Optics - NAFY010

• Title: Optika
• Guaranteed by: Department of Condensed Matter Physics (32-KFKL)
• Faculty: Faculty of Mathematics and Physics
• Actual: from 2023
• Semester: winter
• E-Credits: 7
• Hours per week, examination: winter s.:3/2, C+Ex [HT]
• Capacity: unlimited
• Min. number of students: unlimited
• 4EU+: no
• Virtual mobility / capacity: no
• State of the course: taught
• Language: Czech, English
• Teaching methods: full-time
• Teaching methods: full-time
• Note: enabled for web enrollment
• Guarantor: prof. RNDr. Petr Němec, Ph.D.

Annotation

English

Last update: T_KFES (29.04.2016)

Basic course of optics with the emphasis on applied optics. Synopsis: Electromagnetic waves and their characteristics, diffraction phenomena, interference, geometrical optics, optical instruments, propagation of light in anisotropic media, wave-corpuscular dualism, interaction of electromagnetic radiation with matter, Fourier optics, principles of fiber optics, introduction to photonics.

Czech

Last update: T_KFES (22.04.2009)

Základní kurz optiky, ve kterém je důraz kladen na získání znalostí potřebných pro praktické použití optiky v praxi. Osnova: elektromagnetické vlny a jejich charakteristiky, ohybové jevy, interference, geometrická optika, optické přístroje, šíření světla v anizotropních prostředích, vlnově korpuskulární dualismus, interakce elektromagnetického záření s hmotou, Fourierova optika, základy vláknové optiky, základy fotoniky.

Aim of the course

English

Last update: prof. RNDr. Petr Němec, Ph.D. (11.05.2023)

Semester course in optics, which is part of the basic physics course. The lecture is intended especially for students of the 2nd year of bachelor's studies, or for students of higher years, who are interested in acquiring knowledge needed for the practical use of optics.

Czech

Last update: prof. RNDr. Petr Němec, Ph.D. (11.05.2023)

Semestrální kurz optiky, který je částí základního kurzu fyziky. Přednáška je určena zejména pro posluchače 2. ročníku bakalářského studia, případně pro studenty vyšších ročníků, kterým jde o získání znalostí potřebných pro použití optiky v praxi.

Course completion requirements

English

Last update: prof. RNDr. Petr Němec, Ph.D. (11.05.2023)

To be awarded credit, 2 credit tests must be successfully written. The credit must be obtained before registering for the exam.

Czech

Last update: prof. RNDr. Petr Němec, Ph.D. (11.05.2023)

Pro udělení zápočtu musí být úspěšně napsány 2 zápočtové písemky. Zápočet je nutné získat před přihlášením na zkoušku.

Literature

English

Last update: prof. RNDr. Petr Němec, Ph.D. (21.06.2018)

1. E. Hecht: Optics, Addison Wesley, 4th edition, San Francisco. 2002.

2. B. E. A. Saleh, M.C, Teich: Fundamentals of Photonics, John Wiley & sons, inc., New York, 1991.

3. M. Born, E. Wolf: Principles of Optics, Cambridge University Press, 7th extended edition, Cambridge 2003.

Czech

Last update: prof. RNDr. Petr Němec, Ph.D. (21.06.2018)

1. P. Malý: Optika, Karolinum, 2008.

2. E. Hecht: Optics, Addison Wesley, 4. vydání, San Francisco 2002.

3. E. Klier: Optika (skriptum), SPN Praha 1980.

4. J. Kolovrat: Příklady z optiky, SPN Praha 1979.

5. B. E. A. Saleh, M.C, Teich: Základy fotoniky 1 až 4, matfyzpress, Praha 1994.

6. M. Born, E. Wolf: Principles of Optics, Cambridge University Press, 7. rozšířené vydání, Cambridge 2003.

Requirements to the exam

English

Last update: prof. RNDr. Petr Němec, Ph.D. (11.05.2023)

The exam is oral. The exam requirements correspond to the course syllabus.

Czech

Last update: prof. RNDr. Petr Němec, Ph.D. (11.05.2023)

Zkouška je ústní. Požadavky zkoušky odpovídají sylabu předmětu.

Syllabus

English

Last update: prof. RNDr. Petr Němec, Ph.D. (21.06.2018)

�
1. Electromagnetics waves.
Electromagnetic origin of light, spectral regions of electromagnetic waves and their utilization.

Speed of light measurement.

Maxwell equations, boundary conditions.

Propagation of electromagnetic wave in materials, wave equation. Plane and spherical electromagnetic waves, their properties.

Superposition principle.

Complex representation of monochromatic wave. Helmholtz equation.

Energy, intensity and radiation pressure of light. Polarization of light.

Reflection and refraction of plane waves on plane interface, Fresnel formulae. Dipole radiation.

2. Quasi-monochromatic electromagnetic waves.
Spectrum of electromagnetic wave, Fourier analysis.

Phase and group velocities.

Two-beam interference. Multiple-beam interference.

Young`s experiment. Antireflection coatings.

Optical interferometers.

Temporal and spatial coherence of light.

3. Diffraction phenomena.
Huygens-Fresnel`s principle. Babinet principle.

Fraunhofer diffraction. Optical diffraction grating.

Fresnel diffraction. Fresnel zones.

Fourier optics. Principles of holography.

4. Geometrical and instrumental optics.
Short-wave approximation, eiconal equation, light ray.

Huygens` principle, Lagrange-Poincaré integral invariant, Fermat`s principle.

Paraxial optics. Optical imaging by reflection and refraction on a spherical interface.

Imaging equations.

Mirrors, lenses, combinations of imaging.

Optical imaging instruments (magnifier glasses, microscope, telescope).

Aberrations (monochromatic and chromatic).

Spectral instruments, spectrometers (prism, grating) and interferometers.

Basics of radiometry and photometry.

5. Propagation of light in anisotropic media
Propagation of light in anisotropic media. Geometrical construction, indicatrix.

Application of birefringence: polarizers, and waveplates.

Anisotropy induced by strain, Kerr effect, Faraday effect and optical activity.

6. Wave-corpuscular dualism.
Spectrum of black-body radiation. Planck`s law, Wien’s law, Stefan-Boltzman law.

Photon. Photoelectric effect. Compton effect.

X-ray spectrum.

· De-Broglie waves.

7. Interaction of electromagnetic radiation with matter.
Propagation of light in conductive medium, complex index of refraction.

Dispersion. Relation between index of refraction and absorption coefficient. Lorentz theory of dispersion.

Elastic and non-elastic light scattering.

Principles of colors.

Absorption and emission. Stimulated and spontaneous transitions. Principles of laser.

8. Principles of fiber optics.
Guided light waves. Modes. Attenuation. Dispersion.

Types of optical fibers.

9. Introduction to photonics.
Sources and detectors of light.

Nonlinear optics. Nonlinear optical effects of 2nd and 3rd order.

Czech

Last update: prof. RNDr. Petr Němec, Ph.D. (21.06.2018)

1. Elektromagnetické vlny.
• Elektromagnetická povaha světla, spektrální obory elektromagnetických vln a jejich využití.

• Metody měření rychlosti světla.

• Maxwellovy rovnice, hraniční podmínky na plochách nespojitosti.

• Šíření elektromagnetické vlny prostředím, vlnová rovnice. Rovinná a kulová elektromagnetická vlna a jejich charakteristiky.

• Princip superpozice.

• Komplexní reprezentace monochromatické vlny, Helmholtzova rovnice.

• Energie, intenzita a radiační tlak světla. Polarizace světla.

• Odraz a lom na rovinném rozhraní, Fresnelovy vzorce. Záření dipólu.

2. Kvazimonochromatické elektromagnetické vlny.
• Spektrum elektromagnetické vlny, Fourierova analýza.

• Fázová a grupová rychlost.

• Interference dvou a více svazků.

• Youngův pokus, proužky stejné tloušťky, kroužky stejného sklonu. Antireflexní vrstvy.

• Optické interferometry.

• Časová a prostorová koherence světla.

3. Ohybové jevy
• Huyghens-Fresnelův princip, Babinetův princip.

• Fraunhoferuv ohyb na štěrbině, na obdelníkovém a kruhovém otvoru. Optická ohybová mřížka.

• Fresnelův ohyb na kruhovém otvoru a na hraně, Fresnelovy zóny.

• Fourierova optika, princip holografie.

4. Geometrická a přístrojová optika.
• Aproximace velmi krátkých vln, eikonálová rovnice, paprsek.

• Huygensův princip, Lagrangeův-Poincarého integrální invariant, Fermatův princip.

• Paraxiání optika. Optické zobrazeni odrazem a lomem na kulové ploše, Abbeův invariant.

• Zobrazovací rovnice v Gaussově a Newtonově tvaru, zvětšení při optickém zobrazení.

• Zrcadla, čočky, kombinace dvou zobrazení.

• Optické zobrazovací přístroje (lupa, mikroskop, dalekohled).

• Vady zobrazení (monochromatické a chromatické).

• Spektrální přístroje, spektrometry (hranolové, mřížkové) a interferometry.

• Základy radiometrie a fotometrie.

5. Šíření světla v anizotropních prostředích.
• Šíření optické vlny v anizotropním prostředí. Geometrická konstrukce, optická indikatrix.

• Aplikace dvojlomu: optické polarizátory a fázové destičky.

• Anizotropie vyvolaná pnutím, Kerrův jev, Faradayův jev a optická aktivita.

6. Vlnově korpuskulární dualismus.
• Spektrum záření černého tělesa, Planckův zákon, Wienův posunovací zákon, Stefan-Boltzmanův zákon.

• Foton. Fotoelektrický jev. Comptonův jev.

• Rentgenové záření.

• De Broglieovy vlny.

7. Interakce elektromagnetického záření s hmotou.
• Šíření světla ve vodivém prostředí, komplexní index lomu.

• Disperze. Souvislost mezi indexem lomu a koeficientem absorpce. Lorentzova teorie disperze.

• Elastický a neelastický rozptyl světla.

• Problematika vnímání barev.

• Procesy absorpce a emise. Stimulované a spontánní přechody. Princip činnosti laseru.

8. Základy vláknové optiky.
• Vedení světelných vln. Mody. Útlum. Disperze

• Typy optických vláken.

9. Základy fotoniky.
• Zdroje a detektory světla.

• Nelineární optika. Nelineární optické jevy 2. a 3. řádu