Физическая оптика «ФОТОНИКА». Лекция 1: Введение

1. Физическая оптика «ФОТОНИКА»

А.В. Шамрай, д.ф.- м.н.
Курс лекций
2014 г.

2.

• Преподаватель
– Шамрай Александр Валерьевич
д.ф.-м.н., ФТИ им. А.Ф. Иоффе РАН
• Книги
–
–
–
–
–
Борн М. Вольф Э. Основы оптики.
Ахманов С.А., Никитин С.Ю. Физическая оптика: Учебник (МГУ)
Агравал Г. Нелинейная волоконная оптика. 1996.
Ярив А., Юх П. Оптические волны в кристаллах.
Ландсберг, Г. С. Оптика : учеб. пособие для вузов / Г. С. Ландсберг .—
Изд. 5-е, перераб., доп. — М. : Наука, 1976 — 926 с.
– Фриман, Роджер. Волоконно-оптические систе-мы связи / Р. Фриман ;
пер. с англ. под ред. Н. Н. Слепова .— 3-е изд., доп .— М. :
Техносфера, 2006 .— 495 с
• Интернет ресурсы
– http://optdesign.narod.ru/book.htm
– http://www.ph4s.ru/book_ph_opt_volok.html
– http://x311.siteedit.ru/books

3. Содержание курса лекций

• Базовые фундаментальные понятия классической
и квантовой оптики.
• Основные практические применения.
• Новые направления и тенденции развития оптики
(фотоника).

4. Требования для экзамена

• Активность в решение и защите домашних
заданий (экзамен автоматом)
• Устный экзамен: теоретический вопрос + решение
задачи

5. Лекция 1: Введение

6. Развитие оптики

Древняя греция (Пифагор, Платон, Аристотель)
– Прямолинейное распространение лучей, закон отражения
– Законы преломления не удалось объяснить
Архимед сжигает вражеский флот
Оптические приборы (Г. Галилей)
Природа света
–
–
–
–
–
Корпускулярная (Ньютон)
Волновая (Юнг, Френель)
Электромагнитная (Максвелл)
Взаимодействие света с веществом
Квантовая теория света
Оптика в информационных технологиях
– Связь
– Память
– Датчики
Телескоп Г. Галилея

7. Что такое фотоника?

• Термин возник в области информационных
технологий по аналогии с электроникой.
– Электроника - генерация и управления электронами.
– Фотоника - генерация и управление фотонами
Оптика
ФОТОНИКА
- Электрооптика
- Оптоэлектроника
- Квантовая электроника
- Оптические телеком.
- Оптические датчики
- Оптические технологии
Электроника

8. «Фотоника» - производная слова фотон

Условия когда
проявляются
квантовые свойства
Eph = hn = hc/l > kT
при ком. темп. 300 K
n = 6 THz
Квантовая оптика
Электромагнитная
оптика
Скалярная
волновая оптика
Лучевая оптика

9. Электромагнитная шкала

10. Закон Мура

Electronics magazine, 19 апреля 1965

11. Рост температуры процессора с ростом частоты

Вт/см2
10000
1000
100
10
4040
8086
Pentium
8080
386
286
486
1
1970
1980
1990
2000
2010

12. Электронные интегральные схемы или оптические

13. Ключевые компоненты и технологии

• Изобретение когерентных источников света (LASER).

14. Ключевые компоненты и технологии

• Создание оптических волноводов с низкими потерями
(оптическое волокно).

15. Области применения

• Информационные технологии
– Увеличение скорости управления светом
– Уменьшение размеров устройств
– Управление света светом
• Новые применения
– Медицина
– Спектроскопия с высоким временным и
пространственным разрешением
– Уникальное научное оборудование
– Обработка материалов
– Энергетика
• Новые оптические материалы

16. Области применения

• Кремниевые интегральные схемы
– симбиоз фотоники и электроники
– уменьшение радиуса поворота
волноводов

17. Области применения

• Биомедицинские применения
– Новая быстро развивающаяся область

18. Области применения

• Уникальное научное оборудование
– Lawrence Livermore Laboratory построен лазер с пиковой
мощностью более 1015 Вт

19. Области применения

• Обработка материалов

20. Области применения

• Энергетика

21. Области применения

• Новые материалы
– Органическая (полимерная) фотоника
– Фотонные кристаллы и метаматериалы

22. Новая физика

Нано
Быстрее скорости света
Новые необычные свойства

23. Лекция 1: Лучевая оптика

24. «Фотоника» - производная слова фотон

Условия когда
проявляются
квантовые свойства
Eph = hn = hc/l > kT
при ком. темп. 300 K
n = 6 THz
Квантовая оптика
Электромагнитная
оптика
Скалярная
волновая оптика
Лучевая оптика

25. Лучевая оптика (геометрическая оптика)

• Оперирует с понятием лучей, независимых друг от
друга и подчиняющихся определенным законам
распространения.
• Луч –абстрактное понятие , а геометрическая
оптика предельный случай l 0 (длина волны
гораздо меньше размеров объектов)
– В изотропных средах (стекло, воздух) лучи эквивалентны
направлению распространения света
• Применяется для расчета оптических систем
формирования изображений (объективы,
микроскопы, телескопы и т.п.

26. Постулаты геометрической оптики

• Свет распространяется в виде независимых лучей
• Показатель преломления определяет скорость
распространения света
V= c/n
• Принцип Ферма (1660)
Пьер Ферма
Свет распространяется по пути, для прохождения которого
требуется минимальное время
B
B
L n(r )dS
A
A
Принцип минимальной оптической длины
dS
B
n(r )dS 0
A

27. Лучи

n= const
Лучи
B
• Однородная среда [n( r )= const]
– Луч прямая
A
• Неоднородная среда
– В неоднородной среде луч изгибается в сторону увеличения
показателя преломления
d
dr
n(r grad n(r
dS
dS
n= f(r)
B
A

28. Законы геометрической оптики

Закон преломления (Закон Снелла XVII век)
N
A
t
h1
n1
O
A’
O’x
n2
h12 x 2
h22 ( p x
t
min
V1
V2
2
B’
h2
p
AO OB
V1
V2
B
Sin 1 n2
Sin 2 n1
Закон отражение (вывести самостоятельно)
Экстремум означает не только минимум
– Пример: отражение от эллиптической поверхности
Виллерброрд Снелл

29. Построение изображений

Точка в точку - точечные изображения
(стигматическое, волновая поверхность сфера)
Точка – источник расходящихся лучей
Параболическое зеркало
– F –фокус
Фокус положительный
Сферическое зеркало
– Для параксиальных лучей (малый угол к
оптической оси
tan
f
R
2
R – отрицательный для вогнутой поверхности и
Положительный для выпуклой

30. Построение изображений

Сферическое зеркало
1 1 1
z1 z2 f
M
y2
z Увеличение
2 Отрицательное для
y1
z1 перевернутого изображения

31. Построение изображений

Преломление на сферической
поверхности
(параксиальное приближение)
n1 n2 n2 n1
z1 z2
R
M
y2
n z
1 2
y1
n2 z1
Сопряженные плоскости
Сферическая линза
Тонкая линза - толщина мала
по сравнению с радиусом
кривизны
1 1
1
(n 1
f
R1 R2

32. Построение изображений

Тонкая линза
1 1 1
z1 z 2 f
M
y2
z
2
y1
z1
диоптрии m 1
1
f

33. Аберрации

Ошибки, или погрешности изображения, вызываемые отклонением луча от
направления в идеальной оптической системе.
Сферическая
Кома (греч. волосы)
Без нарушения симметрии
Для удаленных от оси точек
Астигматизм
Кривизна поля
Дисторсия
Хроматическая

34. Матричная оптика

r1; 1
r2; 2
r1 A B r2
1 C D 2
1 d
однородная среда
M
0
1
0
1
M 0 n1 граница раздела
n2
0
1
тонкая линза
M 1
1
f
Вывести формулу системы двух линз
f
f1 f 2
d ( f1 f 2