Федеральное агентство связи Федеральное государственное образовательное бюджетное учреждение высшего профессионального образования
Сибирский государственный университет телекоммуникаций и информатики
Варданян В.А. Основы физической и квантовой оптики Практикум Новосибирск 2013

УДК 621.316

Варданян В.А. Основы физической и квантовой оптики : Практикум. ФГОБУ ВПО «СибГУТИ» - Новосибирск, 2013г. - 31с.

Практикум предназначен для самостоятельной работы студентов высших учебных заведений заочной формы обучения, заочной ускоренной формы обучения по сокращенным программам и заочной формы обучения с применением дистанционных технологий по направлению подготовки 210700 – Инфокоммуникационные технологии и системы связи квалификации «бакалавр». Практикум может использоваться при организации самостоятельной работе студентов очного обучения.

Практикум содержит программу дисциплины, контрольные задания, методические указания к решению задач, список основной и дополнительной литературы.

Кафедра «Многоканальной электросвязи и оптических систем»

Ил. -10 , табл. -15 , список лит. -8 наименований.

Рецензент:

Утверждено редакционно-издательским советом ФГОБУ ВПО «СибГУТИ» в качестве практикума

© ФГОБУ ВПО «Сибирский государственный университет телекоммуникаций и информатики», 2013 г.

Содержание:

Основные требования к выполнению и правила оформления контрольного задания……………………………………………… . . .4 стр.

Программа дисциплины “Основы физической и

квантовой оптики”…………………………………………………….6 стр.

1 Введение в оптику. Основы геометрической оптики,

законы отражения и преломления света ………………………… 8 стр.

3. Явление интерференции…………………………………………11 стр.

4. Явление дифракции……………………………………………....14 стр.

3. Взаимодействие света со средой. Зависимость показателя

преломления от частоты. Формула Селмейера………………….19 стр.

3. Свет как электромагнитная волна. Явление поляризации

света. Разновидности поляризаций…………………………….22 стр.

3. Основы квантовой оптики………………………………………26 стр.

4. Список литературы………………………………………………31 стр.

Основные требования к выполнению и правила оформления контрольного задания

1. Контрольное задание должно быть подготовлено в текстовом редакторе Microsoft Word с размером шрифта 14, c междустрочным интервалом 1,5 и, с использованием графического редактора. Рисунки следует оформлять согласно существующим стандартам.

2. Необходимо письменно ответить на контрольные вопросы, используя конспект лекций и указанную литературу. На вопросы, приведенные в отдельных разделах, следует отвечать кратко, по существу.

3. Решить контрольные задачи по индивидуальным вариантам и обязательно сделать выводы. Вариант задания в каждой задаче определяется двумя последними цифрами зачетной книжки, причем предпоследняя цифра обозначена в таблицах контрольного задания буквой «X», а последняя буквой «Y». Номер варианта задания указывается студентом в начале контрольной работы. Все задачи составлены по 100-вариантной системе.

4. Прежде чем приступить к выполнению контрольной работы, необходимо изучить по учебнику те разделы курса, по материалам которых она составлена. Условие задачи должно быть переписано полностью. А также, необходимо выписать из таблиц исходные числовые данные соответствующего варианта задания и, если имеется рисунок, нарисовать его.

5. При решении контрольных задач следует сопровождать расчеты краткими пояснениями, выводами и оценками. При этом необходимо указать литературный источник, из которого взята данная формула, со ссылкой на номер страницы или формулы (например - [1, стр.103], [1, ф.10.3] ). Все физические величины и параметры в формулах должны сопровождаться пояснительным текстом.

6. При расчетах рекомендуется использовать физические величины в международной системе единиц СИ. Однако, в некоторых случаях итоговый результат необходимо представлять в удобном для восприятия в виде. Так, например, в оптическом диапазоне принято длину волны представлять в микрометрах (мкм) или нанометр (нм), а не в метрах (м).

7. В конце контрольной работы необходимо привести список литературы.

Программа дисциплины “Основы физической и квантовой оптики”

1. Лучевая оптика, постулаты лучевой оптики (принцип Ферма), законы отражения и преломления света, закон Снеллиуса.

2. Волновая оптика. Вывод одномерного волнового уравнения. Понятие волнового числа, фронта и фазовой скорости плоской волны.

3. Векторное и комплексное представление волны, усреднение по времени, понятие интенсивности.

4. Групповая скорость, групповой показатель преломления среды.

5. Явление интерференции. Интерференция двух волн, зависимость интенсивности от разности фаз, интерференционная картина. Интерференция M волн с одинаковыми амплитудами и одинаковыми разностями фаз. Интерференция при неограниченном количестве волн с геометрически убывающими амплитудами и с одинаковыми разностями фаз.

6. Интерферометры - определение, функциональное назначение, параметры, типы интерферометров. Интерферометры Майкельсона, Фабри-Перо, Маха-Цандера (интегрально-оптическое исполнение), Саньяка.

7. Явление дифракции. Дифракция Френеля. Дифракция Фраунгофера от щели, на прямоугольном отверстии, на периодических структурах (дифракционная решетка), дифракционная картина, условия возникновения минимума и максимума, условие Релея, параметры решетки. Дифракция на Брэгговской решетке. Понятие Брэгговского отражения при прохождении света через слоистую среду, длина волны Брэгга, применение в оптике и в волоконной оптике.

8. Система уравнений Максвелла, граничные условия, материальные уравнения, волновое уравнение, вектор Пойтинга. Классификация оптических сред. Волновое уравнение. Оптическая восприимчивость, показатель преломления среды.

9. Система уравнений Максвелла для монохроматических электромагнитных волн. Уравнение Гельмгольца. Поперечный характер волн.

10. Взаимодействие света со средой. Комплексная диэлектрическая проницаемость, комплексный показатель преломления, коэффициент поглощения оптической среды. Закон Бугера. Спектральная линия поглощения и зависимость показателя преломления от частоты. Формула Селмейера.

11. Явление поляризации света. Разновидности поляризации.

12. Оптические явления на границе раздела сред – отражение поперечных TE и TM волн от границы раздела сред. Эффект Брюстера.

13. Основы теории излучения света на примере гармонического осциллятора - условия излучения заряда, диаграмма направленности, полная мощность излучения, радиационное затухание, спектр излучения, естественная ширина спектра. Излучение ансамбля осцилляторов, спектр излучения, ударное и доплеровское уширение спектра.

14. Основы квантовой оптики – термодинамика излучения, абсолютно черное тело, закон Стефана-Больцмана, закон смещения Вина. Формула Рэлея-Джинса для спектральной плотности равновесного теплового излучения. “Ультрафиолетовая  катастрофа”. Формула М.Планка, её анализ, гипотеза Планка, поясняющая вывод этой формулы. Понятия фотона. Уравнение Эйнштейна для внешнего фотоэффекта. Эффект Комптона. Уравнение де-Бройля. Боровская модель атома. Постулаты Бора.