The primary goal of the lecture is to teach students the modern optical theory of periodic nanostructures, which is necessary in the design and analysis of derived optical devices and metamaterials in the frame of photonics.

The secondary goal is to show examples of photonic applications, which are apt to replace traditional optical, electronic, or optoelectronic elements and materials.

The tertiary goal is to show basic experimental methods of optical measurement of periodic nanostructures.

Primárním cílem přednášky je seznámit studenty s moderní optickou teorií periodických nanostruktur, která je nezbytná pro návrh a analýzu odvozených optických zařízení a metamateriálů v rámci fotoniky.

Sekundárním cílem je ukázat příklady fotonických aplikací perspektivních pro náhradu tradičních optických, elektronických nebo optoelektronických prvků a materiálů.

Terciálním cílem je ukázat základní experimentální metody optických měření periodických struktur.

Oral exam

Ústní zkouška

R. M. A. Azzam, N. M. Bashara, Ellipsometry and Polarized Light, North-Holland, Amsterdam / New York / Oxford 1977.

M. Born, E. Wolf, Principles of Optics, Cambridge University Press, Cambridge 1999.

R. Petit (ed.), Electromagnetic Theory of Gratings, Springer-Verlag, Berlin 1980.

M. Neviere, E. Popov, Light Propagation in Periodic Media: Differential Theory and Design, Marcel Dekker, New York 2003.

J.-M. Lourtioz et al., Photonic Crystals: Towards Nanoscale Photonic Devices, Springer-Verlag, Berlin 2005.

K. Yasumoto (ed.), Electromagnetic Theory and Applications for Photonic Crystals, CRC Press, Taylor & Francis, 2006.

R. M. A. Azzam, N. M. Bashara, Ellipsometry and Polarized Light, North-Holland, Amsterdam / New York / Oxford 1977.

M. Born, E. Wolf, Principles of Optics, Cambridge University Press, Cambridge 1999.

R. Petit (ed.), Electromagnetic Theory of Gratings, Springer-Verlag, Berlin 1980.

M. Neviere, E. Popov, Light Propagation in Periodic Media: Differential Theory and Design, Marcel Dekker, New York 2003.

J.-M. Lourtioz et al., Photonic Crystals: Towards Nanoscale Photonic Devices, Springer-Verlag, Berlin 2005.

K. Yasumoto (ed.), Electromagnetic Theory and Applications for Photonic Crystals, CRC Press, Taylor & Francis, 2006.

lecture

přednáška 2/0

knowledge of the topics explained at lectures

znalost probírané látky na přednáškách

1. Description of light states and propagation of light through optical systems. Polarization and space modulation of light, Jones and Mueller matrix formalisms, Poincaré sphere. Elements of diffraction theory and Fourier optics.

2. Interaction of light with matter. Light propagation in homogeneous media. Index of refraction, coefficient of absorption, conductivity and permittivity. Dispersion properties of materials, Kramers-Kronig relations. Crystalline and induced anisotropies. Magnetooptics.

3. Optics of interfaces, thin films, and multilayers. Fresnel and Airy formulae of reflection and transmission. Matrix description of light propagation through stratified structures. Periodic multilayers and one-dimensional photonic crystals. Bulk and surface plasma oscillations in metallic films.

4. Rigorous electromagnetic treatment of light in inhomogeneous media. Coupled wave theory of periodic structures. Fast Fourier factorization rules for accurate transcription of Maxwell's equations into a matrix representation suitable for computer simulations.

5. Analytical approximations for special cases. Subwavelength, ultrathin, shallow, and long-periodic gratings; periodic structures made of transparent or highly absorbing materials.

6. The interpretation of the optical response of gratings, photonic crystals, and derived metamaterials. Planar, conical, and three-dimensional diffraction by gratings. Effective index of refraction. Spectral anomalies of gratings. Anisotropies induced or modified by grating periodicity; Kerr and Faraday effects.

7. Fundamentals of photonic crystals. Photonic band structure, photonic band gap, and related optical properties. Magneto-photonics.

8. Application to modern optical devices and metamaterials based on periodic nanostructures. Photonic mirrors, waveguides, fibers, resonators, optical filters, negative refraction index devices.

9. Basic methods of experimental optical measurements. Spectroscopic photometry, ellipsometry, and magnetooptics. Optical scatterometry.

1. Popis stavů světla a šíření optickými systémy. Polarizace a prostorová modulace světla, Jonesův a Muelerův maticový formalismus, Poincaréova sféra. Elementy difrakční teorie a fourierovské optiky.

2. Interakce světla s hmotou. Šíření světla v homogenním prostředí. Index lomu, koeficient útlumu, vodivost a permitivita. Disperzní vlastnosti materiálů, Kramers-Kronigovy relace. Krystalické a indukované anizotropie. Magnetooptika.

3. Optika rozhraních, tenkých filmů a multivrstev. Fresnelovy a Airyho vzorce odrazu a lomu. Maticový popis šíření světla vrstevnatými strukturami. Periodické multivrstvy a jednorozměrné fotonické krystaly. Objemové a povrchové plazmové oscilace v kovových filmech.

4. Rigorózní elektromagnetický popis světla v nehomogenních prostředích. Teorie vázaných vln periodických struktur. Pravidla rychlé fourierovské faktorizace pro exaktní přepis Maxwellových rovnic do maticové reprezentace vhodné pro počítačové simulace.

5. Analytické aproximace pro speciální případy. Subvlnové, ultratenké, mělké a dlouho-periodné mřížky; periodické struktury vyrobené z průhledných nebo vysoce absorbujících materiálů.

6. Interpretace optické odezvy mřížek, fotonických krystalů a odvozených metamateriálů. Planární, kónická a třírozměrná difrakce na mřížkách. Efektivní index lomu. Spektrální anomálie mřížek. Anizotropie indukované nebo změněné mřížkovou periodicitou; Kerrův a Faradayův jev.

7. Základy fotonických krystalů. Fotonická pásová struktura, fotonický zakázaný pás a vztažené optické vlastnosti. Magneto-fotonika.

8. Aplikace na moderní optická zařízení a metamateriály založené na periodických nanostrukturách. Fotonická zrcadla, vlnovody, vlákna, rezonátory, optické filtry, zařízení založená na negativním indexu lomu.

9. Základní metody experimentálních optických měření. Spektroskopická fotometrie, elipsometrie a magnetooptika. Optická skaterometrie.