Оптика

Учебно-методическое пособие подготовлено на кафедре физики твердого тела и наноструктур физического факультета Воронежского государственного университета.

Рассмотрена возможность обучения технологии и развития культуры физического эксперимента на примере фотоэлектрических исследований ZnO c адсорбированным красителем. Обсуждаются все основные этапы исследования от постановки эксперимента до интерпретации полученных результатов.

Рассмотрены вопросы преподавания основ голографии в курсе общей физики. Приведены принципы построения спецкурса «Голография и ее применение». Даны примеры выпускных квалификационных работ голографической тематики.

В данной методической заметке предложены простые способы вывода выражения для плотности силы Абрагама, действующей со стороны электромагнитного поля на вещество. Эти способы полезны для начального ознакомления в лекционных курсах.

Пособие разработано в соответствии с ФГОС ВПО. Содержит учебно-методические материалы для выполнения лабораторных работ, краткое описание математических методов обработки экспериментальных данных контрольные вопросы, образцы отчетной документации, правила техники безопасности, литературу. Предназначено для студентов 1–2 курсов специальности 060601.65 (30.05.01) – Медицинская биохимия.

Изложены сведения об основных свойствах цвета, о цветовом круге, смешении цветов и красок, факторах, изменяющих собственный цвет, контрасте, светотени, изменении цветов на расстоянии, теории цветовой выразительности, искусстве цвета, дизайне интерьера и цвета в интерьере.

В лабораторной работе изучается внешний фотоэффект, его вольт-амперные характеристики и законы Столетова для внешнего фотоэффекта.

Во второй части монографии рассматриваются волновые процессы в электромагнитном поле, начиная с геометрической оптики и заканчивая излучением и рассеянием электромагнитных волн. Внимание уделено таким явлениям, как интерференция и дифракция, вынужденное излучение (лазеры, мазеры). Наглядность изложения сочетается с доступным теоретическим анализом. Описаны важнейшие эксперименты и интересные с точки зрения физики практические приложения, включая голографию, спектральный анализ, генерацию и индикацию электромагнитных волн, лазеры и лазеры на свободных электронах.

Изложены теория, методы расчета и проектирования линейных и нелинейных оптико-электронных систем углового пространственного сопровождения движущихся объектов (двумерных систем) и систем пространственной стабилизации движущихся объектов (трехмерных систем), широко используемых при решении различных задач в области управления, прежде всего в военной технике. Приведены методы анализа и синтеза, учитывающие специфику таких систем с модуляцией. Особое внимание уделено получению инженерных зависимостей, позволяющих обеспечить оптимальность характеристик систем. Для специалистов, занимающихся разработкой систем пространственного слежения (следящих теплопеленгаторов и др.) и систем пространственной стабилизации (инерциальных систем управления летательными аппаратами и др.). Может использоваться в учебном процессе соответствующих высших учебных заведений, подготавливающих студентов по направлению «Оптотехника» и специальности «Оптико-электронные приборы и системы».

Рассмотрены законы отражения и преломления света, общие закономерности взаимодействия света с веществом. Представлены колориметрический метод анализа вещества и основы рефрактометрии. Содержат руководства к выполнению лабораторных работ по данной тематике.

Основан в 1946г. Авторитетное научное издание, статьи и материалы журнала отражают тематику важнейших направлений теоретических и экспериментальных исследований по всему кругу научных вопросов, изучаемых на физическом факультете МГУ

Приведены краткие сведения по теории фазоконтрастной микроскопии применительно к исследованию биологических микрообъектов. Изложен принцип работы поляризационно-интерференционного микроскопа (ПИМ). Подчеркиваются его преимущества c точки зрения возможностей количественного анализа характеристик биологических микрообъектов и реализации разрешения далеко за пределами критерия Рэлея. С учетом сложности конструкции ПИМ значительное место уделено процедурам настройки и калибровки как необходимым операциям при подготовке микроскопа к работе. Представлено оборудование для передачи микроизображения через видеокамеру в компьютер для последующей детальной обработки.

Изложены краткие сведения о волновых процессах и интерференции волн. Рассмотрена интерференция световых волн с различной длиной когерентности. Дано описание лабораторной установки. Приведен порядок выполнения лабораторной работы и обработки результатов измерений.

В конспективной форме изложены основные законы и понятия разделов физики «Квантовые свойства излучения» и «Квантовая оптика». Приведены задачи и решения к ним по указанным разделам. Это поможет учащимся при подготовке к ЕГЭ, олимпиадам, практическим занятиям и лабораторным работам.

Изложены краткие теоретические сведения о волновых процессах и интерференции волн. Предложена методика решения задач по этой теме. Приведены примеры решения задач, расположенные по мере их усложнения. Даны задачи для самостоятельной работы студентов.

Даны краткие сведения о законах теплового излучения. Рассмотрена методика измерения температуры тел с помощью оптического термометра. Приведены описание лабораторной установки, порядок выполнения лабораторной работы и обработки результатов измерений.

Изложены основные теоретические сведения о дифракции Фраунгофера на щели, на круглом отверстии и на дифракционной решетке. Дано описание лабораторной установки, приведены указания к выполнению измерений и обработке их результатов.

Методические указания посвящены изучению нового объекта оптики - фотонных кристаллов из искусственного опала. Фотонные кристаллы открывают новые возможности для решения различных задач в видимой области спектра и являются перспективным оптическим материалом. Исследуемые кристаллы являются объектами новой области оптоэлектроники - нанофотоники, так как их элементарная ячейка имеет поперечный размер порядка 100 нм. В ходе лабораторной работы студенты знакомятся с важными общефизическими понятиями: зона Бриллюэна, фотонная запрещенная зона (или стоп-зона), закон дисперсии, брэгговское отражение. Студенты измеряют постоянную кристаллической решетки фотонного кристалла, параметры зонной структуры.

В конспективной форме изложены основные законы и понятия разделов физики «Основы геометрической оптики», «Физика атома» и «Физика атомного ядра». Приведены задачи и решения к ним.

В учебном пособии в конспективной форме изложены основные законы и рассмотрены понятия оптики. Приведены примеры решения типовых задач.

Рассмотрены характеристики фонового излучения в ультрафиолетовой области спектра. Описаны оптические характеристики земной атмосферы. Приведены модели яркости безоблачного дневного неба в ультрафиолетовой области спектра.

В теоретической части методических указаний рассмотрены вопросы взаимодействия света с веществом, подробно изложен материал по нормальной дисперсии света. В экспериментальной части предложена методика определения характеристик преломляющей призмы, необходимых для построения дисперсионной кривой.

В теоретической части методических указаний рассмотрены основные характеристики света как электромагнитной волны, а также явления, в которых обнаруживаются волновые свойства света: интерференция, дифракция и поляризация. В экспериментальной части предложена методика определения длины волны и ориентации плоскости колебаний излучения гелий-неонового лазера, а также показано, как можно использовать явление интерференции света для определения показателя преломления вещества, а явление дифракции света – для определения размеров мелких частиц. Раздел «Интерференция света» методических указаний написан Т.М. Гладышевой и В.О. Гладышевым, разделы «Дифракция света» и «Поляризация света» – С.М. Вишняковой и В.И. Вишняковым.

В работе рассмотрен один из видов взаимодействия электронов с кристаллической решеткой металлов – волновое взаимодействие. Приведены условия, при которых наблюдается дифракция электронной волны на системе из двух атомных плоскостей. Получены уравнения, описывающие дифракцию электронной волны на пространственно-периодической структуре. Описана экспериментальная установка для наблюдения дифракционной картины по методу Дебая – Шерера. Приведены расчетные формулы, позволяющие по дифракционной картине определить расстояние между атомными плоскостями.

Изложены основы теории дифракции света в параллельных лучах, рассмотрены основные характеристики отражательной дифракционной решетки как спектрального прибора.

Даны краткие сведения о законах теплового излучения и квантовой природе света. Рассмотрена методика экспериментальной проверки закона Стефана–Больцмана. Приведено описание лабораторной установки, порядка выполнения работы и анализа результатов измерений.

Рассмотрены явления, возникающие при падении электромагнитной волны на границу раздела однородных изотропных сред. Проанализированы два наиболее важных с практической позиции случая границы раздела: диэлектрик – диэлектрик и диэлектрик – металл. Приведен вывод уравнений Френеля, амплитудных и энергетических коэффициентов отражения и пропускания. Особое внимание уделено поляризационным преобразованиям волны при отражении от границы раздела и прохождении через нее.

Описана волновая аберрация оптической системы аппроксимациями по степенному и ортогональному (в виде полиномов Цернике) базисам. Рассмотрены свойства этих аппроксимаций, а также примеры применения разложения волновой аберрации по ортогональным полиномам Цернике для обоснования выбора прототипа из базы оптических систем и для автоматизированной дискретизации областей зрачка и предмета в процессе оптимизации оптической системы.

Рассмотрено практическое применение программы OSS на примерах синтеза оптических систем различного назначения. Представлены примеры синтеза пятигруппового панкратического объектива и панкратического объектива типа PIN HOLE, светосильного объектива для ИК-области спектра и светосильного объектива типа объектива Петцваля, а также пример синтеза миниатюрного широкоугольного объектива с вынесенным входным зрачком. Показаны примеры задания характеристик объективов в программе OSS, формирования оптимизационной модели. Рассмотрены вопросы параметрического синтеза тонких компонентов и создания рабочего каталога стекол для синтеза.

Изложены теоретические основы синтеза оптических систем. Даны описание основных блоков программы OSS и порядок работы с программой.

В учебном пособии по спецкурсу «Современные проблемы оптотехники» для магистрантов,обучающихся по направлению 200400.68 «Оптотехника», представлены результаты научных исследований,проведенных магистрантами кафедры РЛ-2, по различным направлениям оптотехники. Материал изложен в виде лекций, подготовленных и прочитанных студентами перед коллегами-магистрантами в рамках указанного курса. Основное содержание каждой лекции посвящено результатам анализа конкретной проблемы оптотехники в виде обзора научной литературы по теме, выбора направлений поисковых исследований, обоснования современных подходов к описанию ее различных аспектов, сравнительной оценки технических и схемных решений. Цель пособия - ознакомить будущих разработчиков и исследователей с наиболее актуальными проблемами оптоэлектроники и лазерной техники, а также дать определенные педагогические навыки,приобретаемые в процессе подготовки лекционного выступления.

Рассмотрены особенности проектирования автоматических систем идентификации голограмм, методика кодирования оптических сигналов с помощью алгоритмов векторно-матричного умножения. Представлен анализ преобразования оптического сигнала в системе контроля подлинности защитной голограммы от получения защитного элемента до восстановления и декодирования скрытого изображения на матричном фотоприемнике в устройстве контроля подлинности.

Рассмотрены вопросы проектирования прецизионных систем наведения радиотехнических и оптических комплексов на основе двухканальных систем в режимах автосопровождения. Приведены основные варианты функционального и структурного построения двухканальных систем, представлены уравнения динамики двухканальных систем с разделенной нагрузкой с учетом всех основных помех и возмущений, изложена методика синтеза высокоточных систем с компенсирующими связями между каналами.

Рассмотрены оптические системы интерферометров для контроля формы выпуклых асферических поверхностей, в том числе высокоапертурных. В измерительных ветвях этих интерферометров не используются оптические элементы, диаметры которых существенно больше диаметров контролируемых поверхностей. Дано представление о методе оптической компенсации и нетрадиционной реализации метода анаберрационных точек. Много внимания уделено конструктивным особенностям, параметрам и характеристикам элементов измерительных ветвей этих интерферометров. Материалы, предлагаемые в данном учебном пособии, ранее в учебной литературе не освещались.

Изложены основные теоретические положения, используемые при оценке прохождения направленного оптического излучения широкого спектрального состава через атмосферу. Приведены основные инженерные методы расчета коэффициента пропускания атмосферы. В приложениях даны необходимые для расчетов справочные данные и параметры атмосферы.

Описана волновая аберрация оптической системы аппроксимациями по степенному и ортогональному (в виде полиномов Цернике) базисам. Рассмотрены свойства этих аппроксимаций, а также примеры применения разложения волновой аберрации по ортогональным полиномам Цернике для обоснования выбора прототипа из базы оптических систем и для автоматизированной дискретизации областей зрачка и предмета в процессе оптимизации оптической системы.

учебном пособии рассмотрены правила выполнения рабочих чертежей оптических деталей и узлов, требования к материалам и способам обработки деталей, выбор и расчет допусков на различные типы оптических деталей. Приведены примеры оформления чертежей деталей разнообразной конфигурации, изготовленных из всевозможных оптических материалов.

Явление интерференции света занимает особое место в физической науке и обучении физике. Образовательное значение этого явления исследовано недостаточно. Для формирования базовых компетенций по оптике необходимо обсудить не только физические условия воспроизведения различных явлений интерференции, но интерференцию света, как учебную задачу оптики.

В статье рассматривается методика измерения температуры умеренно нагретых тел с помощью оптического пирометра. Выведены формулы для введения поправок в результаты измерений. Дано описание экспериментальной установки для проверки предлагаемой методики. Представлен анализ результатов измерений температуры различных тел, полученных с помощью пирометра и термопары.

В работе представлен обзор исследований по френелевской дифракции волн на двумерных периодических структурах. Отмечены возможности синтеза тальбот# изображений двумерной решетки – синтеза подрешеток, – позволяющего получать новый тип изображений, отсутствующий в оригинале. Рассмотрен эффект Тальбота для периодического массива микролинз, обсуждаются возможности его использования для создания массивов осветителей. Обращено внимание на контроль волновых фронтов лазеров методом тальбот#интерферометрии, дан анализ исследования с его помощью турбулентных потоков газов. Подчеркнута настоятельная необходимость изучения дифракции Френеля на периодических структурах в курсе общей физики технических университетов.

Предложена учебная лабораторная работа для практикума по общей физике. С помощью дифракционного монохроматора МУМ в работе исследуется спектр излучения светодиодов и полупроводникового лазера. Измеряется зависимость интенсивности лазера от величины тока, протекающего через pn#переход; определяется пороговая величина тока, соответствующая переходу от режима светоизлучающего диода к режиму лазерной генерации.

Приведено описание лабораторных работ по определению показателя преломления стекла и жидкостей, по исследованию отражательных свойств поверхностей, по фотометрии. Кратко изложено основные теоретические положения по соответствующим разделам физики, описаны лабораторные установки, методики проведения опытов и обработки результатов.

В методической разработке изучаются оптические свойства для оптоэлектронных приборов и волоконно-оптических линий связи. Приводится описание лабораторного макета и метода измерения показателя преломления. В приложении рассматриваются теоретические вопросы: понятие диэлектрики, неорганические стекла, механизм получения стекол, классификация стекол по техническому назначению, ситаллы, волновая теория света и законы геометрической оптики.

Рассмотрена нетривиальная возможность селективного отражения, которая связана с пересечением дисперсионных кривых элементарных возбуждений различной физической природы. Определены типы пересечений и выполнена классификация спектральных кроссоверов. Для металлов, полупроводников и диэлектриков выведены формулы для условий наблюдения спектрального кроссовера в намагниченном ферромагнетике.

В учебное пособие вошли три раздела общего курса физики. Данные разделы рассмотрены в соответствии с примерной программой курса общей физики для не физических факультетов университетов. В каждой части рассмотрены примеры решения типовых контрольных заданий и предложены задания для самостоятельного решения.

В первой части методических указаний для физического практикума по оптике, вышедших под названием «Геометрическая оптика», рассматривались первые четыре лабораторные работы. В настоящих указаниях приводятся лабораторные работы (с пятой по восьмую) практикума по оптике. Они посвящены основным разделам волновой оптики: интерференции и дифракции. В данных указаниях подробно рассмотрены теоретические аспекты интерференции в тонких слоях, двулучевой интерферометрии, дифракции Френеля и Фраунгофера, дифракционной решетки. Подробно излагается порядок выполнения рассматриваемых лабораторных работ по исследованию указанных разделов волновой оптики.

В сборнике «Труды РФЯЦ-ВНИИЭФ» опубликованы результаты научных исследований, а также методических и проектно-конструкторских разработок в области прикладных задач теоретической физики, математического моделирования физических процессов, ядерной физики, физики ядерных реакторов, исследований по термоядерному синтезу, электрофизики, физики ускорителей, приборов и техники эксперимента, физики лазеров, гидродинамики, реологии, физики горения и взрыва, физической химии, экологии, материаловедения, безопасности, средств защиты от несанкционированных действий, электроники, радиотехники, оптоэлектроники.

Доказано, что эффективность приемников излучения определяется током обратно-смещенного p-n-перехода этого прибора. В свою очередь ВАХ при обратном смещении определяется термогенерацией с участием ловушек с энергиями термической активации 0, 45 и 0. 53 эВ. На процессы термогенерации с этих ловушек оказывает определяющее влияние эффект Френкеля. Кроме того, важную роль играет электрон-фононное взаимодействие. Без его учета теоретические результаты с экспериментальными не согласуются. Сильное электрон-фононное взаимодействие связано с молекулярной природой центров рекомбинации, которые, как предполагается связаны со сложными комплексами вакансии кислорода.

В рамках модели потенциала нулевого радиуса в адиабатическом приближении исследовано влияние кулоновского взаимодействия на оптические свойства комплекса A {+} + e в квантовой точке, описываемой моделью "жесткой стенки". Аналитически получено дисперсионное уравнение для дырки, локализованной на A {0} -центре. Показано, что изменение квантового состояния электрона приводит к существенному росту энергии связи дырки. В рамках адиабатического приближения, с учетом дисперсии радиуса квантовых точек, получено аналитическое выражение для коэффициента примесного поглощения квазинульмерной структуры с комплексами A {+} + e в случае перехода дырки, локализованной на A {0} -центре, в состоянии дискретного спектра адиабатического потенциала электрона. Выявлено, что адиабатический потенциал электрона приводит к нетривиальной зависимости коэффициента примесного поглощения от среднего радиуса квантовой точки.

Теоретически исследован фотодиэлектрический эффект, связанный с возбуждением примесных комплексов A {+} +e в квазинульмерной структуре. В адиабатическом приближении с учетом дисперсии радиуса квантовых точек получено выражение для спектральной зависимости изменения диэлектрической проницаемости. Показано, что поляризуемость комплекса A {+} +e в дипольном приближении определяется средним радиусом квантовых точек и энергией связи дырки локализованной на A {0}-центре. Найдено, что изменение диэлектрической проницаемости наиболее существенно в случае круговой поляризации света. Проанализирована возможность использования фотодиэлектрического эффекта в качестве эффективного механизма воздействия ИК-излучения на распространения субмиллиметровых волн в полупроводниковых структурах.