|
Введение
Электромагнитные волны оптического диапазона
· Оптика как раздел физики
· Электромагнитные волны оптического диапазона
· Видимый диапазон
· Видимый диапазон и солнечное излучение
Фотометрия
· Действие света на детектор
· Фотометрия как раздел оптики
· Перенос энергии электромагнитной волной
o Плотность потока энергии
o Вектор Умова-Пойтинга
o Постоянная и переменная составляющая вектора Умова-Пойтинга
o Порядок величины периода световых колебаний для видимого диапазона
· Усреднение энергии детектирующим устройством
· Интенсивность
· Пропорциональность интенсивности квадрату амплитуды
· Единицы измерения интенсивности
· Эффективная интенсивность
· Два метода измерения энергии
o энергетический (объективный)
o визуальный (субъективный)
· Два типа фотометрических единиц
o энергетические
o световые (визуальные)
· Фотометрические характеристики в энергетических единицах
o Поток энергии излучения (поток лучистой энергии)
§ Точечный источник
§ Усредненная мощность излучения через площадку
§ Единицы измерения
§ Связь потока и интенсивности
o Сила света
§ Телесный угол
· Определение телесного угла
· Телесный угол, определяемый произвольной площадкой
§ Определение силы света
§ Средняя сила света
§ Изотропные источники
§ Полный световой поток
o Освещенность
§ Связь освещенности и силы света
§ Законы освещенности
· Закон обратных квадратов
· Закон косинуса
o Яркость
§ Характеризует протяженные источники
§ Видимая поверхность
§ Яркость источника
§ Ламбертовы (диффузно светящиеся) источники
o Светимость
§ Интегральная величина
§ Светимость Ламбертовых источников
· Переход от энергетических единиц к световым (визуальным)
o Спектральная чувствительность глаза
§ Идеальный (объективный) фотоприемник и глаз
§ Относительная видность
§ Усредненная кривая спектральной чувствительности (кривая видности)
§ Колбочки и палочки
o Кандела – основная световая единица измерения
o Световой поток – люмен
§ Переход от Вт к Лм
§ Абсолютная видность
o Освещенность – люкс
o Яркость
Основные законы оптики
· Закон прямолинейного распространения света
o Опытные доказательства (четкая подобная геометрическая тень)
o Ограничение (малое отверстие)
· Закон независимости световых пучков
· Закон отражения света
o Угол падения и угол отражения
o Ограничение
· Закон преломления света
o Угол преломления
o Формулировка закона
o Относительный показатель преломления
o Абсолютный показатель преломления
o Показатели преломления вакуума, воды, стекла
o Закон Снелиуса
o Оптически более плотная среда
o Пример с монеткой на дне водоема
o Определение показателя преломления стекла при помощи микроскопа
o Полное внутреннее отражение
§ Суть явления
§ Применения
· Определение показателя преломления
· Оптические волокна
o Примеры применения закона преломления
§ Преломление света на плоскопараллельной пластинке (делители излучения)
§ Оптическая призма
· Отклонение падающего излучения
· Дисперсия света
· Полное отражение в требуемом направлении
· Принцип Ферма
o Траектория светового луча в однородной и неоднородной среде
o Оптическая длина пути (однородная и неоднородная среда)
o Принцип Ферма
o Вывод законов прямолинейного распространения и отражения света
o Вариационный принцип
o Таутохронные системы
· Принцип Гюйгенса
o Принцип Гюйгенса
o Иллюстрация на примере плоской и сферической волны
o Преломление параллельного пучка
Волновая природа света
· Волна
o Определение волны
o Скорость света
§ Вакуум
§ Вещество
o Показатель преломления
§ Дисперсия показателя преломления
· Продольные и поперечные волны
· Плоская монохроматическая волна
o Фронт волны
o Волновое уравнение
o Уравнение плоской монохроматической волны
§ Амплитуда
§ Круговая (циклическая) частота
§ Фаза, начальная фаза
o Волновое число
o Экспоненциальное представление плоской монохроматической волны
§ Формула Эйлера
§ Действительная и мнимая части
o Уравнение плоской монохроматической волны, распространяющейся в произвольном направлении
· Сферическая волна
o Точечный источник света
o Убывающая амплитуда
o Уравнение сферической волны
o Как получить плоскую волну, используя точечный источник света
· Монохроматические и квазимонохроматические волны
o По определению описывается гармонической функцией
o Постоянные частота, амплитуда и фаза
o Любая реальная волна не является монохроматической
o Больше интервал постоянства амплитуды – более монохроматическая волна
o Монохроматическая волна – абстракция (модель)
o Квазимонохроматическая волна
§ Пример с убывающей амплитудой
o Гармоническая волна с изменяющейся амплитудой эквивалентна совокупности нескольких монохроматических волн
§ Пример с гармонически изменяющейся амплитудой
§ Любой периодический и непериодический закон изменения амплитуды)
o Модуляция
§ Пример с двумя камертонами
o Световые волны, излучаемые атомами
§ Цуг
§ Длина цуга
§ Спектральный состав излучения цуга
Поляризация света
· Равнозначность продольных волн
· Различие поперечных волн
· Волна вида ” E x, B y”
o Синфазность колебаний
o Правая тройка векторов
· Понятие поляризации
o Плоско (линейно) поляризованные волны
o Волна вида ” E x, B y”
o Плоскость поляризации
o Колебания вдоль одной линии – линейная поляризация
o Плоскость поляризации – ” E y, B x” (– E y = B x)
· Направление поляризации – направление колебаний вектора
o Изображение в виде линии
o Приоритет при взаимодействии света с веществом
· Общий случай поляризации
o Бесконечное число различных линейных поляризаций света
o Суперпозиция линейно поляризованных волн
o Уравнение эллипса, вписанного в прямоугольник
o Эллиптически поляризованная волна – общий случай поляризации света
o Понятие правой и левой поляризации
§ Направление вращения определяется разностью фаз
o Важные частные случаи
§ Линейная поляризация ()
§ Круговая (циркулярная) поляризация (
§ Суперпозиция волн, поляризованных по правому и левому кругу
· Естественная поляризация
o Полностью поляризованная волна
o Хаотические изменения поляризации нелазерного источника света
o Равновероятные направления – естественно поляризованная волна
o Солнечный свет, излучение лампочки накаливания
· Частично поляризованный свет
o Суперпозиция естественно и линейно поляризованных компонент
· Степень поляризации
o Неоднозначность термина
· Поляризатор
o Ось поляризатора
o Прохождение естественного света через поляризатор
o Прохождение линейно поляризованного света через поляризатор
o Закон Малюса
Интерференция
Сложение электромагнитных колебаний
· Сложение двух колебаний с одинаковыми частотами
o Метод векторных диаграмм
o Сумма двух колебаний
o Когерентные колебания
o Интерференция
o Некогерентные колебания
Интерференция световых волн
· Интерференция двух волн, поляризованных во взаимно перпендикулярных плоскостях
· Интерференция волн разной частоты
· Условия максимума и минимума интерференционной картины
· Связь между разностью хода и разностью фаз
· Интерференционная картина на экране
· Видимость интерференционной картины
Интерференционные схемы
· Интерференция и волновая природа света
· Излучение обычных источников света
· Длина когерентности
· Общая идея интерференционных схем
· Ограничение, накладываемое на разность хода
Метод деления волнового фронта
· Схема Юнга
o Дифракция света на щелях
o Требования к размерам источников
o Два действительных когерентных источника света
· Зеркало Ллойда
o Малые углы
o Мнимый когерентный источник света
· Бизеркала Френеля
o Два мнимых изображения одного источника
o Ограниченная интерференционная картина
· Бипризма Френеля
Влияние немонохроматичности света и размеров источника
на видимость интерференционной картины
· Ширина интерференционной полосы
o Зависит от длины волны и углового расстояния между источниками
o Спектральная линия
o Полуширина спектральной линии
· Уширение интерференционных максимумов (минимумов)
· Предельный порядок интерференции
· Степень монохроматичности света
· Допустимая разность хода
· Влияние размеров источника
Метод деления амплитуды
(Интерференция в тонких пленках)
· Преимущество: менее жесткие условия к размерам источника
· Полосы равного наклона
o Создание когерентных волн
o Оптическая длина пути
o Разность хода между интерферирующими лучами
o Отражение от оптически более плотной среды
o Интерференционная картина
o Полосы равного наклона
o Допустимые толщины пленки
o Локализация полос равного наклона
· Полосы равной толщины
o Локализация полос равной толщины
o Одинаковый угол падения
o Разноцветные полосы на пленке бензина
o Кольца Ньютона
§ Локализация интерференционной картины
§ Вид интерференционной картины
§ Радиус темного кольца
§ Кольца Ньютона в проходящем свете
§ Кольца Ньютона в белом свете
Применение интерференции
· Определение показателей преломления веществ
o Интерферометры
o Двулучевые и многолучевые интерферометры
o Интерферометр Рэлея
o Точность определения показателя преломления
· Измерение длины когерентности
o Интерферометр Майкельсона
· Интерференционные светофильтры
o Интерферометр Фабри-Перо
· Зеркала с высокими коэффициентами отражения
o Зеркала с тонким металлическим слоем
o Многослойные диэлектрические покрытия
· Просветление оптики
o Одинаковые интенсивности отраженных лучей
o Цвет объектива фотоаппарата
· Контроль качества поверхностей
Дифракция света
Принцип Гюйгенса-Френеля
· Принцип Гюйгенса
o Возможности принципа
o Ограниченность принципа
· Принцип интерференции Френеля
· Определение дифракции
· Условия наблюдения дифракции
o Дифракция звука
o Дифракция света
o Опыт Гримальди
· Виды дифракции
o Дифракция Френеля
o Дифракция Фраунгофера
Дифракция Френеля
· Интеграл Кирхгофа
o Волновая поверхность – совокупность вторичных источников
o Математическое выражение принципа Гюйгенса-Френеля
· Дифракция Френеля на круглом отверстии
· Зоны Френеля
o Полуволновые кольцевые зоны
o Взаимное гашение излучения от соседних зон
o Равные размеры зон Френеля
o Зависимость амплитуды волны от номера зоны Френеля
o Зависимость границ зон Френеля от точки наблюдения
o Радиус зоны Френеля
§ Сферическая волна
§ Плоская волна
o Спираль Френеля (графический метод вычисления результирующей амплитуды)
§ Метод векторных диаграмм
§ Суммарное колебание от первой зоны
§ Спираль Френеля
§ Примеры расчета результирующей интенсивности
· первая зона перекрыта по диаметру
· перекрыта внутренняя половина первой зоны
· дифракция на непрозрачном диске, закрывающем 1,5 зоны
o Дифракционная картина на экране (набор концентрических колец)
· Зонная пластинка
· Дифракция Френеля на краю полуплоскости
o Разбиение на малые зоны
o Уменьшение ширины зоны с увеличением ее номера
o Отношение площадей зон
o Графическое определение амплитуды результирующего колебания
§ Первая ветвь спирали Корню
§ Вторая ветвь спирали Корню
§ Фокусы спирали Корню
§ Амплитуда падающей волны
§ Параметр v на спирали Корню
§ Распределение интенсивности на экране вблизи полуплоскости
Дифракция Фраунгофера
· Дифракция Фраунгофера на одной щели
o Нормальное падение света на бесконечно длинную узкую щель
o Размеры щели
o Условия максимума и минимума
§ Элементарная амплитуда
§ Элементарное колебание
§ Результирующее световое возмущение в определенном направлении
§ Амплитуда результирующей волны
§ Центральный максимум
§ Условия минимумов
§ Условия максимумов
o Графический метод расчета дифракции Фраунгофера на одной щели
§ Расчет результирующей амплитуды
§ Отношение амплитуд максимумов разных порядков
§ График распределения интенсивности по углу
o Еще раз об условии минимума
o Требование малости размера щели
· Дифракционная решетка
o Период решетки
o Первая решетка из проволок
o Характерная плотность нанесения штрихов
o Главные максимумы
o Главные минимумы
o Добавочные минимумы
o Разная интенсивность главных максимумов
o Падение белого света на дифракционную решетку
o Максимальный порядок дифракции
o Амплитудные и фазовые дифракционные решетки
Голография
· Отличие фотографии от голограммы
· Записываемые характеристики световой волны
· Регистрируемая интерференционная картина
· Голографическая запись и восстановление плоской волны
o Запись только плоской предметной волны на фотопластинку
o Опорная и предметная волны
o Распределение интенсивности на пластинке
o Период интерференционной картины
o Воспроизведение записанной предметной волны
· Голографическое изображение сложного предмета
o Схема записи
o Сложная волна – совокупность плоских волн
· Область хранения информации об объекте в голограмме
· Плоские и объемные голограммы
· Объемная голограмма
o Схема записи объемной голограммы
o Отбор по длинам волн – можем видеть в солнечном свете
o Цветная голограмма
· Применения голографии
o Представление изображений
o Голографическое кино и телевидение
o Исследование быстрых процессов
§ Не надо фокусировать изображение
§ Короткое время регистрации
o Голографическая интерферометрия
o Распознавание образов
o Голографическая память
o Технологическая обработка поверхностей
Основные характеристики спектральных приборов
· Спектральные приборы и их предназначение
· Спектральные линии и их уширения
· Дисперсия спектрального прибора
o Дисперсия материала
o Дисперсия спектрального прибора
§ Угловая дисперсия
§ Линейная дисперсия
§ Угловая дисперсия дифракционной решетки
§ Взаимосвязь линейной и угловой дисперсии
· Разрешающая способность спектрального прибора
o Критерий Рэлея
o Разрешающая способность дифракционной решетки
o Предельная разрешающая способность решетки
o Разрешающая способность призмы
· Дисперсионная область (знать на 10)
Геометрическая оптика
· Основные законы геометрической оптики
· Понятие светового луча
o Роль дифракции
o Приближение геометрической оптики
o Распространение энергии
· Геометрическая оптика – предельный случай волновой оптики
· Основная терминология геометрической оптики
o Светящаяся точка
o Гомоцентрический световой пучок
o Стигматическое изображение
o Принцип обратимости
o Сопряженные точки
o Центрированная оптическая система
o Оптическая ось
o Параксиальное приближение
· Преломление лучей сферической поверхностью
o Правило знаков
o Нулевой инвариант Аббе
o Расчет изображения для сферической поверхности
o Фокусы сферической поверхности
· Пример расчета толстой линзы
· Тонкая линза
o Формула тонкой линзы
o Оптическая сила линзы
o Формула для симметричной тонкой линзы в воздухе
o Оптические силы собирающей и рассеивающей линз
o Фокусы тонкой линзы
o Поперечное увеличение линзы
o Основные правила построения изображений в тонкой линзе
§ Фокус
§ Фокальная плоскость
o Пример расчета центрированной системы тонких линз
(три линзы на расстоянии 5 см друг от друга)
· Сферические зеркала
Оптические свойства анизотропных сред
Оптическая анизотропия
· Оптическая анизотропия
o Причины оптической анизотропии
· Связь между векторами и в случае анизотропной среды
o Тензор диэлектрической проницаемости
o Симметричный вид тензора для прозрачных кристаллов
o Диагональный вид тензора
§ Главные диэлектрические проницаемости
· Эллипсоид диэлектрических проницаемостей
o Круговые сечения эллипсоида
o Оптические оси кристалла
o Эллипсоид вращения
o Изотропная среда
· Направления распространения энергии и фазы световой волны
Распространение света в одноосных кристаллах
· Обыкновенный и необыкновенный лучи
o Различие скоростей и поляризаций
o Главная плоскость
o Эллипсоид диэлектрических проницаемостей для случая
o Показатель преломления
§ Луч вдоль Oz
§ Луч вдоль Oy
§ Произвольное направление луча
o Положительные (кварц) и отрицательные (шпат) кристаллы
Построения Гюйгенса для одноосного кристалла
· Принцип Гюйгенса
· Два луча
· Примеры
o Положительный кристалл, наклонное падение света, ось под углом
o Отрицательный кристалл, нормальное падение света, ось под углом
o Отрицательный кристалл, наклонное падение света, ось параллельна границе, в плоскости падения
o Положительный кристалл, нормальное падение света, ось параллельна границе, перпендикулярна плоскости падения
Вращение плоскости поляризации (КСР)
· Оптически активные вещества, вращение плоскости поляризации
· Вращение плоскости поляризации в жидком и кристаллическом состоянии
· Правовращающие и левовращающие вещества
· Модель Френеля
· Физические принципы вращения плоскости поляризации в веществе
· Полутеневой поляриметр
Поглощение света (КСР)
· Физические принципы поглощения света
o Взаимодействие электромагнитной волны с веществом
o Зависимость поглощения от частоты
o Отличие поглощения от рассеивания
· Закон Бугера
o Учет отражения на границе раздела
o Закон Бугера для растворов
· Коэффициент пропускания
· Оптическая плотность
· Спектр поглощения
· Абсорбционный спектральный анализ
Тепловое излучение
· Определение
· Равновесное излучение
· Закон Кирхгофа
o Излучательная способность тела
§ Спектральная и интегральная излучательные способности
o Поглощательная способность тела
· Абсолютно черное тело
· Серое тело
· Законы теплового излучения
o Закон Стефана-Больцмана
o Закон Вина
o Закон смещения Вина
o Формула Рэлея-Джинса
· Формула Планка. Вывод по Эйнштейну
o Дискретный характер процессов поглощения и испускания света
o Двухуровневая система
o Вынужденные и спонтанные оптические переходы
o Объемная спектральная плотность энергии излучения
o Термодинамическое равновесие
o Распределение Больцмана
o Связь объемной плотности энергии с излучательной способностью
o Равенство коэффициентов Эйнштейна для вынужденных переходов
o Сравнение с формулой Рэлея-Джинса
o Формула Планка
Фотоэффект (КСР)
· Суть явления
· Схема регистрации фотоэффекта
· Законы фотоэффекта
o Сила фототока насыщения и интенсивность падающего излучения
o Скорость фотоэлектронов и интенсивность падающего излучения
o Максимальная кинетическая энергия фотоэлектронов и частота падающего излучения
· Объяснение законов фотоэффекта
· Уравнение Эйнштейна
Лазеры
· Аббревиатура
· Идея использования вынужденного излучения
· Идентичность испускаемых фотонов
· Возможность усиления света
· Положительная обратная связь
· Основные компоненты лазера
· Инверсная населенность
· Схемы накачки
o Трехуровневая система
o Четырехуровневая система
· Свойства лазерного излучения
o Направленность
o Монохроматичность
o Когерентность
o Высокий уровень яркости
o Возможность получения высокой мощности
· Применение лазеров
o 10 применений
Дата добавления: 2015-11-04; просмотров: 32 | Нарушение авторских прав
<== предыдущая лекция | | | следующая лекция ==> |
Registration, opening ceremony | | | Вводное описание игры Encounter |