Лекция №6
9516Equation Chapter (Next) Section 1
Тема. Основы оптики.
Введение
Оптика - раздел физики, в котором изучаются вопрос о природе света, закономерности световых явлений и процессы взаимодействия света с веществом.
В течение последних двух с половиной столетий представление о природе света претерпело весьма существенное изменение. В конце XVII в. сформировались две принципиально различные теории о природе света: корпускулярная теория, разработанная Ньютоном, и волновая теория, разработанная Гюйгенсом. Согласно корпускулярной теории, свет есть поток материальных частиц (корпускул), летящих с большой скоростью от источника света. Согласно волновой теории, свет представляет собой волну, исходящую от источника света и распространяющуюся с большой скоростью в «мировом эфире» - неподвижной упругой среде, непрерывно заполняющей всю Вселенную. Обе теории удовлетворительно объясняли закономерности, присущие некоторым световым явлениям, например законы отражения и преломления света. Однако такие явления, как интерференция, дифракция и поляризация света, не укладывались в рамки этих теорий.
До конца XVIII в. подавляющее большинство физиков отдавало предпочтение корпускулярной теории Ньютона. В начале XIX в. благодаря исследованиям Юнга (1801 г.) и Френеля (1815 г.) волновая теория была в значительной мере развита и усовершенствована. В ее основу лег принцип Гюйгенса-Френеля. Волновая теория Гюйгенса-Юнга-Френеля успешно объяснила почти все известные в то время световые явления, в том числе интерференцию, дифракцию и поляризацию света, в связи с чем эта теория получила всеобщее признание, а корпускулярная теория Ньютона была отвергнута.
Через полвека Джеймс Клерк Максвелл пришёл к своей теории, которая описывала процессы изменения электрического и магнитного полей во времени – а именно электромагнитные волны (ЭМВ). Экспериментальные данные позволили установить, что свет представляет собой электромагнитные волны с определённой длиной волны – от 0,4 до 0,76 мкм. Представление о волновой природе света продержалось около 50 лет. Оказалось, что спектральные линии излучения и поглощения химических элементов и фотоэффект свидетельствуют о дискретном поглощении и излучении света. То есть свет ведёт себя как совокупность большого числа частиц (квантов) – фотонов. В дальнейшем квантовую теорию света развили Планк, Эйнштейн. Большой вклад в исследование электромагнитных волн внесли Бор, Шредингер, Дирак, Фейнман, Фок.
На сегодняшний день в физике общепринятой концепцией считается концепция корпускулярно-волнового дуализма. Согласно ей, все частицы обладают как волновыми свойствами, так и корпускулярными. То есть свет в одних случаях можно считать волной, а в других – совокупностью частиц. В сегодняшней лекции мы затронем вопросы, касающиеся волновой природы света.
В
ЭМВ колеблются векторы электрического
и магнитного полей
,
(Рис.6.1).
|
|
|
Рис. 6.1. Колебания векторов напряженности электрического и магнитного полей в ЭМВ. |
Из
экспериментальных данных следует, что
физиологическое, фотохимическое,
фотоэлектрическое действия света
вызываются колебаниями электрического
вектора
,
поэтому мы будем рассматривать только
электрическую составляющую электромагнитной
волны.
Модуль
амплитуды светового вектора мы будем
обозначать, как правило, буквой
(иногда
).
Соответственно, изменение во времени
и пространстве проекции светового
вектора на направление, вдоль которого
он колеблется, будет описываться
уравнением
, 96696\* MERGEFORMAT (.)
где
- угловая частота,
- волновое число,
- расстояние, отсчитываемое вдоль
направления распространения световой
волны. Для плоской волны, распространяющейся
в непоглощающей среде,
,
для сферической волны
.
Отношение
скорости световой волны в вакууме к
фазовой скорости
в некоторой среде называется абсолютным
показателем преломления этой среды и
обозначается буквой
:
. 97697\* MERGEFORMAT (.)
Теория Максвелла приводит к соотношению
, 98698\* MERGEFORMAT (.)
где
- электрическая и магнитная проницаемости
среды. Для большинства прозрачных
веществ можно считать, что
.
Формула 698 на первый взгляд может
показаться неправильно: для воды
,
в то время как
.
Тем не менее, учёт дисперсии света в
воде позволяет получить правильное
значение для показателя преломления
по формуле 698.
Значение
показателя преломления характеризует
оптическую плотность среды. Чем
больше его значение, тем больше оптическая
плотность среды. Если в вакууме длины
волны с частотой
равна
,
то в веществе она определяется по
формуле:
. 99699\* MERGEFORMAT (.)
То есть в оптически более плотном веществе длина волны уменьшается по сравнению с оптически менее плотным веществом.
|
|
|
Рис. 6.2. Колебания вектора напряжённости электрического поля. |
:
.
Линии, вдоль которых распространяется
световая энергия, называются лучами.
Колебания вектора напряжённости
электрического поля происходят в
плоскости, перпендикулярной к лучу
(Рис. 6.2.). То есть, ЭМ колебания являются
поперечными. В свете, испускаемым
обычными источниками, данные колебания
совершаются в самых различных направлениях,
перпендикулярных к лучу. Это происходит
из-за того, что излучение светящегося
тела представляет собой суперпозицию
волн, у которых фаза колебаний случайна,
следовательно, будет случайно и
направление колебаний результирующего
вектора электрического поля. Если
направления колебаний вектора
электрического поля упорядочены
каким-либо образом, то говорят, что свет
поляризован. Например, колебание
напряжённости электрического поля в
одном направлении соответствует линейной
поляризации. В случае, когда конец
вектора
описывает эллипс, говорят, что свет
поляризован эллиптически. При равенстве
полуосей эллипса поляризация света
считается круговой.Отражение и преломление плоской волны на границе двух диэлектриков.
Пусть
плоская ЭМВ падает на плоскую границу
раздела двух однородных и изотропных
диэлектриков. Диэлектрик, в котором
распространяется падающая волна,
характеризуется диэлектрической
проницаемостью
,
а второй диэлектрик -
.
Опыт показывает, что кроме распространяющейся
во втором диэлектрике плоской преломлённый
волны, в первом диэлектрике возникает
отражённая плоская волна (Рис. 6.3).
|
|
|
Рис. 6.3. Отражение и преломление ЭМВ
на границе раздела 2-х диэлектриков.
|
Из граничных условий
, 1006100\* MERGEFORMAT (.)
где
- параллельные к границе раздела
компоненты электрического поля, следует,
что частота отражённого и преломлённого
лучей равна частоте падающего света.
Кроме того,
, 1016101\* MERGEFORMAT (.)
. 1026102\* MERGEFORMAT (.)
Соотношение 6101 выражает закон отражения света: луч отражённый лежит в одной плоскости с падающим лучом и нормалью, восстановленной в точке падения; угол отражения равен углу падения.
Соотношение 6102 выражает закон преломления света: преломлённый луч лежит в одной плоскости с падающим лучом и нормалью, восстановленной в точке падения; отношение синуса угла падения к синусу угла преломления есть величина постоянная для данных веществ.
Из формулы 6102 видно, что при переходе света из оптически более плотной в оптически менее плотную среду, луч удаляется от нормали. Предельное значение угла будет равно
. 1036103\* MERGEFORMAT (.)
При этом
.
При углах падания в промежутке
световая волна проникает во вторую
среду на глубину порядка
,
а затем возвращается обратно в первую.
Данное явление носит названиеполного
внутреннего отражения.
Фотометрические величины и единицы.
Фотометрией называется раздел оптики, занимающийся измерением световых потоков и величин, их характеризующих. Это находит применение при исследованиях клеточных структур, концентраций разнообразных веществ, диагностиках болезней.
Сила
света. Источник света, размерами
которого можно пренебречь по сравнению
с расстоянием от места наблюдения до
источника, называетсяточечным. В
однородной и изотропной среде волна,
излучаемая точечным источником, будет
сферической. Для характеристики точечных
источников света применяетсясила
света
,
которая определяется как поток излучения
источника, приходящийся на единицу
телесного угла
:
. 1046104\* MERGEFORMAT (.)
Измеряется сила света в канделах (кд) и
является одной из основных единиц
системы СИ. Размерность – Вт/ср. В общем
случае сила света зависит от направления:
,
где
- полярный и азимутальные углы в
сферической системе координат. Если
не зависит от направления, источник
света называется изотропным, и для него
выполняется:
, 1056105\* MERGEFORMAT (.)
где
- полный световой поток, излучаемый по
всем направлениям.
Световой
поток. Единицей светового потока
являетсялюмен(лм). Он равен световому
потоку, излучаемому изотропным источником
с силой света в 1 кд в пределах телесного
угла в 1 стерадиан: 1 лм = 1кд*1ср. Опытным
путём установлено, что световому потоку
в 1 лм, образованному излучением с длиной
волны
нм, соответствует поток энергии в
Вт.
Освещённость. Степень освещённости некоторой поверхности падающим на неё светом характеризуется величиной
, 1066106\* MERGEFORMAT (.)
|
|
|
Рис. 6.4 |
- световой поток, падающий на элемент
площади
.
Единицей освещённости являетсялюкс(лк), равный степени освещённости,
создаваемый потоком в 1 лм, равномерно
распределённым по поверхности площади
в 1 м2: 1 лк = 1лм/1м2.Освещённость
,
создаваемую точечным источником, можно
выразить через силу света
,
расстояние
от поверхности до источника и угол
между нормалью
к поверхности и направлением на источник.
Пусть на площадку
(Рис. 6.4) падает поток
,
заключённый в пределах телесного угла
,
опирающегося на
.
Угол
равен
.
Поэтому
.
Разделив правую и левую части последней
формулы на
,
получим выражение для освещённости:
. 1076107\* MERGEFORMAT (.)
Светимость.
Протяжённый источник света можно
охарактеризоватьсветимостью
его различных участков, под которой
понимается световой поток, испускаемый
единицей площади наружу по всем
направлениям (
,
где угол
- угол, образуемый данным направлением
с внешней нормалью к поверхности):
, 1086108\* MERGEFORMAT (.)
где
- поток, испускаемый наружу по всем
направлениям элементом поверхности
источника. Светимость так же, как и
освещённость измеряется в люксах. Она
может быть вызвана за счёт отражения
излучения.
Яркость.
Светимость характеризует излучение
(или отражение) света данным местом
поверхности по всем направлениям. Для
характеристики излучения в заданном
направлении служитяркость
.
Направление можно задать полярным углом
и азимутальным углом
.
Яркость определяется как отношение
силы света
элементарной поверхности
в данном направлении к проекции площадки
на плоскость, перпендикулярную к данному
направлению (Рис.6.5):
. 1096109\* MERGEFORMAT (.)
Очевидно, что в общем случае яркость
источника зависит от выбранного
направления. Если яркость источника
одинакова для всех направлений, то он
называется ламбертовским источником.
Для такого источника имеет место
следующее соотношение, связывающее его
светимость
и яркость
:
. 1106110\* MERGEFORMAT (.)
|
|
|
Рис. 6.5. |
служит кд/м2. Яркостью в кд/м2
обладает равномерно светящаяся
плоская поверхность в направлении
нормали к ней, если в этом направлении
сила света одного квадратного метра
поверхности равна 1 кд.Геометрическая оптика
Длины
воспринимаемых глазом световых волн
очень малы, поэтому распространение
видимого света можно в первом приближении
рассматривать, отвлекаясь от его волновой
природы и полагая, что свет распространяется
вдоль некоторых линий, называемых
лучами. В предельном случае, когда
,
законы оптики можно сформулировать на
языке геометрии. Раздел оптики, в котором
пренебрегают конечностью волн, называется
лучевой или геометрической оптикой.
Основу лучевой оптики образуют 4-ре закона: закон прямолинейного распространения света, закон независимости световых лучей, закон отражения света, закон преломления света.
Закон прямолинейного распространения светагласит, что в однородной среде свет распространяется прямолинейно. Закон нарушается при прохождении света через препятствия, сравнимые с длиной волны.
Закон независимости световых лучей гласит, что лучи при пересечении не возмущают друг друга и распространяются независимо друг от друга. Данный закон может нарушаться при больших интенсивностях излучения в веществе, в фотонных кристаллах, где лучи могут вести себя подобно упругим телам. Законы отражения и преломления были сформулированы выше.
В основу геометрической оптики был положен принцип, установленный французским математикомФермав середине 17 века. Данный принцип гласит: свет распространяется по такому пути, для прохождения которого ему требуется минимальное время. Величина
1116111\* MERGEFORMAT (.)
называется оптической длиной пути.Принцип Фермаможно перефразировать: свет распространяется вдоль пути с минимальной оптической длиной. Из этого следует закон обратимости световых лучей – ход луча при переходе из точки А в точку Б будет точно таким же, как из точки Б в точку А.
Центрированная оптическая система
|
|
|
Рис. 6.6. Гомоцентрический пучок: а) сходящийся; б) расходящийся. |
,
пересекутся в точке
,
которая называется изображением точки
.
Если любая точка предмета изображается
в виде точки, то изображение называется
точечным, илистигматическим.
Изображение называетсядействительным,
если световые лучи в точке
действительно пересекаются, имнимым,
если пересекаются их продолжения,
проведённые в направлении, обратном к
распространению лучей. В следствие
обратимости световых лучей источник
света
и
могут поменяться местами. Изображение
источника, помещённого в
,
будет находиться в точке
.Оптическая
система, которая даёт стигматическое
изображение, геометрически подобное
отображаемому предмету, называетсяидеальной. С помощью такой системы
пространственная непрерывность точек
отображается в пространственную
непрерывность
.
Первая непрерывность точек называетсяпространством предметов, а вторая
–пространством изображений.
Оптическая система, представляет собой совокупность отражающих и преломляющих поверхностей, отделяющих друг от друга оптически однородные среды. Обычно эти поверхности бывают сферическими или плоскими, однако возможно применение и более сложных поверхностей – эллипсоиды, гиперболоиды, параболоиды вращения. Если центры всех поверхностей лежат на одной прямой, то система называется центрированной, а данная прямая – оптической осью системы.
|
|
|
Рис. 6.7. Задняя фокальная плоскость
|
или плоскости
из пространства предметов соответствует
точка
или плоскости
из пространства изображений. Среди
бесконечного множества сопряжённых
точек и плоскостей существуют точки и
плоскости, обладающие особыми свойствами.
Называются они кардинальными – фокальные,
главные, узловые точки и плоскости.
Задание кардинальных точек определяет
свойства идеальной центрированной
оптической системы.Фокальные
плоскости и фокусы оптической системы.
На Рис. 6.7. показаны внешние преломляющие
поверхности и оптическая ось некоторой
идеальной системы. Возьмём в пространстве
предметов этой системы плоскость
,
перпендикулярную оптической оси. Из
соображений симметрии очевидно, что
сопряжённая ей плоскость
будет также перпендикулярна оптической
оси. Перемещение плоскости
на бесконечность в левую сторону вызовет
смещение плоскости
в положение
.
Плоскость
называется задней фокальной плоскостью,
а точка её пересечения с оптической
осью – задним фокусом системы. Задний
фокус системы сопряжён с точкой
,
лежащей на оси системы. Лучи, вышедшие
из этой точки образуют параллельный
пучок и собираются в заднем фокусе
системы. Упавший на систему параллельный
пучок может выйти из системы в виде
расходящегося пучка, тогда в точке
будут пересекаться не сами лучи, а их
продолжения. В этом случая задний фокус
окажется перед системой. Если из
бесконечно удалённой точки
,
несовпадающей с точкой
,
выходит параллельный пучок, направленный
под углом
к оси, то они сойдутся в точке
(Рис. 6.7).
|
|
|
Рис. 6.8. Задняя фокальная плоскость
|
,
то сопряжённая ей плоскость
перейдёт в положение
(Рис.6.8). Точка пересечения
с оптической осью системы называется
передним фокусом системы.Главные плоскости и точки.
Рассмотрим
две сопряжённые плоскости, перпендикулярные
к оптической оси системы. Отрезок прямой
,
лежащий в одной из этих плоскостей,
будет иметь своим изображением отрезок
прямой
.
Из осевой симметрии системы вытекает,
что отрезки
и
должны лежать в одной проходящей через
оптическую ось плоскости (в плоскости
рисунка). При этом изображение
может быть обращено либо в ту же сторону,
что и предмет (Рис. 6.9а), либо в противоположную
сторону (Рис. 6.9б). В первом случае
изображение называется прямым, во втором
– обратным. От
|
|
|
Рис. 6.9. Отрезки
|
Отношение линейных размеров изображения и предмета называется линейнымилипоперечным увеличением:
. 1126112\* MERGEFORMAT (.)
Линейное увеличение является алгебраической величиной. Оно положительно, если изображение прямое, и отрицательно, если изображение обратное.
|
|
|
Рис. 6.10. Возможное расположение главных плоскостей оптической системы. |
.
Данные плоскости называютсяглавными.
Главная плоскость в пространстве
предметов называетсяпередней главной
плоскостью. Главная плоскость в
пространстве изображений называетсязадней главной плоскостью. Обозначаются
данные плоскости буквами
и
,
соответственно. Аналогично обозначаются
и их точки пересечения с оптической
осью системы. В зависимости от устройства
системы главные плоскости могут
находиться как вне, так и внутри системы
(Рис.9.10). Возможны ситуации, когда одна
из главных плоскостей находится внутри
системы, а другая – снаружи её. Иногда
реализуется ситуация, когда обе главные
плоскости находятся вне системы с одной
стороны.Фокусные
расстояния и оптическая сила системы.
Расстояние от передней главной точки
до переднего фокуса
называется передним фокусным расстоянием
.
Расстояние от
до
называется задним фокусным расстоянием
.
Фокусные расстояния – алгебраические
величины. Они положительны, если
соответствующий фокус лежит справа от
своей главной точки, и наоборот. Для
фокусных расстояний центрированной
оптической системы, образованной двумя
сферическими преломляющими поверхностями,
имеется соотношение:
, 1136113\* MERGEFORMAT (.)
где
- показатель преломления среды, находящейся
перед оптической системой, а
- преломления среды, находящейся за
системой. При равенстве показателей
преломления слева и справа модули
фокусных расстояний равны. Величина
1146114\* MERGEFORMAT (.)
называется оптической силойсистемы.
Чем больше
,
тем сильнее система преломляет лучи.
Действительно, тем меньше будет фокусное
расстояние, и тем меньше будет расстояние
от главной плоскости до точки сбора
параллельных лучей, падающих на линзу.
Измеряется оптическая сила в диоптриях
– 1/м.
Формула
оптической системы. Задание кардинальных
плоскостей или точек полностью определяет
свойства оптической системы. В частности,
зная их расположение, можно построить
изображение предмета, даваемое системой.
Возьмём в пространстве предметов отрезок
,
перпендикулярный к оптической оси (Рис.
6.11). Положение этого отрезка можно задать
либо расстоянием
от точки
до точки
,
либо расстоянием
от
до
.
Величины
являются алгебраическими (на рисунках
указаны их модули).
|
|
|
Рис. 6.11. Кардинальные плоскости и точки системы позволяют построить изображение предмета ОР, создаваемое ей. |
Проведём
из точки
луч 1, параллельный оптической оси. Он
пересечёт плоскость
в точке
.
В соответствии со свойствами главных
плоскостей сопряжённый лучу 1 луч
должен проходить через сопряжённую с
точкой
точку
.
Так как луч 1 параллелен оптической оси,
из точки
он пойдёт в точку
.
Теперь проведём из точки
луч 2, проходящий через передний фокус.
Он пересечёт плоскость
в точке
.
Сопряжённый с ним луч
пройдёт точку
и пойдёт далее параллельно оптической
оси. Изображение точки
будет находиться на месте пересечения
лучей
и обозначаться
.
Изображение
также перпендикулярно оптической оси
системы.
Между
расстояниями
имеется соотношение, называемое формулой
Ньютона:
. 1156115\* MERGEFORMAT (.)
Из формулы 6115 легко получить соотношение
между
:
. 1166116\* MERGEFORMAT (.)
Принцип Гюйгенса-Френеля.
|
|
|
Рис.6.12. |
доходит фронт волны, становится источником
вторичных сферических волн; огибающая
этих волн проходит через фронт волны в
момент времени
(Рис.6.12).Интерференция света.
Пусть две ЭМВ с одинаковой частотой находятся в одной области пространства и возбуждают колебания в одной плоскости:
. 1176117\* MERGEFORMAT (.)
При
сложении данных волн амплитуда
результирующего колебания будет
подчиняться следующему выражению:
, 1186118\* MERGEFORMAT (.)
где
- разность фаз. Если
остаётся постоянной во времени, то волны
называются когерентными. В случае
некогерентных волн член, содержащий
косинус, в среднем равен нулю, и амплитуда
колебаний
будет определяться как
.
С учётом того, что интенсивность
,
в некоторой точке пространства будет
наблюдаться простое сложение
интенсивностей. Иная картина происходит
в случае сложения когерентных волн.
Например, при
и равных амплитудах можно наблюдать
увеличение амплитуды в одних точках
пространства в два раза, а в других –
полное отсутствие поле. То есть, в
пространстве будут чередоваться
стационарные мини
|
а) |
|
|
Рис. 6.13. Интерференция а) плоской волны с волной, несущей оптический вихрь; б) двух соосных пучков. | |
|
|
|
Рис. 6.14. Интерферометр Фабри-Перо. |
м) при отражении от кристаллов позволяет
определить расстояние между его атомными
плоскостями, кристаллическую структуру.
В качестве примера можно привестиинтерферометрФабри-Перо (Рис.6.14),
который используется для исследования
тонкой структуры спектральных линий.
Он представляет собой две стеклянные
или кварцевые пластины, разделённые
воздухом или кольцом инвара (сплав
никеля (0,36) и железа). Стороны пластин,
обращённые друг к другу, тщательно
отшлифованы (отклонения – до сотых
долей длины волны). При попадании луча
на внешнюю сторону одной из пластин в
промежутке между ними происходит
многолучевая интерференция, в результате
которой формируется специфическая
интерференционная картина по выходу
из интерферометра.
Дифракция света
Дифракциейназывается совокупность явлений, сопровождающих распространение волны в среде с резкими неоднородностями. Например, к ним относится огибание светом препятствий и его проникновение в область геометрической тени. В качестве другого примера можно привести прутик в воде, по которой бегут волны. Данные волны «не замечают» прутика, огибая его.
Различают два вида дифракции света. При падении на препятствие практически параллельного пучка лучей и прохождении через точку наблюдения также параллельного пучка лучей говорят о дифракции Фраунгофера. В противном случае говорят одифракции Френеля.
Дифракционная решётка. Дифракционной решёткой называется совокупность большого числа одинаковых отстоящих друг от друга на одно и то же расстояние щелей. Она характеризуется периодом – расстоянием между серединами соседних щелей. При спектральных исследованиях после решётки, обычно, помещают собирающую линзу (Рис.6.15а), и затем проводят измерения на основе полученной интерференционной картины (Рис.6.15б).
|
а) |
б) |
|
Рис.6.15. а) использование дифракционной решётки при спектральных измерениях; б) дифракционная картина на экране. | |
Положение главных максимумов определяется формулой:
, 1196119\* MERGEFORMAT (.)
где
- направление на максимум порядка
,
- период решётки,
- длина волны излучения.






- волновые векторы ЭМВ,
- углы падения, отражения и преломления,
соответственно.



и задний фокус.
и задний фокус.
и
,
лежащие в сопряжённых плоскостях.



б)

