Detail předmětu

Základy optiky

FSI-TZOAk. rok: 2011/2012

V kurzu budou prezentovány základy geometrické a vlnové optiky, které poslouží k rozšíření znalostí nabyté v základním kurzu. Zvláštní pozornost je věnována možným aplikacím, především návrhům optických přístrojů. Obsah předmětu:

Světlo jako elektromagnetické vlnění
Historie optiky. Vlnová rovnice pro homogenní izotropní prostředí odvozená z Maxwellových rovnic. Rovinné, kulové a válcové vlny. Harmonické vlny. Komplexní notace harmonických vln.
Intenzita světla. Helmholtzova rovnice.Polarizace světla. Typy polarizace: lineární, eliptická, kruhová.Maticový popis polarizace. Stokesův vektor, Jonesův vektor, Jonesova matice.

Šíření světla v izotropním prostředí
Zákony paprskové optiky: odraz a lom světla. Fresnelovy vzorce pro rozhraní dielektrik.
Totální odraz.
Aplikace: planparalelní deska, hranoly, klín, optická vlákna. Odraz od kovových povrchů.

Základní zákonitosti optického zobrazení
Zobrazení lomem a odrazem na kulové ploše v paraxiálním prostoru. Základní charakteristiky zobrazení: sdružené body, zvětšení, ohniska, hlavní body, ohniskové vzdálenosti.
Zobrazení centrovanou soustavou dvou kulových ploch. Rovnice pro zobrazení vztažené na ohniska a na hlavní body. Kardinální body optické soustavy; jejich stanovení výpočtem a grafickou konstrukcí chodu paprsků. Tlustá čočka. Tenká čočka. Zobrazení soustavou čoček. Aplikace: Huygensův a Ramsdenův okulár, jednoduchý teleobjektiv. Maticový popis zobrazení optickou soustavou. Omezení paprsků optickou soustavou. Telecentrický chod paprsků. Přenos světelné energie optickou soustavou. Optické vady zobrazovacích soustav: otvorová vada, zkreslení, astigmatismus a zklenutí, koma, barevná vada polohy a velikosti.

Základní optické přístroje
Oko. Ametropie oka. Lupa. Mikroskopy. Dalekohledy. Rozlišovací schopnost (oko, mikroskop, dalekohled). Kolimátor, autokolimační dalekohled; příklady jejich použití.

Optika anizotropních prostředí
Popis anizotropního prostředí. Šíření světla v anizotropním prostředí. Dvojlom.
Polarizátory světla. Průchod světla planparalelní destičkou. Čtvrtvlnová destička, půlvlnová destička. Polarizační děliče laserového svazku. Indukovaný (umělý) dvojlom vyvolaný: napětím v pevné látce, koncentrací roztoku, elektrickým polem, magnetickým polem. Polarizační přístroje.

Zdroje světla
Tepelné (teplotní) zdroje světla. Zákonitosti záření černého tělesa.
Výbojky. Elektroluminiscenční zdroje.Lasery.

Výsledky učení předmětu

Absolvování kursu geometrické optiky dá studentům základní znalosti potřebné pro návrh a orientační výpočet soustav optických prvků. V rámci cvičení budou studenti řešit výpočty reálných optických soustav se zaměřením na jejich možné praktické využití.

Prerekvizity

Absolvování kurzu Obecná fyzika III.

Doporučená nebo povinná literatura

Fuka, J. - Havelka, B.: Optika a atomová fyzika I

Plánované vzdělávací činnosti a výukové metody

Metody vyučování závisejí na způsobu výuky a jsou popsány článkem 7 Studijního a zkušebního řádu VUT.

Způsob a kritéria hodnocení

Zápočet: alespoň 75% účast ve cvičeních, absolvování tří předem ohlášených písemných testů. Zkouška: písemná.

Jazyk výuky

čeština

Cíl

Cílem kursu je seznámit studenty (z pohledu geometrické optiky) se základními vlastnostmi optických materiálů, vztahy na rozhraní opticky isotropních prostředí a vlastnostmi reálných optických prvků a jejich kombinací. Úkolem kursu je aplikace těchto základních znalostí geometrické optiky při řešení a konstrukci optických přístrojů.

Vymezení kontrolované výuky a způsob jejího provádění a formy nahrazování zameškané výuky

Přítomnost na cvičení je povinná a je sledována vyučujícím. Způsob nahrazení zmeškané výuky ve cvičení bude stanovena vyučujícím na základě rozsahu a obsahu zmeškané výuky.

Zařazení předmětu ve studijních plánech

  • Program B3A-P bakalářský

    obor B-FIN , 3. ročník, zimní semestr, 5 kreditů, povinný

  • Program M2A-P magisterský navazující

    obor M-PMO , 1. ročník, zimní semestr, 5 kreditů, povinný

Typ (způsob) výuky

 

Přednáška

39 hod., nepovinná

Vyučující / Lektor

Osnova

Základní zákony geometrické optiky, index lomu isotropního prostředí, vliv tlaku a teploty na index lomu světla ve vzduchu, střední disperze, Abbéovo číslo, tabulky optických skel.
Fermatův princip, odvození zákona lomu a odrazu z Fermatova principu.
Reálné optické prvký - planparalelní destička, optický klín, hranol pro lom - minimální deviace.
Lom na kulové ploše obecně a v paraxiálním prostoru.
Průchod paprsku soustavou sférických ploch.
Základní body (roviny) soustavy kulových ploch, ohnisková vzdálenost soustavy, zvětšení příčné a úhlové.
Čočka tlustá a tenká, chod charakteristických paprsků.
Zobrazovací rovnice, jejich vyjádření.
Fresnelovy rovnice pro odraz polarizovaného světla - totální odraz, Brewsterův úhel.
Zobrazení zrcadly a jejich soustavou.
Omezení paprskových svazků v optické soustavě, základní charakteristika optické soustavy.
Optické vady zobrazovacích soustav - rozdělení a popis, způsob výpočtu a korekce, Herschelova podmínka, Abbého sinové podmínky.

Cvičení

12 hod., povinná

Vyučující / Lektor

Osnova

V každém cvičení se řeší příklady na předem přednesená témata.

Laboratoře a ateliéry

14 hod., povinná

Vyučující / Lektor

Osnova

Určení indexu lomu materiálu planparalelní destičky z podélného posunutí obrazu.
Určení průběhu části disperzní křivky materiálu hranolu pro lom z minimální deviace na několika vlnových délkách.
Měření poloměru křivosti optických sférických ploch.
Měření ohniskové vzdálenosti tenkých čoček a optických soustav.
Měření úhlů optických klínů a hranolů klasickými a interferenčními metodami. Seznámení s interferometrem Askania.
Polarizace světla přirozeného, způsoby získání světla polarizovaného v jedné rovině. Určení Brewsterova úhlu a úhlu totálního odrazu, jejich využití pro měření indexu lomu materiálu.