Wave Optics - NOOE021

• Title: Vlnová optika
• Guaranteed by: Department of Chemical Physics and Optics (32-KCHFO)
• Faculty: Faculty of Mathematics and Physics
• Actual: from 2021
• Semester: summer
• E-Credits: 9
• Hours per week, examination: summer s.:4/2, C+Ex [HT]
• Capacity: unlimited
• Min. number of students: unlimited
• 4EU+: no
• Virtual mobility / capacity: no
• State of the course: taught
• Language: Czech, English
• Teaching methods: full-time
• Teaching methods: full-time
• Guarantor: prof. RNDr. Petr Němec, Ph.D.
• Classification: Physics > Optics and Optoelectronics
• Co-requisite : NOFY022
• Pre-requisite : NOFY018
• Is pre-requisite for: NOOE049, NOOE044, NOOE043

Annotation

English

Properties of light waves, polarization, propagation of waves. Complex reprezentation of optical fields.

Last update: T_KCHFO (11.05.2001)

Czech

Vlastnosti světelných vln, polarizace světla, šířeni vln prostředím. Přiblížení geometrické optiky. Základy teorie optických zobrazení, teorie aberací. Šíření vln ve vodivém prostředí. Komplexní reprezentace optických polí, klasická teorie koherence, částečná polarizace. Fourierovská optika, úvod do holografie. Gaussovské svazky a optické rezonátory.

Last update: NEMEC (21.05.2007)

Aim of the course

English

This is a considerably advanced course in optics, which is primarily intended for students in the 3rd year of the Bachelor's degree in Physics, or students in the 1st year of the Master's degree in Optics and Optoelectronics. The content of the course forms the basis for subsequent specialized lectures on optics.

Last update: Němec Petr, prof. RNDr., Ph.D. (11.05.2023)

Czech

Jedná se o značně pokročilý kurz optiky, který je primárně určen pro studenty 3. ročníku bakalářského studia Fyziky, případně studenty 1. ročníku magisterského studia oboru Optika a optoelektronika. Obsah kurzu tvoří základ pro navazující specializované přednášky z optiky.

Last update: Němec Petr, prof. RNDr., Ph.D. (11.05.2023)

Course completion requirements

English

In order to be awarded credit, a credit test must be successfully written at the end of the semester. There is one regular and two reparative attempts to pass this test.

The credit must be obtained before registering for the exam.

Last update: Němec Petr, prof. RNDr., Ph.D. (11.05.2023)

Czech

Pro udělení zápočtu musí být úspěšně napsána zápočtová písemka na konci semestru. Tato písemka je uskutečněna v jeden řádný a dvou opravných termínech.

Zápočet je nutné získat před přihlášením na zkoušku.

Last update: Němec Petr, prof. RNDr., Ph.D. (15.02.2023)

Literature

English

basic:

M. Born, E. Wolf: Principles of Optics, Cambridge University Press, Cambridge 2003.

B. E. A. Saleh, M.C, Teich: Fundamentals of Photonics, A Wiley-Intersience publication, New York, 1991.

E. Hecht: Optics, Addison Wesley, San Francisco 2002.

complementary:

Luneburg,R.K.: Mathematical Theory of Optics, University of California Press, Berkeley, CA, 1964

M. Francon: Optical Interferometry

D. Marcuse: Light Transmission Optics

D. Marcuse: Theory od Dielectric Optical Waveguides

H.-G. Unger: Planar Optical Waveguides and Fibers

S. Solimeno, B. Crosignani a P. DiPorto: Guiding, Diffraction and Confinement of Optical Radiation

J. Peřina: Coherence of Light

H. Haken: Light

A. K. Ghatak, K. Thyagarajan: Contemporary Optics

A. K. Ghatak: An Introduction to Modern Optics

C. Curry: Wave Optics

J. A. Arnaud: Beam and Fiber Optics

A. Yariv: Quantum Electronics

A. Papoulis: Systems and Transform with Applications in Optics

J. W. Goodman: Introduction to Fourier Optics

M. Francon: Holography

H. A. Haus: Waves and Fields in Optoelectronics

L. Mandel, E. Wolf: Optical Coherence and Quantum Optics

Last update: NEMEC/MFF.CUNI.CZ (03.04.2008)

Czech

základní:

M. Born, E. Wolf: Principles of Optics, Cambridge University Press, 7. rozšířené vydání, Cambridge 2003.

B. E. A. Saleh, M.C, Teich: Základy fotoniky 1 a 2, matfyzpress, Praha 1994.

P. Malý: Optika, Karolinum, 2008.

E. Hecht: Optics, Addison Wesley, 4. vydání, San Francisco 2002.

doplňková:

Luneburg,R.K.: Mathematical Theory of Optics, University of California Press, Berkeley, CA, 1964

M. Francon: Optical Interferometry

D. Marcuse: Light Transmission Optics

D. Marcuse: Theory od Dielectric Optical Waveguides

H.-G. Unger: Planar Optical Waveguides and Fibers

J. Schr#fel, K. Novotný: Optické vlnovody

S. Solimeno, B. Crosignani a P. DiPorto: Guiding, Diffraction and Confinement of Optical Radiation

V. Vrba: Moderní aspekty klasické fyzikální optiky

J. Peřina: Coherence of Light

J. Peřina: Teorie koherence

H. Haken: Light

A. K. Ghatak, K. Thyagarajan: Contemporary Optics

A. K. Ghatak: An Introduction to Modern Optics

C. Curry: Wave Optics

J. A. Arnaud: Beam and Fiber Optics

A. Yariv: Quantum Electronics

A. Papoulis: Systems and Transform with Applications in Optics

J. W. Goodman: Introduction to Fourier Optics

M. Francon: Holography

H. A. Haus: Waves and Fields in Optoelectronics

M. Miler: Holografie

J. Čtyroký: Integrovaná optika

L. Mandel, E. Wolf: Optical Coherence and Quantum Optics

B. G. Koreněv: Úvod to teorie Besselových funkcí

Last update: Němec Petr, prof. RNDr., Ph.D. (19.02.2015)

Requirements to the exam

English

The exam is oral. The exam requirements correspond to the course syllabus.

Last update: Němec Petr, prof. RNDr., Ph.D. (11.05.2023)

Czech

Zkouška je ústní, požadavky odpovídají sylabu předmětu.

Last update: Němec Petr, prof. RNDr., Ph.D. (06.10.2017)

Syllabus

English

1. Basic equations of electromagnetic theory.

2. Polarization of light.

3. Wave propagation in stratified medium.

4. Geometrical optics.

5. Light waves in absorbing medium.

6. Perception of colours.

7. Introduction to theory of optical coherence.

8. Fourier optics.

9. Holography.

10. Gaussian beams and optical resonators.

Last update: Němec Petr, prof. RNDr., Ph.D. (11.05.2023)

Czech

1. Základní vztahy teorie elektromagnetického pole.

• Maxwellovy rovnice v diferenciálním tvaru.

• Hraniční podmínky.

• Maxwellovy rovnice v integrálním tvaru a plochy nespojitosti vektorů elektromagnetického pole.

• Vlnová rovnice, Helmholtzova rovnice, fázová a grupová rychlost.

• Energie a moment hybnosti elektromagnetické vlny.

2. Polarizace světla.

• Polarizace rovinné harmonické vlny, polarizační elipsa.

• Důležité speciální případy eliptické polarizace.

• Úhlový moment hybnosti elektromagnetické vlny.

• Polarizační zařízení – polarizátory, fázové destičky, polarizační rotátory.

• Jonesovy vektory a matice.

• Komplexní parametr polarizace.

• Stokesovy parametry a Poincarého sféra.

3. Šíření rovinné elektromagnetické vlny vrstevnatým prostředím.

• Maxwellovy rovnice vrstevnatého prostředí.

• Charakteristické matice vrstevnatého prostředí.

4. Přiblížení geometrické optiky.

• Eikonál a eikonálová rovnice.

• Paprsková rovnice. Astronomická refrakce.

• Lagrangeův-Poincaréeho integrální invariant, Fermatův princip.

• Maticová optika.

5. Světelné vlny v absorbujícím prostředí.

• Optické charakteristiky absorbujícího prostředí.

• Šíření elektromagnetické vlny z dielektrika do vodiče.

• Fresnelovy vzorce - odraz rovinné elektromagnetické vlny od povrchu absorbujícího dielektrika a změna její polarizace.

• Kramersovy-Kronigovy relace.

6. Problematika vnímání barev.

• Primární barvy, míchání barev.

• Odčítací a sčítací zabarvování.

7. Úvod do teorie optické koherence.

• Komplexní reprezentace monochromatických vln.

• Komplexní reprezentace polychromatických vln.

• Fourierova transformace.

• Reálný a analytický signál a jejich spektra.

• Statistická optika, princip ergodicity.

• Časová koherence, časová koherenční funkce, komplexní stupeň časové koherence, koherenční doba a délka.

• Spektrální hustota výkonu, Wienerova-Chinčinova věta.

• Prostorová koherence, vzájemná koherenční funkce, komplexní stupeň koherence, vzájemná intenzita, koherenční plocha.

• Podélná koherence.

• Interference částečně koherentního světla.

• Interference a časová koherence, měření komplexního stupně časové koherence, princip Fourierových spektrometrů.

• Interference a prostorová koherence, Fresnelovo přiblížení sférické vlny, vliv spektrální šířky na interferenci, počet pozorovatelných proužku v Youngově dvouotvorovém pokusu

• Částečná polarizace, koherenční matice, stupeň polarizace, zcela polarizované a nepolarizované světlo.

8. Fourierovská optika.

• Dvourozměrná Fourierova transformace, prostorové frekvence.

• Amplitudová a frekvenční modulace obrazu.

• Přenosová funkce zobrazovací soustavy. Funkce impulzové odezvy.

• Optický výpočet Fourierovy transformace v dalekém poli (Fraunhoferova aproximace) a pomocí čočky. Souvislost optického výpočtu FT transformace a difrakce světla.

• Prostorová filtrace.

9. Holografie.

• Princip holografie, záznam a rekonstrukce obrazu.

• Holografické prostorové filtry.

• Objemové hologramy.

10. Gaussovské svazky a optické rezonátory.

• Paraxiální Helmholtzova rovnice.

• Komplexní amplituda gaussovského svazku.

• Parametry gaussovského svazku - intenzita, poloměr, divergence, fáze a vlnoplochy.

• Šíření gaussovského svazku ve volném prostoru.

• Tvarování gaussovského svazku(průchod tenkou čočkou, odraz na zrcadle), čočkový vlnovod, zákon ABCD.

• Hermiteovské-gaussovské svazky, besselovské svazky.

• Optický rezonátor, rezonanční podmínka, rezonanční frekvence, příčné a podélné mody rezonátoru. Hustota modů v jednorozměrném, dvourozměrném a třírozměrném rezonátoru. Vliv ztrát v rezonátoru.

• Boydův-Kogelnikův diagram stability.

Last update: Němec Petr, prof. RNDr., Ph.D. (19.02.2015)