Füüsikaosakond | Teadus- ja õppetöö | Aineprogrammid

Optika (FKEF.01.025)

Ingliskeelne nimetus:Optics
Õppeaste:bakalaureuseõpe
Kohustuslik õppekavades:füüsika: 2 
Valikaine õppekavades: 
Kohustuslikud eeldusained:
Soovitatavad eeldusained:
Vastutav(ad) õppejõud:dotsent Matti Laan
Instituut:FKEF
Osalejate piirarv:100
Kontrolli vorm:eksam (kirjalik + suuline)
Aine maht:4 AP
Loenguid:48h
Harjutustunde/seminare:32h
Praktilisi töid:-
Iseseisvat tööd:78h
Kontrolltöid:2
Referaate:-
Aineveeb:http://www.physic.ut.ee/instituudid/efti/loengumaterjalid/opt/optika/

Aine sisu lühikirjeldus

Aine on sissejuhatuseks füüsikalisse optikasse. Lähtutakse valguse elektromagnetlaine mudelist ja selle mudeli erinevatest lähenditest. Vaadeldakse valguse levikut, lainete liitumist ning vastasmõju ainega nii isotroopse kui ka anisotroopse keskkonna korral. Tutvustatakse mittelineaarseid efekte.

Auditoorse töö ajakava

Üldreeglina vastab igale programmiparagrahvile 1 kahetunnine loeng. Seminarid (16x2h) toimuvad paralleelselt loengutega kord nädalas, k.a. 4 nädalat peale loengute lõppu. Teated ja lisamaterjalid.

Sissejuhatus

Optika koht füüsikas ja tema osa teaduslik-tehnilises progressis. Optika arengu põhietapid. Valguse laine- ja kvantmudel. Lainemudeli lähendused.

LAINEOPTIKA

  1. Elektromagnetlaine
    1.1. Maxwelli võrrandite süsteem: tee empiirilistest seaduspärasustest Maxwelli võrranditeni.
    1.2. Ainevõrrandid: homogeenne/mittehomogeenne, isotroopne/anisotroopne, ineaarne/mittelineaarne,
    statsionaarne/mittestatsionaarne keskkond; HILS keskkond.
    1.3. Lainevõrrand ja lainefunktsioon.
    1.4. Lainevõrrand elektri- ja magnetvälja tugevuse jaoks. Faasikiirus. Murdumisnäitaja. Hertzi katse.
    1.5. Monokromaatiline laine: homogeenne lineaarselt polariseeritud tasalaine. Periood, sagedus, ringsagedus, lainepikkus, lainearv. Kompleksesitus. Seos E ja H hetkväärtuste vahel. Poyntingi vektor, kiiritustihedus (intensiivsus). Sfääriline laine. Vaata ka EML.
    1.6. Elliptiline, ring- ja lineaarne polarisatsioon.
    1.7. Elektromagnetlainete skaala (vt ka EMLsp). Optiline diapasoon ("valgus").
    1.8. Dipooli kiirgus. Kiirgusallika mudel.
    1.9. Fourier arendus. Erineva kujuga impulsside spektrid. Spektrijoone laiuse sõltuvus impulsi kestusest.
  2. Valguse tekitamise ja mõõtmise viisid
    2.1. Murdumisnäitaja. Valguse kiiruse mõõtmine, rühmakiirus. Tasalaine, sfääriline laine. Loomulik valgus, lineaarselt polariseeritud valguse saamine polarisaatori abil. Malus'i seadus.
    2.2. Valgusallikad ja spektrid: pidev ja joonspekter; soojuskiirgus, mittetasakaaluline kiirgus, laserkiirgus. Spektrijoone laius. Kvaasimonokromaatiline laine.
    2.3. Tajurite üldised omadused. Radiomeetria: kiirgusvoog, kiirgustugevus, kirkus, kiirgavus, kiiritustihedus.
    2.4. Silma spektraalne tundlikkus. Valgustugevuse etalon.
    2.5. Fotomeetria: valgusvoog, valgustugevus, heledus, valgsus, valgustatus.
  3. Valguse peegeldumine ja murdumine
    3.1. Isotroopsed homogeensed dielektrikud. Normaalne langemine: peegeldumis- ja läbimiskoefitsient. Peegeldumis- ja murdumisseadus. Fresneli valemid. Brewsteri nurk, tema interpretatsioon. Faasiseosed. Valguse täielik peegeldumine. Kiudoptika I.
    3.2. Valguse levik neelavas keskkonnas. Bouguer'i seadus. Kompleksne murdumisnäitaja.
    3.3. Metallide optika. Peegeldumine metallidelt.
  4. Interferents
    4.1. "Valguslaine" lähendus.
    4.2. Superpositsiooniprintsiip. Monokromaatiliste lainete liitumine. Interferentsi põhimõisted. Interferentsipildi karakteristikud.
    Vaata ka liitumine, punktallikad.
    4.3. Statistilised protsessid valgusallikas. Koherentsuse aeg. Statsionaarse interferentsipildi saamise põhiidee. Korrelatsioonifunktsioon. Koherentsusaste. Mittemonokromaatilise valguse interferents.
    4.4. Ruumiline koherentsus.
    4.5. Koherentsete valgusallikate saamine lainefrondi jagamise meetodil: Youngi katse (vaata Y), Fresneli biprisma ja bipeegel, Lloydi peegel.
    4.6. Koherentsete valgusallikate saamine laine amplituudi jagamise meetodil: Newtoni rõngad, Pohli katse, interferents kilede korral. Interferentsipildi lokaliseeritus.
    4.7. Interferentsi rakendused: pinna kvaliteedi kontroll, interferentskatted. Michelsoni, Rayleigh', Machi - Zehnderi ja Jamin'i interferomeeter.
    4.8. Mitmekiireline interferents. Fabry- Perot etalon.
    4.9. Seisulained. Kiudoptika II: valguse levik piiratud ruumis, moodid.
  5. Difraktsioon
    5.1. Huygensi-Fresneli printsiip. Fresneli tsoonid. Tsooniplaat.
    5.2. Fresneli difraktsioon kettalt, avalt ja pooltasandilt (vt FrD).
    5.3. Fraunhoferi difraktsioon pilu (vt FrauD) ja ümmarguse ava korral. Rayleigh' kriteerium.
    5.4. Difraktsioon paljude avade (tõkete) korral. Difraktsioonivõre.
    5.5. Difraktsioon mitmemõõtmeliste võrede korral. Röntgenikiirte difraktsioon.
    5.6. Holograafia füüsikalised alused.
  6. Geomeetriline optika, omandatakse iseseisvalt (vaata lõpus)
  7. Anisotroopsed keskkonnad
    7.1. Valguse levik anisotroopses kristallis: eksperimentaalsed seaduspärasused, levikumehhanism.
    7.2. Anisotroopse keskkonna fenomenoloogiline kirjeldamine. Fresneli ellipsoid, ühe- ja kaheteljelised kristallid. Faasiplaadid.
    7.3. Elektromagnetilise tasalaine levik anisotroopses keskkonnas.
    7.4. Huygensi konstruktsioon üheteljelises kristallis.
    7.5. Erinevalt polariseeritud valguse saamine ja analüüs. Polarisatsiooniprismad, kompensaatorid.
    7.6. Polariseeritud valguse interferents.
    7.7. Anisotroopia deformeerimisel. Kerri ja Pockelsi efekt.
    7.8. Polariseeritud valguse võnketasandi pöördumine. Faraday' efekt.
  8. Valguse dispersioon
    8.1. Normaalne ja anomaalne dispersioon. Vikerkaar (vt viker). Valguse levikumehhanism aines. Polariseerumuslained. Dispersiooni elektronteooria. Valguse neeldumine. Kiudoptika IV.
    8.2. Rühmakiirus, seos faasi- ja rühmakiiruse vahel. Röntgenikiirte murdumisnäitaja, dispersioon metallides ja plasmas.
  9. Valguse hajumine
    Hajumise mehhanism. Polarisatsioon hajumisel.
  10. Valguse kiirus.
    Valguse kiiruse määramine. Vavilov-Tsherenkovi kiirgus. Michelson-Morley' katse. Doppleri efekt.
  11. Spektraalanalüüs
    11.1. Spektraalanalüüsi eesmärk. Spektraalriista iseloomustavad suurused (nurk- ja joondispersioon, lahutusvõime).
    11.2. Prisma, difraktsioonivõre ja Fabry-Perot' etalon kui dispergeerivad elemendid.
  12. Mittelineaarne optika
    Mittelineaarse keskkonna polariseerumus. Kahe laine liitumine mittelineaarses keskkonnas. Teise harmoonilise genereerimine, faaside sünkroniseerimine.

GEOMEETRILINE OPTIKA (omandatakse iseseisvalt)

  1. Põhimõisted
    1.1. Elektromagnetlaine lähendused. Laineoptika, geomeetriline optika. Lainefront, kiir. Sfääriline laine, tasalaine. Homotsentriline ja paralleelne kiirtekimp. Huygensi ja Fermat printsiip.
    1.2. Peegeldumis- ja murdumisseadus. Langemistasand. Langemis-, peegeldumis-, murdumisnurk. Peegeldumis- ja murdumisseadus. Suhteline ja absoluutne murdumisnäitaja. Kiirte pööratavus.
    1.3. Paralleelse kiirtekimbu murdumine. Kiirtekimbu laiuse muutumine murdumisel. Tasaparalleelne plaat, kiire nihe. Prisma, kiire käik, kaldenurk, kaldemiinimum. Väikese murdva nurgaga prisma.
    1.4. Optiline süsteem, kujutis. Ideaalne optiline süsteem. Stigmaatiline kujutis. Kaaspunktid. Tõeline ja näiv kujutis. Tasapeegel. Peegelsümmeetria. Murdumine tasapinnal - astigmaatiline kujutis. Peegeldumine ja murdumine sfäärilisel pinnal.
  2. Paraksiaalne lähendus
    2.1. Murdumine sfäärilisel pinnal paraksiaalses lähenduses. Paraksiaalne lähendus. Seos eseme ja kujutise kauguse vahel. Märkide reeglid. Fookus, tõeline ja näiv. Fookusekaugus. Fokaaltasand. Peegli valem.
    2.2. Õhuke lääts. Tsentreeritud optiline süsteem. Optiline tsenter. Optiline peatelg. Läätsevalmistaja valem. Läätsede tüübid. Läätse valem. Koondav ja hajutav lääts.
    2.3. Kujutise graafiline leidmine. Kujutise leidmine põhikiirte abi: koondav (vt ka koL) ja hajutav (vt ka haL) lääts, kumer- (vt ka kuP)ja nõguspeegel.
    2.4. Newtoni valem.
    2.5. Suurendus. Risti- ja pikisuurendus.
    2.6. Optiline tugevus. Lainefrondi kõverus. Taandatud kõverus. Diopter. Optiline tugevus.
    2.7. Paks lääts ja läätsede süsteem. Peatasandid, peapunktid. Kujutise konstrueerimine. Sõlmpunktid. Kardinaalelemendid.
    2.8. Ekvivalentne optiline tugevus. Kahest õhukesest läätsest koosneva süsteemi optiline tugevus ja fookusekaugus. Paksu läätse optiline tugevus ja fookusekaugus.
    2.9. Maatriksoptikast.
  3. Aberratsioonid
    3.1. Geomeetrilised aberratsioonid. Sfääriline aberratsioon. Lääts kui prismade süsteem. Koma. Astigmatism, meridionaal- ja sagitaaltasand. Vaatevälja kõverus. Distorsioon.
    3.2. Kromaatiline aberratsioon
  4. Aberratsioonivabad optilised elemendid. Kiirte isokroonsus - aberratsioonivaba kujutise saamise tingimus. Cartesiuse pinnad, asfäärilise optika elemendid. Gradientläätsed.
  5. Optilised instrumendid
    5.1. Luup. Parima nägemise kaugus. Nurksuurendus akommodeerimata ja akommodeeritud silma puhul.
    5.2. Mikroskoop. Kujutise kostrueerimine mikroskoobis. Mikroskoobi suurendus. Apertuurarv. Immersioonivedelik.
    5.3. Pikksilm. Kepleri pikksilm. Pikksilma suurendus. Galileo pikksilm. Peegelteleskoop.
    5.4. Inimese silm., vt OV1, OV2. Ehitus. Spektraalne tundlikkus. Lainepikkuse ja värvuse vahekord. Dünaamiline diapasoon. Ajaline koste. Lahutusvõime. Optiline silm.
    5.5. Nägemise korrigeerimine, vt OV3. Lühinägelik ja kaugenägelik silm.
  6. Geomeetrilise optika rakendatavuse piirid. Difraktsioon. Rayleigh kriteerium. Lahutusvõime.

Kirjandus

Põhiõpikud, saadaval ülikooli raamatukogudes:

  1. Saveljev. Füüsika üldkursus, k. 3. - Tallinn, 1979.
    (Ülikooli programm on kaetud vaid osaliselt. Siit tuleb iseseisvalt omandada geomeetriline optika)
  2. Landsberg G.S. Optika. - Moskva, 1976.
    (Täielik ülikoolikursus, sisaldab enamiku meie poolt käsitletavatest probleemidest. Lõpus ülesanded koos lahendustega)
  3. Sivuhhin D.V. Obshtshij kurs fiziki. - Optika, Moskva, 1980.
    (Täielik ülikoolikursus. Põhjalik . Iga osa lõpus huvitavad (probleem-) ülesanded. Kasutatakse absoluutset ühikute süsteemi)
  4. Butikov E.I. Optika. - Moskva, 1986.
    (Täielik kursus. Ilus loogiline ülesehitus. Ülesanded. Ühikud SI-s. Ei ole üle koormatud matemaatikaga)
  5. Matvejev A.N. Optika .- Moskva, 1985.
    (Täielik kursus. Ülesehitus erineb traditsioonilisest. Põhiõpikuna raske. Ülesanded. Ühikud SI-s)
  6. Kalitejevski N.I. Volnovaja optika. - Moskva, 1971.
    (Põhjalik ja huvitav laineteooria esitus. Hilisemas väljaandes ka kvantoptika)
  7. Alonso M., Finn E. J. Fundamental University Physics, v. 2, Fields and waves. - Massachusetts ..., 1983.
    (Kursuse ülesehitus lähedane meie omale)
  8. Longhurst R. S. Geometrical and Physical Optics. - Longman Scientific &Technical, 1990.
    (Põhjalik geomeetrilise optika esitus. Erinevalt teistest raamatutest on toodud ka erinevate optiliste parameetrite mõõtmismeetodid. On esitatud valguse kiiruse mõõtmise areng läbi aegade)
  9. Sarzhevski A.M. Optika, tom 1, 2. - Minsk, 1986.
    (Täielik kursus. Eeskujuks on ilmselt olnud Kalitejevski raamat, paljud probleemid on siin detailsemalt lahti kirjutatud)
  10. Hecht E. Optics. - Addison-Wesley Publ. Company, 1987.
    (Täielik kursus. Momendil näib olevat põhiõpikuks optikas Euroopa ülikoolides)

    Lisamaterjal, tärniga tähistatuid ei ole (vist) ülikooli raamatukogudes:
  11. * Pedrotti F., Pedrotti L. Introduction to optics. - Prentice-Hall Inc., 1993.
    (Täielik kursus)
  12. * Möller K., D. Optics. - Univ. Science Books, 1988.
  13. * Meyer-Arendt J. R. Introduction to Classic and Modern Optics. - Prentice-Hall Inc., 1995.
  14. Frish S.E., Timoreva A.V. Kurs obshtshej fiziki, tom 3. - Moskva, 1951.
    (Väga füüsikaline esitus, parim fotomeetria ja anisotroopsete keskkondade osas)
  15. Krauford F. Kurs fiziki, tom 3, Volnõ.
    (Kõiki laineprotsesse on vaadeldud ühisest vaatevinklist, seetõttu avanevad huvitavad seosed. Erilist huvi pakuvad nn. kodused katsed)
  16. Feinman R., Leiton R., Sends M. Feinmanovkije lektsii po fizike. - Moskva, 1966.
    (Feymani loengukursus Massachusettsis. Kursuse ülesehitus erineb tunduvalt meil väljakujunenust. Lugemisel tekivad kasulikud lisaseosed füüsika erinevate osade vahel)
  17. Pein G. Fizika kolebanij i voln,. - Moskva, 1979.
    (Kasulik lisamaterjal. Lainete kompleksesitus, Fourier' arendus. Ülesanded koos lahendustega)
  18. Young D.H., University Physics, Extended version with modern physics, Massachusetts..., 1992
    (Hiilgav graafiline ja pildimaterjal. Väga ilus geomeetrilise optika esitus)
  19. Banerjee P. P., Poon T-C. Principles of Applied Optics. - Boston, 1991.
    (Parim geomeetrilises optikas maatriksmeetodi kasutamise kirjeldus)
  20. Born M., Volf E. Printsipõ optiki. - Moskva, 1970.
    (Fundamentaalne monograafia, eriti interferents, difraktsioon).

Paljudel raamatutel on olemas kordustrükid. Võimaluse korral tasub muretseda eksemplar viimasest trükist.

Jooksva kontrolli osakaal eksamihindes, eksamile pääsemise tingimused

Kolm hindelist kontrolltööd.

Optika eksam koosneb 2 kirjalikust osast - geomeetrilise optika testist ja eksamist. Lõpphinne on nende kaalutud keskmine (kaalult vastavalt 0.2 ja 0.8).

Eksamile saavad need, kes on sooritanud geomeetrilise optika testi vähemalt tasemel E, on ära teinud kontrolltööd ning kätte saanud praktikumiarvestuse.

Võlgnevuste likvideerimise võimalused

Kontrolltööle mitteilmumise või ebapiisava punktisummaga test-kontrolltöö kordussooritus on võimalik vaid üks kord koos eksami kirjaliku osa tegemisega.

Eksami kordussooritus on võimalik üks kord enne semestri lõppu või uue semestri esimese kahe nädala jooksul.

www@physic.ut.ee