Εισαγωγή
- Κύματα
- Ιστορική εισαγωγή. Κύματα: αρμονικά κύματα, διαμήκη, εγκάρσια, μιγαδική περιγραφή, ταχύτητα φάσης, τύποι μετώπου κύματος.
MEMY-901
Foundations of Modern Optics
- Τύπος μαθήματος
- Επιλογής
- Εξάμηνο
- Πρώτο
- Μονάδες ECTS
- 7
Περιεχόμενο Μαθήματος
Βασικές Αρχές
- Ηλεκτρομαγνητισμός
- Εξισώσεις Maxwell: κυματική εξίσωση, ταχύτητα κυματικής διάδοσης, διάνυσμα Poynting, ένταση ακτινοβολίας. Φάσμα της ηλεκτρομαγνητικής ακτινοβολίας, δείκτης διάθλασης, διασπορά – απορρόφηση, κλασική θεωρία διασποράς.
- Ανίχνευση ακτινοβολίας
- Φωτοηλεκτρικό φαινόμενο, φωτοπολλαπλασιαστές, φωτοαντιστάσεις, φωτοδίοδοι, φωτοτρανζίστορ, ανιχνευτές CCD, φίλμ. Φωτομετρία – Ραδιομετρία.
- Πηγές ακτινοβολίας
- Ακτινοβολία μέλανος σώματος, λάμπες πυρακτώσεως, τόξου, φθορισμού, φασματικές λυχνίες, LED, Λέιζερ: βασικές αρχές λειτουργίας, άντληση – ενίσχυση φωτός, κοιλότητα λέιζερ, λέιζερ αερίου, λέιζερ στερεάς κατάστασης, διοδικά λέιζερ.
- Πόλωση
- Κατάσταση πόλωσης, βαθμός πόλωσης, μη-πολωμένο φως. Γραμμικά, ελλειπτικά, κυκλικά πολωμένο φως. Πίνακες και διανύσματα Jones, παράμετροι Stokes και πίνακες Mueller. Γραμμικοί πολωτές, πλακίδια καθυστέρησης φάσης. Διπλοθλαστικότητα: διπλοθλαστικοί κρύσταλλοι, διηλεκτρικός τανυστής, ελλειψοειδές των δεικτών διάθλασης, επιφάνεια μετώπου κύματος, ιδιοκαταστάσεις πόλωσης, οπτική ενεργότητα. Πόλωση μέσω σκέδασης, πόλωση από ανάκλαση, αποσβενυόμενα κύματα.
- Συμβολή
- Ταχύτητα ομάδας, συμφωνία, συνθήκες συμφωνίας, τύποι και εντοπισμός των κροσσών συμβολής. Συμβολή δύο κυμάτων, συμβολή πολλαπλών επίπεδων μετώπων κύματος. Συμβολόμετρα διαίρεσης μετώπου κύματος: πείραμα Young. Συμβολόμετρα διαίρεσης πλάτους: κροσσοί ίσης κλίσης (συμβολή από λεπτό φίλμ), κροσσοί ίσου πάχους, συμβολή μετά από πολλαπλές ανακλάσεις.
Απεικόνιση
- Γεωμετρική οπτική
- Οπτικές ακτίνες, η προσέγγιση της γεωμετρικής οπτικής. Διαδικασία της απεικόνισης, στιγματική απεικόνιση. Ανάκλαση, Διάθλαση (εξίσωση Snell), ολική ανάκλαση, ανακλαστικότητα (συντελεστές Fresnel). Αρχή του Fermat. Πρίσματα ανάκλασης. Πρίσματα διασποράς: ελάχιστη εκτροπή, μονοχρωμάτορες.
- Απλά οπτικά συστήματα
- Ανάκλαση από επίπεδο κάτοπτρο, αντανακλαστήρες. Διάθλαση από επίπεδη επιφάνεια, διάδοση από διαφανές πλακίδιο. Σφαιρικά δίοπτρα, Σφαιρικοί φακοί, Σφαιρικά κάτοπτρα. Παραξονική προσέγγιση. Απεικόνιση με λεπτούς φακούς και κάτοπτρα, χρήση των χαρακτηριστικών σημείων, παραδείγματα, τρισδιάστατα αντικείμενα, μεγέθυνση.
- Μέθοδος πινάκων
- Διάνυσμα ακτίνας. Πίνακες μετατόπισης ακτίνας, διάθλασης και ανάκλασης, πίνακας οπτικού συστήματος, υπολογισμός χαρακτηριστικών σημείων. Βασικές αρχές ανάλυσης και σχεδίασης οπτικών συστημάτων με χρήση πινάκων.
- Φωτισμός ειδώλου
- Διάφραγμα ανοίγματος, διάφραγμα πεδίου, κόρη εισόδου – εξόδου, παράθυρο εισόδου – εξόδου, τηλεκεντρικά συστήματα.
- Σφάλματα απεικόνισης
- Σφάλμα ακτίνας, σφάλμα μετώπου κύματος. Μονοχρωματικά σφάλματα. Κύρια σφάλματα Seidel. Χρωματικά σφάλματα. Αχρωματικοί φακοί, αποχρωματικοί φακοί, ασφαιρικοί φακοί.
- Εξίσωση εικόνας
- Οπτικές ακτίνες, εξαγωγή της εξίσωσης εικόνας, γεωμετρικές επιφάνειες κύματος, εξίσωση ακτίνας, παραξονική προσέγγιση. Διάδοση σε ανομοιογενή μέσα.
Κυματική Διάδοση
- Περίθλαση
- Ζώνες Fresnel, ολοκληρωτικό θεώρημα Helmholtz-Kirchhoff, θεωρία περίθλασης Kirchhoff. Περίθλαση Fraunhofer και Fresnel: σχισμή, ορθογώνιο άνοιγμα, κυκλική οπή. Διακριτική ικανότητα, ιδανικά οπτικά συστήματα. Διάταξη περιθλαστικών ανοιγμάτων: πολλαπλές σχισμές, φράγματα περίθλασης.
- Γκαουσιανές δέσμες
- Διάδοση, εστία, συνεστιακή παράμετρος. Απεικόνιση γκαουσιανών δεσμών, περιγραφή με πίνακες.
Μαθησιακά Αποτελέσματα
Με την επιτυχή ολοκλήρωση του μαθήματος οι φοιτητές/τριες θα είναι σε θέση:
- Να εξοικειωθούν με τις βασικές αρχές της Οπτικής.
- Να γνωρίζουν τις αρχές του Ηλεκτρομαγνητισμού με έμφαση στην εφαρμογή τους στην Οπτική.
- Να γνωρίζουν τις βασικές αρχές που διέπουν την κυματική διάδοση, την περιγραφή εγκάρσιων Η/Μ κυμάτων σε διάφορα μέσα καθώς και τα φαινόμενα της συμβολής και περίθλασης.
- Να μπορούν να περιγράφουν αναλυτικά την πόλωση οπτικών κυμάτων καθώς αυτά δίδονται σε σύνθετες οπτικές διατάξεις.
- Να γνωρίσουν τις αρχές της λειτουργίας και σχεδιασμού απεικονιστικών οπτικών συστημάτων και να επιλύουν προβλήματα σχεδίασης οπτικών συστημάτων φωτός μέσα από σύνθετα οπτικά συστήματα.
- Να μπορούν αυτόνομα να περιγράφουν και να επιλύουν προβλήματα οπτικής.
Προτεινόμενη Βιβλιογραφία
- Σημειώσεις του μαθήματος.
- "Optics", E. Hecht, Addison-Wesley, (2001).
- "Principles of Optics", M. Born, E. Wolf.
- "Introduction to Modern Optics", G.R. Fowles, Dover, (1989).
- "Introduction to Fourier Optics", J. W. Goodman, McGraw-Hill, (1996).
- "Solved exercises in Optics", D. Papazoglou, UoC, (2022).