Оптика

Бакалавриат 2020/2021

Лучший по критерию «Полезность курса для расширения кругозора и разностороннего развития»

Лучший по критерию «Новизна полученных знаний»

Статус: Курс обязательный (Физика)

Направление: 03.03.02. Физика

Кто читает: Факультет физики

Где читается: Факультет физики

Когда читается: 2-й курс, 3, 4 модуль

Формат изучения: без онлайн-курса

Преподаватели: Думин Юрий Викторович, Копнин Сергей Игоревич, Попель Сергей Игоревич

Язык: русский

Кредиты: 4

Контактные часы: 80

Полная версия программы учебной дисциплины

Аннотация

В рамках дисциплины «Оптика» систематически излагаются общие понятия оптики. Цель преподавания дисциплины «Оптика» заключается в изучении комплекса существующих представлений в области оптики, основанных на современных научных данных и в представлении физической теории оптических явлений как обобщение наблюдений, практического опыта и эксперимента.

Цель освоения дисциплины

Целями освоения дисциплины "Оптика" являются: ● формирование у студентов профессиональных компетенций, связанных с использованием современных теоретических концепций в области физической оптики; ● развитие умений, основанных на полученных теоретических знаниях, позволяющих на творческом уровне создавать и применять физические модели для решения и исследования свойств оптических систем и явлений; ● получение студентами навыков самостоятельной работы, предполагающей изучение специфических алгоритмов, инструментов и средств, необходимых для решения задач оптики. Изучение данной дисциплины базируется на знаниях, полученных студентами при освоении учебных дисциплин: ● Математический анализ ● Алгебра ● Механика ● Термодинамика ● Электричество и магнетизм

Планируемые результаты обучения

Умение решать задачи по темам курса
Знает принципы работы основных оптических приборов и проведения измерений
Знает волновую природу света
Знает понятия дифракции и интерференции волн. Умеет применять эти знания при решении задач волновой оптики и связанных разделов физики
Знает основные принципы фурье-оптики и голографии и принципиальные основы применения этих явлений в измерительных приборах
Знает о дисперсии световых волн, поляризации и рассеянии световых волн, а также о возможных нелинейных эффектах при распространении света
Знает основные квантовые свойства света и вещества, явления в которых они проявляются

Содержание учебной дисциплины

Геометрическая оптика
Принцип Ферма и законы геометрической оптики. Оптические инструменты: телескоп, микроскоп. Элементы фотометрии. Яркость и освещённость изображения.
Начала волновой оптики
Волновое уравнение как следствие уравнений Максвелла. Монохроматические волны, комплексная амплитуда, уравнение Гельмгольца . Плоские и сферические волны.
Суперпозиция волн. Когерентность излучения
Принцип суперпозиции и интерференция волн. Интерференция волн, ширина интерференционных полос. Статистическая природа излучения. Пространственная и временная когерентность, связь с видностью интерференционных полос. Интерференционные схемы. Лазеры как источники когерентного излучения.
Дифракция волн
Дифракция волн. Принцип Гюйгенса-Френеля. Дифракция на тонком экране. Граничные условия Кирхгофа. Дифракционные задачи с осевой симметрией. Зоны Френеля. Зонные пластинки. Линза. Дифракция на одномерных структурах. Дифракционные явления при различных значениях волнового параметра. Волновой параметр, границы применимости геометрической оптики. Дифракция Френеля и дифракция Фраунгофера. Дифракция Фраунгофера на щели и на круглом отверстии. Поле в фокальной плоскости линзы. Дифракционный предел разрешения телескопа и микроскопа.
Спектральные приборы
Спектральные приборы: дифракционная решётка, интерферометр Фабри-Перо, призма. Характеристики спектральных приборов: разрешающая способность, область дисперсии.
Фурье-оптика
Принципы фурье-оптики. Волновое поле как суперпозиция плоских волн разных направлений (пространственное фурье-разложение). Соотношение неопределённостей. Дифракция на синусоидальных решётках. Теория Аббе формирования оптического изображения (принцип двойной дифракции). Методы наблюдения фазовых структур: метод тёмного поля и метод фазового контраста. Представление о Фурье-спектроскопии.
Голография
Принципы голографии. Голограмма Габора. Голограмма с наклонным опорным пучком. Действительные и мнимые изображения. Разрешающая способность голограммы. Понятие об объёмных голограммах.
Дисперсия света
Дисперсия света. Фазовая и групповая скорости. Формула Рэлея. Классическая теория дисперсии. Нормальная и аномальная дисперсии. Диэлектрическая проницаемость плазмы. Радиоволны в ионосфере.
Поляризация света
Поляризация света. Естественный свет. Поляризация при отражении и преломлении (формулы Френеля). Явление Брюстера. Дихроизм. Поляроиды. Закон Малюса. Двойное лучепреломление. Оптические явления в одноосных кристаллах. Интерференционные явления в кристаллических пластинках. Искусственная анизотропия. Экзотические волны. Явление Керра.
Рассеяние света
Рассеяние света. Рэлеевское рассеяние. Поляризация рассеянного света. Зависимость интенсивности рассеянного света от частоты.
Нелинейные явления
Нелинейные оптические явления. Нелинейная поляризация среды. Самофокусировка. Генерация гармоник.
Квантовая природа света
Квантовая природа света. Фотоэффект. Уравнение Эйнштейна. Многоквантовый фотоэффект. Эффект Комптона, комптоновская длина волны.
Равновесное тепловое излучение
Формула Планка для равновесного излучения абсолютно черного тела. Закон смещения Вина. Анализ формулы Планка в предельных случаях больших частот (квантовый предел) и малых частот (формула Рэлея-Джинса). Классическая интерпретация формулы Рэлея-Джинса, плотность энергии равновесного излучения.
Водородоподобный атом
Атом Бора. Водородоподобные атомы. Уровни энергии. Спектры атомов и молекул.
Спонтанное и индуцированное излучение. Лазер.
Двухуровневая квантовая система в поле равновесного излучения, принцип детального равновесия, спонтанные и индуцированные переходы. Прохождение излучения через среду, условие усиления (инверсная заселенность уровней). Лазеры.

Элементы контроля

Контрольная работа
Выполняется одна контрольная работа в течение семестра
Домашнее задание
Домашнее задание включает в себя набор задач, самостоятельно решаемых студентами. Оценка за домашние задания является усреднённой оценкой за все предлагавшиеся в ходе семестра домашние задания. По домашнему заданию оформляется отчет в письменном виде, кроме того, преподаватель имеет право при приеме ДЗ опросить студента по решению одной или нескольких задач. В случае, если студент не может ответить устно, оценка за письменный отчет снижается вдвое. Отчет должен включать решения задач, оформленные студентами. Оценка за домашнее задание выставляется с учетом полноты выполнения задания, оформления результатов, а также знания теоретических положений, включенных в программу курса. График сдачи домашних заданий устанавливается преподавателем, ведущим семинар. В случае несвоевременной сдачи домашнего задания оценка за него снижается вдвое. При задержке по уважительной причине баллы не снижаются.
Экзамен
В конце курса проводится устный экзамен в формате беседы и решения задач по программе курса. В билете на экзамене содержатся 1 устный вопрос и задача.
Коллоквиум
На коллоквиуме студент представляет в форме доклада заранее подготовленный вопрос (задачу), тема которого заранее согласуется с преподавателем, ведущим семинары, иди с лектором.

Промежуточная аттестация

Промежуточная аттестация (4 модуль)
Накопленная (Н) оценка вычисляется по формуле Н=0.35*Кр+0.4*Дз+0.25*Кол, где Кр — оценка за контрольную работу, Дз — итоговая оценка за домашние задания, Кол — оценка за коллоквиум. Оценка округляется по арифметическим правилам (оценка ниже 0.5 округляется в меньшую сторону). Накопленная оценка 8, 9 и 10 может быть зачтена в качестве итоговой без экзамена. Формула оценивания: Итог=0.75*Н+0.25*Экз, где Экз — оценка, полученная на экзамене. Оценка округляется по арифметическим правилам (оценка ниже 0.5 округляется в меньшую сторону).

Программа дисциплины