Физическая оптика

В курсе рассматриваются основные законы и понятия физической оптики с упором на их практическое применение в спектральных и лазерных технологиях.

Основными задачами курса являются:

1. Ознакомление студентов с основами физической оптики.

2. Развитие умения самостоятельного решения физических задач и анализа физических моделей.

3. Ознакомление студентов с основными современными направлениями развития оптических технологий.

Для бесплатного просмотра доступны только видеолекции и тренировочные задания. Тесты на проверку откроются после оплаты сертификации. Стоимость сертификации составляет 2800 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.

Экзамус.

Уважаемые слушатели, Вы можете сдать экзамен с прокторингом, который будет проходить на курсе раз в 2-3 месяца. Рассылка о предстоящих экзаменах будет приходить Вам на почту заранее.

Ближайшие даты экзамена с 22 по 31 мая 2023 года.

В состав каждой учебной недели курса входят:

- видео-лекции: на каждую учебную неделю 5-6 роликов продолжительностью 15-25 минут каждый

- записи разбора задач: на каждую учебную неделю разбор 5-6 ключевых задач общей продолжительностью около 2 ак. часов

- записи экспериментальных демонстраций с кратким разбором изучаемых явлений (всего более 20 демонстраций)

- тестовые вопросы к лекционным роликам и простые задачи для самостоятельного решения и закрепления материала

Разделы курса завершаются проверочной неделей, на которой обучающемуся предлагается самостоятельно решить ряд контрольных задач различной сложности (от простого к сложному).

1. Сивухин Д.В. Общий курс физики. Оптика. Т. IV. – М.: Физматлит, 2018.
2. Кириченко Н.А. Принципы оптики: учебное пособие. – М.: МФТИ, 2016.
3. Кингсеп А.С., Локшин Г.Р., Ольхов О.А. Основы физики. Т. I – М.: Физматлит, 2007.
4. Ахманов С.А. Никитин С.Ю. Физическая оптика. – М.: Издательство МГУ, Наука, 2004.

Для успешного освоения курса требуется владение основами математического анализа (дифференциальное и интегральное исчисление, разложение функций в ряд, комплексные числа). Рекомендуется знакомство с основными положениями теории электричества и магнетизма.

Курс состоит из 14 недель и разбит на три раздела. Каждый раздел завершается проверочной неделей.

Неделя 1.

Волновое уравнение, монохроматические волны, комплексная амплитуда, уравнение Гельмгольца, плоские и сферические волны, показатель преломления, фазовая скорость распространения. Диапазоны длин волн. Граничные условия, законы преломления и отражения, формулы Френеля, угол Брюстера.

Неделя 2.

Элементы геометрической оптики, геометрические аберрации. Дисперсия показателя преломления, классическая теория дисперсии, нормальная и аномальная дисперсии, поглощение света средой. Комплексная диэлектрическая проницаемость и комплексный показатель преломления. Показатель преломления плазмы. Понятие о метаматериалах. Групповая скорость. Затухание волн, закон Бугера.

Неделя 3.

Поляризация света. Естественный свет. Дихроизм, поляроиды, закон Малюса. Двойное лучепреломление в одноосных кристаллах, разложение волны на обыкновенную и необыкновенную. Взаимная ориентация векторов k, E, D, B, направление вектора Пойнтинга. Кристаллические пластинки. Понятие об эффектах Фарадея, Керра и Поккельса.

Неделя 4.

Проверочная

Неделя 5.

Интерференция монохроматических волн. Ширина полос, видность полос. Просветление оптики. Статистическая природа излучения квазимонохроматической волны. Временная когерентность. Соотношение неопределённостей. Интерференция при использовании протяжённых источников. Пространственная когерентность, радиус когерентности. Условия наблюдения интерференции (в двухлучевых схемах).

Неделя 6.

Дифракция волн. Принцип Гюйгенса–Френеля. Дифракция на тонком экране, граничные условия Кирхгофа. Дифракция Френеля. Задачи с осевой симметрией, зоны Френеля, спираль Френеля. Дифракция на щели, спираль Корню. Зонные пластинки, пятно Пуассона, линза. Принцип Бабинэ.

Неделя 7.

Дифракция Фраунгофера. Световое поле в зоне Фраунгофера как преобразование Фурье граничного поля. Дифракция Фраунгофера на щели, дифракционная расходимость. Волновой параметр.  Дифракционный предел разрешения телескопа и микроскопа. Поле в фокальной плоскости линзы, поперечные и продольные размеры фокального пятна.

Неделя 8.

Принципы фурье-оптики. Метод Рэлея решения задачи дифракции: волновое поле как суперпозиция плоских волн разных направлений (пространственное фурье-разложение). Соотношение неопределённостей. Дифракция на периодических структурах. Эффект саморепродукции. Теория Аббе формирования оптического изображения, принцип двойной дифракции. Понятие о пространственной фильтрации. Понятие о методах наблюдения фазовых объектов (методы темного поля, фазового контраста).

Неделя 9.

Проверочная.

Неделя 10.

Источники излучения и их спектры. Спектральные приборы: призма, дифракционная решётка, интерферометр Фабри–Перо. Характеристики спектральных приборов: разрешающая способность, область дисперсии, угловая дисперсия. Условие Брэгга–Вульфа в многослойных структурах.

Принципы голографии. Голограмма Габора. Голограмма с наклонным опорным пучком. Разрешающая способность голограммы. Понятие об объёмной голограмме.

Неделя 11.

Принципы работы лазеров. Спонтанное и вынужденное излучение. Возможность когерентного усиления. Инверсная заселённость уровней, создание активной среды (накачка). Трёхуровневые системы. Осуществление положительной обратной связи в оптическом резонаторе. Механизмы уширения спектральных линий. Продольные и поперечные моды.

Неделя 12.

Понятие о рассеянии света. Эффективное сечение рассеяния, диаграмма направленности, их зависимость от длины волны и от размера рассеивающих частиц. Рэлеевское рассеяние, рассеяние на флуктуациях плотности. Поляризация рассеянного света. Понятие о световодах. Нелинейные оптические явления. Нелинейная поляризация среды. Оценки интенсивности световой волны, при которых наблюдаются нелинейные эффекты. Наведённое двулучепреломление. Генерация второй гармоники, фазовый синхронизм. Самофокусировка, критическая мощность самофокусировки.

Неделя 13.

Проверочная.

Неделя 14.

Экзамен.

В результате успешного освоения курса обучающийся будет

• знать фундаментальные законы и понятия оптики, а также границы их применимости;
• применять изученные общие физические законы для решения конкретных практических задач по оптике;
• применять различные математические инструменты решения задач исходя из сформулированных физических законов, и проводить необходимые аналитические и численные расчёты;
• анализировать физические задачи, выделяя существенные и несущественные аспекты явления, и на основе проведённого анализа строить упрощённые теоретические модели физических явлений;
• проводить количественные оценки и оценивать возможность применимости теоретических моделей;
• владеть основными математическими методами, характерными для задач физической оптики.

Курс направлен на формирование общекультурных компетенций:

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)

Курс направлен на формирование профессиональных компетенций:  

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)