PředmětyPředměty(verze: 845)
Předmět, akademický rok 2018/2019
   Přihlásit přes CAS
Optika a fotonika I - NOOE052
Anglický název: Optics and Photonics I
Zajišťuje: Katedra chemické fyziky a optiky (32-KCHFO)
Fakulta: Matematicko-fyzikální fakulta
Platnost: od 2006
Semestr: letní
E-Kredity: 3
Rozsah, examinace: letní s.:2/0 Zk [hodiny/týden]
Počet míst: neomezen
Minimální obsazenost: neomezen
Stav předmětu: vyučován
Jazyk výuky: čeština
Způsob výuky: prezenční
Garant: prof. RNDr. Petr Němec, Ph.D.
Kategorizace předmětu: Fyzika > Optika a optoelektronika
Anotace -
Poslední úprava: ()
Přednáška doplňuje znalosti z optiky a seznamuje se základy moderní optiky a fotoniky. Program lze do určité míry modifikovat podle zájmu studentů (např. lasery, koherenční a statistické vlastnosti světla, fourierovská optika, tvorba obrazu a prostorová filtrace, holografie, nelineární optika, fotony a neklasické stavy světla, optické vlnovody, komunikace a počítače). Je vhodná pro studenty fyziky počínaje 2. ročníkem.
Podmínky zakončení předmětu
Poslední úprava: prof. RNDr. Petr Němec, Ph.D. (14.06.2019)

Zkouška je ústní.

Literatura
Poslední úprava: NEMEC (23.05.2006)

Saleh B.H.A. a Teich M.C.: Základy fotoniky sv. 1 až 4, MatfyzPress, Praha 1994 až 1996.(Překlad angl. orig. Fundamentals of Photonics, Wiley 1991.)

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

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

Feynman R.P., Leighton R.B. a Sands M.: Feynmanove prednášky z fyziky, Vol.2,3, slovenský překlad Alfa 1982, 2.vyd.1985

Peřina J.: Teorie koherence, SNTL 1975

Miler M.: Holografie, SNTL 1976

Vrba L.: Moderní aspekty klasické fyzikální optiky, Academia 1974

Svelto O.: Principles of Lasers, Plenum Press, 3.vyd.1989, ruský překlad: Principy lazerov, Mir 1984

Yariv A.: Introduction to Optical Electronics, Wiley 1981, ruský překlad: Vveděnije v optičeskuju elektroniku, Vysšaja škola 1983

Požadavky ke zkoušce
Poslední úprava: prof. RNDr. Petr Němec, Ph.D. (14.06.2019)

Požadavky odpovídají sylabu předmětu.

Sylabus -
Poslední úprava: G_F (28.05.2003)

Obsah přednášky lze modifikovat podle zájmu studentů podmíněným výběrem zhruba 7 témat z dále uvedených.

0.Co je optika, optoelektronika a fotonika. Fotonový(kvantový),elektromagnetický (vektorový), vlnový (skalární) a paprskový (geometrický) popis optického pole. Kvantový, semiklasický a klasický popis interakce optického pole s látkou.

1.Oscilátorový model látky. Použitelnost modelu v optice (elementární teorie disperze dielektrik a vodivých prostředí, polarizace odrazem, izotropní a anizotropní prostředí, optická aktivita, homogenní a nehomogenní prostředí - rozptyl světla). Cířka spektrální čáry: přirozená šířka, dopplerovské rozšíření, tlakové (srážkové) rozšíření. Vztah mezi střední dobou vyzařování a šířkou spektrální čáry (Fourierova transformace).

2.Lasery. Einsteinovy koeficienty spontánních a indukovaných přechodů a relace mezi nimi (střední zářivá doba, zářivé a nezářivé přechody, střední doba života stavu, kvantová účinnost). Zesílení světla indukovanou emisí, laserový zesilovač, inverzní obsazení hladin a způsoby jeho dosažení ( 2,3 a 4-hladinový systém). Laser jako saturovaný zesilovač (vlastního šumu) se zpětnou vazbou, prahová podmínka nasazení oscilací, mody laseru a jejich selekce. Příklady aktivních prostředí laserů. Režimy laserů: kontinuální, impulzní - volné oscilace, obří impulzy, modová synchronizace. Vlastnosti výstupního záření laserů (divergence, spektrální složení, časová délka impulzu, laditelnost, polarizace, energie a výkon).

3.Statistické a koherenční vlastnosti optických polí. Optická intenzita, časová koherence a spektrum, koherenční doba a délka, prostorová koherence, vzájemná intenzita, koherenční plocha. Křížová spektrální hustota, křížově spektrálně čistá pole. Podélná koherence částečně koherentního rovinného a kulového vlnění, prostorová a spektrální filtrace. Interference částečně koherentního světla, vliv časové a prostorové koherence (Michelsonův a Youngův interferometr), interference světla z plošného zdroje, vliv spektrální šířky, Michelsonův stelární interferometr.

4.Vlnový a paprskový popis optického pole. Postuláty paprskové a vlnové optiky. Eikonálová rovnice. Helmholtzova rovnice, řešení ve tvaru rovinné a kulové vlny, Fresnelovo přiblížení paraboloidních vln (podmínky platnosti, Fresnelovo číslo). Amplitudová propustnost (v paraxiálním přiblížení) tenkých optických elementů (deska, tenká čočka).

5.Maticová optika. Přenosová matice paprsku v paraxiálním přiblížení a její tvary pro volný prostor, lom na rovinném a kulovém rozhraní. Matice složených soustav (tlustá a tenká čočka, vrstevnaté prostředí), zobrazení tenkou čočkou. Matice pro odraz od rovinného a kulového zrcadla. Periodické optické soustavy a podmínka prostorového omezení paprskové trajektorie. Optický rezonátor (pro laser) a jeho stabilita. Čočkový světlovod.

6.Gradientní optika. Paprsková rovnice pro prostředí s indexem lomu závislým na jedné souřadnici. Gradientní deska s parabolickým průběhem indexu lomu, užití jako válcová čočka. Optické vlákno se skokovou změnou indexu lomu a s parabolickým průběhem (gradientní vlákno), paprskové trajektorie a numerická apertura vlákna. Gradientní optické prvky: čočka, difrakční mřížka.

7.Fourierovská optika. Prostorová frekvence rovinné vlny. Rozklad na rovinné vlny různých prostorových frekvencí (dvourozměrná Fourierova transformace). Prostorově-frekvenční multiplex, rozmítání svazku. Funkce impulzové odezvy a přenosová funkce lineárního systému (analogie se susceptibilitou), mezní frekvence při šíření ve volném prostoru (ve Fresnelově aproximaci).Optická Fourierova transformace - realizace v dalekém poli a pomocí čočky.

8.Difrakce světla a optické zobrazení. Fraunhoferova a Fresnelova difrakce na obvyklých překážkách pomocí aparátu přenosové funkce a funkce impulzové odezvy. Dvoučočkový (4f) systém a prostorová filtrace obrazu. Prostorové filtry: horní a dolní propust.

9.Holografie. Princip a realizace hologramu a rekonstrukce vlnoplochy, tenký a objemový hologram. Využití holografie.

10.Nelineární optika. Původ a podmínky pozorování NLO jevů. Příklady některých NLO jevů (generování 2. harmonické, samofokusace, fázová konjugace, optická bistabilita, dvoufotonová absorpce) a jejich využití (optická realizace matematických operací konvoluce a korelace, laserová spektroskopie saturační a bez dopplerovského rozšíření).

11.Fotonová optika. Foton, jeho energie, poloha, hybnost, polarizace, interference a časová lokalizace. Fotonové proudy, fotonová statistika. Kvantové stavy světla, koherentní stav, stlačené stavy.

12.Vláknová optika a optické komunikace. Typy vláken, numerická apertura, mody, útlum a disperze. Zdroje a detektory pro optické komunikace. Způsoby modulace, multiplexování a vazby. Hodnocení komunikačního systému, mezní hodnoty. Koherentní optické přenosové systémy.

13.Fotonické prvky a počítače. Elektrooptické a akustooptické spínače, přepínače, rozmítače a modulátory. Optooptické spínače a přepínače, bistabilní optické prvky. Optické počítače a paměti.

 
Univerzita Karlova | Informační systém UK