Detail předmětu

Vlnová optika

FSI-TAO Ak. rok: 2027/2028 Zimní semestr

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

Garant předmětu

prof. RNDr. Radim Chmelík, Ph.D.

Zajišťuje ústav

Ústav fyzikálního inženýrství

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.

Použití předmětu ve studijních plánech

Program N-PMO-P: Přesná mechanika a optika, magisterský navazující, povinný

Typ (způsob) výuky

 

Přednáška

26 hod., nepovinná

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

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

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.