01.04.05 Оптика - Белорусский государственный университет

Министерство образования Республики Беларусь
Учреждение образования
Белорусский государственный университет информатики и
радиоэлектроники
Утверждаю
Проректор по научной работе
_______________А.П.Кузнецов
«___» ________________2008 г.
ПРОГРАММА
вступительного экзамена по специальности
01.04.05 – оптика, физико-математические, технические науки
Минск, 2008
-1-
Составители программы:
Лыньков Леонид Михайлович, д.т.н., проф., зав. каф. защиты информации
Гурский Александр Леонидович, д.ф.-м.н., проф. каф.защиты информации
Рассмотрена на заседании кафедры ЗИ
«10» мая 2008 г. (протокол № 10 )
Заведующий кафедрой ЗИ
Л.М.Лыньков
Одобрена методической комиссией факультета телекоммуникаций
« 5 » июня 2008 г. (протокол № 11)
Председатель комиссии
Н.В.Тарченко
-2-
Введение
Настоящая программа вступительного экзамена в аспирантуру по специальности "Оптика" - 01.04.05 разработана в соответствии с «Паспортом
специальности 01.04.05 – оптика», утвержденным постановлением президиума ВАК Беларуси от 30.05.2001 г. и отражает современное состояние оптики, в том числе прикладные аспекты, и включает ее важнейшие разделы, знание которых необходимо высококвалифицированному специалисту, выполняющему в рамках подготовки диссертации научно-исследовательскую работу, содержащую новое решение актуальной научной задачи.
Экзаменующийся по специальности должен продемонстрировать высокий уровень теоретической и экспериментальной подготовки, знание общих
физических концепций, методологических основ, истории возникновения и
развития данной специальности, глубокое понимание основных разделов
науки и техники по специальности "Оптика" - 01.04.05
Экзаменующийся также должен показать умение применять полученные знания для решения исследовательских и прикладных задач, для проведения необходимых инженерно-технических расчетов и оптимизации конструкции и технологии создания соответствующих приборов.
В основу программы положены следующие вузовские дисциплины:
"Оптика", "Основы оптики", "Теория оптических систем", "Оптические измерения", "Оптико-электронные системы" и др.
Содержание программы
1 ВВЕДЕНИЕ В ОПТИКУ
1.1 Основные законы оптики. Главнейшие этапы развития оптических теорий.
1.2 Волны
Образование волны. Волновое уравнение. Монохроматические колебания и
волны. Понятие о разложении Фурье. Энергия, переносимая электромагнитной волной. Классификация волн. Понятие о поляризации волн.
1.3. Фотометрия
Фотометрические понятия и единицы. Переход от энергетических величин к
световым. Единицы для световых измерений. Световые измерения (фотометрия).
2 ИНТЕРФЕРЕНЦИЯ СВЕТА
2.1 Когерентность
-3-
Понятие о когерентности. Интерференция колебаний. Интерференция волн.
Осуществление когерентных волн в оптике. Различные интерференционные
схемы, их основные характеристики. Значение размеров источника света.
Пространственная когерентность. Роль поляризации при интерференции поперечных волн. Оптическая длина пути. Таутохронизм оптических систем.
Интерференция немонохроматических световых пучков. Частично когерентный свет.
2.2 Стоячие световые волны.
Образование стоячих волн. Опыты Винера.
2.3 Локализация полос интерференции.
Цвета тонких пластинок. Кольца Ньютона. Интерференция в плоскопараллельных пластинках. Полосы равного наклона.
2.4 Интерференционные приборы и применения интерференции
Интерферометр Жамена. Интерферометр Майкельсона. Интерференционные
приборы с многократно разделенными световыми пучками. Интерференция
при большой разности хода. Интерферометр Линника. Некоторые применения интерференционных методов исследования.
3 ДИФРАКЦИЯ СВЕТА
3.1 Принцип Гюйгенса и его применения.
Принцип Гюйгенса-Френеля. Зонная пластинка. Графическое вычисление результирующей амплитуды. Простейшие дифракционные проблемы. Спираль
Корню и применение ее для графического решения дифракционных задач.
3.2 Дифракция в параллельных лучах (дифракция Фраунгофера).
Дифракция Фраунгофера от щели. Влияние ширины щели на дифракционную картину. Влияние размеров источника света. Дифракция от прямоугольного и круглого отверстий. Гауссовы пучки. Дифракция на двух щелях. Интерферометр Рэлея. Измерение углового диаметра звезд. Дифракционная решетка. Наклонное падение лучей на решетку. Фазовые решетки. Эшелон
Майкельсона. Характеристики спектральных аппаратов и сравнение их между собой. Роль спектрального аппарата при анализе светового импульса.
3.3 Дифракция на многомерных структурах.
Дифракционная решетка как одномерная структура. Дифракция на двумерных структурах. Дифракционные явления на трехмерных структурах. Дифракция рентгеновских лучей. Дифракция световых волн на ультраакустических волнах.
3.4 Голография.
-4-
Голографирование плоской волны. Голографирование сферической волны.
Голограммы Френеля трехмерных объектов. Голограмма как элемент идеальной оптической системы. Получение увеличенных изображений. Голограммы Фурье. Разрешающая способность голографических систем. Качество голографических изображений. Объемные голограммы (метод Денисюка). Цветные голографические изображения. Применение голографии. Голографическая интерферометрия.
4 ГЕОМЕТРИЧЕСКАЯ ОПТИКА
4.1 Основные положения геометрической (лучевой) оптики
Основные определения. Закон преломления и отражения. Принцип взаимности. Преломление (и отражение) на сферической поверхности. Фокусы сферической поверхности. Изображение малых предметов при преломлении на
сферической поверхности. Увеличение. Теорема Лагранжа-Тельмгольца.
Центрированная оптическая система. Преломление в линзе. Общая формула
линзы. Фокусные расстояния тонкой линзы. Изображение в тонкой линзе.
Увеличение. Идеальные оптические системы.
4.2 Аберрации оптических систем.
Каустическая поверхность. Характер ее симметрии. Аберрации, обусловленные широкими пучками лучей. Аберрации, обусловленные тонкими внеосевыми наклонны-ми пучками лучей. Астигматизм, обусловленный асимметрией системы. Апланатизм. Условие синусов. Аберрации, обусловленные зависимостью показателя преломления от длины волны (хроматические аберрации).
4.3 Оптические инструменты.
Роль диафрагм. Апертурная диафрагма, входной и выходной зрачки. Диафрагма поля зрения. Фотографический аппарат. Глаз как оптическая система.
Оптические инструменты, вооружающие глаз. Проекционные устройства.
Спектральные аппараты. Восприятие света.
4.4 Дифракционная теория оптических инструментов
Разрешающая сила объектива. Разрешающая сила микроскопа. Электронный
микроскоп. Метод темного поля (ультрамикроскопия). Метод фазового контраста. Дифракционные явления в спектрографах (хроматическая разрешающая сила).
5 ПОЛЯРИЗАЦИЯ СВЕТА
5.1 Естественный и поляризованный свет.
Поперечность световых волн. Распространение света через турмалин. Поляризация при отражении и преломлении света на границе двух диэлектриков.
-5-
Ориентация электрического вектора в поляризованном свете. Закон Малюса.
Естественный свет.
5.2 Поляризация при двойном лучепреломлении.
Двойное лучепреломление и поляризация света при прохождении через кристалл исландского шпата. Поляризационные приспособления.
5.3 Интерференция поляризованных лучей.
Опыты Френеля и Араго. Эллиптическая и круговая поляризация света.
Внутренняя структура естественного света. Обнаружение и анализ эллиптически-циркулярно-поляризованного света.
6 ШКАЛА ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫХ ВОЛН
6.1 Инфракрасные, ультрафиолетовые и рентгеновские лучи.
Инфракрасные и ультрафиолетовые лучи. Открытие рентгеновских лучей и
методы их получения и наблюдения. Поглощение рентгеновского излучения.
Природа рентгеновских лучей. Дифракция рентгеновских лучей на кристаллической решетке. Спектрография рентгеновских лучей. Сплошной рентгеновский спектр. Понятие о характеристических лучах. Оптика рентгеновских лучей. Шкала электромагнитных волн.
7 СКОРОСТЬ СВЕТА
7.1 Скорость света и методы ее определения.
Астрономические методы определения скорости света. Лабораторные методы определения скорости света. Фазовая и групповая скорости света.
7.2 Явление Доплера.
Эффект Доплера. Проявление в акустике и в оптике.
8 РАСПРОСТРАНЕНИЕ СВЕТА ЧЕРЕЗ ГРАНИЦУ ДВУХ СРЕД
8.1 Отражение и преломление света на границе двух диэлектриков.
Формулы Френеля. Поляризация света при прохождении через границу двух
диэлектриков. Закон Брюстера.
8.2 Полное внутреннее отражение.
Явление полного внутреннего отражения. Исследование отраженной волны.
Эллиптическая поляризация. Исследование преломленной волны.
8.3 Основы металлооптики.
Характеристика оптических свойств металла. Оптические постоянные металлов и их определение.
-6-
9 ОПТИКА АНИЗОТРОПНЫХ СРЕД
9.1 Основы кристаллооптики.
Анизотропные среды. Оптические свойства анизотропной среды. Поверхность волны (лучевая) и поверхность нормалей. Одноосные и двуосные кристаллы. Построение Гюйгенса для анизотропных сред. Экспериментальные
данные о распространении света в одноосных кристаллах. Цвета кристаллических пластинок и интерференция поляризованных лучей. Эффекты пространственной дисперсии. Оптическая анизотропия кубических кристаллов.
9.2 Искусственная анизотропия.
Анизотропия, возникающая при деформациях. Двойное лучепреломление в
электрическом поле (явление Керра). Двойное лучепреломление в магнитном
поле (явление Коттон-Мутона.
10 МОЛЕКУЛЯРНАЯ ОПТИКА
10.1 Дисперсия и абсорбция света.
Дисперсия света. Методы наблюдения и результаты. Основы теории дисперсии. Поглощение (абсорбция) света. Закон Бугера. Ширина спектральных линий и затухание излучения.
10.2 Рассеяние света.
Прохождение света через оптически неоднородную среду. Молекулярное
рассеяние света. Спектры молекулярного рассеяния света. Комбинационное
рассеяние света.
10.3 Вращение плоскости поляризации.
Вращение плоскости поляризации в кристаллах. Методы определения вращательной способности. Вращение плоскости поляризации в аморфных веществах. Сахариметрия. Теория вращения плоскости поляризации. Магнитное
вращение плоскости поляризации.
10.4 Явление Зеемана.
Сущность явления Зеемана. Элементарная теория явления Зеемана. Аномальный (сложный) эффект Зеемана. Обратный эффект Зеемана. Его связь с
явлением Фарадея. Явление Штарка.
11 ДЕЙСТВИЯ СВЕТА
11.1 Фотоэлектрический эффект.
Законы фотоэффекта. Уравнение Эйнштейна. Гипотеза световых квантов.
Обоснование гипотезы световых квантов в явлениях фотоэффекта. Зависимость силы фототока от длины световой волны. Внутренний фотоэффект.
Фотоэлектронные приборы и их применения. Оптоэлектроника.
-7-
11.2 Явление Комптона.
Сущность явления Комптона и его законы. Теория явления Комптона. Эффект Доплера и гипотеза световых квантов.
11.3 Давление света.
Экспериментальное изучение давления света. Давление света в рамках теории фотонов.
11.4 Химические действия света.
Основные законы фотохимии. Сенсибилизированные фотохимические реакции. Восприятие света глазом.
12 ТЕПЛОВОЕ ИЗЛУЧЕНИЕ
12.1 Законы теплового излучения.
Тепловое излучение. Закон Кирхгофа. Применение закона Кирхгофа. Абсолютно черное тело. Излучение нечерных тел. Закон Стефана-Больцмана. Закон смещения Вина. Формула излучения Планка.
12.2 Применения законов теплового излучения.
Оптическая пирометрия. Накальные источники света.
13 ЛЮМИНЕСЦЕНЦИЯ
13.1 Излучение атомов и молекул. Спектральные закономерности.
Линейчатые спектры. Постулаты Бора. Атом водорода. Резонансное излучение. Длительность возбужденного состояния. Радиационные процессы в
квантовой теории атома. Вывод формулы Планка по Эйнштейну. Возбуждение свечения нагреванием. Полосатые спектры молекул в видимой и ультрафиолетовой областях. Инфракрасные спектры молекул.
13.2 Фотолюминесценция.
Флуоресценция молекул. Фотолюминесценция жидкостей и твердых тел.
Спектральный состав люминесценции. Правило Стокса. Длительность фотолюминесценции. Определение люминесценции и критерий длительности.
Излучение Вавилова-Черенкова. Кристаллические фосфоры. Люминесцентный анализ. Люминесцентные источники света.
14 ЛАЗЕРЫ, НЕЛИНЕЙНАЯ ОПТИКА
14.1 Лазеры.
Излучение электромагнитных волн совокупностью когерентных источников.
Поглощение и усиление излучения, распространяющегося в среде. Эффект
-8-
насыщения. Принцип действия оптического квантового генератора. Описание устройства и работы рубинового лазера. Гелий-неоновый лазер непрерывного действия (720). § 228. Спектр излучения лазеров. Конфигурация поля, создаваемого лазерами. Генерация сверхкоротких импульсов света. Полупроводниковые лазеры.
14.2 Нелинейная оптика.
Самофокусировка. Самодифракция. Распространение группы волн в нелинейной среде. Основы теории нелинейной дисперсии. Генерация кратных,
суммарных и разностных гармоник. Отражение волн в нелинейной оптике.
Параметрические нелинейные явления. Вынужденное комбинационное рассеяние света.
РЕКОМЕНДУЕМАЯ ЛИТЕРАТУРА
Основная
1. Ландсберг Г.С. Оптика.- М.: Наука, 2003.
2. Сивухин Д.В. Общий курс физики. Оптика. М.: Наука, 1980.
3. Грибковский В.П. Полупроводниковые лазеры. Мн.: 1985.
Дополнительная
1. Борн М., Вольф Э. Основы оптики.- М.: Наука, 1970.
2. Саржевский А.М. Оптика. Полный курс. – Изд. 2. 2004.
3. Степанов Б.И., Грибковский В.П. Введение в теорию люминесценции. –
Мн.: Наука и техника, 1983.
-9-