Optika a fotonika I

Sylabus

Obsah přednášky lze modifikovat podle zájmu studentů podmíněným výběrem zhruba 7 témat z dále uvedených. 0.Co je optika, optoelektronika a fotonika. Fotonový(kvantový),elektromagnetický (vektorový), vlnový (skalární) a paprskový (geometrický) popis optického pole.

Kvantový, semiklasický a klasický popis interakce optického pole s látkou. 1.Oscilátorový model látky. Použitelnost modelu v optice (elementární teorie disperze dielektrik a vodivých prostředí, polarizace odrazem, izotropní a anizotropní prostředí, optická aktivita, homogenní a nehomogenní prostředí - rozptyl světla).

Cířka spektrální čáry: přirozená šířka, dopplerovské rozšíření, tlakové (srážkové) rozšíření. Vztah mezi střední dobou vyzařování a šířkou spektrální čáry (Fourierova transformace). 2.Lasery.

Einsteinovy koeficienty spontánních a indukovaných přechodů a relace mezi nimi (střední zářivá doba, zářivé a nezářivé přechody, střední doba života stavu, kvantová účinnost). Zesílení světla indukovanou emisí, laserový zesilovač, inverzní obsazení hladin a způsoby jeho dosažení ( 2,3 a 4-hladinový systém).

Laser jako saturovaný zesilovač (vlastního šumu) se zpětnou vazbou, prahová podmínka nasazení oscilací, mody laseru a jejich selekce. Příklady aktivních prostředí laserů.

Režimy laserů: kontinuální, impulzní - volné oscilace, obří impulzy, modová synchronizace. Vlastnosti výstupního záření laserů (divergence, spektrální složení, časová délka impulzu, laditelnost, polarizace, energie a výkon). 3.Statistické a koherenční vlastnosti optických polí.

Optická intenzita, časová koherence a spektrum, koherenční doba a délka, prostorová koherence, vzájemná intenzita, koherenční plocha. Křížová spektrální hustota, křížově spektrálně čistá pole.

Podélná koherence částečně koherentního rovinného a kulového vlnění, prostorová a spektrální filtrace. Interference částečně koherentního světla, vliv časové a prostorové koherence (Michelsonův a Youngův interferometr), interference světla z plošného zdroje, vliv spektrální šířky, Michelsonův stelární interferometr. 4.Vlnový a paprskový popis optického pole.

Postuláty paprskové a vlnové optiky. Eikonálová rovnice.

Helmholtzova rovnice, řešení ve tvaru rovinné a kulové vlny, Fresnelovo přiblížení paraboloidních vln (podmínky platnosti, Fresnelovo číslo). Amplitudová propustnost (v paraxiálním přiblížení) tenkých optických elementů (deska, tenká čočka). 5.Maticová optika.

Přenosová matice paprsku v paraxiálním přiblížení a její tvary pro volný prostor, lom na rovinném a kulovém rozhraní. Matice složených soustav (tlustá a tenká čočka, vrstevnaté prostředí), zobrazení tenkou čočkou.

Matice pro odraz od rovinného a kulového zrcadla. Periodické optické soustavy a podmínka prostorového omezení paprskové trajektorie.

Optický rezonátor (pro laser) a jeho stabilita. Čočkový světlovod. 6.Gradientní optika. Paprsková rovnice pro prostředí s indexem lomu závislým na jedné souřadnici.

Gradientní deska s parabolickým průběhem indexu lomu, užití jako válcová čočka. Optické vlákno se skokovou změnou indexu lomu a s parabolickým průběhem (gradientní vlákno), paprskové trajektorie a numerická apertura vlákna.

Gradientní optické prvky: čočka, difrakční mřížka. 7.Fourierovská optika. Prostorová frekvence rovinné vlny.

Rozklad na rovinné vlny různých prostorových frekvencí (dvourozměrná Fourierova transformace). Prostorově-frekvenční multiplex, rozmítání svazku.

Funkce impulzové odezvy a přenosová funkce lineárního systému (analogie se susceptibilitou), mezní frekvence při šíření ve volném prostoru (ve Fresnelově aproximaci).Optická Fourierova transformace - realizace v dalekém poli a pomocí čočky. 8.Difrakce světla a optické zobrazení. Fraunhoferova a Fresnelova difrakce na obvyklých překážkách pomocí aparátu přenosové funkce a funkce impulzové odezvy.

Dvoučočkový (4f) systém a prostorová filtrace obrazu. Prostorové filtry: horní a dolní propust. 9.Holografie.

Princip a realizace hologramu a rekonstrukce vlnoplochy, tenký a objemový hologram. Využití holografie. 10.Nelineární optika.

Původ a podmínky pozorování NLO jevů. Příklady některých NLO jevů (generování 2. harmonické, samofokusace, fázová konjugace, optická bistabilita, dvoufotonová absorpce) a jejich využití (optická realizace matematických operací konvoluce a korelace, laserová spektroskopie saturační a bez dopplerovského rozšíření). 11.Fotonová optika.

Foton, jeho energie, poloha, hybnost, polarizace, interference a časová lokalizace. Fotonové proudy, fotonová statistika.

Kvantové stavy světla, koherentní stav, stlačené stavy. 12.Vláknová optika a optické komunikace. Typy vláken, numerická apertura, mody, útlum a disperze.

Zdroje a detektory pro optické komunikace. Způsoby modulace, multiplexování a vazby.

Hodnocení komunikačního systému, mezní hodnoty. Koherentní optické přenosové systémy. 13.Fotonické prvky a počítače.

Elektrooptické a akustooptické spínače, přepínače, rozmítače a modulátory. Optooptické spínače a přepínače, bistabilní optické prvky.

Optické počítače a paměti.

Anotace

Přednáška doplňuje znalosti z optiky a seznamuje se základy moderní optiky a fotoniky. Program lze do určité míry modifikovat podle zájmu studentů (např. lasery, koherenční a statistické vlastnosti světla, fourierovská optika, tvorba obrazu a prostorová filtrace, holografie, nelineární optika, fotony a neklasické stavy světla, optické vlnovody, komunikace a počítače).

Je vhodná pro studenty fyziky počínaje 2. ročníkem.