Основы физической и квантовой оптики

Введение

1. Основные положения электромагнитной теории света

1.1. Историческая справка об эволюции взглядов на природу света

1.2. Способы описания электромагнитного излучения

1.3. Уравнения Максвелла

1.3.1. Уравнения Максвелла в интегральной форме

1.3.2. Уравнения Максвелла в дифференциальной форме

1.3.3. Уравнение непрерывности полного тока

1.3.4. Материальные уравнения.

1.4. Уравнения граничных условий для векторов электромагнитного поля

1.4.1. Граничные условия для векторов электрического поля

1.4.2. Граничные условия для векторов магнитного поля

1.5. Баланс энергии электромагнитного поля

1.5.1. Уравнение баланса энергии (формула Умова-Пойнтинга)

1.5.2. Электрическая и магнитная энергия электромагнитного поля

1.5.3. Перенос энергии и групповая скорость в электромагнитном поле

1.6. Символический метод (метод комплексных амплитуд)

1.7. Комплексные проницаемости

1.8. Уравнения Максвелла в символической форме

1.9. Вектор Пойнтинга в символической форме.

1.10. Выражение для вектора Пойнтинга в символической форме

1.11. Энергетические характеристики монохроматического ЭМП

1.12. Формула для баланса энергии монохроматического ЭМП

2. Плоские электромагнитные волны в безграничной среде

2.1. Волновое уравнение для безграничной среды

2.2. Решение волнового уравнения. Плоские волны.

2.3. Гармонические волны

2.4. Распространение плоской волны в произвольном направлении

2.5. Структура поля электромагнитных волн

2.6. Поляризация плоских электромагнитных волн

2.7. Вектор Джонса

2.8. Элементы для преобразования состояния поляризации света

2.9. Отражение и преломление плоских световых волн на плоской границе раздела

2.9.1. Законы отражения и преломления электромагнитных волн

2.9.2. Формулы Френеля

2.9.3. Явление полного внутреннего отражения

2.10. Когерентность световых волн

2.10.1. Понятие полной когерентности

2.10.2. Временная когерентность

2.10.3. Функция взаимной когерентности

2.10.4. Временная и пространственная когерентность

3. Оптика ограниченных световых пучков

3.1. Угловой спектр плоских волн

3.2. Параболическое уравнение

3.3. Круговой гауссов пучок

3.4. Угловой спектр гауссова пучка

3.5. Гауссовы пучки высших порядков

3.6. Элементы Фурье – оптики

3.6.1. Преобразование Фурье в когерентной оптической системе

3.6.2. Некоторые математические операции, реализуемые в оптической системе

3.6.3. Обратное преобразование Фурье оптического сигнала

3.6.4. Пространственная фильтрация в когерентной оптической системе

4. Распространение оптических волн в материальных средах

4.1. Дисперсия показателя преломления диэлектрической среды

4.2. Распространение света в направляющих структурах

4.2.1. Электромагнитная теория планарного волновода

4.2.2. Дисперсионное уравнение планарного волновода

4.2.3. Анализ дисперсионного уравнения.

5. Элементы квантовой оптики

5.1. Постоянная Планка

5.2. Постулаты Бора

5.3. Корпускулярно – волновой дуализм

5.4. Физическая интерпретация волн де Бройля

5.5. Соотношения неопределенностей

5.6. Уравнение Шредингера

5.7. Операторы

5.8. Гармонический осциллятор

5.9. Взаимодействие излучения с атомными системами

5.9.1. Энергетические уровни

5.9.2. Квантовые переходы

5.9.3. Соотношения между коэффициентами Эйнштейна

5.10. Форма и ширина спектральной линии

5.10.1. Естественная ширина спектральной линии.

5.10.2. Уширение спектральной линии из-за столкновений

5.10.3. Допплеровское уширение спектральной линии

5.10.4. Другие механизмы уширения спектральных линий

5.11. Отрицательная температура

5.12. Взаимодействие бегущих электромагнитных волн с активной

средой

5.13. Методы достижения инверсии населенностей

6. Принципы построения лазеров

6.1. Открытые оптические резонаторы

6.1.1. Элементарная теория открытых резонаторов

6.1.2. Типы волн в реальных открытых резонаторах

6.1.3. Добротность типов колебаний открытого резонатора

6.2. Условия самовозбуждения лазера

6.3. Газовые лазеры

6.3.1. Лазер на смеси гелия и неона (He – Ne лазер)

6.3.2. Ионный аргоновый лазер

6.3.3. Молекулярные газовые лазеры

6.4. Лазеры на ионных кристаллах и стеклах

6.4.1. Элементы накачки твердотельных лазеров

6.4.2. Рубиновый лазер

7. Взаимодействия света с физическими полями

7.1. Электрооптический эффект

7.1.1. Феноменологическое описание электрооптического эффекта

7.1.2. Электрооптическая модуляция фазы световой волны

7.1.3. Пример электрооптического модулятора интенсивности света

7.2. Акустооптический эффект

7.2.1. Феноменологическое описание акустооптического эффекта

7.2.2. Типы акустических волн в твердом теле

7.2.3. Основные представления об акустооптическом взаимодействии

7.2.4. Корпускулярная (квантово-механическая) интерпретация

акустооптического взаимодействия

7.2.5. Иллюстрация векторными треугольниками

дифракции Рамана – Ната и Брэгга

7.2.6. Эффективность дифракционных процессов.

7.2.7. Акустооптический модулятор.

7.3. Фоторефрактивный эффект

7.3.1. Механизмы пространственного перераспределения носителей электрического заряда

7.3.2. Модель фоторефракции

7.3.3. Схема формирования элементарных фоторефрактивных решеток

7.3.4. Стирание (релаксация) решетки

7.3.5. Некоторые характеристики ФРЭ и фоторефрактивных материалов

8. Элементы нелинейной оптики

8.1. Элементы теории нелинейно – оптических явлений

8.1.1. Квадратичная и кубичная оптические нелинейности.

8.1.2. Возможные типы нелинейно–оптических эффектов в средах с квадратичной и кубичной нелинейностью

8.2. Нелинейное волновое уравнение

8.3. Генерация второй гармоники

8.4. Условия фазового синхронизма при генерации второй гармоники

8.5. Распространение светового пучка в нелинейно – оптической среде

8.5.1. Пространственные оптические солитоны в среде с керровской нелинейностью

8.5.2. Пространственные оптические солитоны в среде с фоторефрактивной нелинейностью

8.6. Другие нелинейно – оптические эффекты

Рекомендуемая литература