Оптика

Подробно излагается теория интерференционных явлений: интерференция монохроматических, квазимонохроматических и протяженных источников света и теория дифракционных явлений: дифракция Френеля и Фраунгофера. Особое внимание уделяется рассмотрению характеристик спектральных приборов: призмы, дифракционной решетки и интерферометра Фабри­Перо. Разобраны основные понятия и результаты Фурье­ оптики. Дается введение в голографию. Излагается теория дисперсии волн, описывается классическая модель диспергирующей среды (в том числе в плазме). Рассматриваются ключевые эффекты кристаллооптики: поляризация и двойное лучепреломление, а также нелинейной оптики: нелинейная поляризация среды, генерация гармоник и эффект самофокусировки.

Для бесплатного просмотра доступны только видеолекции и тренировочные задания. Тесты на проверку откроются после оплаты сертификации. Стоимость сертификации составляет 3600 рублей.

Студентам МФТИ для получения бесплатного доступа к тестовым заданиям и экзамену необходимо написать на openedu@mipt.ru письмо с указанием названия курса, логина на openedu, и скриншотом личного кабинета, на котором виден статус обучения.

Курс содержит в себе теоретический материал, демонстрации ключевых оптических экспериментов, необходимые для правильного понимания явлений, разборы решений типовых задач, упражнения и задачи для самостоятельного решения
Пятая, девятая и пятнадцатая недели содержат контрольные задания для проверки.

Для успешного освоения курса слушателю желательно знать основы математики (особенно геометрии) и физики в объеме школьной программы.

Неделя 1
Принцип Ферма и законы геометрической оптики. Полное внутреннее отражение. Оптические инструменты: телескоп, микроскоп. Элементы фотометрии. Яркость и освещённость изображения.

Неделя 2
Волновое уравнение, монохроматические волны, комплексная амплитуда, уравнение Гельмгольца, плоские и сферические волны. Принцип суперпозиции и интерференция монохроматических волн. Видность полос, ширина полосы.

Неделя 3
Статистическая природа излучения квазимонохроматической волны. Временная когерентность, функция временной когерентности, связь со спектральной интенсивностью (теорема Винера–Хинчина). Ограничение на допустимую разность хода в двухлучевых интерференционных схемах, соотношение неопределенностей.

Неделя 4
Интерференция при использовании протяженных источников. Пространственная когерентность, функция пространственной когерентности, связь с распределением интенсивности излучения по источнику I(x) (теорема Ван Циттерта–Цернике). Ограничения на допустимые размеры источника и апертуру интерференции в двухлучевых схемах.

Неделя 5
Дифракция волн. Принцип Гюйгенса–Френеля. Дифракция на тонком экране. Граничные условия Кирхгофа. Волновой параметр. Дифракция Френеля. Задачи с осевой симметрией, зоны Френеля, спираль Френеля. Зонные пластинки, линза. Дифракция на дополнительном экране, пятно Пуассона.

Неделя 6
Дифракция волн. Принцип Гюйгенса–Френеля. Дифракция на тонком экране. Граничные условия Кирхгофа. Волновой параметр. Дифракция Френеля. Задачи с осевой симметрией, зоны Френеля, спираль Френеля. Зонные пластинки, линза. Дифракция на дополнительном экране, пятно Пуассона.

Неделя 7
Дифракция Фраунгофера. Световое поле в зоне Фраунгофера как преобразование Фурье граничного поля. Дифракция Фраунгофера на щели, дифракционная расходимость. Дифракционный предел разрешения телескопа и микроскопа. Поле в фокальной плоскости линзы.

Неделя 8
Спектральные приборы: призма, дифракционная решётка, интерферометр Фабри–Перо. Характеристики спектральных приборов: разрешающая способность, область дисперсии, угловая дисперсия.

Неделя 9
Проверочная

Неделя 10
Теория Аббе формирования оптического изображения, принцип двойной дифракции. Полоса пропускания оптической системы, связь с разрешающей способностью. Разрешающая способность при когерентном и некогерентном освещении. Принципы фурье-оптики. Метод Рэлея решения задачи дифракции: волновое поле как суперпозиция плоских волн разных направлений (пространственное фурье-разложение), соотношение неопределённостей. Дифракция Френеля на периодических структурах (эффект саморепродукции). Область геометрической оптики.

Неделя 11
Принципы голографии. Голограмма Габора. Голограмма с наклонным опорным пучком. Разрешающая способность голограммы. Объёмная голограмма, объёмная решётка в регистрирующей среде, условие Брэгга–Вульфа.

Неделя 12
Дисперсия света, фазовая и групповая скорости, формула Рэлея. Классическая теория дисперсии. Комплексный показатель преломления и поглощения света в среде. Затухающие волны, закон Бугера. Нормальная и аномальная дисперсии.

Неделя 13
Поляризация света. Естественный свет. Явление Брюстера. Дихроизм, поляроиды, закон Малюса. Двойное лучепреломление в одноосных кристаллах. Интерференционные явления в кристаллических пластинках. Понятие об искусственной анизотропии. Эффект Фарадея и эффект Керра.

Неделя 14
Рэлеевское рассеяние (рассеяние на флуктуациях плотности). Эффективное сечение рассеяния. Поляризация рассеянного света. Нелинейная поляризация среды. Генерация второй гармоники (удвоение частоты), фазовый синхронизм. Самофокусировка.

Неделя 15
Проверочная

В результате изучения дисциплины «Общая физика. Оптика» обучающийся должен:

• Знать:
  • фундаментальные законы и понятия оптики, а также границы их применимости;
  • принцип Ферма и законы геометрической оптики;
  • волновое уравнение, плоские и сферические волны, принцип суперпозиции и интерференцию монохроматических волн;
  • временную и пространственную когерентность источника;
  • принцип Гюйгенса–Френеля, дифракцию Френеля;
  • дифракцию Фраунгофера на щели;
  • спектральные приборы и их основные характеристики;
  • принципы фурье-оптики, пространственное фурье-разложение, эффект саморепродукции;
  • теорию Аббе формирования оптического изображения, принцип двойной дифракции;
  • принципы голографии, условие Брэгга–Вульфа;
  • дисперсию света, фазовую и групповую скорости, классическую теорию дисперсии;
  • поляризацию света, естественный свет, явление Брюстера;
  • дихроизм, поляроиды, закон Малюса.
  • двойное лучепреломление в одноосных кристаллах, интерференционные явления в кристаллических пластинках, эффект Фарадея и эффект Керра;
  • нелинейные оптические явления, нелинейную поляризацию среды, генерацию второй гармоники (удвоение частоты), фазовый синхронизм, самофокусировку;
• Уметь:
  • применять изученные общие физические законы для решения конкретных задач по
  • оптике:
    • применять законы геометрической оптики при построении изображений в оптических системах;
    • решать уравнения Гельмгольца для случаев плоских и сферических волн;
    • использовать понятие о зонах Френеля и спирали Френеля при решении задач дифракции на экране с осевой симметрией;
    • использовать метод Рэлея решения задачи дифракции: волновое поле как суперпозиция плоских волн разных направлений (пространственное фурье-разложение);
  • анализировать физические задачи, выделяя существенные и несущественные аспекты явления, и на основе проведённого анализа строить упрощённые теоретические модели физических явлений;
  • применять различные математические инструменты решения задач исходя из сформулированных физических законов, и проводить необходимые аналитические и численные расчёты;
• Владеть:
  • основными методами решения задач оптики;
  • основными математическими инструментами, характерными для задач оптики;

• способность анализировать научные проблемы и физические процессы, использовать на практике фундаментальные знания, полученные в области естественных наук (ОК-1)
• способность осваивать новые проблематику, терминологию, методологию и овладевать научными знаниями, владением навыками самостоятельного обучения (ОК-2)
• способность применять в своей профессиональной деятельности знания, полученные в области физических и математических дисциплин (ПК-1) способность понимать сущность задач, поставленных в ходе профессиональной деятельности, и использовать соответствующий физико-математический аппарат для их описания и решения (ПК-3)
• способность использовать знания в области физических и математических дисциплин для дальнейшего освоения дисциплин в соответствии с профилем подготовки (ПК-4)
• способность применять теорию и методы математики, физики и информатики для построения качественных и количественных моделей (ПК-8)