Ахманов С.А., Никитин С.Ю. Физическая оптика

Учебник. 2-е изд. — М.: Изд-во МГУ; Наука, 2004. — 656 с. — (Классический университетский учебник).Книга написана на основе курса лекций, читающегося авторами на физическом факультете Московского государственного университета Излагается электромагнитная теория света, физика излучения света, интерференция, дифракция, когерентность света, физика взаимодействия излучения с веществом. Представлены современные проблемы оптики: лазеры, нелинейная оптика, сверхкороткие световые импульсы и сверхсильные световые поля, новые методы оптической спектроскопии, Фурье-оптика, голография, оптическая левитация, лазерный термоядерный синтез. Специальные дополнения посвящены теоретическим вопросам, таким как электродинамика излучения, квантовая двухуровневая система, метод спектральных разложений, теория случайных процессов. Приводятся сведения из истории физической оптики.
Для студентов, аспирантов и преподавателей университетов, а также для специалистов, работающих в области оптики и ее приложений.Предисловие
Электромагнитная теория света
Лекция световые волны в вакууме
Электромагнитная природа света
Теория Максвелла
Опыты Герца
Уравнения Максвелла
Волновое уравнение
Плоская волна
Сферическая волна
Модулированные волны и излучение реальных источников света
Спектральное разложение светового поля
Принцип суперпозиции
Лекция Поляризация света
Поперечность световой волны
Состояние поляризации плоской гармонической волны Эллиптическая, круговая, линейная поляризации
Немонохроматический свет
Естественная поляризация
Экспериментальные методы измерения поляризации
Лекция Энергия света
Поток энергии в световой волне
Интенсивность света
Световые пучки и импульсы: энергия, мощность, интенсивность
Концентрация световой энергии во времени и в пространстве
Основные понятия фотометрии
Световое давление
Импульс световой волны
Измерение светового давления
Опыты Лебедева
Световое давление на классический атом
Момент импульса световой волны
Фотон
Оптическое охлаждение
Скорость света
Астрономические наблюдения
Измерения скорости света в земных условиях
Опыты Физо
Опыты Майкельсона
Современные методы измерения скорости света
Эталоны времени и длины
Тепловое действие света
Оптический нагрев поглощающей среды
Быстрый нагрев поверхности металла лазерным импульсом
Лазерный отжиг полупроводников
Свето реактивное давление
Лазерное сверхсжатие вещества
Физические принципы лазерного термоядерного синтеза
Оптическая левитация
Световое давление в лазерных пучках
Оптическая левитация малых прозрачных частиц
Опыты Эшкина
Оптическая ловушка
Элементы теории оптической левитации
Геометрия отражения и преломления
Энергетика отражения и преломления
Формулы Френеля
Силы светового давления
Световое давление вдоль пучка
Световое давление поперек пучка
Численные оценки
Оглавление
Спектральные разложения п оптике
Метод спектральных разложений
Периодические функции
Ряд Фурье
Дискретный спектр
Спектральные амплитуды и фазы
Непериодические функции
Интеграл Фурье
Сплошной спектр
Отрицательные частоты
Комплексная запись
Косинус-преобразование Фурье
Связь между длительностью импульса и шириной спектра
Спектр гармонического колебания
Дельта-функция и ее свойства
Дельтаобразный импульс
Полная и неполная спектральная информация
Спектральная плотность
Равенство Парсеваля
Из истории физической оптики
Цитаты из оригинальных работ Галилея Максвелла, Майкельсона, Герца
Излучение и генераторы света
Классическая физика излучения
Опыт Герца
Атом как элементарный источник света
Классическая модель атома
Излучение заряда
Условия излучения
Расчет поперечной компоненты поля о решение задачи об излучении диполя
Гармонические колебания диполя
Полная мощность излучения диполя
Радиационное затухание
Излучение ансамбля осцилляторов
От динамики осциллятора к статистике ансамбля
Не лазерный источник света интенсивность, поляризация, диаграмма направленности излучения
Статистика излучения независимых осцилляторов
Спектр излучения
Механизмы уширения спектральной линии
Естественное уширение
Доплеровское уширение
Уширение и сдвиг спектральной линии, обусловленные столкновениями
Эффект Дики столкновительное сужение доплеровской спектральной линии в плотном газе
Лекция Линейный осциллятор в световом поле
Поглощение света осциллятором и ансамблем осцилляторов
Закон Бугера
Спектроскопия поглощения
Уменьшение фазовой скорости света в среде
Показатель преломления
Неоднородный ансамбль осцилляторов
Однородная и неоднородная ширина спектра
Возбуждение коротким импульсом
Релаксация энергии и дефазировка
Принципы частотной и временной спектроскопии
Лекция Нелинейный осциллятор в световом поле
Модель нелинейного осциллятора
Метод возмущений
Осциллятор с квадратичной нелинейностью Генерация второй оптической гармоники
Осциллятор с кубичной нелинейностью Зависимость частоты колебаний от амплитуды
Фазировка осциллятора внешним полем
Эффекты само воздействия света самофокусировка световых пучков, само модуляция импульсов
Генерация третьей оптической гармоники
Нелинейный резонанс и гистерезис
Оптическая бистабильность
Параметрическая генерация света
Параметрический резонанс
Комбинационное рассеяние света
Модель нелинейно связанных осцилляторов
Неоднородный ансамбль нелинейных осцилляторов
Световое эхо
Тепловое излучение
Основные опытные факты
Методы исследования теплового излучения
Излучательная к поглощательная способность тел
Равновесное тепловое излучение
Закон Кирхгофа
Спектральная плотность равновесного теплового излучения
Термодинамика равновесного теплового излучения
Формула Рэлея -Джинса
Ультрафиолетовая катастрофа
Формула Планка
Необходимость квантовых представлений
Законы теплового излучения
Закон Стефана-Больцмана
Закон смещения Вина ы
Лекция Лазер
Квантовые свойства атомов Постулаты Бора
Световые кванты
Спонтанное и вынужденное излучение в квантовой системе
Принцип действия и устройство лазера
Характеристики лазерного излучения
Генерация сверхкоротких световых импульсов
Электродинамика излучения
Потенциалы электромагнитного поля
Излучение точечного заряда
Излучение диполя в дальней зоне
Излучение ротатора
Излучение квадруполя
Электрическое поле заряда, движущегося прямолинейно и равномерно
Элементы теории вероятностей
Случайные события и вероятность
Случайная величина
Дискретные случайные величины
Статистическое среднее и среднее арифметическое
Распределение Пуассона
Непрерывные случайные величины
Плотность вероятности
Распределение Гаусса
Центральная предельная теорема
Двумерная плотность вероятности
Преобразование распределений вероятности
Теория случайных процессов
Случайный процесс
Плотность вероятности, среднее значение и дисперсия случайного процесса
Двумерная плотность вероятности и корреляционная функция случайного процесса
Стационарные случайные процессы
Среднее значение, дисперсия и корреляционная функция стационарного случайного процесса
Многомерная плотность вероятности и многомерные корреляционные функции
Статистическое усреднение и усреднение по времени
Спектры случайных процессов
Связь спектральной плотности и корреляционной функции стационарного случайного процесса
Теорема Винера-Хинчина
Преобразование шума линейной системой
Модели строения атома
Модель Томсона
Модель Вора
Квантовая двухуровневая система и классический осциллятор
Двухуровневая система
Состояние квантовой системы
Физические величины и операторы
Измеряемые величины
Уравнение Шредингера
Гамильтониан
Изолированный атом
Частица в потенциальной яме
Гармонический осциллятор
Атом в переменном внешнем поле
Матрица плотности
Уравнение для матрицы плотности
Учет релаксации
Двухуровневая система в резонансном внешнем поле
Система уравнений для поляризации, населенностей и поля
Двухуровневая квантовая система и классический осциллятор
Из истории физической оптики
Цитаты из оригинальных работ Планка, Неймана
Интерференция, дифракция, когерентность
Лекция Интерференция света
Интерференционные явления в оптике
Опыт Юнга
Интерферометр Майкельсона
Интерференция монохроматических волн
Интерференция немонохроматического света
Интерференция случайной световой волны
Многолучевая интерференция
Интерферометр Фабри-Перо
Собственные моды и добротность лазерного резонатора
Лекция Когерентность света
Временная когерентность спета
Время когерентности
Длина когерентности
Пространственная когерентность света и радиус когерентности
Модель случайного светового поля
Расчет интерференционной картины в интерферометре Юнга
Измерение когерентности
Когерентность излучения реальных источников света
Дифракция света
Дифракция как проявление волновой природы света
Основные опытные факты
Опыт Гримальди
Принцип Гюйгенса
Принцип Гюйгенса-Френеля
Дифракционный интеграл Френеля
Зоны Френеля
Построение дифракционных картин графическим способом
Дифракция на краю экрана
Дифракционная длина светового пучка
Ближняя и дальняя зоны дифракции
Дифракционная расходимость пучка в дальней зоне
Фокусировка света как дифракционное явление
Теория дифракции Кирхгофа
Лекция Дифракция слаборасходящихся пучков
Приближение Френеля в теории дифракции
Интегралы Френеля и спираль Корню
Дифракция Френеля на одномерных структурах
Дифракция на краю экрана
Дифракция на щели
Дифракция Френеля на двумерных структурах
Дифракция на квадратном отверстии
Дифракция на круглом отверстии
Дифракция гауссова пучка
Лекция Дифракция в дальней зоне
Формирование устойчивой картины дифракции в дальней зоне
Дифракция Фраунгофера как пространственное преобразование Фурье
Дифракция Фраунгофера на одномерных структурах
Дифракция на щели
Дифракция Фраунгофера на двумерных структурах
Дифракция на прямоугольном отверстии
Дифракция на круглом отверстии
Дифракция гауссова пучка
Лекция Дифракция на периодических структурах
Дифракционные решетки
Физика дифракции света иа решетке
Уравнение дифракционной решетки
Математическое описание дифракции плоской волны на решетке
Синусоидальная решетка
Ограниченная синусоидальная решетка
Прямоугольная амплитудная решетка
Дифракция на двумерных периодических структурах
Дифракция на трехмерных периодических структурах
Дифракция рентгеновских лучей в кристаллах
Рентгеновский структурный анализ
Лекция Анализ, преобразование и синтез световых полей
Спектральное описание пространственной структуры поля
Линза как элемент, выполняющий пространственное преобразование Фурье
Формирование оптического изображения
Теория Аббе
Опыты Аббе-Портера
Метод темного поля
Метод фазового контраста
Разрешающая способность микроскопа и телескопа
Голография Запись и восстановление светового поля
Дифракционная решетка и интерферометр Фабри-Перо как спектральные приборы
Разрешающая способность и область дисперсии
Фурье-спектроскопия
Спектроскопия оптического смешения
Зонная пластинка Френеля и линза
Зонная пластинка Френеля
Растровая фокусирующая оптика
Тонкая сферическая линза
Дифракция и фокусировка гауссова пучка
Параболическое уравнение
Приближение квазиоптики
Решение параболического уравнения
Распространение и дифракция гауссова пучка
Фокусировка гауссова пучка
Размеры фокальной области линзы
Критерий применимости приближения квазиоптики
Из истории физической оптики
Цитаты из оригинальных работ Габора, Лейта и Упатниекса
Свет и вещество
Лекция Физика взаимодействия света с веществом
Модель оплошкой среды
Уравнения Максвелла
Материальные уравнения
Классификация сред
Плоская монохроматическая световая волна в линейной однородной изотропной среде
Комплексная диэлектрическая проницаемость, линейная оптическая восприимчивость и комплексный показатель преломления среды
Классическая осцилляторная модель среды
Световые волны в линейной изотропной среде
Дисперсия и поглощение света в линейной изотропной среде
Факты, подтверждающие теорию дисперсии Лоренца
Методы изучения дисперсии и поглощения света
Оптическая спектроскопия
Распространение светового импульса в диспергирующей среде
Оптическое явления на границе раздела сред
Отражение и преломление света на границе раздела
Граничные условия для электромагнитного поля
Геометрия отражения и преломления
Закон Снеллиуса
Полное внутреннее отражение
Энергетика отражения и преломления
Формулы Френеля
Эффект Брюстера
Изменение фазы световой волны при отражении и преломлении
Отражение света при нормальном падении
Просветление
Оголение оптики
Отражение света при наклонном падении
Отражение света от поверхности металла
Оптика анизотропных сред
Анизотропные материалы
Основные эффекты кристаллооптики структура световой волны в анизотропном кристалле
Материальное уравнение анизотропной среды
Классификация кристаллов
Собственные состояния поляризации световой волны в анизотропном кристалле
Обыкновенная и необыкновенная волны
Двойное лучепреломление света на границе с анизотропной средой
Получение и анализ поляризованного света
Интерференция поляризованных лучей
Наведенная анизотропия
Лекция Нелинейная оптика
Основные эффекты нелинейной оптики
Механизмы оптической нелинейности
Нарушение принципа суперпозиции для сильных световых волн в среде
Материальное уравнение нелинейной среды
Нелинейная поляризация
Нелинейная восприимчивость
Классическая модель нелинейной среды — ансамбль нелинейных осцилляторов
Оптическое детектирование
Лекция Теоретическая нелинейная оптика
Генерация второй оптической гармоники
Вынужденное комбинационное рассеяние света
Самофокусировка света
Параметрический генератор света
Оптика фемто-секундных лазерных импульсов
Предельно короткие импульсы света и сверхсильные световые ноля
Генерация фемто-секундных световых импульсов
Новое поколение твердотельных фемто-секундных лазеров
Фемтосекундное технологии
Фемтосекундное лазерные импульсы в спектроскопии
Управление амплитудой и фазой молекулярных колебаний с помощью фемто-секундных лазерных импульсов
Новые направления исследований
Нелинейная динамика световых полей
Самоорганизация светового поля в нелинейных системах с обратной связью
Оптическая синергетика
Оптическое моделирование нейронных сетей
Из истории физической оптики
Цитаты из оригинальных работ Франкена, Бломбергена, Ахманова, Хохлова