24.4. Світлові хвилі

До світлових хвиль відносяться електромагнітні хвилі, що сприймаються нашими органами зору. Довжини світлових хвиль розташовані в межах від 400 до 700  нм. Суб'єктивна характеристика світлових хвиль — їхні кольори визначається довжиною хвилі: фіолетовим кольорам відповідає _ф = 400  нм, червоному — _ч = 700 .

При взаємодії світла з неферомагнітними середовищами основну роль грає електрична складова електромагнітної хвилі, тому надалі ми будемо абстрагуватися від значно більш слабкої взаємодії з магнітною складовою. Вектор напруженості електричного поля світлової хвилі надалі будемо називати світловим вектором, а інтенсивність світла будемо визначати густиною потоку енергії електричного поля хвилі, вважаючи, що інтенсивність світла пропорційна квадрату амплітуди світлового вектора .

Нагадаємо коротенько основні закономірності поширення світла.

Рис. 24.3

Закони відбиття

1. При падінні світлової хвилі на границю поділу двох середовищ вона повністю або частково відбивається, причому падаючий промінь, відбитий промінь і нормаль, опущена в точку падіння променя, лежать в одній площині² .

2. Кут падіння дорівнює куту відбиття (рис. 24.3).

Закони заломлення

1. При проходженні світловою хвилею границі поділу двох середовищ вона міняє свій напрямок (переломлюється), причому падаючий і відбитий промені лежать в одній площині з нормаллю, опущеною в точку падіння променя.

2. Відношення синуса кута падіння до синуса кута заломлення для даних двох середовищ не залежить від кута падіння:

,

(24.19)

де n — відносний коефіцієнт заломлення, що дорівнює відношенню абсолютних (тобто щодо вакууму) показників заломлення

.

Експериментально й теоретично було показано, що абсолютний показник заломлення дорівнює відношенню швидкості світла у вакуумі до швидкості світла в даному середовищі, тобто

.

Таким чином, відносний показник заломлення

.

Із закону заломлення (24.19) витікає: 1)  якщо n > 1, то > , тобто при переході в оптично більше щільне середовище промінь наближається до нормалі (рис. 24.4, а); 2)  якщо n < 1,то < , тобто при переході в оптично менш щільне середовище (середовище з меншим показником заломлення) промінь віддаляється від нормалі (рис. 24.4, б).

Рис. 24.4

У другому випадку в міру збільшення кута  кут заломлення наближається до /2. При деякому куті падіння, що його називають граничним, кут = /2 і заломлений промінь відсутній — є лише відбитий промінь (рис. 24.4, в). Виникає явище повного внутрішнього відбиття. Граничний кут падіння _гр випливає із закону заломлення (24.16) при = /2:

.

Явище повного внутрішнього відбиття використається в таких елементах оптичних приладів, як поворотна призма (рис. 24.5, а), оборотна призма (рис. 24.5, б), світловод (рис. 24.5, в).

Рис. 24.5

25. Явище інтерференції

25.1. Когерентні джерела в оптиці

Інтерференцією називається явище накладання когерентних хвиль, у результаті якого відбувається просторовий перерозподіл інтенсивності – виникає картина інтерференційних максимумів і мінімумів.

Когерентними називаються такі хвилі, які мають однакову частоту і не залежну від часу різницю фаз. Саме ця сталість різниці фаз і дозволяє встановиться сталій за часом інтерференційній картині - правильному чергуванню максимумів і мінімумів. При накладанні ж некогерентних хвиль (навіть однакової частоти) стійка інтерференційна картина не утворюється - через усереднення спостерігається лише рівномірно освітлене хвильове поле.

Всі природні джерела світла складаються з великої кількості мікрочастинок (атомів, молекул), які випромінюють світлові хвилі незалежно один від одного і тому некогерентні. Світіння окремого атома триває не більш 10^-8 с, причому різні атоми починають випромінювати світлові хвилі в різні моменти часу. У результаті такої неузгодженості початкові фази світлових хвиль, випущених різними атомами, випадковим чином залежать від часу і, отже, такі хвилі будуть некогерентні. Тому світлові хвилі, що йдуть від двох незалежних джерел, не можуть интерферировать між собою.

Рис. 25.1

Для одержання когерентних світлових хвиль (когерентних джерел) застосовують такий загальний принцип: світлові хвилі за допомогою якого-небудь пристрою розділяються на дві частини, кожна з яких проходить різні шляхи, а потім за допомогою відповідних оптичних прийомів зводяться разом і вони інтерферують.

Як відокремлювальні пристрої в оптиці використовують бідзеркала Френеля (рис. 25.1, а), дзеркало Ллойда (рис. 25.1, б), біпризма Френеля (рис. 25.1, в), щілини Юнга (рис. 25.1, г) тощо. Слід зазначити, що у випадку дзеркал Френеля обидва когерентних джерела уявні, у дзеркалі Ллойда одне із джерел дійсне, а в щілинах Юнга обидва джерела дійсні.