Основы физической оптики - Кафедра оптики, спектроскопии и

1. Основы физической оптики
2. Лекторы.
2.1. Кандидат физико-математических наук, доцент Васильев Александр Борисович, кафедра оптики и спектроскопии, [email protected], (495)939-35-88.
2.2. Доктор физико-математических наук, доцент Одинцов Анатолий Иванович, ,
кафедра оптики и спектроскопии, [email protected] (495)939-59-81
2.3. Кандидат физико-математических наук, доцент Вохник Ольга Михайловна,
кафедра оптики и спектроскопии, [email protected], (495)939-36-59.
3. Аннотация дисциплины.
Курс предназначен для углубленного изучения основных явлений физической оптики,
наиболее востребованных при освоении таких областей, как лазерная физика, спектроскопия,
в том числе лазерная, нелинейная и волоконная оптика. Проводится рассмотрение дифракции, дисперсии и поляризации света, а также оптики анизотропных сред, процессов рассеяния и оптических явлений на нанометровом масштабе.
4. Цели освоения дисциплины.
Овладение современными профессиональными знаниями в области основных разделов современной физической оптики, необходимого математического аппарата, математики, современных информационных технологий, программных продуктов и ресурсов интернета и
использование их для решения задач профессиональной деятельности (формируемая компетенция ПК-2); способность использовать в профессиональной деятельности базовые знания в
области физики (формируемая компетенция ОНК-5).
5. Задачи дисциплины.
Изучение общих подходов к описанию оптических явлений и свойств света, взаимодействия
оптического излучения с веществом. Выработка умения создавать математические модели
типовых профессиональных задач и интерпретировать полученные математические результаты, владение знаниями об ограничениях и границах применимости моделей.
6. Компетенции.
6.1. Компетенции, необходимые для освоения дисциплины.
ПК-1; ПК-2; ОНК-5; ОНК-6; ИК-3
6.2. Компетенции, формируемые в результате освоения дисциплины.
ПК-2; ОНК-5
7. Требования к результатам освоения содержания дисциплины
В результате освоения дисциплины студент должен
знать общие принципы описания оптического излучения и явлений, возникающих в процессе
его распространения;
уметь строить и использовать модели, описывающие взаимодействие оптического излучения
с веществом;
владеть навыками построения элементарных моделей, дающих основные закономерности
распространения света в различных физических условиях;
иметь опыт деятельности по качественному анализу различных явлений, происходящих при
распространении оптического излучения.
8. Содержание и структура дисциплины.
Вид работы
Общая трудоёмкость, акад. часов
Аудиторная работа:
Лекции, акад. часов
7
72
36
36
Семестр
2
…
…
…
3
…
…
…
Всего
72
36
36
Стр. 1 из 9
Семинары, акад. часов
Лабораторные работы, акад. часов
Самостоятельная работа, акад. часов
Вид итогового контроля (зачёт, зачёт с оценкой, экзамен)
36
экзамен
…
…
…
…
…
…
…
…
экзамен
Стр. 2 из 9
N
раздела
Наименование
раздела
Трудоёмкость (академических часов) и содержание занятий
Распределение общей трудоёмкости по семестрам указано в рабочих планах (приложение 7)
Лекции
1
2
Дифракция света
Дисперсия
Аудиторная работа
Семинары
Самостоятельная работа
Форма
текущего
контроля
Лабораторные работы
2 часа.
Содержание лекции 1.
Волновое уравнение. Уравнение
Гельмгольца. Скалярная теория дифракции. Интегральная теорема
Гельмгольца-Кирхгофа. Теории
Кирхгофа-Френеля и РэлеяЗоммерфельда. Принцип Бабине.
2часа.
Содержание лекции 2.
Элементы Фурье-анализа. Преобразование Фурье-Бесселя. Угловой
спектр плоских волн. Дифракция
Френеля и Фраунгофера. Дифракция
Фраунгофера на отверстиях разной
конфигурации. Дифракция Френеля
на прямоугольной щели.
2 часа.
Тема самостоятельной работы 1.
Работа с лекционным материалом:
Теории Кирхгофа-Френеля и РэлеяЗоммерфельда. Принцип Бабине.
2 часа.
Содержание лекции 3.
Основы электронной теории дисперсии. Формула Лоренц-Лорентца.
Уравнения дисперсии. Связь дисперсии и поглощения. Соотношения Крамерса-Кронига. Понятие о
квантовой теории дисперсии.
2 часа.
Содержание лекции 4.
Распространение оптических сигналов в диспергирующих средах.
Групповая и фазовая скорости света. Неэквидистантность частот оптического резонатора, заполненного диспергирующей средой. Искажения импульсов в волоконных
световодах.
2 часа.
Содержание лекции 5.
Особенности нелинейных оптических процессов, связанные с дисперсией среды. Самовоздействие света в
2 часа.
Тема самостоятельной работы 3.
Вывод выражения для диэлектрической проницаемости в случае
разреженной плазмы.
2 часа.
Тема самостоятельной работы 2.
Расчет углового спектра излучения
после прохождения плоской волной
единичной амплитуды бесконечно
длинной щели фиксированной ширины. Анализ зависимости ширины
углового спектра от угла падения
волны на щель.
ДЗ,
РГЗ
2 часа.
Тема самостоятельной работы 4.
Вывод выражение для произведения
групповой и фазовой скорости свеДЗ,
та в разреженной плазме в первом
РГЗ
приближении теории дисперсии.
2 часа.
Тема самостоятельной работы 5.
Анализ влияния дисперсии на нелинейные процессы на примере генерации второй гармоники.
Стр. 3 из 9
диспергирующей среде. Компрессия
импульсов. Оптический солитон.
3
4
Поляризация света
Оптика анизотроп-
2 часа.
Содержание лекции 6.
Состояние поляризации световой
волны. Ортогональные формы поляризации. Декартовы и круговые
векторы Джонса. Параметры Стокса.
Геометрическое представление состояний поляризации с помощью
сферы Пуанкаре.
2часа.
Содержание лекции 7.
Статистическое описание частичнополяризованного света. Матрица
когерентности и ее связь с параметрами Стокса. Выражение степени
поляризации через параметры Стокса
и инварианты матрицы когерентности.
2 часа.
Содержание лекции 8.
Расчетные методы в поляризационной оптике. Матричные методы
Джонса и Мюллера, их сравнение
между собой. Собственные векторы
поляризации анизотропной оптической системы.
2 часа.
Содержание лекции 9.
Поляризация излучения при отражении от поверхности диэлектрика и
металла. Поляризационные оптические устройства. Пленочные поляризаторы. Поляризационные призмы.
2 часа.
Тема самостоятельной работы 6.
Рассмотрение матрицы Джонса
четвертьволновой пластинки, ориентированной заданным образом
относительно координатной оси.
2 часа.
Содержание лекции 10.
Анизотропия. Оптические свойства
анизотропных сред. Тензор диэлектрической проницаемости. Структура световой волны в анизотропной среде.
2часа.
Содержание лекции 11.
2 часа.
Тема самостоятельной работы 10.
Работа с лекционным материалом:
Оптическая анизотропия. Связь
векторов электрической индукции и
напряженности электрического поля
в анизотропной среде.
2 часа.
Тема самостоятельной работы 11.
2 часа.
Тема самостоятельной работы 7.
Вывод выражения для вектора
Джонса эллиптически поляризованного излучения с заданными
параметрами эллипса.
ДЗ ,
РГЗ
2 часа.
Тема самостоятельной работы 8.
Определение степени поляризации и
вида преимущественной поляризации
по заданному вектору Стокса.
2 часа.
Тема самостоятельной работы 9.
Работа с лекционным материалом
Поляризационные оптические
устройства:
Стр. 4 из 9
ных сред
5
Рассеяние света
Уравнение Френеля для лучевых и
нормальных скоростей. Эллипсоид
Френеля. Сечения лучевых поверхностей координатными плоскостями. Оптические оси первого и второго рода. Одноосные и двухосные
кристаллы.
2часа.
Содержание лекции 12.
Преломление на границе анизотропной среды. Двойное лучепреломление. Построение Гюйгенса. Коническая рефракция. Теорема соответствия.
2 часа.
Содержание лекции 13.
Интерференция в одноосных и двухосных кристаллах. Изохроматы и
изогиры. Искусственная анизотропия. Приложения оптики анизотропных сред в науке и технике
Построение сечений поверхности
нормалей координатными плоскостями для одноосных и двухосных
кристаллов.
2часа.
Содержание лекции 14.
Излучение в оптически неоднородной среде. Рассеяние Рэлея. Рассеяние в идеальном газе. Поляризация
рассеянного излучения.
2часа.
Содержание лекции 15.
Рассеяние в реальных газах и жидкостях. Рассеяние на тепловых флуктуациях плотности и концентрации.
Соотношение Эйнштейна. Учет влияния флуктуаций температуры. Критическая опалесценция.
2часа.
Содержание лекции 16.
Рассеяние Мандельштама-Бриллюэна. Спектр рассеянного света. Рассеяние в кристаллах.
Рассеяние Ми. Угловые характеристики рассеянного излучения. Нефелометрия.
2часа.
Содержание лекции 17.
2 часа.
Тема самостоятельной работы 14.
Работа с лекционным материалом:
Оптически неоднородные среды.
Рассеяние на частицах малого размера.
2 часа.
Тема самостоятельной работы 15.
Работа с лекционным материалом:
Рассеяние на тепловых флуктуациях плотности и концентрации.
ДЗ
РГЗ
Оп
2 часа.
Тема самостоятельной работы 12.
Построение хода преломленных
лучей в пластинках одноосного кристалла.
2 часа.
Тема самостоятельной работы 13.
Работа с лекционным материалом:
Интерференция в одноосных и двухосных кристаллах.
2 часа.
Тема самостоятельной работы 16.
Расчет спектрального сдвига компонент рассеяния Мандельштама –
Бриллюэна.
ДЗ
ДЗ
РГЗ
2 часа.
Тема самостоятельной работы 17.
Стр. 5 из 9
6
Комбинационное рассеяние света.
Колебательные и вращательные
спектры. Квантовый подход к рассмотрению рассеяния.
Использование рассеяния в качественном анализе, медицине.
Оптические явления 2часа.
на нанометровом
Содержание лекции 18.
масштабе
Понятие об эванесцентных волнах.
Нарушенное полное внутреннее
отражение. Конфокальная микроскопия. Микроскопия ближнего поля.
Фотонные кристаллы и резонаторы.
Расчет длин волн стоксовых компонент комбинационного рассеяния в
зависимости от длины волны возбуждающего света
ДЗ
Оп
2 часа.
Тема самостоятельной работы 18.
Работа с лекционным материалом:
Особенности оптических явлений на
Оп
нанометровом масштабе..
Стр. 6 из 9
9. Место дисциплины в структуре ООП ВПО
1. Дисциплина является обязательной.
2. Вариативная часть, профессиональный блок, дисциплина профиля.
3. Дисциплина тесно связана со всеми другими дисциплинами профессионального блока.
Углубленное изучение основных разделов оптики позволяет обучающимся сформировать
общий взгляд на разнообразные оптические явления, понимать единство и взаимосвязь
различных оптических явлений, создает основу для успешного усвоения последующих
дисциплин профиля.
3.1. Для освоения данной дисциплины должны быть освоены дисциплины: Математический анализ. Аналитическая геометрия. Линейная алгебра. Дифференциальные уравнения. Интегральные уравнения и вариационное излучение. Методы математической
физики. Электричество и магнетизм. Молекулярная физика. Оптика. Введение в
квантовую теорию. Атомная физика. Электродинамика.
3.2. Данная дисциплина необходима для последующего освоения дисциплин: Воздействие света на квантовые системы, Люминесценция кристаллов, Физика лазеров,
Научно-исследовательская работа, Научно-исследовательская практика, Научноисследовательский семинар.
10. Образовательные технологии
 преподавание дисциплин в форме авторских курсов по программам, составленным на
основе результатов исследований научных школ МГУ,
 дискуссии,
 применение компьютерных симуляторов
11. Оценочные средства для текущего контроля успеваемости и промежуточной аттестации
Примеры расчетно-графического задания.
1. Рассчитать угловой спектр излучения после прохождения плоской волной единичной амплитуды бесконечно длинной щели фиксированной ширины. Угол падения на щель 30°.
2. Написать вектор Джонса эллиптически поляризованного излучения с параметрами эллипса
ψ = 45°, χ = 30°.

3. Описать состояние поляризации излучения с вектором Стокса S = {1, 0.3, 0, 0.4}.
4. Построить сечение лучевой поверхности двухосного кристалла координатной плоскостью
XZ. Указать направления колебаний электрического вектора световых волн.
5. На пластинку положительного (отрицательного) одноосного кристалла, вырезанную параллельно оптической оси, наклонно падает луч естественного света. Пластинка вращается
относительно перпендикуляра к ее поверхности. Как будут изменяться направления лучей,
вышедших из кристалла?
6. На двухосный оптический кристалл падает сходящийся пучок естественного света и после
преломления распространяется в кристалле вдоль оптической оси первого рода. Каким будет
пространственное распределение излучения на выходе из кристалла?
7. На двухосный оптический кристалл падает параллельный пучок естественного света и после преломления распространяется в кристалле вдоль оптической оси второго рода. Каким
будет пространственное распределение излучения внутри кристалла и на выходе из него?
8.Какова длина волны излучения стоксовой компоненты в жидком азоте (частотный сдвиг
2852 см-1) при комбинационном рассеянии излучения с длиной волны 532 нм?
9. Вещество находится в критическом состоянии. Как интенсивность рассеянного света зависит а)от длины волны исходного излучения? б)угла рассеяния?
Стр. 7 из 9
Примеры домашнего задания.
1. Подтвердить принцип Бабине на следующем примере: плоская волна единичной амплитуды проходит в первом случае через отверстие в непрозрачном экране, а во втором – через
непрозрачный диск того же радиуса что и отверстие. Рассчитать суммарное поле волны в
точке наблюдения.
2.Вывести выражение для произведения групповой и фазовой скорости света в разреженной
плазме в первом приближении теории дисперсии.
3.Рассчитать поляризационные характеристики выходного излучения ионного аргонового
лазера, разрядная трубка которого имеет окна Брюстера из стекла с n = 1.5 и помещена в аксиальное магнитное поле, вызывающее поворот плоскости поляризации излучения на угол
10° за один проход.
Примеры вопросов для опроса.
1.Привести примеры применения явления рассеяния в науке, технике, медицине.
2.Как происходит возбуждение эванесцентного поля при полном внутреннем отражении?
Полный перечень вопросов к экзамену.
Решение дифракционной задачи с помощью метода Кирхгофа. Решение дифракционной задачи с помощью метода разложения поля по плоским волнам. Дифракция Френеля и Фраунгофера. Электронная теория дисперсии. Уравнения дисперсии. Влияние дисперсии на распространение оптического сигнала. Нелинейные оптические процессы в диспергирующей
среде. Виды поляризации света и способы ее описания: вектор Джонса, параметры Стокса.
Представление состояний поляризации на сфере Пуанкаре. Параметры Стокса для частично
поляризованного света и их экспериментальное определение. Статистическое описание частично поляризованного света. Матрица когерентности и ее связь с параметрами Стокса.
Выражение степени поляризации излучения через параметры Стокса и инварианты матрицы
когерентности. Матричные методы расчета в поляризационной оптике. Матрицы Джонса и
Мюллера. Собственные векторы поляризации анизотропной оптической системы. Декартовы
и круговые векторы Джонса, связь между ними. Преобразование матриц Джонса при повороте осей координат. Сравнение расчетных методов Джонса и Мюллера. Поляризация излучения при отражении от диэлектрика и металла. Поляризационные оптические устройства (линейный и циркулярный поляризаторы, фазовращательные пластинки). Тензор диэлектрической проницаемости и структура световой волны в оптически анизотропной среде. Уравнение Френеля для лучевых и нормальных скоростей. Эллипсоид Френеля. Поверхность нормалей и лучевая поверхность. Оптические оси первого и второго рода. Одноосные и двухосные кристаллы. Преломление света на границе анизотропной среды. Двойное лучепреломление. Коническая рефракция. Интерференция излучения в одноосных и двухосных кристаллах. Изохроматы и изогиры. Искусственная анизотропия. Излучение в оптически неоднородной среде. Рассеяние Рэлея. Индикатриса рассеяния и поляризация рассеянного излучения.
Рассеяние на тепловых флуктуациях плотности и концентрации. Соотношение Эйнштейна.
Критическая опалесценция. Рассеяние Мандельштама-Бриллюэна. Спектр рассеянного света.
Рассеяние Ми. Угловые характеристики рассеянного излучения. Комбинационное рассеяние
света, интенсивность стоксовых и антистоксовых компонент. Колебательные и вращательные спектры. Квантовый подход к рассмотрению рассеяния. Нефелометрия. Использование
рассеяния в науке, технике, медицине. Эванесцентные волны. Микроскопия ближнего поля.
Фотонные кристаллы и резонаторы.
12. Учебно-методическое обеспечение дисциплины
Стр. 8 из 9
Основная литература
1.М.Борн, Э.Вольф. Основы оптики. М., Наука, 1970.
2.Дж.Гудмен. Введение в фурье-оптику. М., ”Мир”, 1970.
3.М.Б.Виноградова, О.В.Руденко, А.П.Сухоруков. Теория волн. М., “Наука”, 1979
4.И.Л. Фабелинский. Избранные труды в 2 т.; Под ред. В.Л. Гинзбурга. Т. 1 - М. : Физматлит,
2005.
5. Р.Аззам, H.Башара. Эллипсометрия и поляризованный свет. M., "Мир", 1981.
6.Л.Новотный, Б.Хехт. Основы нанооптики. М. Физматлит, 2011.
Дополнительная литература
1.M.Born, E.Wolfe. Principles of Optics. Cambridge, University press, 2005.
2.Г.С.Ландсберг. Оптика. М., “Наука”, 1976.
3.Б.И.Степанов. Введение в современную оптику. Минск, “Наука и техника”, 1989.
4.П.В.Короленко. Оптика когерентного излучения. М., Изд-во Московского университета,
1989.
5.Н.В.Калитеевский. Волновая оптика. М., “Высшая школа”, 1995.
6. Л.Мандель, Э.Вольф. Оптическая когерентность и квантовая оптика. М., Физматлит, 2003.
7. М.Шерклифф. Поляризованный свет. М., “Мир”, 1965.
Периодическая литература
1.G.A.Massey. Microscopy and pattern generation with scanned evanescent waves. //Appl. Opt.,
V.23, p.p. 658-660.1984.
2.E.Betzig and J.K.Trautman. Near-field optics: Microscopy, spectroscopy, and surface
modification beyond the diffraction limit.//Science. V.257, p.p.189-195. 1992.
Интернет-ресурсы
1. http://optics.sinp.msu.ru/
13. Материально-техническое обеспечение
В соответствии с требованиями п.5.3. образовательного стандарта МГУ по направлению подготовки «Физика».
На кафедре имеется проекционное оборудование и компьютер для представления презентаций.
Стр. 9 из 9