Paprsková a vlnová optika.

Geometrical and wave optics for teaching study programs (Mathematics/Physics and Physics/Computer Science).

Paprsková a vlnová optika.

Geometrical and wave optics for teaching study programs (Mathematics/Physics and Physics/Computer Science).

Předmět je zakončen ústní zkouškou, účast na zkoušce je podmíněná získáním zápočtu.

Pro studenty prezenčního studia je podmínkou získání zápočtu aktivní účast na cvičeních

a absolvování dvou písemných testů (první v termínu ke konci první poloviny semestru a druhý

před zápočtovým týdnem) s minimálně 50% úspěšností u každého. V případě testů jsou možné

nejvýše dva opravné termíny v navazujícím zkouškovém období.

Pro studenty CŽV a kombinovaného studia je podmínkou pro zápočet získání

stanoveného počtu bodů za vypracování zadaných úloh podobného typu, jaké se řeší

na cvičeních, a prezentace řešení některých z nich.

1. Malý P.: Optika, Nakladatelství Karolinum, Praha 2008

2. Halliday D., Resnick R., Walker J.: Fyzika, část 4, Nakladatelství Vutium, Praha 2000

3. Klier E.: Optika, Universita Karlova, Praha 1980 (skripta)

4. Štrba A.: Optika (Všeobecná fyzika 3), Alfa a SNTL, Bratislava a Praha 1979

5. Sedlák B., Štoll I.: Elektřina a magnetismus, Academia-Karolinum, Praha 1993

Doplňková literatura:

6. Kvasnica J.: Teorie elektromagnetického pole, Academia, Praha 1985

7. Horák Z., Krupka F.: Fyzika, SNTL, Praha 1976, 1981

8. Prosser V. a kol.: Experimentální metody biofyziky, Academia, Praha 1989

9. Main I.G.: Kmity a vlny ve fyzice, Academia, Praha 1990

přednáška + cvičení

V tomto semestru bude výuka probíhat distančně

Požadavky ke zkoušce jsou v rozsahu zveřejněného sylabu.

Zkouška je ústní. Součástí zkoušky může být vyplnění orientačního testu - diskuse

se zkoušejícím s vysvětlováním důvodů pro volbu jednotlivých odpovědí je pak první

částí ústní zkoušky. Druhou částí zkoušky je odpověď na dvě zadané otázky

po krátké přípravě (cca 20 minut).

1. Optické záření jako elektromagnetické vlnění
Historie vývoje názorů na podstatu světla. Měření rychlosti světla. Maxwellovy rovnice a jejich řešení ve vakuu, vlnová rovnice, rovinná a kulová vlna. Rovinná harmonická vlna jako elementární řešení Maxwellových rovnic a její charakteristiky: polarizace, hustota a tok energie, tlak záření. Šíření záření, ohyb a interference: průchod rovinné vlny štěrbinou a kruhovým otvorem, průchod záření dvojitou štěrbinou, optická mřížka. Charakteristiky reálného záření: spektrum a spektrální veličiny, energetické fotometrické veličiny a jejich spektrální hustoty. Skládání reálných vln a pojem koherence, nepolarizované a částečně polarizované záření.

2. Elastická interakce optického záření s látkou
Lokálně vázaná soustava nabitých částic (atom, molekula) v poli elektromagnetické vlny, polarizovatelnost, mechanismus šíření elmag vln v homogenní látce. Řešení M. r. v homogenním izotropním prostředí, dynamická permitivita. Index lomu a jeho disperze, rozklad světla hranolem, duha. Průchod optickým rozhraním: zákon odrazu a lomu, úplný odraz. Fresnelovy vztahy, úhlová závislost odrazivosti. Průchod paralelní vrstvou, interferometr. Optické zobrazování: Vlastnosti kolineárního zobrazení. Přímočaré šíření světla, paprsek, zobrazení kulovou odraznou a lámavou plochou. Centrované soustavy, čočka. Lidské oko jako optický systém, optické zobrazovací přístroje. Optické záření v anizotropním prostředí: jednoosé a dvouosé krystaly, gyrotropní prostředí, hranolové polarizátory, čtvrtvlnová a půlvlnová destička. Optické záření v nehomogenním prostředí - elastický rozptyl.

3. Rezonanční interakce světla s látkou
Záření těles v tepelné rovnováze, Planckův zákon, kvantování energie elektromagnetického pole. Kvantový systém v poli elektromagnetické vlny, jednofotonové přechody: vnější fotoelektrický jev, absorpce, stimulovaná a spontánní emise. Průchod optického záření absorbujícím prostředím, Lambertův-Beerův zákon. Luminiscence. Mechanismus vidění, vnímání barev. Prostředí s inverzním obsazením hladin, laser: konstrukce a vlastnosti. Základy optické spektroskopie.

1. Electromagnetic theory and light
A brief history of optics. Speed of light and its measurement. Maxwell's equations and their solution in free space, wave equation, plane and spherical waves. Plane harmonic wave as an elementary solution of Maxwell's equations and its characteristics: polarization, energy density, irradiance, radiation pressure and momentum. The propagation of light, diffraction and interference: Fraunhofer and Fresnel diffraction, the single slit, the double slit, diffraction by many slits, optical grating, the rectangular aperture, the circular aperture. Characteristics of real radiation: the spectrum and spectral quantities, radiometric and photometric quantities and their spectral densities. Superposition of real waves and coherence, unpolarized and partly polarized light.

2. Elastic interaction of light and matter
The propagation of light through a dielectric medium. Maxwell's equations and their solution in homogeneous isotropic medium, dynamic permitivity. Index of refraction and its dispersion, dispersing prisms, rainbow. Propagation through the optical boundary: the laws of reflection and refraction, total reflection. Fresnel equations, Reflectance and transmittance versus incident angle. Parallel films, amplitude splitting interferometers. Geometrical optics: properties of collinear transformation. Rectilinear propagation of light, light rays, reflection and refraction at spherical surfaces. Centered optical systems, lenses. The human eye and other optical systems. Aberrations. Light in anisotropic media, birefringence: uniaxial and biaxial crystals, birefringent polarizers, waveplates. Optical activity, induced optical effects. Propagation of light in inhomogeneous medium, elastic light scattering.

3. Resonant interaction of light and matter
Thermal radiation, Planck's law and quantum hypothesis. The photoelectric effect, photons. Particles and waves. Single photon transitions, absorption, stimulated and spontaneous emission. Population inversion, the laser: configuration and properties. A survey of laser developments. Introduction to optical spectroscopy. Absorbing media, the Lambert-Beer's law. Luminescence, excited states and nonradiative energy dissipation.