Phys_Optics / Lectures

ОСНОВЫ ФИЗИЧЕСКОЙ ОПТИКИ «ФОТОНИКА» Шамрай А.В.

I семестр

План курса лекций

Лекция № 1

1. Введение

   1. Что такое фотоника

   2. Приближения, которые используются при анализе оптических систем (лучевая, скалярная волновая, электромагнитная, и квантовая теории)

   3. Шкала электромагнитных колебаний. Когда проявляются свойства фотонов.

   4. Ключевые моменты в развитии фотоники. Тенденции развития.

2. Лучевая оптика

   1. Постулаты, приближения. Принцип Ферма. Что такое луч? Однородные и неоднородные среды

   2. Законы отражения и преломления

   3. Простейшие оптические элементы (тонкая линза, вогнутые и выпуклые зеркала), построение изображений

   4. Абберации

   5. Матрицы для расчета оптических систем

Лекция № 2

3. Волновая оптика

   1. Постулаты, приближения. Волновое уравнение, волновая функция, монохроматические волны, комплексная амплитуда, волновой фронт, длина волны, волновой вектор, фазовая скорость.

   2. Элементарные волны (плоские волны, сферические).

   3. Законы отражения и преломления как законы сохранения импульса. Определения через волновой вектор.

4. Интерференция. Когерентность и статистическая оптика

   1. Опыт Юнга.

   2. Амплитудная дифракционная решетка.

   3. Интерферометры.

5. Статистические свойства световых волн.

   1. Интенсивность. Временная когерентность и спектр. Пространственная когерентность. Частично когерентный свет.

   2. Интерференция частично когерентного света.

   3. Как сделать свет когерентным. Связанные фотоны (упоминание).

   4. Применения: low coherent tomography, Фурье спектроскопия.

Лекция №3

6. Дифракция.

   1. Плоские отверстия и экраны. Зоны Френеля.

7. Анализ оптических систем с использованием скалярной волновой теории

   1. Параксиальное приближение, прохождение света через оптические компоненты. Элементарные компоненты: тонкая сферическая линза, дифракционная решетка, линза Френеля.

   2. Дифракция Френеля и Фраунгофера.

   3. Дифракционный предел разрешения оптических систем (Аббе).

8. Фурье оптика

   1. Пространственные частоты (гармоники). Пространственная гармоника как плоская волна.

   2. Понятие передаточной функции. Передаточная функция свободного пространства. Аппроксимация (зона) Френеля. Импульсный отклик. Принцип Гюйгенса. Приближение (зона) Фраунгофера. Преобразование Фурье в фокусе линзы.

   3. Анализ дифракции при помощи Фурье оптики. Примеры. Разрешающая способность. Дифракционный предел.

   4. Корреляторы. Оптическая обработка изображений.

Лекция №4

9. Голография

   1. Принцип формирования и восстановления изображений. Свойства восстановленных изображений. Амплитудные и фазовые голограммы. Искажения изображений.

   2. Тонкие и толстые (объемные) голограммы. Селективные свойства голограмм. Мультиплексирование голограмм.

   3. Основные применения. Радужные голограммы, художественные голограммы, голографическая интерферометрия, голографическая память, компьютерные голограммы.

10. Слоистые и периодические оптические среды.

    1. Анализ распространения оптического излучения через слоистую структуру. Матрицы рассеяния.

    2. Антиотражающие (просветляющие покрытия)

    3. Периодическая слоистая структура. Брэгговское отражение. Селективность брэгговской решетки.

    4. Применения интерференционных фильтров и брэгговских решеток.

11. Фотонные кристаллы

Лекция №5

12. Оптика световых пучков

    1. Гауссов пучок

    2. Распространение пучка через оптическую систему

    3. Оптические приборы для изменения формы пучка.

13. Оптические резонаторы.

    1. Фабри-Перо эталон.

    2. Основные параметры оптических резонаторов.

    3. Гауссов пучок – собственная мода резонатора со сферическими зеркалами

    4. Продольные и поперечные моды

Лекция №6

14. Электромагнитная теория света

    1. Введение, электромагнитная шкала.

    2. Уравнения Максвелла.

    3. Граничные условия. Интенсивность, мощность, энергия. Вектор Пойнтинга. Давление света.

    4. Волновое уравнение.

    5. Плоские и сферические волны, гауссов пучок.

15. Понятие импеданса в оптике.

    1. Скорость распространения световых волн.

    2. Законы отражения и преломления (формулы Френеля).

    3. Угол Брюстера.

16. Поляризация

    1. Линейная, циркулярная, эллиптическая.

    2. Математическое описание (сфера Пуанкаре, параметры Стокса, матрицы Джонса).

    3. Поляризаторы.

Лекция №7

17. Электромагнитные волны в диэлектрической среде

    1. Микроскопическая природа взаимодействия света с веществом

    2. Линейная, недисперсионная, изотропная и однородная среда.

    3. Дисперсия света (материальная).

    4. Фазовая и групповая скорость.

    5. Поглощение.

    6. Соотношение Крамерса-Кронига.

18. Оптические импульсы.

    1. Понятие волнового пакета (оптического импульса). Огибающая и несущая.

    2. Скорость распространения импульса. Групповая скорость.

    3. Распространения оптического импульса в среде с дисперсией.

    4. Может ли сигнал распространяться со скоростью больше скорости света. «Быстрый» и «медленный» свет.

Лекция №8

Оптика анизотропных сред.

1. Диэлектрический тензор. Микроскопическое описание. Симметрия кристаллов.

2. Распространение Энергия электромагнитных волн в анизотропной среде. Угловые соотношения между Е, D, H, k и S (вектор Пойнтинга). Направление распространения волнового фронта и энергии. Двулучепреломление.

3. Оптическая индикатриса. Одноосные и двуосные кристаллы.

4. Примеры анизотропных оптических приборов (волновые пластинки, призма Глана-Тейлора)

5. Оптическая активность.

1. Электрооптический, акустооптический и магнитооптический эффекты.

   1. Феменологическое микроскопическое описание

   2. Линейный и квадратичный электрооптические эффекты

   3. Электрооптические модуляторы.

   4. Акусто-оптичекие модуляторы.

   5. Магнитооптика. Изоляторы и циркуляторы на эффекте Фарадея.

2. Жидкие кристаллы

Лекция № 9

21. Плазмоника

    1. Металлооптика

    2. Поверхностная плазмон-поляритонная волна.

    3. Методы возбуждения плазмон-поляритонов.

    4. Локализация светового поля и превышение дифракционного предела.

22. Метаматериалы.

    1. Отрицательные диэлектрическая проницаемость и магнитная восприимчивость. Отрицательный показатель преломления.

    2. Проблема перехода в оптический диапазон.

    3. «Супер» линза.

    4. Плащ «невидимка».

Лекция № 10

23. Оптические волноводы

    1. Лучевое описание. Числовая апертура. Моды. Частота и длина волны отсечки. Сдвиг Гуса-Ханчена.

    2. Волновая теория планарного волновода. Характеристическое уравнение.

    3. Дисперсия. Моды. Сопоставление с лучевой теорией.

    4. Распределение интенсивности в моде.

    5. Аналогия с задачей квантовой механики.

    6. Связанные волноводы. Теория связанных волн. Волноводный оптический ответвитель.

    7. Изгибные потери в волноводах.

Лекция № 11

24. Оптическое волокно.

    1. Технология изготовления.

    2. Моды оптического волокна (HE, EH, LP, TE, TM)

    3. Одномодовые и многомодовые волокна.

    4. Волокна с сохранением поляризации.

    5. Оптические характеристики различных классов оптических волокон. Оптические потери и дисперсионные характеристики.

    6. Оптический кабель. Стыковка оптического волокна.

25. Микроструктурированное (фотонно кристаллическое) оптическое волокно.

Лекция №12

26. Нелинейные оптические эффекты

    1. Введение в нелинейные оптические процессы. Микроскопическое и феменологическое описание

    2. Генерация второй гармоники.

    3. Способы получения условий фазового синхронизма. PPLN.

    4. Параметрические и другие нелинейные процессы. Четырехволновое взаимодействие. Оптическое обращение волнового фронта.

Лекция №13

27. Нелинейные оптически эффекты в оптических волноводах (оптическом волокне).

    1. Оптическое волокно как нелинейная оптическая среда.

    2. Фазовая самомодуляция.

    3. Оптические солитоны.

    4. Перекрестная фазовая модуляция и четырехволновое смешение.

    5. Вынужденное комбинационное рассеяние (ВКР).

    6. Вынужденное рассеяние Мандельштама Бриллюэна (ВРМБ).

    7. Применения нелинейных оптических эффектов в оптических волокнах.

Лекция №14

28. Квантовая оптика

    1. Введение. Что не может описать классическая теория. Когда свет представляют в виде фотонов.

    2. Свойства фотонов: энергия, импульс, волновая функция.

    3. Поток фотонов. Измеряемые величины. Статистика фотонов.

    4. Квантовое описание вещества.

    5. Энергетические уровни и их заселенность.

    6. Взаимодействие фотонов с веществом. Коэффициенты Энштейна.

    7. Уширение линии.

    8. Излучение черного тела. Термография.

Лекция №15

29. Лазеры (оптические квантовые генераторы)

    1. История создания

    2. Принцип работы лазера.

       1. Усиление. Инверсия населенности.

       2. Спектральная полоса усиления.

       3. 3 и 4 уровневые системы.

       4. Накачка. Насыщение

       5. Лазерная генерация.

    3. Выходные параметры

       1. Мощность

       2. Спектр

       3. Уширение линии

    4. Интересная информация

30. Полупроводниковые лазеры

    1. Зонная теория полупроводников. Излучательные и безызлучательные (прямые и непрямые) переходы. Материалы для источников света.

    2. Pn переход. Накачка током.

    3. Светодиоды.

    4. Инверсия населенности. Гетероструктуры.

    5. Квантовые ямы и квантовые точки.

    6. Конструкции лазерных диодов. Полосковые, DFB, VCEL

Системы оптической связи как наиболее успешный с коммерческой точки зрения пример массового применения высокотехнологичных достижений современной фотоники.

Лекция №16

31. Введение в системы оптической связи.

    1. Базовые принципы. Волокно как среда для передачи информации.

    2. Форматы модуляции. Амплитудная, фазовая, частотная. Стандарты.

    3. Количественное описание информационных сигналов. Вероятность ошибки (BER), «глазковая» диаграмма.

32. Техническая реализация различных форматов модуляции.

    1. Прямая модуляция тока лазерного диода.

    2. Внешние интегрально-оптические модуляторы.

33. Мультиплексирование каналов (временное и спектральное).

Лекция №17

34. Фотоприемники в системах оптической связи.

35. Максимальное расстояние передачи сигналов по оптическому волокну.

36. Оптические усилители.

    1. Характеристики и классификация оптических усилителей.

    2. Усилители на волокне легированным эрбием.

    3. Полупроводниковые усилители.

    4. ВКР усилители (распределенное усиление)

37. Устройства управления оптическими каналами (мультиплексоры/демультиплексоры).

Лекция №18

38. Предельные параметры систем оптических телекоммуникаций

    1. Пропускная способность оптического волокна.

    2. Факторы ограничивающие пропускную способность волоконно-оптических линий связи.

    3. Линейные эффекты.

       1. Ограничения, связанные с потерями.

       2. Влияние дисперсии. Компенсация дисперсии. DSF.

       3. Поляризационная модовая дисперсия.

    4. Нелинейные оптические эффекты.

       1. ВКР

       2. Самомодуляция (self phase modulation)

       3. Четырехволновое смешение (FWM)

       4. Нестабильность модуляции (MI)

    5. Современные стратегии увеличения пропускной способности.