Aplikovaná optika

Rozsah predmetu: 3 - 2 z,s
Prednášajúci: doc. Ing. Ján Vajda, CSc.

Semester: zimný, letný v 1. nominálnom ročníku inžinierskeho štúdia
Počet kreditov: 6
Fakultná stránka

Obsah prednášok

1. Úvod do vlnovej optiky: svetlo ako druh elektromagnetického vlnenia, rovnica elektromagnetického vlnenia v absorbujúcom prostredí bez voľných nábojov a jej riešenie pre ustálené rovinné vlnenie s použitím symbolického komplexného počtu, komplexný index lomu a komplexná relatívna permitivita materiálov používaných v optike. Komplexná impedancia reálneho optického prostredia a fázový posun medzi vlnovými funkciami elektrickej a magnetickej zložky poľa.

2. Klasická teória disperzie svetla a fyzikálny pôvod indexu lomu reálneho optického prostredia (závislosť indexu lomu od frekvencie svetla). Normálna a anomálna disperzia a jej vysvetlenie z hľadiska klasickej teórie interakcie žiarenia s látkou. Princíp absorpčných filtrov. Molárna refrakcia.

3. Správanie sa svetla na rovinnom rozhraní dvoch optických neabsorbujúcich prostredí - elektromagnetická teória zákona odrazu a lomu, Fresnelove vzťahy pre koeficienty odrazivosti a priepustnosti. Totálny odraz svetla a jeho využitie, prechod svetelného vlnenia do opticky redšieho prostredia pri totálnej reflexii. Vznik polarizovaného svetla využitím Brewsterovho zákona.

4. Spektrálna hustota svetelného impulzu, kvázimonochromatický charakter svetla. Fázová a grupová rýchlosť. Dvojštrbinový experiment, podmienky vzniku interferencie svetla (rozdelením čela vlnenia), časová koherencia. Koherenčná dĺžka. Vplyv rozmerov zdroja svetla na pozorovateľnosť inteferenčných obrazcov a priestorová koherencia. Dvojzväzková interferencia na tenkej priehľadnej vrstve (interferencia rozdelením amplitúdy vlnenia).

5. Mnohozväzková inteferencia svetla na tenkej vrstve. Airyho vzťahy. Lummerov - Gehrckeho a Fabryho - Perotov interferometer, ich praktické použitie. Stojaté svetelné vlnenie - Wienerov experiment. Detekcia žiarenia prostredníctvom chemických emulzií. Princíp Lippmannovej farebnej fotografie. Základy optiky antireflexných vrstiev a optických interferenčných filtrov.

6. Základy difrakcie svetla, ohyb na ostrých hranách, problém hranice svetla a tmy. Fresnelova difrakcia, Fresnelove zóny, zónová platnička, Poissonova škvrna. Fraunhoferov ohyb svetla na štrbine a na optickej mriežke. Fázové mriežky. Princíp mriežkového spektrografu. Problém rozlišovacej schopnosti optických meracích zariadení.

7. Základy kvantovej teórie interakcie svetla s látkou a teórie žiarenia: Kirchhoffov zákon, Planckova teória žiarenia absolútne čierneho telesa. Stefanov-Boltzmannov zákon. Kvalitatívny výklad problému energetického spektra elektrónov v izolovaných atómoch a v tuhých látkach, kvantové prechody. Fotoefekt a jeho Einsteinova teória. Fotóny. Absorpčné a čiarové spektrá.

8. Prechod svetla anizotropným prostredím, využitie polarizácie svetla na rôzne merania. Polarizačné filtre. Princípy detekcie optického žiarenia. Optická aktivita látok, dvojlom a umelý dvojlom.

9. Laser - fyzikálne základy činnosti rubínového lasera, realizácia optickej spätnej väzby na vznik stimulovanej emisie. Svetelná dióda a polovodičové lasery. Vlastnosti laserového svetla, samofokusácia a samokanalizácia. Teoretické základy nelineárnych optických javov (závislosť indexu lomu od intenzity svetla, vznik vyšších harmonických, fázová synchronizácia v opticky anizotropnom prostredí, laditeľný parametrický laser.) Základy svetelnej modulácie, Kerrov a Cotton-Moutonov jav.

10. Základy optickej holografie, vznik hologramu a jeho rekonštrukcia. Základy teórie rozptylu svetla: difúzny rozptyl svetla, Tyndallov jav, Rayleighov rozptyl a teória molekulárneho rozptylu svetla. Mieho jav a kombinačný rozptyl svetla. Difúzny odraz svetla.

11. Základy geometrickej optiky: šošovky, zobrazovacia rovnica, chyby šošoviek a možnosti ich odstránenia. Princípy jednoduchých optických prístrojov, resp. opticky centrovaných sústav (ďalekohľad, mikroskop, kolimátor, monochromátor, forografický prístroj, ľudské oko a pod.).

12. Fyzikálne základy šírenia svetla v optických vlnovodoch a ich dopad na praktické aplikácie (jedno- a multimódové optické káble, vlnovodová a módová disperzia, optické solitóny; základné spôsoby realizácie optoelektronických zariadení a optických konektorov.)

Obsah cvičení

1. Teoretické cvičenie: Matematické základy riešenia problémov vlnovej optiky (symbolický komplexný počet, výpočet časových stredných hodnôt rôznych harmonicky sa meniacich veličín). Zhrnutie základných poznatkov o šírení elektromagnetického vlnenia vo vákuu zo základného kurzu fyziky.

2. Teoretické cvičenie: Intenzita žiarenia, energia a hybnosť prenášaná elektromagnetickým vlnením. Pohlcovanie žiarenia v reálnom prostredí - závislosť koeficientu absorpcie od vlnovej dĺžky svetla. Bouguerov-Lambertov zákon.

3. Teoretické cvičenie: Pojem svetelného lúča. Odvodenie zákona odrazu a lomu svetla na rovinnom rozhraní použitím Fermatovho princípu minima optickej dráhy a Huygensovho princípu. Základy teórie zobrazovania na guľovej lámavej ploche, Abbého sínusová podmienka.

4. Laboratórne cvičenie: Rozbor elektromagnetického spektra žiarenia a princípov vzniku jednotlivých žiarení a ich detekcie (prehľadový úvod do problematiky). Hranolový spektrograf, princíp jeho činnosti, podmienka minimálnej deviácie na optickom hranole.

5. Laboratórne cvičenie: Praktické meranie disperzie svetla na hranolovom spektroskope s použitím rôznych zdrojov svetla, kalibrácia spektroskopu, určenie vlnových dĺžok svetla, kvalitatívne zisťovanie prítomnosti prvkov.

6. Teoretické cvičenie: Prehľad metód a princípov merania indexu lomu rôznych látok a vlnových dĺžok svetla prostredníctvom priamych a nepriamych metód a rôznymi druhmi interferometrov. Práca s goniometrom.

7.-8. Laboratórne cvičenie: Základy optickej mikroskopie, práca s optickým mikroskopom. Elektrónový mikroskop (princíp činnosti), STM a AFM.

9. Laboratórne cvičenie: Meranie vlnových dĺžok svetla prostredníctvom difrakcie na optickej mriežke. Praktické overenie niektorých svetelných javov (polarizácie svetla, Brewsterov zákon).

10. Laboratórne cvičenie: Meranie interferencie svetla pomocou Newtonových krúžkov.

11. Exkurzia na vybranom špičkovom optickom pracovisku. Alternatíva: Laboratórne cvičenie: Difrakcia elektromagnetického žiarenia na štruktúre nanometrických tenkých vrstiev.

12. Záverečný seminár z aplikovanej optiky.

Harmonogram priebežnej kontroly štúdia a úlohy na samostatnú prácu:

- na začiatku každého laboratórneho cvičenia cvičiaci overuje preskúšaním znalosť problematiky, súvisiacu s obsahom laboratórnej úlohy;

- na záverečnom seminári budú študenti krátko verejne prezentovať výsledky svojich meraní, resp. re-ferovať o obsahu tém, určených na samostatné naštudovanie vybraných experimentálnych problémov;

- na teoretických cvičeniach budú študenti formou krátkych referátov informovať o poznatkoch, získaných samostatným štúdiom zadaných doplnkových tém;

- možnosť konzultácií si študenti operatívne dohodnú počas prednášok alebo cvičení.

Podmienky na udelenie zápočtu:

- účasť na všetkých teoretických i laboratórnych cvičeniach; pri ospravedlnenej neúčasti cvičiaci určí podmienky náhradného splnenia. Neospravedlnená neúčasť na ktoromkoľvek cvičení je dôvodom pre neudelenie zápočtu. Zápočet sa udelí v poslednom týždni výučby v semestri na základe zhodnotenia stanovených podmienok;

- minimálne jedna verejná prezentácia a oponentúra výsledkov meraní alebo referát zo zadanej problematiky na záverečnom seminári alebo na teoretických cvičeniach, ktorými jednotliví študenti preukážu schopnosť tvorivo pracovať v oblasti teórie a praxe základných optických javov a ich technických aplikácií;

- pri udelení zápočtu vyučujúci udelí študentovi podľa stupňa zvládnutia problematiky a kvality verejnej prezentácie najviac 20 bodov, ktoré sa započítajú do klasifikácie na skúške.

Podmienky pre absolvovanie predmetu:

Získanie zápočtu a úspešné vykonanie skúšky. Skúška je ústna, pričom skúšajúci položí študentovi dve otázky z učebnej látky, vymedzenej obsahom prednášok a teoretických cvičení. Za úspešné zodpovedanie týchto otázok môže študent na skúške získať najviac 80 bodov.

Literatúra: Prednášateľ oboznámi študentov na prvej prednáške.