Явления волновой оптики
Некоторые основные явления оптики изучались очень давно. Так, например, явление преломления света было уже известно Аристотелю. Пытался описать количественно это явление Птолемей. Он измерял углы падения и преломления малых углов, что привело его к неверному заключению о пропорциональности этих углов. Верная формулировка закона преломления принадлежит Снеллию и Декарту. Декарт дал современную формулировку закона. Но следует отметить, что точка зрения на законы оптики изменялась со временем.
Прямолинейное распространение света дало И. Ньютону предпосылку придерживаться корпускулярной теории света. Например, отражение световых лучей рассматривалось как отражение упругого шарика при ударе о плоскую поверхность.
Явление преломления Ньютон трактовал как притяжение световых корпускул преломляющей средой, он считал, что в результате этого притяжения изменяется их скорость движения при переходе в иное вещество.
Параллельно с работами Ньютона, была написана работа Гюйгенса «Трактат о свете». В этой книге ученый выдвинул принципиально другую теорию света. Он основывался на схожести акустических и оптических явлений и полагал, что свет необходимо рассматривать как упругие импульсы, которые распространяются в эфире (особой среде). Гюйгенс говорил в своей книге о том, что проводит параллель между распространением света и волнами на поверхности воды.
Гюйгенс, говоря о свете, как о волне, не вкладывал в это понятие того содержания, которое мы имеем в виду в настоящее время. Он напрямую указывал на отсутствие периодичности в оптических явлениях. Поэтому представление о том, что Гюйгенс — создатель волновой теории света, противопоставляемой теории Ньютона, является неточным.
Явление преломления света и принцип Гюйгенса
Самой ценной идеей Гюйгенса был его принцип о том, что любая точка, до которой дошло световое возбуждение, становится источником вторичных волн. Поверхность, которая огибает в любой фиксированный момент времени эти вторичные волны, показывает фронт волны на этот момент.
Принцип Гюйгенса и его теория объясняет закон преломления света:
- $\alpha<>$ – угол падения;
- $\beta<>$ – угол преломления;
- $v_1$ – скорость распространения света в первом веществе;
- $ v_2$ – скорость распространения света во втором веществе;
- $n$ – коэффициент преломления (относительный показатель преломления).
Теоретическая система волновой оптики начала складываться в начале XIX века. Теоретические исследования Максвелла доказали, что свет – это электромагнитная волна, обладающая всеми соответствующими волновыми свойствами.
Основные явления, которые рассматривает волновая оптика:
- Отражение, преломление света.
- Интерференция.
- Дифракция.
- Поляризация.
- Диффузное отражение света.
- Рефракция и др.
Интерференция
Явление интерференции световых волн возникает у когерентных источников света. Состоит оно в том, что при наложении этих электромагнитных волн происходит перераспределение светового потока и в некоторых пространственных точках возникают максимумы, а в других минимумы интенсивности.
Когерентными называют волны (источники волн), если разность фаз их постоянна во времени.
Дифракция света
Дифракция – это комплекс явлений, которые происходят при распространении волн света в веществе, в котором встречаются неоднородности (препятствия) на пути этих волн, при этом законы геометрической оптики нарушаются.
Распространенным примером дифракции является процесс огибания препятствий световыми волнами и проникновение волны в область геометрической тени.
Поляризация
Электромагнитные волны являются поперечными. Их свойства зависят от ориентации векторов напряженности электрического и магнитного полей.
Световая волна складывается из большого числа цугов волн, которые испускаются отдельными атомами. Плоскость, в которой происходят колебания каждого цуга, ориентируется случайно. В световой волне колебания в разных направлениях равновероятны. В обычном свете разные направления колебаний быстро сменяют друг друга.
Свет, в котором колебания каким-либо образом упорядочены, называют поляризованным.
Часто встречающиеся виды поляризации света:
- Плоская (линейная) поляризация. Колебания светового вектора (вектора напряженности электрического поля) происходят в одной плоскости.
- Эллиптическая и круговая поляризация.
- Поляризация при отражении и преломлении. При падении неполяризованного света на границу раздела двух изотропных диэлектриков, отраженная и преломленная волны будут частично поляризованными. Если угол падения луча удовлетворяют условию:
гд е $>_b$ – угол падения (угол Брюстера); $n_$ – относительный коэффициент преломления,
то отраженный свет будет полностью поляризованным в плоскости падения. При выполнении условия (2) отраженный и преломленный лучи будут перпендикулярны.
Степень поляризации может быть существенно увеличена при многократном отражении и преломлении, например, в стопке плоскопараллельных пластинок.
Диффузное отражение света
Диффузным (или рассеянным) отражением света называют отражение, которое происходит во множестве разных направлений.
Такое отражение можно наблюдать, если граница раздела сред очень шероховатая.
Границу раздела сред называют абсолютно матовой, если отражение света происходит равномерно во всех направлениях.
Рефракция света
Рефракция света – это искривление лучей света, как следствие преломления в оптически неоднородном веществе при непрерывно изменяющемся в пространстве показателе преломления света.
В качестве примера рефракции можно привести искривление лучей света приходящих от небесных тел при следовании их через Земную атмосферу. Это явление происходит в результате уменьшения плотности атмосферы (следовательно, показателя преломления) при удалении от поверхности нашей планеты.
Искривление световых лучей от далеких источников на Земле, которое происходит в атмосферном слое, который прилегает к поверхности, называют земной рефракцией. Следствием земной рефракции могут возникать миражи.
Источник
Волновые свойства электромагнитного излучения
Интерференцией называется явление наложения когерентных волн, в результате которого наблюдается перераспределение энергии светового потока в пространстве. В тех точках пространства, куда волны пришли в одной фазе, наблюдаются максимумы интенсивности (волны усиливают друг друга); в точках пространства, куда волны пришли в противофазе, наблюдаются минимумы интенсивности (волны ослабляют друг друга).
Когерентными называются волны одинаковой частоты, разность фаз которых сохраняется во времени. Все источники света (кроме лазеров) дают некогерентное излучение, поэтому для наблюдения интерференции используют разделение электромагнитной волны на части, проходящие разные оптические пути. Примером разделения волны может служить интерференция в тонких пленках.
Для расчета интерференционных картин используют понятие оптической разности хода Δ:
Здесь S – путь, пройденный световой волной в среде с показателем преломления n.
Если когерентные волны приходят в некоторую точку пространства в одной фазе, то оптическая разность хода составляет четное число полуволн, если волны приходят в эту точку в противофазе, то оптическая разность хода составляет нечетное число полуволн. Таким образом, условия максимума и минимума интерференции имеют вид:
максимум: Δ=2 k λ./2; минимум: Δ=(2 k+ 1)λ./2, k =0,1,2,3…. (2.7.6)
Интерференцией света объясняются радужная окраска мыльных пузырей, цветные пятна нефти или бензина на лужах, цветная окраска крыльев бабочек и стрекоз и т.д.
Интерференция света нашла широкое применение в технике и научных исследованиях. Это явление обусловлено волной природой света, поэтому его количественные закономерности зависят от длины волны. Интерференция применяется в интерференционной спектроскопии для измерения длин волн. На явлении интерференции света основано улучшение качества оптических приборов (просветление оптики) и получение высоко отражающих покрытий. Большое значение имеют интерферометры – точные измерительные приборы, используемые для определения изменения длины тел при изменении температуры, контроля чистоты обработки поверхности, точного измерения углов и т.д. Интерференционные рефрактометры позволяют измерить незначительные изменения показателя преломления при изменении давления, температуры, примесей и т.д.
Дифракция электромагнитных волн
Дифракцией света называется совокупность явлений, связанных с распространением света в среде с резкими оптическими неоднородностями. В частности, дифракция приводит к отклонению световых волн от прямолинейного распространения и огибанию препятствий, сравнимых с длиной световой волны (l~10 –7 м).
Размеры объектов макромира существенно превышают длину световой волны, поэтому обычно свет ведет себя по законам геометрической оптики. Из опыта известно, что предметы, освещаемые светом, дают резкую тень. Явлением дифракции объясняются радужные ореолы вокруг фонарей в тумане, расцвечивание пыли в ярком луче света и т.д.
Большое практическое значение имеет дифракция, наблюдаемая при прохождении света через одномерную дифракционную решетку – систему параллельных щелей равной ширины, разделенных равными по ширине непрозрачными промежутками. Дифракционная решетка используется для исследования спектрального состава света, концентрации энергии световой волны в определенном направлении.
Интерес представляет дифракция на пространственных решетках – пространственных образованиях, имеющих геометрически правильное и периодически повторяющееся расположение. Такими образованиями являются, например, кристаллы. Постоянная решетки кристалла составляет величину ~10 –10 м, поэтому наблюдение дифракции в видимом диапазоне (l~10 –7 м) на кристаллах невозможно. Однако кристаллы используются для наблюдения дифракции рентгеновского излучения (l~10 –10 м). Это явление лежит в основе рентгеноструктурного анализаи рентгеновской спектроскопии. Рентгеноструктурный анализ позволяет на основе анализа дифракционной картины определить структуру вещества. Рентгеновская спектроскопия позволяет анализировать спектральный состав рентгеновского излучения. Методы исследования структуры вещества, основанные на дифракции электронов и нейтронов, называются соответственно электронографией и нейтронографией.
Дифракция света накладывает ограничение на разрешающую способность оптических приборов.
Поляризация света
Следствием теории Максвелла является поперечность световых волн: вектора напряженностей электрического и магнитного полей взаимно перпендикулярны и колеблются перпендикулярно вектору скорости волны (перпендикулярно лучу). Поэтому для описания закономерностей поляризации света достаточно знать поведение лишь одного из векторов. Обычно рассуждения ведутся относительно вектора напряженности электрического поля, который называется световым вектором. Это название обусловлено тем, что при действии света на вещество основное значение имеет электрическая составляющая поля волны.
Свет представляет собой суммарное электромагнитное излучение множества атомов источника. Атомы излучают световые волны независимо друг от друга, поэтому световая волна, излучаемая телом в целом, характеризуется всевозможными равновероятными колебаниями светового вектора. Свет, в котором все направления колебаний представлены с равной вероятностью, называется естественным. Свет, в котором колебания вектора каким-либо образом упорядочены, называется поляризованным.
Свет, в котором вектор напряженности электрического поля колеблется в одной плоскости, называется плоскополяризованным.
Поляризацией света называется явление упорядочения колебаний векторов напряженности электрического и магнитного полей в электромагнитной волне. Поляризованный свет получают из естественного с помощью специальных приборов, называемых поляризаторами.
В основе работы поляризаторов (поляризационных призм и поляроидов) лежит явление двойного лучепреломления. При прохождении света через анизотропные кристаллы свет раздваивается и выходящие лучи оказываются поляризованными в двух взаимно перпендикулярных плоскостях.
Свет, рассеянный небом или отраженный стеклянной витриной, является частично поляризованным.
Источником поляризованного света является лазер.
Источник