Detail předmětu

Vlnová optika

FSI-TAOAk. rok: 2027/2028

Předmět je zaměřen na základní principy a zákonitosti vlnové a elektromagnetické optiky s důrazem na jejich fyzikální podstatu, matematický popis a experimentální ověřování. Zabývá se polarizací světla, Fresnelovými vztahy, optikou anizotropních prostředí, koherencí a dvousvazkovou i mnohasvazkovou interferencí. Další část je věnována teorii difrakce, jejímu matematickému popisu a aplikacím, včetně holografie a holografické interferometrie. Teoretické poznatky jsou doplněny laboratorními experimenty zaměřenými na pozorování, realizaci a vyhodnocování interferenčních a difrakčních jevů.

Jazyk výuky

čeština

Počet kreditů

7

Příslušnost k typu studijního programu

magisterský navazující

Garant předmětu

prof. RNDr. Radim Chmelík, Ph.D.

Zajišťuje ústav

Ústav fyzikálního inženýrství (ÚFI)

Vstupní znalosti

Student by měl mít znalosti základního kurzu fyziky, zejména optiky. Předpokládají se znalosti diferenciálního a integrálního počtu funkcí jedné a více proměnných a základní znalosti práce s komplexními čísly a funkcemi.

Způsob zakončení předmětu a pravidla hodnocení studentů

Zápočet

Podmínkou udělení zápočtu je splnění požadavků stanovených pro cvičení a laboratorní cvičení. Student musí prokázat aktivní zapojení do řešení zadaných fyzikálních úloh a splnit požadavky na realizaci a vyhodnocení laboratorních experimentů. Účast na cvičeních a laboratorních cvičeních je povinná. Zameškanou výuku je student povinen nahradit způsobem dohodnutým s vyučujícím.

Zkouška

Předmět je zakončen zkouškou, která má písemnou a ústní část. Písemná část ověřuje schopnost aplikovat teoretické poznatky při řešení fyzikálních úloh z oblasti vlnové optiky. Ústní část ověřuje porozumění fyzikálním principům, souvislostem a aplikacím probírané problematiky. Podmínkou přihlášení ke zkoušce je získání zápočtu.

Hodnocení

Výsledná klasifikace předmětu se řídí platnou klasifikační stupnicí VUT a vychází z výsledků písemné a ústní části zkoušky.

Učební cíle

Cílem předmětu je poskytnout studentům teoretické znalosti a praktické dovednosti v oblasti vlnové optiky, zejména polarizace, koherence, interference a difrakce světla. Důraz je kladen na pochopení fyzikálních principů, matematický popis optických jevů a jejich experimentální ověřování.

Po absolvování předmětu bude student schopen:

  1. Vysvětlit fyzikální principy polarizace, koherence, interference a difrakce světla a popsat jejich vzájemné souvislosti.
  2. Matematicky popsat vybrané interferenční a difrakční jevy a řešit související fyzikální úlohy.
  3. Analyzovat šíření světla v opticky izotropních a anizotropních prostředích a vysvětlit principy vybraných polarizačních prvků.
  4. Vysvětlit principy činnosti dvousvazkových a mnohasvazkových interferometrů a uvést příklady jejich praktického využití.
  5. Navrhnout a realizovat vybraná experimentální uspořádání pro pozorování interferenčních a difrakčních jevů.
  6. Vyhodnotit výsledky laboratorních experimentů a interpretovat pozorované jevy na základě teoretických poznatků.

Základní literatura

Born, M., Wolf, E.: Principles of Optics. 7th ed. Cambridge University Press 1999.
Hecht, E.: Optics. Pearson Education, 2017.
Komrska, J.: Vlnová optika, část Difrakce světla. Akademické nakladatelství CERM, s.r.o., Brno 2004.
Malý, P.: Optika. Univerzita Karlova v Praze, Karolinum. 2013

Doporučená literatura

Liška, M.: Optické sešity (texty k přednáškám). Brno, VUT 2013, 2014.
Saleh, B. E. A., Teich, C.: Základy fotoniky. Matfyzpress, Praha 1994.

Zařazení předmětu ve studijních plánech

  • Program N-PMO-P magisterský navazující 1 ročník, zimní semestr, povinný, základní teoretický předmět profilujícího základu

Typ (způsob) výuky

 

Přednáška

26 hod., nepovinná

Vyučující / Lektor

prof. RNDr. Radim Chmelík, Ph.D.

Osnova

1. Maxwellovy rovnice. Vlnová rovnice. Skalární a vektorová vlna a její matematický popis a vlastnosti. 

2. Polarizace. Základní polarizační stavy. Jonesovy vektory a matice. Metody polarizace světla.

3. Fresnelovy vztahy.

4. Optika anizotropních prostředí. Popis anizotropního prostředí a šíření světla prostředím. Dvojlom. Polarizační prvky. Optická aktivita, umělý dvojlom.

5. Základy teorie časové a prostorové koherence. Funkce vzájemné koherence, stupeň koherence, interferenční zákon pro dvě částečně koherentní vlny.

6. Dvousvazková interference, metody získání koherentních vln. Příklady, popis, výpočty. Dvousvazkové interferometry a jejich využití.

7. Mnohasvazková interferometrie a její využití v praxi. Fabryův-Perotův interferometr. Interferenční filtr. Spektroskopie s vysokou rozlišovací schopností. Difrakční mřížky.

8. Vymezení pojmů difrakce, interference a rozptylu. Huygensův-Fresnelův princip a difrakční integrály. Rozdělení difrakčních jevů.

9. Fraunhoferovy ohybové jevy. Fraunhoferova difrakce jako Fourierova transformace a její realizace v laboratoři.

10. Fresnelovy ohybové jevy. Fresnelova difrakce jako přenos lineárním isoplanatickým systémem.

11. Základní pojmy fourierovské optiky - funkce impulsní odezvy, přenosová funkce.

12. Principy a využití holografie, digitální holografická interferometrie.

13. Exkurze na Ústav přístrojové techniky v Brně do optických laboratoří

Laboratorní cvičení

14 hod., povinná

Vyučující / Lektor

prof. RNDr. Radim Chmelík, Ph.D.

Osnova

  • Malusův zákon, demonstrace dvojlomu a jeho využití
  • Youngův pokus. Newtonovy kroužky.
  • Střihová interferometrie. Nastavení rovinné vlny odrazem na planparalelní destičce.
  • Vizualizace fázových objektů: Murtyovým interferometrem, Michelsonovým interferometrem, Machovým-Zehnderovým interferometrem.
  • Experimentální uspořádání pro pozorování a registraci Fresnelových a Fraunhoferových difrakčních jevů.
  • Fraunhoferova a Fresnelova difrakce na kruhovém otvoru, dvojštěrbině a mřížce.

Cvičení

12 hod., povinná

Vyučující / Lektor

prof. RNDr. Radim Chmelík, Ph.D.

Osnova

Ve cvičeních se řeší příklady související s tématy přednášky:

  • výpočty polarizačních stavů a práce s Jonesovými vektory;
  • Fresnelovy vztahy a optika anizotropních prostředí;
  • koherence a dvousvazková interference;
  • mnohasvazková interference a interferenční systémy;
  • Fraunhoferova a Fresnelova difrakce.