МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ М. В. Ломоносова

ФИЗИЧЕСКИЙ ФАКУЛЬТЕТ

Кафедра общей физики

Москва 2004

 

ПЛАН ИЗУЧЕНИЯ РАЗДЕЛА "ОПТИКА" КУРСА ОБЩЕЙ ФИЗИКИ

 

ПЛАН ЛЕКЦИЙ

 

Лекторы: проф. А.М.Салецкий, проф. В.С.Русаков

 

Лекция 1.

Предмет физической оптики. Электромагнитная теория света. Уравнения Максвелла и материальные уравнения. Волновое уравнение. Скорость света. Бегущие электромагнитные волны. Плоские и сферические волны. Гармоническая волна и комплексная форма ее представления. Модели реальных световых волн, модулированные волны - световые пучки и импульсы.

 

Лекция 2.

Свойства плоских волн. Ориентация и взаимосвязь полевых векторов. Поляризация света. Поток энергии электромагнитной волны. Вектор Умова-Пойнтинга. Интенсивность света. Плотность потока импульса и давление электромагнитной волны. Энергетика световых пучков и импульсов.

 

Лекция 3.

Метод спектрального описания волновых полей. Фурье-анализ и Фурье-синтез волновых полей. Преобразования Фурье. Спектральные амплитуда, фаза и плотность. Свойства преобразований Фурье. Соотношение между длительностью импульса и шириной спектра. Теорема Планшереля. Спектральная плотность интенсивности.

 

Лекция 4.

Интерференция света. Двухволновая интерференция монохроматических волн. Уравнение интерференции и функция видности. Интерференция квазимонохроматического света. Спектральное описание, время и длина когерентности. Временное описание, функция временной корреляции. Взаимосвязь спектра и функции временной корреляции, понятие о Фурье-спектроскопии. Степень временной когерентности и функция видности.

 

Лекция 5.

Пространственная когерентность. Угол и радиус когерентности. Звездный интерферометр Майкельсона. Функция пространственно-временной корреляции. Степень пространственно-временной когерентности и функция видности.

 

Лекция б.

Методы получения интерференционных картин - деление волнового фронта и деление амплитуды, реализации методов. Интерференция в тонких пленках. Полосы равной толщины и равного наклона. Многоволновая интерференция. Формулы Эйри. Интерферометр Фабри-Перо и пластинка Люммера-Герке. Просветление оптических поверхностей, интерференционные фильтры и зеркала.

 

Лекция 7.

Дифракция света. Принципы Гюйгенса и Гюйгенса-Френеля. Дифракционный интеграл Френеля. Метод зон Френеля. Метод векторных диаграмм. Зонные пластинки и линза.

 

Лекция 8.

Простейшие дифракционные задачи. Дифракция на круглом отверстии и круглом экране, спираль Френеля. Пятно Пуассона. Дифракция на крае полубесконечного экрана, спираль Корню. Ближняя и дальняя зоны дифракции. Дифракционная длина.

Дифракционная расходимость пучка в дальней зоне. Фокусировка света, как дифракционное явление.

 

Лекция 9.

Недостатки принципа Гюйгенса-Френеля. Понятие о теории дифракции Кирхгофа. Дифракционный интеграл Френеля-Кирхгофа. Приближения Френеля и Фраунгофера. Дифракция в дальней зоне как пространственное преобразование Фурье. Угловой спектр пучка. Связь ширины спектра с поперечными размерами пучка.

 

Лекция 10.

Дифракция Фраунгофера на пространственных структурах: прямоугольном отверстии, круглом отверстии и щели. Функция пропускания. Амплитудные и фазовые дифракционные решетки. Распределение интенсивности в дифракционной картине, интерференционная функция. Дифракция на акустических волнах.

 

Лекция 11.

Спектральный анализ световых полей. Спектроскопия с пространственным разложением спектров. Спектральный прибор и его основные характеристики -аппаратная функция, угловая и линейная дисперсии, разрешающая способность и область дисперсии. Дисперсионные, дифракционные и интерференционные спектральные приборы.

 

Лекция 12.

Преобразование и синтез световых полей. Дифракционная теория формирования изображений. Роль дифракции в приборах, формирующих изображение: линзе, телескопе и микроскопе. Специальные методы наблюдения фазовых объектов: метод темного поля и метод фазового контраста. Запись и восстановление светового поля. Голография.

 

Лекция 13.

Распространение света в веществе: микроскопическая картина. Поляризуемость среды и молекулы. Дисперсия света. Классическая электронная теория дисперсии. Поглощение света (закон Бугера). Зависимости показателя преломления и коэффициента поглощения от частоты. Дисперсионная формула Зелмеера. Фазовая и групповая скорости. Формула Рэлея. Дисперсионное расплывание волновых пакетов. Дисперсионная длина.

 

Лекция 14.

Оптические явления на границе раздела изотропных диэлектриков. Законы отражения и преломления света. Формулы Френеля. Эффект Брюстера в явление полного внутреннего отражения. Энергетические соотношения при преломлении и отражении

 

Лекция 15.

Распространение света в анизотропных средах. Описание диэлектрических свойств анизотропных сред. Плоские электромагнитные волны в анизотропной среде. Структура световой волны, фазовая и лучевая скорости. Уравнения Френеля для фазовых и лучевых скоростей. Эллипсоид лучевых скоростей и лучевая поверхность. Одноосные и двухосные кристаллы.

 

Лекция 16.

Оптические свойства одноосных кристаллов. Обыкновенный и необыкновенный лучи. Отрицательные и положительные кристаллы. Построение Гюйгенса. Двойное лучепреломление и поляризация света. Поляризационные приборы, четвертьволновая и полуволновая пластинки. Анизотропия оптических свойств, наведенная механической деформацией, электрическим и магнитным полями.

 

Лекция 17.

Рассеяние света. Излучение элементарного рассеивателя- Индикатриса рассеяния, поляризация рассеянного света и закон Рэлея. Молекулярное рассеяние. Элементы статистической теории рассеяния, формулы Эйнштейна и Рэлея. Основные особенности молекулярного рассеяния. Рассеяние света в мелкодисперсных и мутных средах.

 

Лекция 18.

Излучение света. Классическая модель затухающего дипольного осциллятора. Естественные форма и ширина линии излучения. Излучение ансамбля статистически независимых осцилляторов. Ударное и доплеровское уширения спектральной линии. Понятие об однородном и неоднородном уширении. Тепловое излучение. Излучательная и поглощательная способности вещества и их соотношение. Модель абсолютно черного тела. Закон Стефана-Больцмана. Формула смещения Вина. Формула Рэлея-Джинса. Ограниченность классической теории излучения.

 

Лекция 19.

Основные представления квантовой теории излучения света атомами и молекулами. Квантовые свойства света: фотоэлектрический эффект и эффект Комптона. Квантовые свойства атомов, постулаты Бора. Модель двухуровневой системы. Взаимодействие двухуровневой системы с излучением. Типы радиационных переходов. Коэффициенты Эйнштейна. Взаимодействие при термодинамическом равновесии. Формула Планка.

 

Лекция 20.

Многоуровневые системы. Структура энергетических уровней атомов, молекул и твердых тел. Явление люминесценции: основные закономерности, спектральные и временные характеристики, интерпретация в рамках квантовых представлений. Резонансное усиление света. Инверсная заселенность энергетических уровней и коэффициент усиления. Получение инверсной заселенности в трехуровневой системе. Ширина линии усиления.

 

Лекция 21.

Лазеры - устройство и принцип работы. Принципиальная схема лазера. Условия стационарной генерации (баланс фаз и амплитуд). Продольные и поперечные моды. Спектральный состав излучения лазера. Синхронизация мод, генерация сверхкоротких импульсов. Факторы, определяющие предельную степень временной и пространственной когерентности.

 

Лекция 22.

Нелинейные оптические явления. Поляризация среды в поле высокоинтенсивного лазерного излучения. Среды с квадратичной нелинейностью, оптическое детектирование и генерация второй гармоники. Среды с кубичной нелинейностью, самофокусировка волновых пучков и генерация третьей гармоники.