Detail předmětu
Základy optiky
FSI-TZO Ak. rok: 2021/2022 Zimní semestr
V kurzu budou prezentovány základy geometrické a vlnové optiky, které poslouží k rozšíření znalostí nabyté v základním kurzu. Zvláštní pozornost je věnována možným aplikacím, především návrhům optických přístrojů.
Obsah kurzu je založen na následujících tématech: světlo jako elektromagnetické vlnění; základní jevy vlnové optiky; šíření světla v izotropním prostředí; základní zákonitosti optického zobrazení; základní optické přístroje; optika anizotropního prostředí; zdroje světla.
Garant předmětu
Zajišťuje ústav
Výsledky učení předmětu
Absolvování kursu geometrické optiky dá studentům základní znalosti potřebné pro návrh a orientační výpočet soustav optických prvků. V rámci cvičení budou studenti řešit výpočty reálných optických soustav se zaměřením na jejich možné praktické využití.
Prerekvizity
Absolvování kurzu Obecná fyzika III.
Plánované vzdělávací činnosti a výukové metody
Předmět je vyučován formou přednášek, které mají charakter výkladu základních principů a teorie dané disciplíny. Cvičení je zaměřeno na praktické zvládnutí látky probrané na přednáškách. Výuka je doplněna laboratorním cvičením.
Způsob a kritéria hodnocení
Zápočet: alespoň 75% účast ve cvičeních, absolvování tří předem ohlášených písemných testů. Zkouška: písemná a ústní.
Jazyk výuky
čeština
Cíl
Cílem kursu je seznámit studenty (z pohledu geometrické a vlnové optiky) se základními vlastnostmi optických materiálů, vztahy na rozhraní opticky isotropních prostředí a vlastnostmi reálných optických prvků a jejich kombinací. Úkolem kursu je aplikace těchto základních znalostí geometrické optiky při řešení a konstrukci optických přístrojů.
Vymezení kontrolované výuky a způsob jejího provádění a formy nahrazování zameškané výuky
Přítomnost na cvičení je povinná a je sledována vyučujícím. Způsob nahrazení zmeškané výuky ve cvičení bude stanovena vyučujícím na základě rozsahu a obsahu zmeškané výuky.
Použití předmětu ve studijních plánech
Program B-FIN-P: Fyzikální inženýrství a nanotechnologie, bakalářský
obor ---: bez specializace, 6 kredity, povinný
Program N-STG-P: Strojírenská technologie, magisterský navazující
obor MTS: Moderní technologie osvětlovacích soustav, 6 kredity, povinný
Typ (způsob) výuky
Přednáška
26 hod., nepovinná
Vyučující / Lektor
Osnova
1. Historie optiky.
2. Světlo jako elektromagnetické vlnění. Vlnová funkce, superpozice. Rovinné, kulové a válcové vlny. Harmonické vlny. Komplexní notace harmonických vln. Maxwellovy rovnice. Energie vlny.
3. Polarizace světla. Polarizační elipsa, základní druhy polarizovaného světla. Popis polarizace harmonickými funkcemi a Jonesovými vektory. Metody polarizace světla. Optická aktivita.
4. Základy geometrické optiky. Eikonálová rovnice, paprsková rovnice, Fermatův princip, odvození zákona lomu.
5. Šíření světla – rozptyl, odraz, lom. Skla, disperze, duha. hranoly, zrcadla.
6. Geometrická teorie zobrazování. Paraxiální prostor. Kulová plocha, čočky, zrcadla, základní body optické soustavy, grafické řešení zobrazování.
7. Omezení paprsků, apertury, clony, telecentrické soustavy, rozlišení.
8. Optické vady I – barevná vady, aberační funkce, Seidlovy koeficienty, otvorová vada, koma.
9. Optické vady II – astigmatismus, zklenutí, korekce. Maticový zápis, trasování paprsků.
10. Optické přístroje – oko, mikroskopy, teleskopy, spektrometry.
11. Základy z teorie interference a koherence světla. Podmínky koherence. Interferenční zákon pro dvě částečně koherentní vlny.
12. Dvousvazková a mnohosvazková interference světla a jejich příklady.
13. Základy z teorie difrakce světla. Huygensův-Fresnelův princip. Fresnelova a Fraunhoferova difrakce. Příklady.
Laboratorní cvičení
26 hod., povinná
Vyučující / Lektor
Osnova
1. Polarizace
2. Difrakce
3. Práce s goniometrem
4. Vlastnosti tlustých čoček
5. Fotometrie
6. Vláknová optika
7. Rychlost světla
8. Základní optické přístroje
9. LCD (display z kapalných krystalů)
10. Interference
Cvičení
26 hod., povinná
Vyučující / Lektor
Osnova
1. Maxwellovy rovnice, diferenciální operátory.
2. Vlnová rovnice a její řešení. Helmholtzova rovnice.
3. Polarizace světla. Malusův zákon.
4. Odvození eikonálové rovnice. Řešení paprskové rovnice pro jednoduchá prostředí.
5. Fresnelovy vztahy a jejich důsledky.
6. Paraxiální optika – zobrazování. Zobrazovací rovnice, znaménková konvence, určení základních parametrů optické soustavy.
7. Příklady na zobrazování (zrcadla, tenká a tlustá čočka, sestava čoček).
8. Barevná a sférická vada.
9. Jednoduché optické přístroje – příklady na zobrazování.
10. Test.
11. Vlnová optika – skalární popis světla, šíření volným prostorem, difrakční integrály.
12. Fraunhoferova difrakce na různých otvorech.
13. Zápočtová písemka.