POLECAMY
Koszyk
Optyka liniowa
Podstawy fizyczne
Autor:
Wydawca:
Format:
epub, mobi, ibuk
To pierwsza część kompleksowego opracowania na temat właściwości fali elektromagnetycznej, propagacji światła oraz oddziaływania fali świetlnej z ośrodkami. Koncentruje się na optyce liniowej, opisując zjawiska zachodzące w zakresie słabych natężeń światła, wykorzystując pojęcia z teorii sygnałów i układów liniowych.
Autor położył duży nacisk na graficzną interpretację zjawisk fizycznych, co znalazło odzwierciedlenie w dużej liczbie rysunków i wykresów wyjaśniających omawiane zagadnienia.
Książka może być traktowana jako podręcznik do przedmiotów związanych z optyką na kierunkach fizycznych, matematycznych oraz technicznych. Może stanowić także źródło wiedzy dla osób zawodowo zajmujących się tą dziedziną.
| Rok wydania | 2020 |
|---|---|
| Liczba stron | 818 |
| Kategoria | Optyka |
| Wydawca | Wydawnictwo Naukowe PWN |
| ISBN-13 | 978-83-01-21241-4 |
| Numer wydania | 1 |
| Język publikacji | polski |
| Informacja o sprzedawcy | ePWN sp. z o.o. |
Ciekawe propozycje
Spis treści
| Przedmowa 15 | |
| Wprowadzenie | 19 |
| 1. Prawa elektromagnetyzmu | 29 |
| 1.1. Równania Maxwella dla próżni | 30 |
| 1.1.1. Równania Maxwella w postaci całkowej | 31 |
| 1.1.2. Równania Maxwella w postaci różniczkowej | 38 |
| 1.2. Zasada zachowania ładunku elektrycznego | 39 |
| 1.3. Równania Maxwella w ośrodku materialnym | 41 |
| 1.3.1. Wpływ pól E i B na atomy ośrodka | 43 |
| 1.3.2. Równania Maxwella dla dielektryka .48 | |
| 1.4. Warunki graniczne (brzegowe) | 49 |
| 1.4.1. Granica dwóch dielektryków | 52 |
| 1.4.2. Granica dielektryk – przewodnik | 52 |
| 1.4.3. Wyprowadzenie warunków granicznych | 53 |
| 1.5. Gęstość energii pola EM i strumień energii fali EM | 55 |
| 1.6. Gęstość pędu i momentu pędu (krętu) pola EM | 60 |
| 1.7. Równanie falowe dla dielektryka | 61 |
| 1.7.1. Równanie falowe dla pola elektrycznego | 61 |
| 1.7.2. Równanie falowe dla pola magnetycznego | 62 |
| 1.7.3. Stała c w równaniu falowym | 63 |
| 1.7.4. Równanie falowe jako równanie liniowe | 64 |
| 1.7.5. Równanie falowe jako równanie relatywistyczne | 65 |
| 1.7.6. Równanie falowe dla fali monochromatycznej | 68 |
| 1.8. Podsumowanie | 70 |
| Literatura do rozdziału 1 | 72 |
| 2. Rozchodzenie się fali monochromatycznej w ośrodku | 73 |
| 2.1. Fala płaska monochromatyczna | 74 |
| 2.2. Fala elektromagnetyczna jako fala poprzeczna (TEM) | 77 |
| 2.3. Wektor Poyntinga i natężenie fali harmonicznej | 82 |
| 2.3.1. Natężenie biegnącej fali harmonicznej | 82 |
| 2.3.2. Postać zespolona wektora Poyntinga dla fali harmonicznej | 86 |
| 2.4. Wytwarzanie fali EM przez dipol Hertza | 87 |
| 2.4.1. Model dipola Hertza | 88 |
| 2.4.2. Rozkłady pola E i H. Pole bliskie i pole dalekie | 92 |
| 2.5. Fala płaska w ośrodku stratnym (absorbującym) | 96 |
| 2.6. Fala płaska w ośrodku przewodzącym | 101 |
| 2.6.1. Przewodność zespolona | 101 |
| 2.6.2. Czas relaksacji dielektrycznej w przewodniku | 103 |
| 2.6.3. Równanie falowe dla ośrodka przewodzącego | 104 |
| 2.6.4. Fala elektromagnetyczna w metalu, efekt naskórkowy | 106 |
| 2.7. Odbicie i transmisja fali EM przy padaniu normalnym na granicę ośrodków | 112 |
| 2.7.1. Współczynniki odbicia i transmisji pól E i H | 112 |
| 2.7.2. Warunki brzegowe – wyznaczanie współczynników odbicia i transmisji . | 114 |
| 2.7.3. Fale częściowo stojące składowych E i H | 120 |
| 2.8. Rozpraszanie światła | 125 |
| 2.8.1. Rodzaje rozpraszania światła | 125 |
| 2.8.2. Współczynnik tłumienia i przekrój czynny na rozpraszanie | 130 |
| 2.8.3. Rozkład kątowy i polaryzacja światła w rozpraszaniu Rayleigha | 132 |
| 2.8.4. Rozpraszanie Rayleigha i polaryzacja nieba | 136 |
| 2.8.5. Rozpraszanie koherentne i niekoherentne. Zasięgwidzialności. Kolor nieba | 139 |
| 2.8.6. Rozpraszanie Miego, barwa chmur | 145 |
| 2.9. Podsumowanie właściwości fali płaskiej harmonicznej | 148 |
| Literatura do rozdziału 2 | 150 |
| 3. Dyspersja ośrodka liniowego. Zależności dyspersyjne | 152 |
| 3.1. Dyspersja i lokalność czasowa odpowiedzi ośrodka | 152 |
| 3.2. Układy liniowe stacjonarne i zasada przyczynowości | 156 |
| 3.3. Zasada przyczynowości i transformata Hilberta | 159 |
| 3.4. Optyczne związki dyspersyjne Kramersa-Kroniga | 161 |
| 3.4.1. Związki Kramersa-Kroniga dla stałych optycznych | 161 |
| 3.4.2. Relacje Kramersa-Kroniga dla reflektancji i przesunięcia fazowego | 164 |
| 3.4.3. Reguły sum | 169 |
| 3.4.4. Związki Kramersa-Kroniga w optyce nieliniowej | 170 |
| 3.5. Przykład zastosowania związków dyspersyjnych – szkło kwarcowe | 172 |
| 3.5.1. Właściwości optyczne szkła krzemionkowego | 176 |
| 3.5.2. Model funkcji widma absorpcyjnego | 177 |
| Literatura do rozdziału 3 | 181 |
| 4. Klasyczna teoria dyspersji – model Drudego-Lorentza | 182 |
| 4.1. Rodzaje polaryzacji | 183 |
| 4.2. Funkcja stałej dielektrycznej ośrodka | 188 |
| 4.2.1. Ogólna postać przebiegu przenikalności elektrycznej | 188 |
| 4.2.2. Zależność er(w) dla polaryzacja dipolowej | 189 |
| 4.2.3. Widmo refrakcyjne i absorpcyjne wody | 190 |
| 4.3. Model oscylatora atomowego | 194 |
| 4.3.1. Atom jako oscylator harmoniczny tłumiony | 194 |
| 4.3.2. Radiacyjna stała tłumienia w modelu atomu-oscylatora | 197 |
| 4.3.3. Podatność i przenikalność elektryczna w modelu oscylatorowym | 198 |
| 4.3.4. Zespolony współczynnik załamania i przebieg funkcji dyspersyjnych | 204 |
| 4.3.5. Model Lorentza wielu oscylatorów | 209 |
| 4.4. Analityczne wzory dyspersyjne dla współczynnika załamania | 213 |
| 4.5. Klasyczny model gazu elektronowego w metalu | 215 |
| 4.5.1. Zależności Drudego | 217 |
| 4.5.2. Zespolona przewodność właściwa metalu | 218 |
| 4.5.3. Właściwości optyczne metali – widma stałych optycznych | 219 |
| 4.5.4. Zależności dyspersyjne k(ω) plazmy elektronowej – plazmony | 222 |
| 4.5.5. Reflektancja metali i krawędź plazmowa | 229 |
| 4.5.6. Model Drudego-Lorentza | 231 |
| 4.6. Praca zmiennego pola elektrycznego w modelu oscylatorów | 233 |
| Literatura do rozdziału 4 | 237 |
| 5. Część I Prędkości światła | 238 |
| 5.1. Współczynnik załamania – dlaczego prędkość fazowa różni się od c | 238 |
| 5.1.1. Szczególna Teoria Względności a prędkość światła | 239 |
| 5.1.2. Fala świetlna w ośrodku jako superpozycja fali pierwotnej i fal wtórnych | 240 |
| 5.1.3. Fale wtórne i współczynnik załamania w modelu oscylatorowym | 244 |
| 5.2. Prędkości fali świetlnej w ośrodku | 249 |
| 5.2.1. Fala monochromatyczna – prędkość fazowa | 250 |
| 5.2.2. Paczka falowa – prędkość grupowa | 251 |
| 5.2.3. Prędkość fali dla wiązek o ograniczonym przekroju poprzecznym | 258 |
| 5.3. Propagacja impulsu świetlnego w ośrodku | 265 |
| 5.3.1. Impuls optyczny jako superpozycja fal harmonicznych | 265 |
| 5.3.2. Symulacja numeryczna propagacji impulsu w ośrodku dyspersyjnym | 268 |
| 5.3.3. Zasada nieoznaczoności dla impulsu | 271 |
| 5.3.4. Prędkość grupowa impulsu i parametry dyspersji | 281 |
| 5.4. Manipulacje prędkością grupową impulsów świetlnych | 286 |
| 5.4.1. „Szybkie” światło – interpretacja fizyczna | 288 |
| 5.4.2. Propagacja impulsu w ośrodku w pobliżu rezonansu | 292 |
| 5.4.3. Eksperymentalna obserwacja „wolnego” i „szybkiego” światła | 298 |
| Część II Impulsy optyczne w światłowodach | 307 |
| 5.5. Dyspersja impulsów optycznych w światłowodach | 307 |
| 5.5.1. Dyspersja chromatyczna – poszerzenie impulsów | 307 |
| 5.5.2. Charakterystyki transmisyjne światłowodów | 312 |
| 5.5.3. Propagacja impulsu gaussowskiego | 329 |
| 5.5.4. Impuls gaussowski i świergot częstotliwości | 332 |
| 5.6. Równanie falowe propagacji obwiedni impulsu | 337 |
| 5.6.1. Postać równania falowego | 337 |
| 5.6.2. Nieliniowe równanie Schrödingera (NLSE) | 339 |
| 5.6.3. Szczególne rozwiązania równania NLSE – soliton optyczny | 341 |
| 5.7. Rzut oka na zjawiska nieliniowe w światłowodach | 345 |
| 5.7.1. Samomodulacja fazy (SPM) | 348 |
| 5.7.2. Skrośna modulacja fazy (XPM) | 349 |
| 5.7.3. Mieszanie czterofalowe (FWM) | 350 |
| 5.7.4. Wymuszone rozpraszanie Ramana (SRS) | 351 |
| 5.7.5. Wymuszone rozpraszanie Brillouina (SBS) | 352 |
| Literatura do rozdziału 5 – część I | 353 |
| Literatura do rozdziału 5 – część II | 354 |
| 6. Fala świetlna jako nośnik energii, masy, pędu i krętu | 355 |
| 6.1. Gęstość strumienia energii fali EM | 356 |
| 6.1.1. Wektor Poyntinga, prędkość przekazu energii, natężenie światła | 356 |
| 6.1.2. Energia wiązki świetlnej – model fotonowy | 358 |
| 6.2. Masa promieniowania EM | 362 |
| 6.3. Pęd i ciśnienie fali elektromagnetycznej | 368 |
| 6.3.1. Fala EM padająca na powierzchnię absorbera i przewodnika | 369 |
| 6.3.2. Ciśnienie światła – fotony | 373 |
| 6.3.3. Pęd fali świetlnej | 375 |
| 6.3.4. Efekty ciśnienia światła | 375 |
| 6.4. Moment pędu (kręt) promieniowania EM | 402 |
| 6.4.1. Polaryzacja fali świetlnej | 402 |
| 6.4.2. Dwa rodzaje momentu pędu fali EM | 412 |
| 6.4.3. Spinowy moment pędu | 416 |
| 6.4.4. Orbitalny moment pędu | 418 |
| 6.4.5. Składowa spinowa i orbitalna momentu pędu | 420 |
| 6.5. Wiązki z wirem optycznym | 421 |
| 6.5.1. Wiązka Laguerre’a-Gaussa jako wiązka z wirem optycznym | 421 |
| 6.5.2. Generowanie wiązek z wirem optycznym | 423 |
| Literatura do rozdziału 6 | 433 |
| 7. Propagacja wiązki światła w wolnej przestrzeni. Formuły dyfrakcyjne | 435 |
| 7.1. Zespolone rozkłady pola optycznego wiązki436 | |
| 7.2. Równanie falowe Helmholtza i przybliżenie skalarne | 437 |
| 7.3. Fala płaska, sferyczna i cylindryczna | 439 |
| 7.3.1. Rozwiązanie równania falowego w postaci fali płaskiej | 439 |
| 7.3.2. Rozwiązanie równania falowego w postaci fali sferycznej | 441 |
| 7.3.3. Rozwiązanie równania falowego w postaci fali cylindrycznej | 442 |
| 7.4. Równanie falowe w przybliżeniu przyosiowym | 444 |
| 7.5. Formuła Rayleigha-Sommerfelda | 447 |
| 7.5.1. Teoria dyfrakcji Kirchhoffa. Wzór Fresnela-Kirchhoffa | 449 |
| 7.5.2. Wzór dyfrakcyjny w przybliżeniu Fresnela | 455 |
| 7.6. Rozwiązanie równania falowego jako superpozycja fal elementarnych | 457 |
| Literatura do rozdziału 7 | 458 |
| 8. Transformata Fouriera Ogólne rozwiązanie liniowego równania falowego | 459 |
| 8.1. Transformata Fouriera jako superpozycja funkcji bazowych | 460 |
| 8.2. Transformata funkcji prostokątnej i funkcji Gaussa | 463 |
| 8.3. Obliczanie transformaty Fouriera numerycznie z definicji | 465 |
| 8.4. Dwuwymiarowa transformata Fouriera | 469 |
| 8.5. Interpretacja fizyczna transformaty Fouriera | 470 |
| 8.6. Podstawowe właściwości transformaty Fouriera | 474 |
| 8.7. Transformaty wybranych funkcji dwuwymiarowych | 477 |
| 8.8. Numeryczne algorytmy obliczania transformaty | 482 |
| 8.8.1. Dyskretna transformata Fouriera (DFT) | 482 |
| 8.8.2. Szybka transformata Fouriera (FFT) | 487 |
| 8.8.3. Obliczanie transformaty FFT w programie Matlab | 489 |
| 8.9. Rozwiązanie równania falowego z użyciem transformaty Fouriera | 492 |
| 8.9.1. Rozwiązanie równania Helmholtza dla ośrodka jednorodnego | 492 |
| 8.9.2. Rozwiązanie równania falowego w przybliżeniu przyosiowym | 495 |
| Literatura do rozdziału 8 | 497 |
| 9. Przestrzeń swobodna jako układ liniowy dla sygnałów optycznych dwuwymiarowych | 498 |
| 9.1. Przestrzeń swobodna jako układ liniowy | 499 |
| 9.2. Funkcja odpowiedzi impulsowej przestrzeni i zasada Huygensa- Fresnela | 501 |
| 9.3. Widmo kątowe fal płaskich i optyczna funkcja przenoszenia przestrzeni | 504 |
| 9.3.1. Częstości przestrzenne fali płaskiej | 504 |
| 9.3.2. Fale płaskie jednorodne i niejednorodne | 507 |
| 9.3.3. Funkcja przenoszenia przestrzeni swobodnej | 511 |
| 9.3.4. Widmo kątowe fal płaskich i transformata Fouriera | 514 |
| 9.3.5. Znajdowanie rozkładu pola świetlnego za pomocą widma przestrzennego | 517 |
| 9.3.6. Funkcja przenoszenia i odpowiedź impulsowa dla formuł Rayleigha-Sommerfelda oraz Fresnela | 518 |
| Literatura do rozdziału 9 | 520 |
| 10. Rozkłady dyfrakcyjne w strefach Fresnela i Fraunhofera | 521 |
| 10.1. Wzór dyfrakcyjny Fresnela – pole bliskie i dalekie | 525 |
| 10.2. Obszar Fresnela (pole bliskie) | 528 |
| 10.3. Obszar Fraunhofera (pole dalekie) | 529 |
| 10.4. Rozkład fourierowski w płaszczyźnie ogniskowej soczewki | 531 |
| 10.5. Modelowanie propagacji światła z wykorzystaniem wzoru Fresnela . | 534 |
| 10.6. Obrazy dyfrakcyjne dla szczeliny i rozkładu gaussowskiego 1D | 535 |
| 10.6.1. Rozkłady dyfrakcyjne w polu dalekim jako transformaty Fouriera | 535 |
| 10.6.2. Dyfrakcja na szczelinie – geometryczna metoda wskazów | 537 |
| 10.6.3. Całka dyfrakcyjna Fresnela jako operacja splotu E0*hd | 541 |
| 10.6.4. Całka dyfrakcyjna jako transformata Fouriera z iloczynu E0⋅P0 | 542 |
| 10.6.5. Całka dyfrakcyjna jako odwrotna transformata Fouriera z FT(E0)⋅H | 543 |
| 10.7. Dyfrakcja Fresnela na szczelinie i prostej krawędzi – podejście analityczne | 545 |
| 10.8. Dyfrakcja na aperturach dwuwymiarowych | 553 |
| 10.8.1. Dyfrakcja na otworze prostokątnym | 553 |
| 10.8.2. Dyfrakcja na otworze kołowym | 557 |
| 10.9. Dyfrakcja światła na siatce transmisyjnej | 566 |
| 10.9.1. Konstrukcja i rodzaje siatek dyfrakcyjnych | 567 |
| 10.9.2. Dyfrakcja Fraunhofera na siatce transmisyjnej | 572 |
| 10.9.3. Siatka transmisyjna amplitudowa | 575 |
| 10.9.4. Siatka fazowa | 584 |
| 10.9.5. Efektywność dyfrakcyjna siatki | 587 |
| 10.9.6. Parametry spektralne siatki dyfrakcyjnej | 593 |
| 10.10. Przesłony komplementarne | 596 |
| 10.10.1. Zasada Babineta | 596 |
| 10.10.2. Przeszkody w postaci szczeliny i paska – dyfrakcja Fresnela i Fraunhofera | 598 |
| 10.11. Podsumowanie – zestawienie formuł dyfrakcyjnych | 605 |
| Literatura do rozdziału 10 | 611 |
| 11. Wiązki gaussowskie | 612 |
| 11.1. Fala paraboidalna jako rozwiązanie przyosiowego równania falowego | 613 |
| 11.2. Wiązka gaussowska | 614 |
| 11.2.1. Właściwości wiązki gaussowskiej | 616 |
| 11.2.2. Wyznaczanie parametrów wiązki gaussowskiej | 625 |
| 11.3. Wiązki gaussowskie wyższego rzędu . | 626 |
| 11.3.1. Mody Hermite’a-Gaussa | 628 |
| 11.3.2. Mody Laguerre’a-Gaussa | 633 |
| 11.4. Wiązka świetlna powstająca w rezonatorze lasera | 638 |
| 11.5. Definicje średnicy przekroju wiązki świetlnej | 648 |
| 11.6. Rzeczywiste wiązki laserowe. Parametr M kwadrat (M2) | 650 |
| Literatura do rozdziału 11 | 654 |
| 12. Transformacja wiązki gaussowskiej w układzie soczewkowym | 656 |
| 12.1. Równanie soczewki cienkiej dla wiązki gaussowskiej | 657 |
| 12.2. Ogniskowanie wiązki gaussowskiej | 662 |
| 12.3. Równanie soczewki dla parametru zespolonego wiązki gaussowskiej | 666 |
| 12.4. Zasada ABCD dla wiązki gaussowskiej | 668 |
| 12.5. Kolimowanie wiązki gaussowskiej | 671 |
| 12.5.1. Układ jednosoczewkowy | 671 |
| 12.5.2. Układ dwusoczewkowy | 674 |
| 12.5.3. Układ kolimatora z oczyszczaniem wiązki | 680 |
| 12.6. Zestawienie najważniejszych wzorów | 682 |
| Literatura do rozdziału 12 | 684 |
| 13. Wiązki bezdyfrakcyjne | 685 |
| 13.1. Rodzaje i właściwości wiązek bezdyfrakcyjnych | 686 |
| 13.2. Wiązka Bessela | 696 |
| 13.2.1. Równanie wiązki Bessela | 696 |
| 13.2.2. Sposoby wytwarzania wiązki Bessela | 699 |
| 13.2.3. Prędkość fazowa i grupowa wiązki Bessela | 704 |
| 13.3. Wiązka Airy’ego | 706 |
| 13.3.1. Funkcja Airy’ego | 707 |
| 13.3.2. Matematyczna wiązka Airy’ego | 710 |
| 13.3.3. Tłumiona wiązka Airy’ego | 713 |
| 13.3.4. Dwuwymiarowa wiązka Airy’ego | 716 |
| 13.3.5. Wytwarzanie wiązki Airy’ego | 717 |
| Literatura do rozdziału 13 | 719 |
| 14. Fala świetlna w krysztale anizotropowym | 721 |
| 14.1. Kryształy anizotropowe – tensor podatności elektrycznej | 722 |
| 14.2. Rodzaje kryształów anizotropowych | 724 |
| 14.3. Propagacja fali płaskiej w krysztale anizotropowym | 727 |
| 14.3.1. Równania Fresnela | 727 |
| 14.3.2. Powierzchnia wektorów falowych733 | |
| 14.3.3. Powierzchnia falowa | 740 |
| 14.3.4. Indykatrysa optyczna – elipsoida współczynników załamania | 744 |
| 14.3.5. Podwójne załamanie światła na powierzchni kryształu anizotropowego | 748 |
| 14.3.6. Konstrukcje geometryczne określania kierunków wektorów falowych i promieni | 754 |
| 14.3.7. Numeryczne wyznaczanie parametrów fal o i e przy podwójnym załamaniu | 756 |
| Literatura do rozdziału 14 | 758 |
| DODATEK A Podstawowe pojęcia z analizy wektorowej | 760 |
| DODATEK B Pole promieniowania przyspieszanego ładunku punktowego | 780 |
| DODATEK C Wyprowadzenie relacji Kramersa-Kroniga z twierdzenia Cauchy’ego | 786 |
| DODATEK D Układy liniowe | 790 |
| DODATEK E Delta Diraca i uogólnione transformaty Fouriera | 799 |
| DODATEK F Właściwości przekształcenia Fouriera i wybrane transformaty | 808 |
| DODATEK G Szeregi trygonometryczne funkcji prostokątnej | 810 |
| DODATEK H Wyprowadzenie wzoru dla wiązki Hermite’a-Gaussa | 815 |
KUP NA PREZENT
Optyka liniowa
98,10 zł
Uzupełnij informacje na temat odbiorcy.
Produkt został pomyślnie dodany do koszyka.
Nieudana próba zakupu produktu. Spróbuj jeszcze raz.
Wypożyczaj w abonamencie!
Już od 2,66 zł za ebooka
