Předmět Optika a fotonika I (NOOE052)

Na serveru studentino.cz naleznete nejrůznější studijní materiály: zápisky z přednášek nebo cvičení, vzorové testy, seminární práce, domácí úkoly a další z předmětu NOOE052 - Optika a fotonika I, Matematicko-fyzikální fakulta, Univerzita Karlova v Praze (UK).

Materiál	Typ	Datum	Počet stažení

Sylabus

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.

Literatura

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

Garant

prof. RNDr. Petr Němec, Ph.D.