Účelem předmětu je seznámit studenty s principy teorie optických systémů, zahrnující teoretické základy optiky a praktické dovednosti pro návrh optických systémů s využitím profesionálního softwaru. Předmět pokrývá prvky optických a submilimetrových komunikačních systémů, vlnovou a maticovou optiku, přechodové matice jednotlivých komponent, principy geometrické i vlnové optiky a šíření paprsků vnetmnostihomogenním materiálu.
Analýza šíření optického signálu v optickém vlákně vychází z geometrické optiky a řešení vlnové rovnice - vznik módu a jejich struktury. Zahrnuta je práce s Gaussovými paprsky a jejich průchodem optickými komponentami, včetně propouštění a rozptylu. Důraz se klade na absorpci a dispersi, šíření pulsů v dispersivním prostředí a na přechodové vlastnosti vláken.
V kurzu se řeší optický vysílač a přijímač, přímé a koherentní detekce a šumy v optických soustavách. Návrh optických a submilimetrových komunikačních systémů zahrnuje i téma volné prostorové optiky (FSO) a speciální vlákna pro optické senzory a systémy senzoriky. Důležitá je výroba vlákna, měření a charakteristiky, které určují parametry systémů.
V dalším rozměru se shrnují klíčové poznatky z optiky a elektromagnetického pole: šíření optických vln v homogenním i nehomogenním prostředí, řešení planárních vlnovodů metodami geometrické a vlnové optiky a zpracování projektů, včetně teoretických i praktických cvičení. Práce se zpracovává na konkrétních projektech - homogení planární vlnovod, řešení nehomogenních verzí, a parametry optických vláken, jako jsou dispersní vlastnosti a základní SI a GRIN vlákna.
Další část se věnuje návrhu optických spojů s důrazem na útlum a disperzi, a ukázkám použití softwaru pro Beam Propagation Method a ray tracing. Přechodové matice vláken, spojek a dalších komponent jsou klíčovým nástrojem pro pochopení a simulaci chování Gaussových paprsků při průchodu optickými komponentami. Teoretické základy jsou podpořeny praktickými tématy: Gaussovské paprsky, divergence a jejich interakce s různými optickými útvary.
Vedle toho se vyučuje jak lineární, tak koherentní detekce a jejich specifika v kontextu šumu a signálů v optických soustavách. Důraz je kladen na optimalizaci šířky pásma, tlumení a časové charakteristiky zpracování signálů v dispersních prostředích. V rámci laboratorních cvičení jsou představeny virtuální i hmatatelné metody a nástroje pro analýzu a návrh systémů.
Struktura kurzu a hlavní témata
- Prvky optických a submilimetrových komunikačních systémů
- Vlnová optika, maticová optika, přechodové matice komponent
- Principy geometrické a vlnové optiky, šíření paprsků v inhomogenním materiálu
- Analýza šíření optického signálu v optickém vlákně - geometrická optika a řešení vlnové rovnice
- Gaussovské paprsky, průchod komponentami
- Absorpce a disperze, šíření pulsů v dispersivním prostředí
- Přechodové vlastnosti optických vláken
- Optický vysílač a přijímač
- Přímá a koherentní detekce, šumy v optických soustavách
- Návrh optických a submilimetrových komunikačních systémů
- Free Space Optics (FSO)
- Speciální vlákna, vlákna pro optické senzory, systémy senzoriky
- Výroba vláken, měření
- Recapitulace základních poznatků z optiky a elektromagnetického pole
- Šíření optických vln v homogenním a nehomogenním prostředí
- Řešení planar hairline vlnovodů geometrickou i vlnovou metodou
- První projekt: Homogenní planar vlnovod
- Ukázky řešení nehomogenních planar vlnovodů
- Parametry optických vláken SI a GRIN
- Disperze vláknových vlnovodů - řešení konkrétních příkladů
- Druhý projekt: Návrh optického spoje se zaměřením na útlum a disperzi
- Ukázka softwaru - Beam Propagation, ray tracing
- Přechod Gaussovského paprsku vláknem a komponentami
- Třetí projekt: Přechod Gaussovského paprsku optickými komponentami
V rámci studia jsou uvedeny a doplňující zdroje z oblasti fotoniky a optických systémů: Agrawal, Saleh a Teich, Goodman, Gross, Rolt, Amigo a další. Kurz zahrnuje i laboratorní experimenty a projekty, které demonstrují praktické aspekty: MTF kamer, Optical 2D FT, vlastnosti obrazových senzorů, zobrazení a osvětlení, elektronová optika a design osvětlení.
Vzdělávací materiály zahrnují i ukázky z fotoniky a optických procesorů, 2D Fourier optiky, 2D korelace, filtrace a zpracování vbiometrech. Studenti si osvojují principy zpracování obrazu v biomedicínských systémech a v photonics, včetně interferometrie, polarizační optiky a imaged processing.
Klíčové komponenty a praktické aplikace
- Geometrická optika a její uplatnění v designu systémů
- Objektivy, senzory obrazů (tubes, CCD, CMOS) a jejich charakteristiky
- Fourier optika a matice optických systémů
- Imaging, photometry, radiometry a barevnost v osvětlování
- Elektronika pro zobrazování a optické konverzní prvky
- Optická procesorová a korelační technika pro obrazovou analýzu
- Elektronová optika, vliv el. a mg polí na zobrazovací systémy
- Návrh a analýza osvitových systémů, barevná teplota
- Experimenty v laboratoři - měření MTF, 2D Fourier transformace, obrazové senzory
Součástí kurzu je i demonstrace softwaru - Beam Propagation Method a ray tracing - pro vizualizaci šíření paprsků a návrh spojů. Důraz na koncepty přechodu Gaussovských paprsků, jejich divergence a interakcí s optickými komponentami a vlákny.
