Основы оптики
Учебное пособие
Новосибирск
2006
Оглавление
Глава 1. Структура твердых тел, типы связей между ионами, дефекты в кристаллах..........................................................................
1.1 Понятие об идеальном монокристалле, элементарной
ячейке, кристаллографических направлениях, классах, и группах..........................................................................................
1.2 Типы связей между ионами в твердых телах..............................
1.3 Ионы и ионная связь в молекулах...............................................
1.4 Ионно-ковалентный тип связи в твердых телах.........................
1.5 Дефекты кристаллической структуры.........................................
1.6 Аморфные тела, изотропия и анизотропия.................................
Контрольные вопросы к главе 1..................................................
Глава 2........................................................................................ Основы теории поля............................................................................................
2.1 Градиент скалярной функции......................................................
2.2 Поток вектора...............................................................................
2.3 Дивергенция вектора....................................................................
2.4 Теорема Остроградского – Гаусса..............................................
2.5 Циркуляция вектора.....................................................................
2.6 Ротор вектора...............................................................................
2.7 Теорема Стокса.............................................................................
Контрольные вопросы к главе 2..................................................
Глава 3. Система уравнение Максвелла и понятие об электромагнитной волне...................................................................................
3.1 Система уравнений Максвелла в интегральной форме и электромагнитная волна...............................................................
3.2 Вектор Пойнтинга........................................................................
3.3 Интенсивность электромагнитной волны....................................
3.4 Система уравнений Максвелла в дифференциальной форме.....
3.5 Система уравнений Максвелла в операторной форме...............
Контрольные вопросы к главе 3...........................................................
Глава 4. Волновые уравнения для электромагнитного поля как следствия из электродинамики Максвелла.......................................................
4.1 Вывод волновых уравнений........................................................
4.2 Волновой фронт...........................................................................
4.3 Волновая поверхность.................................................................
4.4 Плоская электромагнитная волна................................................
4.5 Решение волнового уравнения для плоской электромагнитной волны и его анализ......................................................................................
4.6 Фаза электромагнитной волны. Временная и пространственная характеристики фазы....................................................................
4.7 Фазовая скорость..........................................................................
4.8 Волновой вектор...........................................................................
4.9 Монохроматическая электромагнитная волна............................
Контрольные вопросы к главе 4..................................................
Глава 5. Интерференция когерентных электромагнитных волн.....
5.1 Взаимосвязь абсолютного показателя преломления диэлектрика с фазовой скоростью электромагнитной волны в нём и относительной диэлектрической проницаемостью....................................................
5.2 Оптическая и геометрическая длина пути электромагнитной волны в веществе........................................................................................
5.3 Когерентные электромагнитные волны.......................................
5.4 Линейно-поляризованная электромагнитная волна...................
5.5 Интерференция когерентных монохроматических электромагнитных волн, распространяющихся в однородной изотропной среде...
Контрольные вопросы к главе 5..................................................
Глава 6. Отличие реального оптического излучения от идеальной монохроматической волны..........................................................
6.1 Механизм излучения фотонов и образования волновых пакетов электромагнитных волн...............................................................
6.2 Групповая скорость волнового пакета........................................
6.3 Взаимосвязь фазовой скорости с групповой..............................
Контрольные вопросы к главе 6..................................................
Глава 7. Когерентность оптического излучения..............................
7.1 Временнَàя когерентность..........................................................
7.2 Пространственная когерентность................................................
7.3 Объём когерентности....................................................................
Контрольные вопросы к главе 7..................................................
Глава 8. Двулучевая интерференция и многолучевая интерференция
8.1 Двулучевая интерференция. Интерферометр Майкельсона.......
8.2 Многолучевая интерференция. Интерферометр Фабри-Пеpo...
8.3 Интерференционный светофильтр...............................................
Контрольные вопросы к главе 8..................................................
Глава 9. Электронная теория дисперсии..........................................
9.1 Взаимодействие валентного электрона диэлектрика с воздействующей на него электромагнитной волной....................................................
9.2 Дифференциальное уравнение движения для валентного электрона
9.3 Анализ решения дифференциального уравнения.......................
9.4 Анализ зависимости 
............................................................
Контрольные вопросы к главе 9..................................................
Глава 10. Дифракция света.................................................................
10.1 Суть явлений дифракции..............................................................
10.2 Принцип Гюйгенса-Френеля........................................................
10.3 Метод зон Френеля.......................................................................
10.4 Дифракция Френеля и дифракция Фраунгофера. Критерий их различимости или отсутствия......................................................
10.5 Дифракция Фраунгофера на одной щели...................................
10.6 Распределения интенсивности света в дифракционном спектре от одной щели..........................................................................................
10.7 Дифракционная решётка проходящего света.............................
10.8 Условие главных максимумов при наклонном падении света на дифракционную решётку.............................................................
10.9 Отражательная дифракционная решётка (эшелетт)....................
10.10 Дифракционная решётка как спектральный прибор..................
Контрольные вопросы к главе 10......................................
Глава 11. Поляризация оптического излучения................................
11.1 Фотон - электронное взаимодействие в диэлектриках................
11.2 Естественный или неполяризованный свет..................................
11.3 Поляризация как физическое явление.........................................
11.4 Двойное лучепреломление в анизотропной среде......................
11.5 Получение циркулярно-поляризованного света с помощью одноосных кристаллов....................................................................................
11.6 Получение циркулярно-поляризованного света в изотропных средах методами искусственной анизотропии (Эффект Керра).............
11.7 Оптически активные вещества......................................................
11.8 Эффект Фарадея в веществах с искусственной оптической активностью..........................................................................................
11.9 Закон Малюса...............................................................................
Контрольные вопросы к главе 11................................................
Глава 12. Зависимость коэффициента отражения от угла ввода излучения в диэлектрик....................................................................................
12.1 Случай нормального падения волны на границу раздела среда – диэлектрик....................................................................................
12.2 Зависимость коэффициента отражения волны от угла падения, при линейной поляризации вектора 
в плоскости, ортогональной плоскости падения........................................................................
12.3 Зависимость коэффициента отражения волны от угла падения при линейной поляризации вектора в плоскости падения...........
12.4 Закон Брюстера и следствия из него............................................
Контрольные вопросы к главе 12................................................
Глава 13. Волновая и лучевая природа законов отражения и преломления света..........................................................................................
13.1 Законы отражения и преломления света как следствия суперпозиции электромагнитных волн на границе раздела двух диэлектриков
13.2 Законы отражения и преломления света как следствия из принципа Ферма............................................................................................
Контрольные вопросы к главе 13................................................
Глава 14. Основы лучевой и волновой оптики диэлектрических волноводов..........................................................................................
14.1 Полное внутреннее отражение.....................................................
14.2 Планарный диэлектрический волновод......................................
14.3 Цилиндрический диэлектрический волновод..............................
Контрольные вопросы к главе 14................................................
Глава 15. Уширение импульсных сигналов в процессе их распространения по стекловолокну.....................................................................
Введение........................................................................................
15.1 Распределение Гаусса как наиболее типичная форма амплитудно-модулированного оптического сигнала......................................
15.2 Внутримодовая волноводная хроматическая "дисперсия" (ВВХД)
15.3 Внутримодовая материальная хроматическая дисперсия (ВМХД)
15.4 Хроматическая "дисперсия" (ХД)................................................
15.5 Межмодовая (многолучевая) "дисперсия" М(м)Д в стекловолокнах со ступенчатым распределением профиля показателя преломления
15.6 Градиентное распределения профиля показателя преломления в стекловолокне как один из способов уменьшения межмодовой "дисперсии"...................................................................................
15.7 Соотношение между длительностью гауссового импульса на входе в стекловолокно и его длительностью на выходе
Контрольные вопросы к главе 15................................................
Глава 16. Физическая природа ослабления сигналов в процессе их распространения по стекловолокнам
Введение........................................................................................
16.1 Поглощение света в стекловолокне.............................................
16.2 Потери, связанные с рэлеевским рассеянием света и тепловыми флуктуациями абсолютного показателя преломления стекловолокна..........................................................................................
16.3 Совместное влияние поглощения, рэлеевского рассеяния и примесей на затухание сигнала в стекловолокнах...........................................
16.4 Комбинационное рассеяние света (эффект Рамана-Кришнана-Ландсберга-Мандельштама)........................................................
16.5 Рассеяние света на макроскопических дефектах.........................
16.6 Потери, связанные с изгибом стекловолокон..............................
16.7 Потери за счёт полного внутреннего отражения........................
16.8 Термо-механические потери........................................................
16.9 Закон Бугера-Ламберта, коэффициент поглощения, коэффициент пропускания и оптическая плотность..........................................
Контрольные вопросы к главе 16................................................
Глава 17. Основы фотометрии............................................................
17.1 Энергетические и фотометрические характеристики оптического излучения......................................................................................
17.2 Функция видности и её зависимость от длины электромагнитной волны..........................................................................................
17.3 Телесный угол, световой поток и механический эквивалент света..........................................................................................
17.4 Сила света.....................................................................................
17.5 Освещённость поверхности.........................................................
17.6 Закон освещённости......................................................................
17.7 Светимость излучающей поверхности конечных размеров.......
17.8 Яркость светящейся поверхности................................................
17.9 Справочные данные по основным фотометрическим понятиям
Контрольные вопросы к главе 17................................................
Глава 1. СТРУКТУРА ТВЁРДЫХ ТЕЛ, ТИПЫСВЯЗЕЙ МЕЖДУ ИОНАМИ, ДЕФЕКТЫВ КРИСТАЛЛАХ
11.1. ПОНЯТИЕ ОБ ИДЕАЛЬНОМ МОНОКРИСТАЛЛЕ, ЭЛЕМЕНТАРНОЙ ЯЧЕЙКЕ, КРИСТАЛЛОГРАФИЧЕСКИХ СИСТЕМАХ, КЛАССАХ И ГРУППАХ [1, 2]
Под "идеальным" монокристаллом понимают безграничную структуру, в которой составляющие ее частицы (ионы) расположены на повторяющихся расстояниях в любом, условно выбранном, направлении.
Цепочка ионов, расположенных на расстоянии а друг от друга вдоль одной прямой AD (рисунок 1.1) называется ионным рядом. Величине а, показанная на рисунке 1.1, носит название ПЕРИОДА кристаллической структуры.
|
Рисунок 1.1
Переместим ионный ряд АD (рисунок 1.1) на несколько периодов b параллельно самому себе таким образом, чтобы 
был равен 
. Полученная структура (рисунок 1.2) носит название ионной плоскости.
|
Рисунок 1.2
Расположим линию AF под углом α к AD и под углом γ к АО, рисунок 1.3. Переместим ионную плоскость на несколько периодов С, таким образом, чтобы ион, находящийся ранее в точке А двигался вдоль AF, а вся ионная плоскость перемещалась бы параллельно самой себе. В результате, получим пространственную структуру, которую мы определили ранее как "идеальный" монокристалл.
Геометрическое место точек, в которых находятся ионы, называется УЗЛАМИ кристаллической структуры (рисунок 1.3).
Области пространства, расположенные между ионами структуры называются МЕЖДОУЗЛИЯМИ (рисунок 1.3).
Выберем в "построенной" монокристаллической структуре минимальный объем 
, который полностью отражает геометрию структуры и ее наполнение ионами. Очевидно, что выбранная таким образом часть структуры, в простейшем общем случае, будет иметь форму косого параллелепипеда со сторонами а, b, с и углами α, β, γ, в котором находится один ион (рисунок 1.4).
|
Рисунок 1.3
Минимальная часть монокристалла, полностью отражающая его геометрические характеристики и заполнение ионами, называется ЭЛЕМЕНТАРНОЙ ЯЧЕЙКОЙ.
С этой точки зрения, выполненное выше "построение" монокристаллической структуры можно представить себе как ТРАНСЛЯЦИЮ (перемещение) элементарной ячейки на фиксированные расстояния (а, b, с) вдоль направлений 
- соответственно. При этом, за каждый акт трансляции, ион, находящийся исходно в точке (А) оставляет как бы "отпечаток" на линиях 
в виде такого же иона. В результате получается пространственная структура соответствующая рисунку 1.3.
По форме элементарных ячеек (т.е. по соотношению между (а, b, с) и (α, β, γ)) все монокристаллы в природе делятся на 7 кристаллографических СИСТЕМ:
|
Рисунок 1.4
1.Триклинная: 
; 
,
2.Μο ноклинная: ; 
,
3.Ромбоэдрическая: 
; 
,
4.Тетрагональная: ; 
,
5.Гексагональная: ; 
,
6.Ромбическая: ; ,
7.К у бическая: 
; .
По плотности упаковки ионами системы делятся на классы. Например, кубическая система имеет 3 класса: простая кубическая (рис. 1.5), кубическая объемно-центрированная (рис. 1.6), кубическая гранецентрированная (рис. 1.7). Общее число классов во всех 7 системах равно 32.
По типу симметрии классы делятся на группы. Все многообразие кристаллографических групп, существующих в природе, насчитывает 230 различных модификаций. Кристаллографические группы носят название ФЕДОРОВСКИХ по имени их первооткрывателя Фёдорова Евграфа Степановича (I853-I9I9) - великого русского кристаллографа.
 |
1.2. ТИПЫСВЯЗЕЙ МЕВДУ ИОНАМИ В ТВЁРДЫХ ТЕЛАХ [3]
Известны следующие типы связей в твердых телах: металлическая, ковалентная, ионная, водородная и другие. В большинстве диэлектриков связь, как правило, комбинированная - ионно-ковалентная. Этот тип связи типичен для большинства полупроводников и материалов, используемых для создания ВОЛС.