Архипкин В.Г., Патрин Г.С. Лекции по оптике (2006)

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИКРАСНОЯРСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТКАФЕДРА ОБЩЕЙ ФИЗИКИИНСТИТУТ ФИЗИКИ им. Л.В. КИРЕНСКОГО СО РАНВ.Г.Архипкин, Г.С.ПатринЛЕКЦИИ ПО ОПТИКЕКрасноярск 2006СОДЕРЖАНИЕЛЕКЦИЯ №11.1. Введение: предмет оптики. Краткий исторический обзор.1.2. Распространение световые волн в вакууме.ЛЕКЦИЯ №22.1. Поток энергии, интенсивность света.2.2.

Поляризация света.ЛЕКЦИЯ №33.1. Квазимонохроматические и квазиплоские волны.3.2. Спектральное разложение светового поля.3.3. Световые волны в веществеЛЕКЦИЯ №44.1. Основные понятия фотометрии.4.2. Световые пучки и импульсы: энергия, мощность, интенсивность4.3. Геометрическая оптика.ЛЕКЦИЯ №55.1. Свойства центрированных оптических систем.5.2. Элементы матричной оптики.5.3. Распространение светового луча в оптически неоднородной среде.ЛЕКЦИЯ №66.1. Интерференция света.6.2. Методы реализации интерференционной картины.ЛЕКЦИЯ №77.1. Многолучевая интерференция, интерферометр Фабри-Перо.7.2. Интерференция квазимонохроматического света.8. ЛЕКЦИЯ №88.1.

Дифракция как проявление волновой природы света.8.2. Дифракция на круглом отверстии.8.3. Дифракция на краю непрозрачного экрана.9. ЛЕКЦИЯ №99.1. Приближение Френеля в теории дифракции.9.2. Дифракция Фраунгофера как пространственное преобразование Фурье.9.3. Дифракционные решетки.9.4. Дифракция рентгеновских лучейЛЕКЦИЯ №1010.1. Классическая электронная теория дисперсии Лоренца: показательпреломления среды, дисперсия и поглощение света в линейнойизотропной среде.10.2.

Распространение светового импульса в диспергирующей среде,групповая скорость.10.3. Рассеяние света в мутных средах.ЛЕКЦИЯ №1111.1. Отражение и преломление поляризованного света на границе раздела11.2. Отражение света от поверхности металла.ЛЕКЦИЯ №1224481616202525283136363940484852575959647070728282869094949710110410610611111311611612212712.1. Оптическая анизотропия и основные эффекты кристаллооптики.12.2. Структура световой волны в анизотропном кристалле.12.3. Одноосный кристалл.ЛЕКЦИЯ №1313.1.

Двойное лучепреломление света на границе с анизотропной средой.13.2. Получение и анализ поляризованного света.13.3. Интерференция поляризованных лучей13.4. Наведенная анизотропия: электрооптические и магнитооптическиеэффекты.13.5. Естественное вращение плоскости поляризации света.ЛЕКЦИЯ №1414.1. Линейная и нелинейная оптика.14.2. Нелинейная поляризованность среды и нелинейно-оптические явления.ЛЕКЦИЯ №1515.1. Пространственное накопление нелинейно-оптических явлений, фазовоесогласование в анизотропных кристаллах.15.2.

Самофокусировка света.15.3. Параметрическая генерация света.3127128133138138140143144147149149152158158161162ЛЕКЦИЯ №1Введение: предмет оптики. Краткий исторический обзор. Распространениесветовых волн в вакууме: электромагнитная природа света, уравнения Максвелла, волновое уравнение; плоская волна, сферическая волна; принцип суперпозиции; поперечность световой волны.1.1. Введение: предмет оптики. Краткий исторический обзор.

Оптика – этораздел физики, изучающий свойства и физическую природу света, его распространение в различных средах и взаимодействие с веществом, а также способыгенерации и регистрации света. Это широко разветвленная область исследований, взаимодействующая со многими разделами физики, например, электродинамика, квантовая механика, физика твердого тела и др.

Термин оптика происходит отгреческого слова "optike" — наука о зрительных восприятиях, а само это слово происходит от греческого "optos" — видимый, зримый.Оптическое излучение или свет представляет собой электромагнитные волны.Поэтому оптика — это часть общего учения об электромагнитном поле, котораяназывается электродинамикой. Под светом в настоящее время понимают не только видимое излучение, но и примыкающие к нему широкие области инфракрасного(ИК) и ультрафиолетового (УФ) излучения. В таком понимании оптический спектрзанимает диапазон от границы ИК излучения λ = 2 мм (ν = 1, 5 × 1011 Гц) до коротковолновой границы УФ λ = 10−6 cм (ν = 3 × 1016 Гц).

Выделение указанной областиобусловлено не столько близостью соответствующих участков спектра, но и, главнымобразом, сходством методов и приборов, применяемых для ее исследования и разработанных исторически, в основном, при изучении видимого света (линзы, зеркала,призмы, дифракционные решетки, интерференционные приборы и т.д.). Собственновидимое излучение занимает диапазон λ = 400 − 760 нм, УФ – λ = 10 − 400 нм, ИК– λ = 760 нм – 2 мм. Указанные границы достаточно условны.Современная оптика подразделяется на:• геометрическую оптику, которая, не рассматривая вопроса о природе света, исходит из эмпирических законов его распространения и использует представлениео распространяющихся независимо друг от друга световых лучах, преломляющихся и отражающихся на границе сред с разными оптическими свойствами ипрямолинейных в оптически однородных средах.

Наиболее важное значение геометрическая оптика имеет для расчета и конструирования оптических приборов.• Физическую оптику, которая рассматривает проблемы, связанные с природойсвета и световых явлений. Совокупность явлений, в которых проявляется волновая природа света, изучается в разделе физической оптики, называемый волновойоптикой, в рамках которой объясняются такие явления как дифракция, интерференция и поляризация света, распространение света в анизотропных средах и т.п. Ееоснованием служат уравнения Максвелла. Свойства среды при это характеризуются диэлектрической ε и магнитной µ проницаемостями, которые в общем случаезависят от частоты света и ее волнового вектора (частотная и пространственнаядисперсия).

Эти величины однозначно определяют показатель преломления среды√n = εµ. Феноменологически волновая оптика объясняет все законы геометрической оптики и границы ее применимости. В отличие от геометрической оптики,она позволяет рассматривать процессы распространения света и тогда, когда размерысистем, формирующих и рассеивающих световые пучки, меньше длины волны.4• Фотометрию – раздел физической оптики, в котором рассматриваются энергетические характеристики светового излучения в процессах его испускания,распространения и взаимодействия с веществом.

Ряд задач фотометрии решается с учетом особенностей и закономерностей восприятия света человеческим глазом(интересно отметить, что 90% информации человек получает с помощью глаз, т.е.зрения). Изучение закономерностей восприятия света человеческим глазом занимается физиологическая оптика, которая исследует механизмы зрения, и, в конечномсчете, смыкается с биофизикой и психологией.• Кристалло- и металлооптику, изучающую связь диэлектрической ε и магнитной µ проницаемостей с молекулярной и кристаллической структурой вещества. Здесь находят объяснение оптические явления в рассеивающих и анизотропных средах, вблизи границы разделов сред с разными оптическими свойствами,зависимость оптических свойств вещества от длины волны света (дисперсия), влияния на них давления, температуры, звука, электрических и магнитных полей и др.• Нелинейная оптику, которая изучает зависимость оптических явлений отинтенсивности световых потоков.

Отметим, что изобретение лазеров, значительнораздвинула границы применимости оптики.• Хорошо описывая распространение света в материальных средах, волновая оптика не смогла удовлетворительно объяснить процессы его испускания и поглощения.Явления, в которых при взаимодействии света и вещества проявляются квантовые свойства атомов и молекул, а также квантовая природа света, изучаютсяквантовой оптикой, с элементами которой вы познакомитесь в курсе квантовойи атомной физики. Здесь лишь отметим, что использование квантовых свойствмикрообъектов привело к созданию мазеров и лазеров – генераторов электромагнитного излучения с уникальными свойствами, которые произвели революцию практически во всех областях физики, в том числе и оптики, а также во многих областяхтехники и технологии.Все разделы оптики имеют многочисленные практические применения, существенно расширившиеся с изобретением лазеров.

Перечислим лишь некоторые из них, которые развиваются на основе использования достижений лазерной техники: лазерная биология и медицина, лазерная фотохимия, лазерное разделение изотопов,лазерный управляемый термоядерный синтез, оптоэлектроника, интегральнаяоптики, оптические компьютеры, адаптивная оптика, кабельная оптическаявидеосвязь, оптическая память, оптическая локация, дальнометрия, дистанционный контроль окружающей среды, лазерная обработка материалов (резка,сварка, упрочение), лазерные микротехнологии и др.Кратко остановимся на истории развития оптики. Оптика – одна из самыхдревнейших наук, тесно связанная с потребностями практики. Она восходит к самымдревним цивилизациям. Например, прямолинейное распространение света былоизвестно в Месопотамии (5 тыс.