Optyka

- zaliczenie kursów: "Fizyka ogólna 1", "Fizyka ogólna 2",

- znajomość podstaw optyki geometrycznej i podstaw optyki falowej,

- znajomość podstaw elektrodynamiki (pole elektryczne, pole magnetyczne, równania Maxwella),

- znajomość elementarnego rachunku różniczkowego, całkowego, wektorowego oraz liczb zespolonych.

przedmiot fakultatywny

Godziny realizowane z udziałem nauczycieli ( 60 godz.):

- udział w wykładach - 30 godz.

- udział w ćwiczeniach – 30 godz.

- konsultacje - 5 godz.

Czas poświęcony na pracę indywidualną studenta ( 100 godz.):

- przygotowanie do egzaminu - 40

- przygotowanie do ćwiczeń i kolokwiów – 45

Łącznie: 150 godz. (6 ECTS: fizyka, astronomia, fizyka techniczna)

W1 - posiada wiedzę o podstawowych koncepcjach, zasadach i teoriach oraz ich historycznym rozwoju w zakresie optyki i fotoniki (fizyka: K_W01, fizyka techniczna: K_W01, astronomia: K_W01)

W2 - zna podstawowe prawa optyki falowej i fotoniki (fizyka: K_W05, fizyka techniczna: K_W02, astronomia: K_W01)

U1 - potrafi w sposób zrozumiały, używając właściwego formalizmu matematycznego, przedstawiać podstawowe prawa fizyki falowej i optyki (fizyka: K_U01, fizyka techniczna: K_U01)

U2 – potrafi samodzielnie poszukiwać narzędzi numerycznych (np. kalkulatory internetowe, pakiety oprogramowania, programy komputerowe) wspomagających obliczenia np.: w zakresie propagacji światła w prostych układach optycznych, modyfikacji stanu polaryzacji światła, analizy rozkładu pola elektromagnetycznego np. w zjawisku interferencji i dyfrakcji światła (fizyka: K_U04, fizyka techniczna: K_U06 , astronomia: K_U02)

K1 - zna ograniczenia własnej wiedzy i rozumie potrzebę dalszego kształcenia w zakresie zagadnień związanych z optyką, inżynierią optyczną i fotoniką (fizyka: K_K01, fizyka techniczna: K_K01, astronomia: K_K01)

Metoda dydaktyczna podająca:

- wykład informacyjny (konwencjonalny)

- wykład konwersatoryjny

Metoda dydaktyczna poszukująca:

- ćwiczeniowa

- studium przypadku

- wykład informacyjny (konwencjonalny)
- wykład konwersatoryjny
- wykład problemowy

- ćwiczeniowa
- studium przypadku

Wykład z optyki mający na celu przekazanie wiedzy na temat natury światła oraz jego opisu w ujęciu geometrycznym i falowym, a także wprowadzenie formalizmu pozwalającego na opis układów i zjawisk optycznych. Zostanie przedstawiony opis propagacji światła w ośrodkach i na ich granicach oraz w prostych układach optycznych. Zostanie opisany szereg zjawisk optycznych, zawierający m. in. zagadnienia związane ze spójnością światła, interferencję, dyfrakcję, polaryzację światła.

W trakcie wykładu zostaną zaprezentowane m.in. następujące zagadnienia:

1) Propagacja światła w ośrodkach i prostych układach optycznych – od równań Maxwella do pojęcia promienia światła, ograniczenia optyki geometrycznej, konsekwencje prawa odbicia i załamania światła na granicy ośrodków – wprowadzenie do aberracji biegu promieni światła.

2) Ruch falowy: matematyczny opis fali, równanie falowe, charakterystyka wielkości opisujących falę, zasada superpozycji, fale płaskie i sferyczne.

3) Optyka jako część elektrodynamiki: równanie fali elektromagnetycznej dla pól E i B, poprzeczny charakter fal elektromagnetycznych, energia i pęd niesione przez fale elektromagnetyczne, dualizm korpuskularno-falowy światła.

4) Wytwarzanie promieniowania elektromagnetycznego i jego propagacja w ośrodku materialnym, zjawisko absorpcji i dyspersji fal elektromagnetycznych.

5) Zjawisko odbicia i załamania światła w ujęciu teorii rozpraszania oraz elektromagnetycznym (wzory Fresnela), zasada Fermata, całkowite wewnętrzne odbicie (fala zanikająca), właściwości optyczne metali.

6) Superpozycja fal: dodawanie fal (dudnienia), prędkość fazowa i grupowa, nieharmoniczne fale okresowe (szeregi Fouriera), fale nieokresowe (impulsy i paczki falowe).

7) Polaryzacja fal elektromagnetycznych: typy polaryzacji, prawo Malusa, polaryzatory, otrzymywanie światła spolaryzowanego, kryształy dwójłomne, płytki falowe, aktywność optyczna, wymuszone efekty optyczne (efekt Faradaya, Kerra, Pockelsa), matematyczny opis polaryzacji: wektory Jonesa.

8) Interferencja fal elektromagnetycznych: matematyczny opis interferencji fal, koherencja czasowa i przestrzenna, interferencja przez podział czoła fali (eksperyment Younga) oraz amplitudy (prążki jednakowego nachylenia, prążki jednakowej grubości, interferometr Michelsona, Macha-Zehndera), interferencja wielu wiązek - wzór Airy, interferometr Fabry'ego-Perota, warstwy antyrefleksyjne.

9) Dyfrakcja fal elektromagnetycznych: dyfrakcja Fraunhofera, dyfrakcja Fresnela, dyfrakcja na różnych aperturach (prostokątnej, kołowej), rozdzielczość układów obrazujących, siatki dyfrakcyjne i spektroskopia na siatkach dyfrakcyjnych, dyfrakcja promieniowania rentgenowskiego.

10) Podstawy teorii koherencji: widzialność prążków, funkcja korelacji wzajemnej, stopień koherencji, koherencja czasowa i przestrzenna.

Literatura podstawowa:

1. E. Hecht, „Optyka”, Państwowe Wydawnictwo Naukowe, Warszawa 2012, lub dowolna edycja angielska podręcznika.

2. J. R. Meyer-Arendt, "Wstęp do optyki", Państwowe Wydawnictwo Naukowe, dowolne wydanie.

3. R. Feynman, "Feynmana wykłady z fizyki" t.1 i 2, Państwowe Wydawnictwo Naukowe, dowolne wydanie.

4. D. Halliday, R. Resnick, J. Walker, "Podstawy fizyki", część 3 i 4, Wydawnictwo Naukowe PWN, Warszawa, 2003.

5. M. Born, E. Wolf, "Principles of Optics", Cambridge University Press, dowolne wydanie.

6. F.C. Crawford, "Fale", PWN, Warszawa 1975.

7. D. J. Griffiths, "Podstawy elektrodynamiki", Wydawnictwo Naukowe PWN, Warszawa, 2005.

8. M. Baj, G. Szeflińska, M. Szymański, D. Wasik, "Zadania i problemy z fizyki", Wydawnictwo Naukowe PWN, Warszawa, 1996.

9. A. Piekara, "Nowe oblicze optyki", Państwowe Wydawnictwo Naukowe, Warszawa 1968.

Literatura uzupełniająca:

1. Y. B. Band „Light and Matter” John Wiley & Sons, New Jersey, 2007

2. B.E.A. Saleh, M. C. Teich “Fundametals of Photonics” John Wiley & Sons, New Jersey, 2007

3. A. M. Weiner “Ultrafast Optics”, John Wiley & Sons, New Jersey, 2009

4. B. Crowell, "Optics", http://lightandmatter.com

5. F. L. Pedrotti, L. S. Pedrotti "Introduction to optics", second edition, Prentice-Hall Inc., 1993

Metody oceniania:

egzamin- osiągnięcie efektów kształcenia: W1, W2, W3, U1

ćwiczenia- osiągnięcie efektów kształcenia: W1, W2, U1

Kryteria oceniania:

Wykład kończy się egzaminem pisemnym. Warunkiem przystąpienia do egzaminu jest wcześniejsze uzyskanie pozytywnej oceny z ćwiczeń rachunkowych. Egzamin weryfikuje stopień przyswojenia wiedzy z wykładu oraz jej praktyczne zastosowanie w rozwiązywaniu zadań rachunkowych.

Ocena z ćwiczeń uzależniona jest od sumarycznej liczby punktów uzyskanych z kolokwiów oraz aktywności na ćwiczeniach. Warunkiem zaliczenia ćwiczeń jest uzyskanie minimum 50% możliwych do uzyskania punktów oraz wykonanie w ustalonych przez prowadzącego terminach zadanych do zaliczenia na ocenę projektów lub zadań domowych. Nieusprawiedliwiony brak przedstawienia w ustalonych terminach zadanych na ocenę projektów lub zadań domowych jest podstawą do niezaliczenia tych zadań, tj. uzyskania z nich zerowej liczby punktów lub oceny niedostatecznej.

Obecność na ćwiczeniach jest obowiązkowa.

Wszystkie nieobecności wymagają usprawiedliwienia. Nieobecność na 3 lub większej liczbie ćwiczeń bez usprawiedliwienia jest podstawą do niezaliczenia ćwiczeń. Nieobecność na 7 lub większej liczbie zajęć rachunkowych jest podstawą do niezaliczenia ćwiczeń, niezależnie od usprawiedliwień.

Kryteria oceniania egzaminu oraz ćwiczeń:

ndst: <50% (możliwych do uzyskania punktów)

dst: [50%-60%)

dst plus: [60%-70%)

db: [70%-80%)

db plus: [80%-90%)

bdb: [90%-100%)

brak