Министерство образования российской федерации ставропольский государственный университет «общая физика» (учебно-методическое пособие) (стр. 17 из 23)
Вопросы для самопроверки:
1. При каких условиях свет, проходящий через среду, ослабляется?
2. При каких условиях свет, проходящий через среду, усиливается?
3. Как реализуются условия усиления света?
4. Каков физический смысл порога генерации и условия стационарной генерации?
5. Чем определяется ширина линии излучения в лазере и каков теоретический предел относительной ширины линии излучения?
Тема 20: Нелинейные оптические явления (2 ч). Поляризация среды в поле высокоинтенсивного лазерного излучения. Среды с квадратичной нелинейностью. Генерация гармоник, оптическое детектирование. Фазовый синхронизм и его реализация. Среды с кубичной нелинейностью. Самофокусировка волновых пучков и самомодуляция импульсов. Вынужденное комбинационное рассеяние.
Вопросы для самопроверки:
1. Какие физические факторы приводят к возникновению нелинейной поляризованности?
2. По какому правилу образуются комбинационные частоты?
3. В чем состоит физический смысл пространственного синхронизма?
4. Каким образом осуществляется пространственная синхронизация?
5. Чем определяется, будет ли пучок света самофокусироваться или дефокусироваться?
6. В чем состоят основные причины возникновения нелинейности показателя преломления?
Вопросы, выносимые на 1 коллоквиум:
1. Основы электромагнитной теории света. Уравнения Максвелла. Волновое уравнение. Бегущие электромагнитные волны. Скорость света.
2. Плотность энергии и импульса электромагнитных волн. Вектор Умова-Пойтинга. Интенсивность света. Давление света. Опыты Лебедева.
3. Модели оптического излучения. Монохроматические и квазимонохроматические волны, широкополосное излучение. Фурье анализ и Фурье синтез волновых полей. Спектральная плотность мощности. Соотношение между длительностью импульса и шириной спектра.
4. Интерференция монохроматических волн. Интерференция квазимонохроматических волн. Функция видности.
5. Основные интерференционные схемы. Получение интерференционных картин делением волнового фронта (метод Юнга) и делением амплитуды (метод Френеля). Бипризма и бизеркала Френеля.
6. Полосы равной толщины и равного наклона. Кольца Ньютона. Интерферометр Майкельсона.
7. Временная когерентность, длина и время когерентности: спектральное и временное рассмотрение.
8. Пространственная когерентность. Радиус пространственной когерентности. Звездный интерферометр Майкельсона.
9. Многоволновая интерференция. Суперпозиция многих волн с равными амплитудами. Интерферометр Фабри-Перо. Пластинка Люммера-Герке.
10. Применение интерферометров. Различные типы интерферометров (интерферометр Майкельсона, интерферометр Жамена). Интерференционные фильтры и зеркала.
11. Дифракция света. Принцип Гюйгенса-Френеля. Дифракционный интеграл и его трактовка.
12. Зоны Френеля. Применение векторных диаграмм для качественного анализа дифракционных картин. Зонная пластинка. Линза.
13. Простейшие дифракционные задачи: дифракция на круглом отверстии и круглом экране. Пятно Пуассона. Спираль Корню. Ближняя и дальняя зоны дифракции. Дифракционная длина.
14. Дифракция на прямоугольной бесконечной щели.
15. Дифракционная решетка. Амплитудные и фазовые дифракционные решетки. Основные характеристики дифракционной решетки.
16. Призменные, дифракционные и интерференционные спектральные приборы и их основные характеристики: угловая и линейная дисперсия, разрешающая способность, область дисперсии.
17. Дифракционная теория формирования изображения. Роль дифракции в приборах формирующих изображение: линзе, телескопе, микроскопе.
18. Дифракция рентгеновских лучей. Формула Вульфа-Брегга.
19. Фурье-анализ и Фурье-синтез волновых полей.
20. Специальные методы наблюдения фазовых объектов. Метод фазового контраста, метод темнового поля.
Вопросы, выносимые на 2 коллоквиум:
1. Рассеяние света. Зависимость интенсивности рассеянного света от частоты (формула Рэлея). Поляризация рассеянного света, его спектральный состав. Рассеяние света в мелкодисперсных и мутных средах.
2. Спонтанное рассеяние Мандельштама-Бриллюена и комбинационное рассеяние света. Рассеяние в мутных средах.
3. Анизотропия оптических свойств, индуцированная механической деформацией, электрическим (эффекты Поккельса и Керра), магнитным (эффект Фарадея) полями.
4. Естественная оптическая активность. Сахарометрия. Эффект Фарадея.
5. Интерференция поляризованных волн. Поляризационные приборы (стопа Столетова, призма Николя, поляроиды), четвертьволновые и полуволновые пластинки. Получение и анализ эллиптически поляризованного света.
6. Явления на границе раздела анизотропных сред. двойное лучепреломление света. Качественный анализ распространения света с помощью построения Гюйгенса.
7. Распространение света в анизотропных средах. Оптическая. Фазовая (нормальная) и лучевая скорости. Одноосные и двуосные кристаллы.
8. Оптические явления на границе раздела изотропных диэлектриков. Формулы Френеля. Поляризация отраженной и прошедшей волн. Угол Брюстера. Явления полного внутреннего отражения и его применение.
9. Поляризация света. Линейно, циркулярно и эллиптически поляризованный свет. Математическое описание состояние поляризации. Поляризация естественного света. Закон Малюса.
10. Получение и анализ поляризованного света.
11. Поглащение света. Закон Бугера-Ламберта. Закон Бера.
12. Дисперсия света. Классическая электронная теория дисперсии.
13. Зависимость показателя преломления от частоты. Фазовая и групповая скорости, их соотношение (формула Рэлея).
14. Фазовая и групповая скорости света. Расплывание волновых пакетов.
15. Модели излучения света. Классическая теория излучения света диполем.
16. Тепловое излучение. Законы теплового излучения.
17. Основы квантовой теории излучения. Двухуровневая модель. Вынужденные и спонтанные переходы. Коэффициенты Эйнштейна.
18. Лазеры. Устройство и принцип действия.
19. Нелинейные явления в оптике. Генерация гармоник. Самофокусировка и дефокусировка света.
Вопросы для контролируемой самостоятельной работы студентов (КСР):
1. Дать определение энергетической силы излучения, энергетической яркости, энергетической светимости. Их размерность. [IV.1 гл.3 §§7-8]
2. Дать определение фотометрическим величинам: световому потоку, яркости, светимости и освещенности. Вывести их размерность. [IV.1 гл.3 §§9-10]
3. Вывести соотношение между соответствующими энергетическими и световыми величинами. [IV.1 гл.3 §§7-10]
4. Вывести формулу связи между углом отклонения лучей призмой и ее преломляющим углом. [IV.1 гл.12 §§68-70]
5. Вывести формулу линзы. [IV.1 гл.12 §76]
6. Вывести формулу сферического зеркала и тонкой линзы из принципа таутохромизма. [IV.1 гл.12 §§68-70, §§76-77]
7. Вывести с помощью принципа Ферма законы отражения и преломления света на плоской границе раздела двух сред. [IV.1 гл.12 §69]
8. При каких условиях двояковыпуклая (двояковогнутая) линза будет собирающей, а при каких рассеивающей? [IV.1 гл.12 §76]
9. Объясните, почему хроматическая аберрация наблюдается у тонких линз, но отсутствует у зеркал? [IV.1 гл.13 §86]
10. Докажите, что действительное изображение, создаваемое тонкой линзой, всегда перевернутое, в то время, как мнимое изображение всегда прямое, если объект реальный. [IV.1 гл.12 §78]
ЗАДАЧИ К ЭКЗАМЕНУ ПО КУРСУ «ОПТИКА»
1. Лазер излучает импульсы с длительностью t=0,16 мкс с энергией W=10 Дж. Излучение фокусируется на круглую мишень диаметром d=0,1 мм, расположенную перпендикулярно пучку и имеющую коэффициент отражения r=0,5. Определить среднюю величину светового давления на мишень и максимальное значение напряженности электрического поля в падающем на мишень пучке.
Ответ:
Па, 
В/м.2. Рубиновый лазер (длина волны l=693,5 нм) излучает световой импульс с длительностью t=10-7 с и энергией W=0,3 Дж. Резонатор лазера состоит из двух зеркал. Первое имеет коэффициент отражения r1=100%, второе – r2=90%. Радиус пучка света r=2,5 мм. Найти среднюю силу, с которой свет действует на первое зеркало во время излучения импульса.
Ответ:
Н.3. Найти распределение интенсивности I(х) на экране и определить расстояние между центром интерференционной картины и m-й светлой полосой в опыте с бипризмой. Показатель преломления призмы n, преломляющий угол–a, длина волны l. Интерферирующие лучи падают на экран приблизительно перпендикулярно. Расстояние от точечного источника до призмы а, от призмы до экрана – b.
Ответ:
4. Из собирающей тонкой линзы с фокусным расстоянием f=10 см вырезана центральная часть шириной d=0,5 см. обе половины линзы сдвинуты до соприкосновения. По одну сторону линзы на расстоянии а=5 см помещен точечный источник монохроматического света с длиной волны l=500 нм. С противоположной стороны билинзы расположен экран на расстоянии b=10 см от нее. Найти максимальное число интерференционных полос, которые могут наблюдаться на экране.