Физическая оптика

Введение
Энергетический спектр атома и двухатомной молекулы. Характерные масштабы энергий, частот и длин волн переходов. Система атомных единиц.
Типы радиационных переходов с участием атомов, молекул и ионов. Линейчатый, полосатый и непрерывный спектры.
Специфика оптического диапазона. Дипольное приближение.

Классическая теория излучения
Волновое уравнение. Монохроматическая плоская волна. Поперечная (кулоновская) и лоренцевская калибровки поля. Поле движущихся зарядов. Запаздывающие потенциалы и их спектральное разложение.
Поле системы зарядов на далеких (волновая зона) и близких расстояниях. Связь Фурье компонент векторного потенциала и полей с Фурье компонентой плотности тока. Интенсивность излучения и ее спектральное распределение.
Поле линейного электрического диполя в ближней и дальней зонах. Интенсивность дипольного излучения.
Разложение полей по мультиполям. Магнитно-дипольное и электро-квадрупольное излучение.
Сила радиационного трения. Осциллятор с затуханием в поле электромагнитной волны. Лоренцевское распределение интенсивности излучения.

Квантование свободного электромагнитного поля
Собственные колебания поля. Разложение электромагнитного поля по плоским волнам. Гамильтоновский метод в электродинамике. Канонические переменные.
Правило коммутации обобщенных координат и импульсов. Операторы рождения и уничтожения фотонов; оператор числа частиц. Квантование свободного поля излучения. Энергия и импульс квантованного поля.
Гамильтониан системы поле + частицы. Энергия взаимодействия поля с движущимся зарядом. Матричные элементы взаимодействия поля с атомом.

Квантовая теория излучения и поглощения света
Вывод выражений для вероятностей излучения и поглощения света в рамках теории возмущений. Спонтанное и вынужденное излучение. Коэффициенты Эйнштейна. Вероятности дипольного излучения. Принцип соответствия.
Правила отбора для электро-дипольного, магнитно-дипольного и электро-квадрупольного излучения.
Ширины энергетических уровней. Радиационное время жизни атома и его зависимость от главного и орбитального квантовых чисел.
Cилы осцилляторов перехода и силы линий. Квазиклассическая формула Крамерса и ее предельные выражения. Теорема о сумме сил осцилляторов.
Спектральное распределение коэффициента Эйнштейна. Эффективные сечения поглощения и вынужденного излучения. Контуры спектральных линий. Зависимость сечений в центре линии от ее ширины.
Интегральные по линии и по всему спектру сечения поглощения. Вид сечения поглощения света атомом из основного состояния.
Коэффициент поглощения света на связанно-связанном переходе. Поправка на вынужденное излучение. Оптическая толщина слоя. Коэффициент усиления.

Основы общей теории рассеяния
Общие формулы для амплитуды, дифференциального и полного сечений рассеяния. Парциальные волны. Потенциальное и резонансное рассеяние.
Оптическая теорема и ее следствия для рассеяния волн и частиц.
Квазиклассическое, борновское и импульсное приближения.
Теория эффективного радиуса для низкоэнергетичного рассеяния.

Уширение и сдвиг спектральных линий
Естественная ширина линии. Лоренцевский контур линии при радиационном уширении. Лэмбовский сдвиг.
Допплеровское уширение. Гауссова форма линии.
Ударное и квазистатическое уширение. Связь интенсивности излучения с функцией корреляции. Лоренцевский контур линии излучения осциллятора со случайной фазой. Сечения уширения и сдвига; ударные ширины и сдвиги.
Общие квантовомеханические формулы для сечения ударного уширения через амплитуды рассеяния. Упругие и неупругие ширины. Предельные случаи.
Ударное уширение при степенном взаимодействии. Вайскопсофский радиус и частота. Границы применимости ударного и квазистатического пределов.
Бинарный предел в теории квазистатического уширения. Квазистатическое (степенное) и антистатическое (экспоненциальное) крылья линии.
Уширение линии нейтральными частицами, электронами и ионами плазмы.
Уширение и сдвиг высоковозбужденных уровней в газе. Два механизма уширения. Модель псевдопотенциала. Асимптотический закон Ферми.
Контуры составной линии. Свертки двух лоренцевских и гауссовских контуров. Свертка лоренцевского и гауссовского контуров (интеграл Фойхта).

Радиационные процессы с участием непрерывного спектра
Система волновых функций непрерывного спектра. Нормировка.
Вероятности связанно-свободных фотопереходов. Соотношения детального баланса для прямых и обратных процессов.
Фотоионизация атома и фоторекомбинация. Фотоотрыв электрона от отрицательного иона.
Свободно-свободные фотопереходы. Тормозное излучение электрона в кулоновском поле. Трансляционное поглощение при столкновениях атомов.
Фотодиссоциация молекул и молекулярных ионов. Индивидуальные сечения для фиксированных уровней. Интегральный вклад дискретного и непрерывного спектров молекулы. Теория Бейтса и ее квантовомеханическое обобщение.
Приложение теории фотоотрыва электрона от отрицательного иона H ^- и фотодиссоциации иона H₂⁺ к поглощению света в звездных фотосферах.

Классическая и квантовая теория рассеяния света
Классическая теория упругого рассеяния света. Вывод дисперсионной формулы классической электродинамики на примере осциллятора во внешнем поле.
Динамическая и статическая поляризуемости атома.
Квантовая теория неупругого и упругого рассеяния света. Промежуточные состояния. Дисперсионная формула квантовой электродинамики (формула Крамерса-Гайзенберга). Тензор рассеяния света и правила отбора.
Релеевский и Томсоновский пределы. Комптон эффект (теория Клейна-Нишины). Резонансная флуоресценция. Спонтанное и вынужденное комбинационное рассеяние. Рассеяние на молекулах. Стоксовы и антистоксовы компоненты.

Двухфотонное испускание и поглощение света
Теория двухфотонного испускания и поглощения света. Зависимость вероятности двухфотонного испускания от частот испускаемых квантов.
Вероятности однофотонного и 2-х фотонного испускания. Время жизни атома H(2s1/2) относительно 2-х фотонного распада и магнитно-дипольного излучения.
Коэффициент двухфотонного поглощения. Бездопплеровская спектроскопия.

Дисперсия света и диссипация энергии в среде с комплексной диэлектрической проницаемостью
Уравнения переменного поля в металлах. Глубина скин-слоя в оптическом диапазоне длин волн. Уравнения поля в диэлектриках в отсутствии дисперсии.
Диэлектрическая и магнитная восприимчивости. Эффективное поле. Дисперсия диэлектрической проницаемости. Соотношения Крамерса-Кронига.
Диссипация энергии в среде с комплексной диэлектрической проницаемостью.
Формула Лорентц-Лоренца и теория дисперсии света. Нормальная и аномальная дисперсия. Диэлектрическая проницаемость металлов и плазмы.
Металлооптика. Формулы Френеля.

Электромагнитные волны в резонаторах и волноводах
Стоячие электромагнитные волны в резонаторах. Собственные частоты колебаний в резонаторах. Распространение ТМ и ТЕ волн в волноводах.
Критический радиус волновода. Нижняя граница частот для распространения волн в волноводах (эффект отсечки). Главная волна в коаксиальном волноводе.

Распространение света и теория дифракции
Пределы геометрической оптики. Уравнение эйконала. Разрешающая сила.
Дифракция Френеля и Фраунгофера. Интеграл Кирхгофа. Распределение интенсивности при падении света на щель и круглое отверстие в экране.
Точная теория дифракции. Теорема Бабинэ и ее обобщение для дифракции на плоских идеально проводящих экранах (теорема Мандельштама и Леонтовича.

Субволновая оптика и микроскопия ближнего поля
Прохождение света через малое (много меньше длинны волны) отверстие и щель в экране. Формула Бете. Плотность энергии поля в ближней зоне. Поток энергии в дальнюю зону.
Рассеяние и поглощение электромагнитных волн на макроскопических частицах (сечения рассеяния и поглощения на шарике радиуса, много меньшего длинны волны).
Прохождение света через металлизированные оптоволоконные волноводы. Поля в конусе с идеально проводящими стенками. Коэффициент пропускания.
Полупроводниковые оптические нановолноводы.
Дифракция на периодической системе нанометровых дырок в металлической пленке. Современные приложения нанооптики и нанофотоники.

Д.В. Сивухин. Общий курс физики. Оптика (Наука, Москва, 1980).

М. Борн, Э. Вольф. Основы оптики (Наука, Москва, 1973).

Л.Д. Ландау, Е.М. Лифшиц. Теория поля (Наука, Москва, 1973).

Л.Д. Ландау, Е.М. Лифшиц. Электродинамика сплошных сред (Наука, Москва, 1982).

Л.Д. Ландау, Е.М. Лифшиц. Квантовая механика (Наука, Москва, 1974).

Л.Д. Ландау, Е.М. Лифшиц. Статистическая физика (Наука, Москва, 1976).

В.Б. Берестецкий, Е.М. Лифшиц, Л.П. Питаевский. Квантовая электродинамика (Наука, Москва, 1980).

В. Гайтлер. Квантовая теория излучения (Изд. Иностранной литературы, Москва, 1956).

Я.Б. Зельдович, Ю.П. Райзер. Физика ударных волн и высокотемпературных гидродинамических явлений (Наука, Москва, 1966), Гл. 3:Тепловое излучение и лучистый теплообмен в среде; Гл. 5: Поглощение и испускание излучения в газах при высоких температурах.

В.Л. Гинзбург. Теоретическая физика и астрофизика (Наука, Москва, 1987).

В.Г. Левич. Курс теоретической физики. Том I (Наука, Москва, 1969).

В.Г. Левич, Ю.А. Вдовин, В.А. Мямлин. Курс теоретической физики. Том II (Наука, Москва, 1969).

Р. Ньютон. Теория рассеяния волн и частиц (Мир, Москва, 1969).

И.И. Собельман. Введение в теорию атомных спектров (Наука, Москва, 1977).

Р. Лоудон. Квантовая теория света (Мир, Москва, 1976).

Л. Мандель, Э. Вольф. Оптическая когерентность и квантовая оптика (Физматлит, Москва, 2000).

В.М. Файн. Квантовая радиофизика. Том 1, Фотоны и нелинейные среды (Изд. "Советское радио", Москва, 1972).

М. Баранже. Уширение спектральных линий в плазме. Гл. 13. В кн.: Атомные и молекулярные процессы, под ред. Д. Бейтса (Мир, Москва, 1964).

Л.А. Вайнштейн, И.И. Собельман, Е.А. Юков. Возбуждение атомов и уширение спектральных линий (Наука, Москва, 1979).

В.П. Крайнов, Б.М. Смирнов. Излучательные процессы в атомной физике (Высшая школа, Москва, 1983).

Л.А. Вайнштейн. Электромагнитные волны (Изд. "Советское радио", Москва, 1957).

Д. Маркузе. Оптические волноводы (Мир, Москва, 1974).

В.С. Лебедев, Л.П. Пресняков, И.И. Собельман. Радиационные переходы молекулярного иона H2+. Успехи физ. наук. том 173, ? 5, сс. 491-510 (2003).

И.Л. Фабелинский. Молекулярное рассеяние света (Наука, Москва, 1967).

И.Л. Фабелинский. Спектры света молекулярного рассеяния и некоторые их приложения. Успехи физ. наук. том 164, ? 9, с. 897 (1994).

И.И. Собельман. К теории рассеяния света в газах. Успехи физ. наук. том 172, ? 1, сс. 85-90 (2002).