Vlnová optika - NOOE021

• Anglický název: Wave Optics
• Zajišťuje: Katedra chemické fyziky a optiky (32-KCHFO)
• Fakulta: Matematicko-fyzikální fakulta
• Platnost: od 2021
• Semestr: letní
• E-Kredity: 9
• Rozsah, examinace: letní s.:4/2, Z+Zk [HT]
• Počet míst: neomezen
• Minimální obsazenost: neomezen
• 4EU+: ne
• Virtuální mobilita / počet míst pro virtuální mobilitu: ne
• Stav předmětu: vyučován
• Jazyk výuky: čeština, angličtina
• Způsob výuky: prezenční
• Garant: prof. RNDr. Petr Němec, Ph.D.
• Vyučující: prof. RNDr. Petr Němec, Ph.D.
• Kategorizace předmětu: Fyzika > Optika a optoelektronika
• Korekvizity : NOFY022
• Prerekvizity : NOFY018
• Je prerekvizitou pro: NOOE049, NOOE044, NOOE043

Anotace

čeština

Vlastnosti světelných vln, polarizace světla, šířeni vln prostředím. Přiblížení geometrické optiky. Základy teorie optických zobrazení, teorie aberací. Šíření vln ve vodivém prostředí. Komplexní reprezentace optických polí, klasická teorie koherence, částečná polarizace. Fourierovská optika, úvod do holografie. Gaussovské svazky a optické rezonátory.

Poslední úprava: NEMEC (21.05.2007)

angličtina

Properties of light waves, polarization, propagation of waves. Complex reprezentation of optical fields.

Poslední úprava: T_KCHFO (11.05.2001)

Cíl předmětu

čeština

Jedná se o značně pokročilý kurz optiky, který je primárně určen pro studenty 3. ročníku bakalářského studia Fyziky, případně studenty 1. ročníku magisterského studia oboru Optika a optoelektronika. Obsah kurzu tvoří základ pro navazující specializované přednášky z optiky.

Poslední úprava: Němec Petr, prof. RNDr., Ph.D. (11.05.2023)

angličtina

This is a considerably advanced course in optics, which is primarily intended for students in the 3rd year of the Bachelor's degree in Physics, or students in the 1st year of the Master's degree in Optics and Optoelectronics. The content of the course forms the basis for subsequent specialized lectures on optics.

Poslední úprava: Němec Petr, prof. RNDr., Ph.D. (11.05.2023)

Podmínky zakončení předmětu

čeština

Pro udělení zápočtu musí být úspěšně napsána zápočtová písemka na konci semestru. Tato písemka je uskutečněna v jeden řádný a dvou opravných termínech.

Zápočet je nutné získat před přihlášením na zkoušku.

Poslední úprava: Němec Petr, prof. RNDr., Ph.D. (15.02.2023)

angličtina

In order to be awarded credit, a credit test must be successfully written at the end of the semester. There is one regular and two reparative attempts to pass this test.

The credit must be obtained before registering for the exam.

Poslední úprava: Němec Petr, prof. RNDr., Ph.D. (11.05.2023)

Literatura

čeština

základní:

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

B. E. A. Saleh, M.C, Teich: Základy fotoniky 1 a 2, matfyzpress, Praha 1994.

P. Malý: Optika, Karolinum, 2008.

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

doplňková:

Luneburg,R.K.: Mathematical Theory of Optics, University of California Press, Berkeley, CA, 1964

M. Francon: Optical Interferometry

D. Marcuse: Light Transmission Optics

D. Marcuse: Theory od Dielectric Optical Waveguides

H.-G. Unger: Planar Optical Waveguides and Fibers

J. Schr#fel, K. Novotný: Optické vlnovody

S. Solimeno, B. Crosignani a P. DiPorto: Guiding, Diffraction and Confinement of Optical Radiation

V. Vrba: Moderní aspekty klasické fyzikální optiky

J. Peřina: Coherence of Light

J. Peřina: Teorie koherence

H. Haken: Light

A. K. Ghatak, K. Thyagarajan: Contemporary Optics

A. K. Ghatak: An Introduction to Modern Optics

C. Curry: Wave Optics

J. A. Arnaud: Beam and Fiber Optics

A. Yariv: Quantum Electronics

A. Papoulis: Systems and Transform with Applications in Optics

J. W. Goodman: Introduction to Fourier Optics

M. Francon: Holography

H. A. Haus: Waves and Fields in Optoelectronics

M. Miler: Holografie

J. Čtyroký: Integrovaná optika

L. Mandel, E. Wolf: Optical Coherence and Quantum Optics

B. G. Koreněv: Úvod to teorie Besselových funkcí

Poslední úprava: Němec Petr, prof. RNDr., Ph.D. (19.02.2015)

angličtina

basic:

M. Born, E. Wolf: Principles of Optics, Cambridge University Press, Cambridge 2003.

B. E. A. Saleh, M.C, Teich: Fundamentals of Photonics, A Wiley-Intersience publication, New York, 1991.

E. Hecht: Optics, Addison Wesley, San Francisco 2002.

complementary:

Luneburg,R.K.: Mathematical Theory of Optics, University of California Press, Berkeley, CA, 1964

M. Francon: Optical Interferometry

D. Marcuse: Light Transmission Optics

D. Marcuse: Theory od Dielectric Optical Waveguides

H.-G. Unger: Planar Optical Waveguides and Fibers

S. Solimeno, B. Crosignani a P. DiPorto: Guiding, Diffraction and Confinement of Optical Radiation

J. Peřina: Coherence of Light

H. Haken: Light

A. K. Ghatak, K. Thyagarajan: Contemporary Optics

A. K. Ghatak: An Introduction to Modern Optics

C. Curry: Wave Optics

J. A. Arnaud: Beam and Fiber Optics

A. Yariv: Quantum Electronics

A. Papoulis: Systems and Transform with Applications in Optics

J. W. Goodman: Introduction to Fourier Optics

M. Francon: Holography

H. A. Haus: Waves and Fields in Optoelectronics

L. Mandel, E. Wolf: Optical Coherence and Quantum Optics

Poslední úprava: NEMEC/MFF.CUNI.CZ (03.04.2008)

Požadavky ke zkoušce

čeština

Zkouška je ústní, požadavky odpovídají sylabu předmětu.

Poslední úprava: Němec Petr, prof. RNDr., Ph.D. (06.10.2017)

angličtina

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

Poslední úprava: Němec Petr, prof. RNDr., Ph.D. (11.05.2023)

Sylabus

čeština

1. Základní vztahy teorie elektromagnetického pole.

• Maxwellovy rovnice v diferenciálním tvaru.

• Hraniční podmínky.

• Maxwellovy rovnice v integrálním tvaru a plochy nespojitosti vektorů elektromagnetického pole.

• Vlnová rovnice, Helmholtzova rovnice, fázová a grupová rychlost.

• Energie a moment hybnosti elektromagnetické vlny.

2. Polarizace světla.

• Polarizace rovinné harmonické vlny, polarizační elipsa.

• Důležité speciální případy eliptické polarizace.

• Úhlový moment hybnosti elektromagnetické vlny.

• Polarizační zařízení – polarizátory, fázové destičky, polarizační rotátory.

• Jonesovy vektory a matice.

• Komplexní parametr polarizace.

• Stokesovy parametry a Poincarého sféra.

3. Šíření rovinné elektromagnetické vlny vrstevnatým prostředím.

• Maxwellovy rovnice vrstevnatého prostředí.

• Charakteristické matice vrstevnatého prostředí.

4. Přiblížení geometrické optiky.

• Eikonál a eikonálová rovnice.

• Paprsková rovnice. Astronomická refrakce.

• Lagrangeův-Poincaréeho integrální invariant, Fermatův princip.

• Maticová optika.

5. Světelné vlny v absorbujícím prostředí.

• Optické charakteristiky absorbujícího prostředí.

• Šíření elektromagnetické vlny z dielektrika do vodiče.

• Fresnelovy vzorce - odraz rovinné elektromagnetické vlny od povrchu absorbujícího dielektrika a změna její polarizace.

• Kramersovy-Kronigovy relace.

6. Problematika vnímání barev.

• Primární barvy, míchání barev.

• Odčítací a sčítací zabarvování.

7. Úvod do teorie optické koherence.

• Komplexní reprezentace monochromatických vln.

• Komplexní reprezentace polychromatických vln.

• Fourierova transformace.

• Reálný a analytický signál a jejich spektra.

• Statistická optika, princip ergodicity.

• Časová koherence, časová koherenční funkce, komplexní stupeň časové koherence, koherenční doba a délka.

• Spektrální hustota výkonu, Wienerova-Chinčinova věta.

• Prostorová koherence, vzájemná koherenční funkce, komplexní stupeň koherence, vzájemná intenzita, koherenční plocha.

• Podélná koherence.

• Interference částečně koherentního světla.

• Interference a časová koherence, měření komplexního stupně časové koherence, princip Fourierových spektrometrů.

• Interference a prostorová koherence, Fresnelovo přiblížení sférické vlny, vliv spektrální šířky na interferenci, počet pozorovatelných proužku v Youngově dvouotvorovém pokusu

• Částečná polarizace, koherenční matice, stupeň polarizace, zcela polarizované a nepolarizované světlo.

8. Fourierovská optika.

• Dvourozměrná Fourierova transformace, prostorové frekvence.

• Amplitudová a frekvenční modulace obrazu.

• Přenosová funkce zobrazovací soustavy. Funkce impulzové odezvy.

• Optický výpočet Fourierovy transformace v dalekém poli (Fraunhoferova aproximace) a pomocí čočky. Souvislost optického výpočtu FT transformace a difrakce světla.

• Prostorová filtrace.

9. Holografie.

• Princip holografie, záznam a rekonstrukce obrazu.

• Holografické prostorové filtry.

• Objemové hologramy.

10. Gaussovské svazky a optické rezonátory.

• Paraxiální Helmholtzova rovnice.

• Komplexní amplituda gaussovského svazku.

• Parametry gaussovského svazku - intenzita, poloměr, divergence, fáze a vlnoplochy.

• Šíření gaussovského svazku ve volném prostoru.

• Tvarování gaussovského svazku(průchod tenkou čočkou, odraz na zrcadle), čočkový vlnovod, zákon ABCD.

• Hermiteovské-gaussovské svazky, besselovské svazky.

• Optický rezonátor, rezonanční podmínka, rezonanční frekvence, příčné a podélné mody rezonátoru. Hustota modů v jednorozměrném, dvourozměrném a třírozměrném rezonátoru. Vliv ztrát v rezonátoru.

• Boydův-Kogelnikův diagram stability.

Poslední úprava: Němec Petr, prof. RNDr., Ph.D. (19.02.2015)

angličtina

1. Basic equations of electromagnetic theory.

2. Polarization of light.

3. Wave propagation in stratified medium.

4. Geometrical optics.

5. Light waves in absorbing medium.

6. Perception of colours.

7. Introduction to theory of optical coherence.

8. Fourier optics.

9. Holography.

10. Gaussian beams and optical resonators.

Poslední úprava: Němec Petr, prof. RNDr., Ph.D. (11.05.2023)