Введение в оптическую физику

Введение ............................................................................................. 3

1 ШКАЛА ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫХ КОЛЕБАНИЙ........................ 5

2 ОСНОВЫ ТЕОРИИ КОЛЕБАНИЙ .................................................. 9

2.1 Линейные колебания в системах с одной

степенью свободы ............................................................................ 10

2.1.1 Линейный осциллятор ....................................................... 10

2.1.2 Затухающие колебания ...................................................... 13

2.1.3 Вынужденные колебания .................................................. 16

2.1.4 Заключительные замечания .............................................. 16

2.2 Изображение колебательных процессов в фазовом

пространстве ..................................................................................... 17

2.2.1 Фазовый портрет гармонических колебаний .................. 20

2.2.2 Фазовый портрет системы с мнимыми собственными

частотами ( 02  0 ) ...................................................................... 22

2.2.3 Фазовые траектории затухающих

и нарастающих колебаний ......................................................... 23

2.2.4 Собственные колебания нелинейной

консервативной системы ............................................................ 30

3 ОПИСАНИЕ ЭЛЕКТРОМАГНИТНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ

ОПТИЧЕСКОГО ДИАПАЗОНА .................................................... 35

3.1 Основные уравнения для классических

электромагнитных полей ................................................................. 35

3.1.1 Уравнения Максвелла в дифференциальной форме ....... 35

3.1.2 Материальные уравнения .................................................. 36

3.1.3 Граничные условия ............................................................ 37

3.2 Волновое уравнение. Плоские монохроматические

волны ................................................................................................. 38

3.2.1 Волновое уравнение для немагнитной

безграничной среды .................................................................... 39

3.2.2 Одномерное волновое уравнение ..................................... 40

3.2.3 Плоские скалярные волны ................................................. 40

3.2.4 Гармонические волны ........................................................ 41

3.2.5 Плоская волна, распространяющаяся

в произвольном направлении ..................................................... 43

3.2.6 Электромагнитные плоские волны ................................... 44

3.3 Поляризация плоских электромагнитных волн ...................... 47

3.4 Закон сохранения энергии для электромагнитного поля.

Вектор Пойнтинга ............................................................................ 49

3.5 Усреднение по времени энергетических

характеристик поля .......................................................................... 50

3.6 Сферические электромагнитные волны ................................... 53

4 ОТРАЖЕНИЕ И ПРЕЛОМЛЕНИЕ ПЛОСКИХ

ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫХ ВОЛН НА ПЛОСКОЙ ГРАНИЦЕ

РАЗДЕЛА ДИЭЛЕКТРИЧЕСКИХ СРЕД ...................................... 55

4.1 Поляризация волн, нормальная к плоскости падения ............ 56

4.2 Поляризация волн в плоскости падения .................................. 59

4.3 Анализ формул Френеля ........................................................... 60

4.3.1 Отражение света при падении из менее

плотной среды на более плотную. Угол Брюстера .................. 60

4.3.2 Отражение света при падении из более

плотной среды на менее плотную. Полное внутреннее

отражение .................................................................................... 62

5 ИНТЕРФЕРЕНЦИЯ СВЕТА ........................................................... 67

5.1 Интерференция монохроматического излучения ................... 68

5.1.1 Интерференция двух плоских монохроматических

волн .............................................................................................. 68

5.1.2 Интерференция двух сферических

монохроматических волн ........................................................... 71

5.2 Когерентность световых волн ................................................... 73

5.2.1 Временная когерентность .................................................. 74

5.2.2 Пространственная когерентность ..................................... 80

5.3 Методы наблюдения интерференционных картин ................. 82

5.3.1 Метод деления амплитуды ................................................ 83

5.3.2 Метод деления волнового фронта .................................... 90

5.3.3 Двухлучевые интерферометры ......................................... 93

5.3.4 Измерение угловых размеров источников.

Звездный интерферометр ........................................................... 96

6 ОПТИКА АНИЗОТРОПНЫХ СРЕД ............................................. 99

6.1 Эффекты взаимодействия оптического излучения

с веществом и их классификация ................................................... 99

6.2 Материальные уравнения для анизотропных сред ............... 102

6.3 Симметричные тензоры второго ранга

в различных средах ........................................................................ 104

6.4 Тензор диэлектрической восприимчивости .......................... 106

6.5 Материальные уравнения с учетом временной

дисперсии диэлектрической проницаемости .............................. 108

6.6 Пространственная дисперсия .................................................. 110

6.7 Световые волны в прозрачных немагнитных

кристаллах ...................................................................................... 112

6.7.1 Волновое уравнение ......................................................... 112

6.7.2 Световые волны в оптически неактивных

изотропных средах .................................................................... 114

6.7.3 Световые волны в изотропных непоглощающих

средах с естественной оптической активностью ................... 116

6.7.4 Световые волны в средах с линейным

двулучепреломлением .............................................................. 123

6.8 Искусственная анизотропия .................................................... 128

6.8.1 Электрооптическая модуляция оптического

излучения ................................................................................... 129

6.8.2 Квадратичный электрооптический эффект .................... 139

6.8.3 Фотоупругий эффект ....................................................... 141

6.8.4 Эффект Фарадея ............................................................... 143

7 ТЕОРИЯ ДИСПЕРСИИ ................................................................ 145

7.1 Распространение волновых пакетов. Групповая скорость ... 145

7.2 Поглощение света. Закон Бугера ............................................ 149

7.3 Нормальная и аномальная дисперсии .................................... 150

7.4 Дисперсия вдали от линий поглощения ................................. 155

8 ФУРЬЕ-ОПТИКА .......................................................................... 159

8.1 Достоинства оптических методов

обработки информации ................................................................. 159

8.2 Преобразование Фурье в когерентной

оптической системе ....................................................................... 161

8.2.1 Когерентная оптическая система .................................... 161

8.2.2 Прямое и обратное преобразование Фурье

в оптической системе ................................................................ 166

8.3 Интегральные и спектральные преобразования

в когерентных оптических системах ............................................ 168

8.3.1 Интегрирование двумерных функций ............................ 168

8.3.2 Пространственная оптическая фильтрация ................... 168

8.3.3 Вычисление функций свертки и корреляции ................171

8.3.4 Согласованная фильтрация ............................................. 174

9 ОПТИЧЕСКИЕ ТРАНСПАРАНТЫ ............................................. 180

9.1 Фотопленки .............................................................................. 180

9.2 Несеребряные материалы ........................................................ 183

9.3 Акустооптические модуляторы .............................................. 185

10 ДИФРАКЦИЯ СВЕТА НА АКУСТИЧЕСКИХ ВОЛНАХ ...... 189

10.1 Качественный анализ дифракции света

на акустических волнах ................................................................. 189

10.2 Дифракция Рамана – Ната ..................................................... 194

10.3 Дифракция Брэгга в изотропной среде. Метод

волнового уравнения ..................................................................... 196

10.4 Анализ соотношений для дифрагированного

светового поля ................................................................................ 204

10.5 Эффективность дифракции Брэгга. Коэффициент

акустического качества среды М2 ................................................ 206

11 ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ФОТОРЕФРАКТИВНОГО

ЭФФЕКТА ...................................................................................... 210

11.1 Качественное описание основных эффектов

динамической голографии ............................................................ 211

11.2 Модель зонного переноса ...................................................... 219

11.3 Приближение малых контрастов интерференционной

картины ........................................................................................... 223

11.4 Диффузионный механизм записи фоторефрактивной

решетки ........................................................................................... 227

11.5 Формирование фоторефрактивной решетки

в постоянном внешнем поле ......................................................... 229

11.6 Фоторефрактивная решетка при знакопеременном

внешнем поле ................................................................................. 232

12 ОСНОВЫ ДИНАМИЧЕСКОЙ ГОЛОГРАФИИ....................... 235

12.1 Самодифракция световых волн на фоторефрактивных

голограммах. Уравнения связанных волн ................................... 235

12.2 Приближение неистощаемой накачки ................................. 239

12.3 Самодифракция световых волн на фоторефрактивной

решетке при чисто нелокальном отклике .................................... 240

Литература ...................................................................................... 244