импульсов, модуляция света, измерение высоких напряжений

 

Интерференция