Программа вступительного испытания по программам подготовки

Утверждаю
Проректор по НиИД
				В.А. Середович
«		»			2014 г.

научно-педагогических кадров в аспирантуре

Новосибирск

2014

Составители программы:
зав. кафедрой специальных устройств и технологий, доктор технических наук		В.С. Айрапетян
профессор-консультант кафедры физики, доктор технических наук, профессор		В.В. Чесноков
профессор кафедры наносистем и оптотехники, кандидат технических наук, профессор		В.М. Тымкул

Программа обсуждена на заседании кафедры наносистем и оптотехники. Протокол № 6 от «21» февраля 2014 г.

Программа одобрена на заседании Ученого совета Института оптики и оптических технологий (ИОиОТ). Протокол № 2 от «11» марта 2014 г.

Раздел 1. Введение

Основные термины и определения в измерительной технике (ГОСТ 16263-70): измерение, физическая величина (параметр сигнала), единицы физической величины, основные и производные единицы физических величин, значение физической величины, истинное и действительное значение физической величины, результат измерения, точность результата измерения и погрешность измерения.

Материальность света, зависимость свойств излучения от его количественных характеристик, единства противоречивых свойств света. Уравнения Максвелла. Вектор Умова – Пойнтинга. Волновое уравнение. Плоские и сферические волны. Фазовая и групповая скорости света.

Понятие о когерентности. Интерференция колебаний и волн. Основные параметры интерференционных схем. Пространственная и временная когерентность. Полная и частичная когерентность. Роль поляризации при интерференции поперечных волн. Оптическая длина пути. Интерференция частично когерентного излучения. Комплексная степень когерентности.

Стоячие световые волны. Цвета тонких пластинок. Кольца Ньютона. Интерференция в плоскопараллельных пластинках. Двухлучевая и многолучевая интерференция. Сдвиговая и спекл-интерферометрия. Многослойные покрытия. Интерференционные приборы и применение интерференции.

Дифракция. Принцип Гюйгенса – Френеля. Зоны Френеля. Зонная пластинка как линза. Дифракционные интегралы Кирхгофа-Гюйгенса. Дифракция Френеля и Фраунгофера. Дифракция на щели, прямоугольном и круглом отверстиях. Влияние дифракции на разрешающую силу систем, образующих изображение. Амплитудные и фазовые дифракционные решётки. Дифракция на многомерных структурах и ультразвуковых волнах. Дифракция рентгеновских лучей в кристаллах. Рентгеноструктурный анализ.

Параболическая теория дифракции, гауссовский пучок. ABCD-метод; комплексный параметр кривизны. Особенности дифракции некогерентного излучения. Основы векторной теории дифракции.

Голография. Голографирование плоской и сферической волны. Голограммы Френеля трёхмерных объектов. Голограмма как элемент идеальной оптической системы. Голограммы Фурье. Разрешающая способность голографических систем. Качество голографических изображений. Объёмные голограммы (метод Денисюка). Цветные голографические изображения. Применение голографии.

Обратные задачи теории дифракции. Синтез оптических элементов. Киноформная оптика.

Поляризация света. Естественный и поляризованный свет. Поляризация при отражении и преломлении света на границе двух диэлектриков. Закон Малюса. Двойное лучепреломление и поляризация света в некоторых кристаллах. Эллиптическая и круговая поляризация света. Вектор Джонса. Параметры Стокса. Сфера Пуанкаре. Расчётные методы Джонса и Мюллера. Типы поляризационных устройств.

Оптика анизотропных, движущихся и нестационарных сред, металлооптика

Распространение света в анизотропных средах. Волновые поверхности в кристаллах. Лучи и волновые нормали. Эллипсоид Френеля. Оптические свойства одноосных и двуосных кристаллов. Двойное лучепреломление. Электрооптические эффекты Керра и Поккельса. Оптическая активность. Эффект Фарадея.

Оптика движущихся сред. Опыты Физо и Майкельсона. Преобразования Лоренца. Эффект Доплера.

Основы металлооптики. Характеристика оптических свойств металлов и определение их оптических постоянных. Элементы теории взаимодействия излучения с металлическими тонкими плёнками

Спектральное описание пространственной структуры светового поля. Линза как элемент, выполняющий пространственное преобразование Фурье. Формирование оптического изображения. Теория Аббе. Метод тёмного поля. Метод фазового контраста. Разрешающая способность микроскопа и телескопа. Фурье-спектроскопия. Спектроскопия светового смешения.

Пространственное, временное, пространственно-частотное и частотно-временное представление сигналов с помощью рядов и интегралов Фурье. Многомерные оптические сигналы, теорема Котельникова. Вероятностное описание случайных оптических фонов. Их корреляционные функции и пространственные спектры. Модели оптических фонов. Методы анализа линейных систем.

Пространственно-частотный анализ оптических систем. Преобразование сигналов линейными и нелинейными оптическими элементами.

Пространственно-передаточная функция анализатора изображения.

Модель приемника излучения. Пространственная передаточная функция и частотная характеристика приемника излучения. Спектр сигналов на выходе приемника излучения.

Методика расчёта отношения сигнал/шум на выходе оптико-электронного прибора.

Оптическая фильтрация в оптико-электронных системах. Спектральная, пространственная и поляризационная фильтрация в оптико-электронных системах.

Методы выделения сигналов в оптико-электронных приборах. Оптимальная пространственная фильтрация при когерентном и некогерентном освещениях. Сигнал и помеха на выходе оптимального фильтра. Вероятность обнаружения оптического сигнала на фоне помех. Синтез оптимальных фильтров.

Математические операции, осуществляемые с помощью оптических систем. Оптические анализаторы спектра. Оптические корреляторы.

Оптика световодов

Волоконная оптика. Типы волоконных световодов. Моды оптических волокон. Затухание и дисперсия мод. Волоконные линии связи. Нелинейные эффекты в оптических волокнах.

Основные законы геометрической оптики. Связь геометрической оптики с волновой. Понятие гомоцентрического и астигматического пучков лучей. Понятия оптической системы, предмета и изображения. Правило знаков в геометрической оптике.

Модель идеальной оптической системы. Понятие линейного увеличения. Кардинальные точки, главные и фокальные плоскости, фокусные расстояния. Построение изображений идеальной оптической системой. Основные формулы для сопряжённых точек. Формулы Ньютона и Гаусса. Инвариант Лагранжа-Гельмгольца. Линейное, угловое, продольное, видимое увеличения. Узловые точки. Расчёт хода луча через идеальную систему. Формулы произвольных тангенсов.

Оптическая система из двух компонентов. Частные случаи системы из двух компонентов: телескопическая, микроскоп, два вплотную расположенных компонента, телеобъектив. Оптическая система из трёх и более компонентов. Изображение наклонных предметов.

Действительные лучи. Условие образования идеального изображения преломляющей поверхностью. Овалы Декарта. Закон косинусов. Условие Гершеля. Закон синусов Аббе. Уравнение действительного луча для преломляющей сферической поверхности. Инвариант Аббе для действительных лучей. Понятие сферической аберрации. Апланатические точки. Преломление лучей плоскими поверхностями. Плоскопараллельная пластинка. Отражение действительных лучей от сферической поверхности.

Параксиальные лучи. Инвариант Аббе для сферической поверхности. Расчёт параксиальных лучей через оптическую систему. Линзы конечной толщины. Бесконечно тонкие линзы. Переход от бесконечно тонких линз к линзам конечной толщины.

Теория аберраций оптических систем. Хроматические аберрации. Монохроматические аберрации. Гауссова теория изображения и эйконелы. Аберрации III порядка. Сферическая аберрация; кома. Условие синусов и изопланатизма; астигматизм и кривизна поля; дисторсия. Аберрация высших порядков. Преобразование сумм Зейделя. Выражение сумм Зейделя для оптической системы, состоящей из тонких компонентов. Применение асферических поверхностей в оптических системах.

Апертурная диафрагма, входной и выходной зрачки. Полевая и виньетирующая диафрагма в оптических системах.

Оценка качества изображения, даваемого оптической системой. Геометрические и волновые аберрации. Оценка состояния коррекции оптической системы в линейной и угловой диоптрийной мере. Вычисление оптической передаточной функции (ОПФ).

Новые принципы построения оптических систем и инструментов

Геометрическая и волновая концепции формирования изображения в оптических системах. Изображение как свёртка яркости предмета и ОПФ оптической системы. Преобразование Фурье в теории изображений.

Отражение и преломление света на границе раздела изотропных сред. Формулы Френеля. Полное внутреннее отражение. Комплексная диэлектрическая проницаемость. Просветление. Отражение света от поверхности проводника.

Основные понятия. Энергетические сила излучения, яркость, светимость, освещённость. Фотометрические величины: световой поток, яркость, светимость, освещённость. Световая экспозиция. Переход от энергетических величин к световым.

Основы теории дисперсии света. Поглощение света. Ширина спектральных линий поглощения и затухание излучения.

Прохождение света через оптически неоднородную среду. Модель элементарного рассеивателя. Закон Рэлея. Молекулярное рассеяние света и его поглощательные спектры. Рассеяние Ми. Рассеяние Мандельштама – Бриллюэна. Комбинационное рассеяние.

Вращение плоскости поляризации в кристаллах и аморфных веществах. Сахариметрия. Жидкие кристаллы.

Магнитное вращение плоскости поляризации. Явление Зеемана: сущность, элементарная теория, аномальный и обратный эффекты, связь с эффектом Фарадея. Явление Штарка.

Принцип работы лазера. Схемы накачки. Теория Лэмба. Эффекты затягивания частоты и выгорания дыр. Лэмбовский провал. Оптические резонаторы. Моды оптических резонаторов. Свойства лазерных пучков.

Типы лазеров. Твердотельные лазеры. Газовые лазеры: лазеры на нейтральных атомах, ионные лазеры, молекулярные лазеры, лазеры на самоограниченных переходах. Химические лазеры. Полупроводниковые лазеры. Лазеры на центрах окраски.

Режимы работы лазеров. Непрерывный и импульсный режимы. Пичковый режим. Модуляция добротности. Синхронизация мод. Генерация сверхкоротких импульсов.

Принципы адаптивной оптики; коррекция волнового фронта лазерных пучков.

Статистика фотонов

Временная и пространственная когерентность световых полей; корреляционные функции первого и высших порядков. Спектральное представление. Теорема Винера-Хинчина.

Квантовые свойства световых полей. Фоковское, когерентное и сжатое состояние поля.

Распределение Бозе-Эйнштейна. Параметр вырождения поля. Пуассоновская, субпуассоновская и суперпуассоновская статистика фотонов. Дробовой шум.

Статистические свойства лазерного излучения.

Закон Кирхгофа и шумы квантовых усилителей света. Флуктуационно-диссипационная теорема.

Статистика частично поляризованного излучения. Поляризационная матрица.

Интерферометрия интенсивностей. Опыт Брауна-Твисса.

Запись и обработка оптической информации. Механизм записи и воспроизведения волновых полей с помощью двумерных и трёхмерных голограмм. Цифровые голограммы. Переходные и передаточные функции оптических систем обработки информации. Изопланарность.

Использование методов Фурье-оптики для оптической фильтрации и распознавания образов. Коррекция и реконструкция изображений. Методы компьютерной оптики.
Раздел 6. Люминесценция

Излучение и поглощение света изолированными и взаимодействующими атомами и молекулами

Спектры атомов. Типы связей электронов. Определение набора термов. Исходные термы. Мультиплетная структура. Правила отбора.

Спектры молекул. Адиабатическое приближение. Группы симметрии молекул. Колебательные спектры. Классификация нормальных колебаний по типам симметрии. Вырождение. Резонанс Ферми. Правила отбора в колебательных спектрах поглощения и комбинационного рассеяния.

Спектроскопия твёрдого тела. Переходы под действием света в идеальном кристалле. Поглощение в инфракрасной области спектра и взаимодействие света с фононной подсистемой. Переходы в электронной подсистеме.

Люминесценция. Классификация люминесценции по длительности свечения и способу её возбуждения. Молекулярная и рекомбинационная люминесценция. Закон Стокса-Ломмеля. Правило зеркальной симметрии спектров поглощения и люминесценции Левшина и универсальное соотношение между ними Степанова. Закон Вавилова.

Источники света

Законы теплового излучения. Закон Кирхгофа и понятие абсолютно чёрного тела. Излучение нечёрных тел. Формула Рэлея – Джинса. Закон Стефана – Больцмана. Закон смещения Вина. Формула излучения Планка. Оптическая пирометрия.

Источники оптического излучения. Тепловые, газоразрядные и лазерные источники. Синхротронное излучение. Оптические материалы.

Физические основы методов и техники спектроскопии

Техника спектроскопии. Светофильтры, призменные и дифракционные спектральные приборы, интерферометры. Фурье-спектроскопия. Основные характеристики приборов: аппаратная функция, разрешение, светосила, дисперсия.

Основные положения спектроскопии. Основные квантовые законы. Уровни энергии и переходы между ними. Спектры поглощения, испускания и рассеяния.

Вероятности переходов и правила отбора. Вероятности спонтанных и вынужденных переходов. Время жизни возбужденных состояний. Дипольное излучение. Силы осцилляторов.

Естественная ширина линии. Доплеровская ширина. Столкновительное уширение спектральных линий. Однородное и неоднородное уширение линий.

Основные характеристики спектральных приборов. Призменный спектрометр. спектрометр с дифракционной решеткой. Основные понятия интерферометров.

Методы измерения длины электромагнитной волны.

Эффект Комптона как свидетельство квантования света. Давление света. Момент импульса световой волны. Оптическое охлаждение.

Классическая теория взаимодействия излучения с веществом. Резонансное приближение. Дисперсионные соотношения Крамерса – Кронига. Оптический эффект Штарка.

Тепловое действие света. Оптический нагрев поглощающей среды. Быстрый нагрев поверхности металла лазерным импульсом. Лазерный отжиг полупроводников. Светореактивное давление. Лазерное сверхсжатие вещества.

Оптическая левитация. Световое давление в лазерных пучках. Оптическая левитация малых прозрачных частиц. Оптическая ловушка. Давление света в процессах отражения и преломления.

Однофотонные и многофотонные процессы. Вероятности спонтанных и вынужденных переходов. Коэффициенты Эйнштейна. Кооперативные эффекты. Сверхизлучение. Когерентное и комбинационное рассеяния.

Фотоэлектрические явления

Законы фотоэффекта. Уравнение Эйнштейна. Внутренний фотоэффект. Фотоэлементы и их применение.

Основные законы фотохимии. Сенсибилизированные фотохимические реакции. Основы фотографии. Восприятие света глазом.

Характеристики приёмников излучения: спектральная и интегральная чувствительность, шумы, инерционность. Приборы с зарядовой связью (ПЗС) - линейки, матрицы.

Фотонное эхо и самоиндуцированная прозрачность. Солитоны. Релаксационные процессы. Уравнение для матрицы плотности. Самосогласованные уравнения для поля, поляризации и разности заселённостей. Эффект насыщения.

Распространение волн в нелинейной среде. Основы теории нелинейной дисперсии. Условие синхронизма. Генерация оптических гармоник. Трёхголовое взаимодействие. Параметрическое преобразование частоты. Самофокусировка света. Вынужденное и комбинационное рассеяние. Вынужденное рассеяние Мандельштама-Бриллюэна.

Генерация фемтосекундных световых импульсов. Твердотельные фемтосекундные лазеры. Фемтосекундные лазерные импульсы в спектроскопии. Управление амплитудой и фазой молекулярных колебаний с помощью фемтосекундных лазерных импульсов.

1. 
   Сивухин Д.В. Общий курс физики. — Издание 3-е, стереотипное. — М.: Физматлит, МФТИ, 2002. — Т. IV. Оптика. — 792 с.
   
2. 
   Ландау, Л. Д., Лифшиц, Е. М. Теория поля. — Издание 8-е, стереотипное. — М.: Физматлит, 2006. — 534 с. — («Теоретическая физика», том II).
   
3. 
   Ландау, Л. Д., Лифшиц, Е. М. Электродинамика сплошных сред. — Издание 4-е, стереотипное. — М.: Физматлит, 2003. — 656 с. — («Теоретическая физика», том VIII).
   
4. 
   Дубовик А.С., Апенко М.И., Дурейко Г.В. и др. Прикладная оптика. - М.: Недра, 1982.
   
5. 
   Борн М., Вольф Э. Основы оптики. – М.: Наука, 1970.
   
6. 
   Ландсберг Г.С. Оптика. – М: Наука, 1978.
   
7. 
   Калитеевский Н.И. Волновая оптика. – М.: Наука, 1971.
   
8. 
   Вычислительная оптика: Справочник / М.М. Русинов, А.П. Грамматин и др. – Л.: Машиностроение, 1984.
   
9. 
   Гуревич М.М. Фотометрия. – Л.: Энергоатомиздат, 1983.
   
10. 
    Елизаренко А.С., Соломатин Б.А., Якушенков Ю. Г. Оптико-электронные системы в исследовании природных ресурсов. – М.: Недра, 1984.
    
11. 
    Заказнов Н.П., Кирюшин С.И., Кузичев В.И. Теория оптических систем. – М.: Машиностроение, 1992.
    
12. 
    Креопалова Г.В., Пуряев Д.Т. Исследование и контроль оптических систем. – М.: Машиностроение, 1987.
    
13. 
    Климков Ю.М. Основы расчета оптико-электронных приборов с лазерами. – М.: Сов. Радио, 1978.
    
14. 
    Кривовяз Л.М., Пуряев Д.Т., Знаменская М.А. Практика оптической измерительной лаборатории. – М.: Машиностроение, 1974.
    
15. 
    Криксунов Л.З. Справочник по основам инфракрасной техники. – М.: Сов. Радио, 1987.
    
16. 
    Лазарев Л. П. Оптико-электронные приборы наведения летательных аппаратов. – М.: Машиностроение, 1984.
    
17. 
    Мирошников М.М. Теоретические основы оптико-электронных приборов. – М.: Машиностроение, 1983.
    
18. 
    Нагибина И.М. Интерференция и дифракция света. – Л.: Машиностроение, 1974.
    
19. 
    Проектирование оптических систем / Под ред. Р. Шенона. Дж. Вайанто. – М.: Мир, 1983
    
20. 
    Проектирование спектральной аппаратуры / Под ред. К.И. Тарасова. - Л.: Машиностроение, 1980.
    
21. 
    Русинов М.М. Техническая оптика. – Л.: Машиностроение, 1979.
    
22. 
    Якушенков Ю.Г. Теория и расчет оптико-электронных приборов. – М.: Логос, 2004. – 480 с.
    
23. 
    Тарасов В.В., Якушенков Ю.Г. ИК системы «смотрящего» типа. М.: Логос, 2004. – 444 с.
    
24. 
    Джерард А., Берч Дж. М. Введение в матричную оптику. М.: Мир, 1978.
    
25. 
    И.Н. Карманов, Н.А. Мещеряков, О.К. Ушаков. Оптические квантовые генераторы. Физика процессов формирования и преобразования излучения. - Новосибирск, СГГА, 2011. - 167 с.
    
26. 
    Тымкул В.М., Тымкул Л.В. Оптико-электронные приборы и системы. Теория и методы энергетического расчета. Новосибирск, СГГА, 2005. – 215 с.
    
27. 
    Зайдель А. Н., Островская Г. В., Островский Ю. И. Техника и практика спектроскопии. М.: Наука. Гл. ред. физ.-мат. лит. 1976. – 392 с.
    
28. 
    Звелто О. Принципы лазеров / Пер. под науч. Ред. Т. А. Шмаонова. –СПб.: Изд-во «Лань»,2008. – 720 с.