Тема 4. Променева оптика

Семінар 4. Принцип Ферма. – 2 год.

Семінар 5. Заломлення світла. Призма. – 2 год.

Семінар 6. Оптичні системи. – 2 год.

Лабораторна робота 1. Характеристики лінз. – 4 год.

Завдання для самостійної роботи (18 год.)

1. Геометрична оптика. Граничний перехід від хвильової оптики до геометричної. Принцип Ферма. Поняття про світловий промінь. Заломлення променів на сферичній поверхні. Параксіальне наближення. Теорема Лагранжа–Гельмгольца. Типи лінз. Формула тонкої лінзи. [2] c.42-74, [3] c.272-293, [4] c.162-193, [5] c.162-184

2. Властивості центрованих оптичних систем. Кардинальні елементи оптичної системи. Додавання ідеальних оптичних систем. Товста лінза як оптична система. [2] c.74-96, [3] c.294-301, [4] c.193-198, [5] c.184-192

3. Оптична система ока, лупи, мікроскопа та телескопа. Діафрагми оптичних систем, явище віньєтування. [2] c.162-180, [3] c.318-345, [4] c.266-286, [5] c.199-202, 204-210

Контрольні запитання та завдання

1. Заломлення променів на сферичній поверхні. Теорема Лагранжа–Гельмгольца. Формула тонкої лінзи.

2. Властивості центрованих оптичних систем. Кардинальні елементи оптичної системи. Додавання ідеальних оптичних систем. Товста лінза як оптична система.

3. Оптична система ока, лупи, мікроскопа та телескопа. Діафрагми оптичних систем, явище віньєтування.

Тема 5. КВАЗІМОНОХРОМАТИЧНЕ СВІТЛО.

Лекція 7. Суперпозиція різночастотних коливань. Хвильовий цуг.

Квазімонохроматичне світло. Суперпозиція 2-х різночастотних коливань (биття). Хвильовий пакет. Фазова та групова швидкості. Амплітудно модульовані хвилі. Хвильовий цуг та його спектр. Степінь монохроматичності. [1] c.45-50, [3] c.33-36

Контрольні запитання та завдання

1. Суперпозиція 2-х різночастотних коливань (биття). Хвильовий пакет. Фазова та групова швидкості. Амплітудно модульовані хвилі.

2. Хвильовий цуг та його спектр. Степінь монохроматичності.

Лекція 8. Спонтанне випромінювання атома. Ширина лінії лазерного джерела випромінювання.

Спонтанне випромінювання атома. Природний контур спектральної лінії. Розширення контурів спектральних ліній. Ширина лінії лазерного джерела випромінювання. [1] c.50-61

Контрольні запитання та завдання

1. Спонтанне випромінювання атома. Природний контур спектральної лінії. Розширення контурів спектральних ліній.

2. Ширина лінії лазерного джерела випромінювання.

Тема 6. ІНТЕРФЕРЕНЦІЯ СВІТЛА.

Лекція 9. Інтерференція плоских монохроматичних хвиль та монохроматичних хвиль від двох точкових джерел.

Інтерференція світла, принцип суперпозиції, когерентність хвиль. Інтерференція двох монохроматичних хвиль, вплив фазових співвідношень. Ширина полос. Інтерференція монохроматичних хвиль від двох точкових джерел. Форма полос та порядок інтерференції. [1] c.202-206, [2] c.188-199, [3] c.63-69, [4] c.289-292, [6] c.125-135

Контрольні запитання та завдання

1. Інтерференція двох монохроматичних плоских хвиль, вплив фазових співвідношень. Ширина полос..

2. Інтерференція монохроматичних хвиль від двох точкових джерел. Форма полос та порядок інтерференції.

Лекція 10. Інтерференція типу Френеля та типу Ньютона(поділ хвильового фронту та поділ амплітуди).

Демонстрації: Бідзеркало Френеля. Біпризма Френеля. Плоско паралельна пластина, вплив товщини на інтерференційну картину. Клин.

Семінар 7. Інтерференція типу Френеля. – 2 год.

Семінар 8. Інтерференція типу Ньютона. – 2 год.

Лабораторна робота 10. Біпризма Френеля. – 4 год.

Лабораторна робота 9. Кільця Ньютона. – 4 год.

Контрольні запитання та завдання

1. Способи отримання когерентних джерел методом поділу хвильового фронту.

2. Інтерференція світла в плоско паралельній пластині. Полоси рівного нахилу.

3. Полоси рівної товщини. Клин, кільця Ньютона.

Проблемні теми для обговорення

1. Полоси рівного нахилу і полоси рівної товщини та просторово-часова когерентність.

Лекція 11 Просторова та часова когерентність.

Інтерфереція частково когерентного світла Інтерфереція світла від протяжного монохроматичного джерела. Просторова когерентність. Вплив кутових розмірів джерела світла на видність інтерференційної картини. Інтерференція немонохроматичного світла. Часова когерентність. Довжина та час когерентності. Приклад 2-х частот. Функція видності інтерференційної картини для цугу скінченої довжини. [1] c.218-228, 234-241, [2] c.205-226, [3] c.80-94, [4] c.533-581, [6] c.135-143, 148-157

Завдання для самостійної роботи (4 год.)

1. Зоряний інтерферометр Майкільсона. [1] c.243-246, [2] c.380-384, [4] c.303-308, 555

Контрольні запитання та завдання

1. Інтерфереція світла від протяжного монохроматичного джерела світла. Просторова когерентність.

2. Інтерференція немонохроматичного світла. Часова когерентність. Довжина та час когерентності. Приклад 2-х частот.

Лекція 12. Функція кореляції та просторово-часова когерентність.

Функція кореляції та просторово-часова когерентність. Комплексна степінь когерентності. Зв’язок функції кореляції з спектром сигналу. Світловий цуг. [1] c.228-234, 242-247, [3] c.94-112, [4] c.541-547, [6] c.128, 243-254

Контрольні запитання та завдання

1. Функція кореляції та просторово-часова когерентність. Світловий цуг.

Проблемні теми для обговорення

1. Теорема Ван-Ціттера - Церніке.

Лекція 13. Застосування двохпроменевої інтерференції.

Застосування двохпроменевої інтерференції. Пробні пластини. Інтерферометри Майкільсона, Жамена, Маха-Цендера, Тваймана-Гріна. Волоконно- та інтегрально-оптичні інтерферометри. Лазерні інтерферометри бокового зсуву. Просвітлення оптики. Інтерференційні дзеркала та фільтри. [1] c.247-255, 260-266, [2] c.235-244, 418-421, [3] c.131-149, [4] c.331-352, [5] c.92-107, [6] c.168-173, 173-187

Демонстрації: Інтерференційні дзеркала та фільтри, абсорбційні фільтри.

Семінар 9. Інтерферометри. – 2 год.

Лабораторна робота 13. Мікроінтерферометр Лінника. – 4 год.

Контрольні запитання та завдання

1. Пробні пластини. Інтерферометри Майкільсона, Жамена, Маха-Цендера, Тваймана-Гріна. Волоконно- та інтегрально-оптичні інтерферометри. Лазерні інтерферометри бокового зсуву.

2. Просвітлення оптики. Інтерференційні дзеркала та фільтри.

Проблемні теми для обговорення

1. Інтерферометри бокового зсуву та поворотного типу та їх застосування.

Лекція 14. Інтерференційні дослідження.

Інтерференційні дослідження. Основи Фур’є-спектрометрії. Фур’є-спектрометри. Доплерівські інтерферометри. Інтерферометри Саньяка. Лазерні гіроскопи.

Контрольні запитання та завдання

1. Фур’є-спектрометри. Доплерівські інтерферометри. Інтерферометри Саньяка. [1] c.253-255, 408-417

Змістовий модуль 2

Лекція 15. Багатопроменева інтерференція.

Багатопроменева інтерференція хвиль рівної амплітуди. Монохроматичні хвилі з одинаковим зсувом фаз (фазова градка, інтерференційне дзеркало та фільтр) та зфазовані хвилі з одинаковою різницею частот (синхронізація мод). Багатопроменева інтерференція в плоско паралельній пластині. Формула Ейрі. Інтерферометр Фабрі–Перо. Розподіл інтенсивності в інтерференційній картині, форма полос, спектральний інтервал, ширина лінії, роздільна здатність. [1] c.255-260, [2] c.244-252, [4] c.353-401, [5] c.87-92, [6] c.187-205

Завдання для самостійної роботи (4 год.)

1. З’єднання інтерферометра Фабрі–Перо зі спектрометром., [4] c.366-369

Контрольні запитання та завдання

1. Багатопроменева інтерференція хвиль рівної амплітуди. Монохроматичні хвилі з одинаковим зсувом фаз (фазова градка, інтерференційне дзеркало та фільтр) та зфазовані хвилі з одинаковою різницею частот (синхронізація мод).

2. Багатопроменева інтерференція в плоско паралельній пластині. Формула Ейрі.

3. Інтерферометр Фабрі–Перо. Розподіл інтенсивності в інтерференційній картині, форма полос, спектральний інтервал, ширина лінії, роздільна здатність.

Проблемні теми для обговорення

1.Еталон довжини (метр).

Лекція 16. Світловоди.

Планарні світловоди. Умова поперечного фазового синхронізму. Дисперсійне рівняння для асиметричних світловодів. Ідеально металевий світловод. Розв’язки дисперсійного рівняння. Відсічка частоти. Фазова та групова швидкості. Діелектричний світловод. Відсічка хвильового вектора. Дисперсійне рівняння. [11] c.54-79, 465-474, [12] c.17-24, 37-52

Завдання для самостійної роботи (12 год.)

1. Оптичні волокна. [12] c.279-322

Контрольні запитання та завдання

1. Планарні світловоди. Умова поперечного фазового синхронізму. Дисперсійне рівняння для асиметричних світловодів.

2. Ідеально металевий світловод. Розв’язки дисперсійного рівняння. Відсічка частоти. Фазова та групова швидкості.

3. Діелектричний світловод. Відсічка хвильового вектора. Дисперсійне рівняння.

Проблемні теми для обговорення

1. Градієнтні світловоди та волокна.

Тема 7. ДИФРАКЦІЯ СВІТЛА.

Лекція 17. Зони Френеля.

Дифракція світла. Принцип Гюйгенса–Френеля. Метод зон Френеля. Спіраль Френеля. Прямолінійність поширення світла. Дифракція Френеля на круглому отворі та на круглому екрані. Дослід Поля. Зонна платівка Френеля, положення її фокусів. [1] c.268-278, [2] c.262-276, [3] c.150-163, [4] c.404-428, [5] c.107-120, [6] c.206-216

Контрольні запитання та завдання

1. Метод зон Френеля. Спіраль Френеля.

2. Дифракція Френеля на круглому отворі та на круглому екрані. Зонна платівка Френеля, положення її фокусів.

Лекція 18. Дифракція Френеля на краю екрана.

Дифракція Френеля на краю прямолінійного екрана. Спіраль Корню. Розподіл інтенсивності в дифракційній картині від щілини та непрозорої полоски. [1] c.278-284, [2] c.282-287, [3] c.163-172, [4] c.464-470, [5] c.120-125, [6] c.216-222

Демонстрації: Дифракція Френеля на круглому отворі, круглому екрані, щілині, голці. Зонна платівка Френеля.

Семінар 10. Дифракція Френеля. – 2 год.

Лекція 19. Дифракція Фраунгофера.

Дифракція Френеля та Фраунгофера. Дифракція Фраунгофера на одній щілині. Роль розмірів джерела. Дифракція Фраунгофера на прямокутному та круглому отворах. [1] c.284-296, [2] c.292-302, [3] c.172-190, [4] c.428-437, [5] c.125-128, [6] c.222-229

Демонстрації: Дифракція лазерного випромінювання на лінійних та двомірних гратках. Спектр ртутної лампи, отриманий за допомогою гратки типу ешелет. Лауеграма та Дебаєграма.

Семінар 11. Дифракція Фраунгофера. – 2 год.

Лабораторна робота 19. Вивчення дифракції за допомогою лазера. – 4 год.

Лекція 20. Дифракційні гратки Роздільна здатність оптичних приладів.

Дифракція Фраунгофера на двох щілинах. Інтерферометр Релея. Дифракційна градка. Розподіл інтенсивності в дифракційній картині від ступінчатої та синусоїдальної дифракційної гратки. Дисперсія вільний спектральний діапазон та роздільна здатність дифракційної гратки. Похиле падіння, профільовані штрихи. Оптичні схеми спектральних приладів. Типи призм, їх дисперсія та роздільна здатність. Прилади високої роздільної здатності та їх застосування. Роздільна здатність телескопа та мікроскопа. Мікроскопія фазового контрасту. [1] c.305-327, [2] c.302-331, 357-375, [3] c.191-223, 346-366, [4] c.437-464, [5] c.128-140, 210-218, [6] c.229-243, 255-274, 283-298

Семінар 12. Дифракційна гратка. – 2 год.

Семінар 13. Роздільна здатність оптичних приладів. – 2 год.

Лабораторна робота 13. Інтерферометр Релея. – 2 год.

Лабораторна робота 12. Дифракційна гратка. – 2 год.

Лабораторна робота 18. Фазова відбиваюча гратка. – 2 год.

Завдання для самостійної роботи (18 год.)

1. Дифракція електромагнітних хвиль на періодичних двомірних та трьохмірних структурах. Умова Вульфа – Брегга. Лауеграма та Дебаєграма. [2] c.384-396, [3] c.224-234, [5] c.140-146, [6] c.274-283

2. Оптичні схеми спектральних приладів. Типи призм, їх дисперсія та роздільна здатність. [2] c.321-331, [3] c.366-369, [6] c. 255-274

3. Мікроскопія фазового контрасту. [2] c.378-380, [3] c.361-366

Контрольні запитання та завдання

1. Дифракція Фраунгофера на двох щілинах. Інтерферометр Релея.

2. Дифракційна гратка. Дисперсія вільний спектральний діапазон та роздільна здатність дифракційної гратки. Похиле падіння, профільовані штрихи.

3. Прилади високої роздільної здатності та їх застосування. Роздільна здатність телескопа та мікроскопа.

Проблемні теми для обговорення

1. Голографічні дифракційні плоскі та параболічні гратки.

Лекція 21. Основи голографії.

Основи голографії. Запис та відтворення голограмного зображення. Основні формули голографії. Властивості голограм різних типів. Максимальна дифракційна ефективність плоских голограм. Застосування голографії. Голографічна інтерферометрія. Передача зображення через фазово неоднорідне середовище. [1] c.377-390, [2] c.343-354, [3] c.235-271, [4] c.488-494, [5] c.146-162

Контрольні запитання та завдання

1. Запис та відтворення голограмного зображення. Основні формули голографії. Властивості голограм різних типів.

2. Максимальна дифракційна ефективність плоских голограм.

3. Голографічна інтерферометрія. Передача зображення через фазово неоднорідне середовище.

Проблемні теми для обговорення

1. Голограми Бентона (райдужні голограми)

Тема 8. ПОГЛИНАННЯ ТА ДИСПЕРСІЯ СВІТЛА.

Лекція 22. Класична теорія дисперсії.

Природа елементарних випромінювачів. Класична теорія дисперсії. Формули Зельмейера та Коші. Показники заломлення та поглинання для газів. Нормальна та аномальна дисперсія. Напівширина лінії поглинання. Дисперсія рентгенівських променів. Дисперсія у розрідженій плазмі. Частота колективних коливань заряджених частинок в плазмі, властивості іоносфери. Дисперсія при наявності декількох типів осциляторів. [1] c.82-98, [2] c.517-523, 529-541, [3] c.538-574, [5] c.276-287, [6] c.303-326

Семінар 14. Поглинання та дисперсія світла. – 2 год.

Лекція 23. Дисперсія у конденсованому середовищі.

Дисперсія у конденсованому середовищі. Формула Лоренц-Лорентца. Молекулярна рефракція. Дисперсія в провідниках. Формули Друде. [1] c.88-89, [2] c.523-527, [3] c.557-563, [4] c.110-124, 684-687, [5] c.287-291

Лабораторна робота 3. Дисперсія світла у склі. – 4 год.