В. о. ус­та­нав­ли­ва­ет гра­ни­цы при­ме­ни­мо­сти гео­мет­рич. оп­ти­ки, да­ёт ма­те­ма­тич. обос­но­ва­ние ис­поль­зуе­мых в ней со­от­но­ше­ний (урав­не­ние эй­ко­на­ла, Фер­ма прин­цип и др.). В про­ме­жу­точ­ной об­лас­ти, ко­гда дли­на вол­ны све­та зна­чи­тель­но мень­ше гео­мет­рич. раз­ме­ров оп­тич. сис­те­мы, но вме­сте с тем ди­фрак­ци­он­ные ис­ка­же­ния пуч­ков яв­ля­ют­ся су­ще­ст­вен­ны­ми, при­ме­ня­ют­ся ме­то­ды ква­зи­оп­ти­ки.

Вол­но­вые яв­ле­ния в не­ли­ней­ных сре­дах рас­смат­ри­ва­ют­ся в не­ли­ней­ной оп­ти­ке. Рас­про­стра­не­ние све­то­вых волн в слу­чай­но-не­од­но­род­ных сре­дах, в т. ч. в ат­мо­сфе­ре, ис­сле­ду­ет­ся ме­то­да­ми ста­ти­сти­че­ской оп­ти­ки. Совр. В. о. изу­ча­ет фор­ми­ро­ва­ние ко­ге­рент­ных све­то­вых пуч­ков в оп­тич. ре­зо­на­то­рах ла­зе­ров и пре­об­ра­зо­ва­ние пуч­ков ме­то­да­ми го­ло­гра­фии, фу­рье-оп­ти­ки и адап­тив­ной оп­ти­ки. Бы­ст­ро­ раз­ви­ваю­щи­ми­ся на­прав­ле­ния­ми яв­ля­ют­ся так­же ис­сле­до­ва­ния не­ли­ней­ных оп­тич. яв­ле­ний в во­ло­кон­ных све­то­во­дах (см.

Волновая оптика — Физическая энциклопедия

ВОЛНОВАЯ ОПТИКА — раздел физ. оптики, изучающий совокупность явлений, в к-рых проявляется волновая природа света. Представления о волновом характере распространения света восходят к основополагающим работам X. Гюйгенса (Ch. Huygens) 2-й пол. 17 в. Существенное развитие В. о. получила в исследованиях T. Юнга (T. Young), О. Френеля (A. Fresnel), Д. Араго (D. Arago) и др., когда были проведены принципиальные опыты, позволившие не только наблюдать, но и объяснить явления интерференции света, дифракции света

Дальнейшее расширение границ В. о. произошло в результате применения идей спец. теории относительности, обоснование к-рой было связано с тонкими оптическими экспериментами, в к-рых осн. роль играла относит. скорость источника и приёмника света (см.

Однако в это же время анализ опытных данных по равновесному тепловому излучению и фотоэффекту показал, что В. о. имеет определ. границы приложения. Распределение энергии в спектре теплового излучения удалось объяснить M. Планку (M. Plank; 1900), к-рый пришёл к заключению, что элементарная колебательная система излучает и поглощает не непрерывно, а порциями — квантами. Развитие А. Эйнштейном (A. Einstein) теории квантов привело к созданию новой корпускулярной оптики —

H. И. Калитеевский.

      Предметный указатель      >>   

ОПТИКА: ВОЛНОВАЯ ОПТИКА — Словарь Кольера — Русский язык

К статье ОПТИКА

В волновой оптике рассматриваются оптические явления, обусловленные волновыми свойствами света.

Волновые свойства. Волновая теория света в ее наиболее полной и строгой форме основана на уравнениях Максвелла, которые представляют собой дифференциальные уравнения в частных производных, выведенные на основе фундаментальных законов электромагнетизма. В ней свет рассматривается как электромагнитная волна, электрическая и магнитная компоненты поля которой колеблются во взаимно перпендикулярных направлениях и перпендикулярно направлению распространения волны. К счастью, в большинстве случаев для описания волновых свойств света достаточно упрощенной теории, основанной на принципе Гюйгенса. Согласно этому принципу, каждую точку данного волнового фронта можно рассматривать как источник сферических волн, и огибающая всех таких сферических волн дает новый волновой фронт.

Интерференция. Впервые интерференцию продемонстрировал в 1801 Т.Юнг в опыте, схема которого представлена на рис. 15. Перед источником света помещена щель, а на некотором расстоянии от нее — еще две щели, симметрично расположенные. На экране, установленном еще дальше, наблюдаются чередующиеся светлые и темные полосы. Их возникновение объясняется следующим образом. Щели S1 и S2, на которые падает свет из щели S, играют роль двух новых источников, испускающих свет во всех направлениях. Будет ли некоторая точка на экране светлой или темной, зависит от того, в какой фазе в эту точку придут световые волны от щелей S1 и S2. В точке P0 длины путей от обеих щелей одинаковы, поэтому волны от S1 и S2 приходят в фазе, их амплитуды складываются и интенсивность света здесь будет максимальной. Если же от этой точки продвинуться вверх или вниз на такое расстояние, что разность хода лучей от S1 и S2 будет равна половине длины волны, то максимум одной волны наложится на минимум другой и результатом будет темнота (точка P1). Если перейти дальше к точке P2, где разность хода составит целую длину волны, то в этой точке снова будет наблюдаться максимальная интенсивность, и т.д. Наложение волн, приводящее к чередованию максимумов и минимумов интенсивности называется интерференцией. Когда амплитуды складываются, интерференция называется усиливающей (конструктивной), а когда вычитаются — ослабляющей (деструктивной).

В рассмотренном опыте при распространении света за щелями наблюдается и его дифракция (см. ниже). Но можно наблюдать интерференцию и «в чистом виде» в опыте с зеркалом Ллойда. Экран ставят под прямым углом к зеркалу так, чтобы он соприкасался с ним. Удаленный точечный источник света, находящийся на малом расстоянии от плоскости зеркала, освещает часть экрана как прямыми лучами, так и лучами, отраженными от зеркала. Образуется точно такая же интерференционная картина, как и в опыте с двумя щелями. Можно было бы ожидать, что в месте пересечения зеркала и экрана должна находиться первая светлая полоса. Но поскольку при отражении от зеркала происходит сдвиг фазы на ? (что соответствует разности хода в полволны), первой на самом деле оказывается темная полоса.

Следует иметь в виду, что интерференцию света можно наблюдать только при определенных условиях. Дело в том, что обычный световой пучок состоит из световых волн, испускаемых огромным числом атомов. Фазовые соотношения между отдельными волнами все время беспорядочно меняются, причем у каждого источника света по-своему. Иначе говоря, свет двух независимых источников не когерентен. Поэтому с двумя пучками невозможно получить интерференционную картину, если они не от одного и того же источника.

Явление интерференции играет важную роль в нашей жизни. На длине волны некоторых монохроматических источников света основаны самые стабильные эталоны длины, а интерференционными методами проводится их сравнение с рабочими эталонами метра и т.п. Такое сравнение можно осуществить при помощи интерферометра Майкельсона — оптического прибора, схема которого представлена на рис. 16.

Полупрозрачное зеркало D делит свет от протяженного монохроматического источника S на два пучка, один из которых отражается от неподвижно закрепленного зеркала M1, а другой — от зеркала M2, перемещающегося на прецизионных микрометрических салазках параллельно самому себе. Части идущих обратно пучков объединяются ниже пластинки D и дают интерференционную картину в поле зрения наблюдателя E. Интерференционную картину можно фотографировать. В схему обычно добавляют компенсирующую пластинку D?, благодаря чему пути, проходимые в стекле обоими пучками, становятся одинаковыми и разность хода определяется только положением зеркала M2. Если зеркала отъюстированы так, что их изображения строго параллельны, то возникает система интерференционных колец. Разность хода двух пучков равна удвоенной разности расстояний от каждого из зеркал до пластинки D. Там, где разность хода равна нулю, будет максимум для любой длины волны, и в случае белого света мы получим белое («ахроматическое») равномерно освещенное поле — полосу нулевого порядка. Для ее наблюдения необходима компенсирующая пластинка D?, устраняющая влияние дисперсии в стекле. При перемещении подвижного зеркала наложение полос для разных длин волн дает окрашенные кольца, которые снова смешиваются в белый свет при разности хода в нескольких сотых миллиметра.

При монохроматическом освещении, медленно перемещая подвижное зеркало, мы будем наблюдать деструктивную интерференцию, когда перемещение составит четверть длины волны. А при перемещении еще на одну четверть снова будет наблюдаться максимум. При дальнейшем перемещении зеркала будут появляться все новые и новые кольца, но условием максимума в центре картины по-прежнему будет равенство

2d = N?,

где d — смещение подвижного зеркала, N — целое число, а ? — длина волны. Таким образом, расстояния можно точно сравнивать с длиной волны, просто подсчитывая число интерференционных полос, появляющихся в поле зрения: каждая новая полоса соответствует перемещению на ?/2. На практике при больших разностях хода получить четкую интерференционную картину нельзя, поскольку реальные монохроматические источники дают свет, хотя и в узком, но конечном интервале длин волн. Поэтому при увеличении разности хода интерференционные полосы, соответствующие разным длинам волн, в конце концов перекрываются настолько, что контраст интерференционной картины оказывается недостаточным для наблюдения. Некоторые длины волн в спектре паров кадмия обладают высокой степенью монохроматичности, так что интерференционная картина образуется даже при разности путей порядка 10 см, а наиболее резкая красная линия используется для определения эталона метра. Еще большей монохроматичностью при высокой интенсивности линий характеризуется излучение отдельных изотопов ртути, получаемых в небольших количествах на ускорителях или в атомном реакторе.

Важное значение имеет также интерференция в тонких пленках или в зазоре между стеклянными пластинками. Рассмотрим две очень близко расположенные стеклянные пластинки, освещаемые монохроматическим светом. Свет будет отражаться от обеих поверхностей, но при этом путь одного из лучей (отражающегося от дальней пластинки) будет несколько больше. Поэтому два отраженных пучка дадут интерференционную картину. Если зазор между пластинками имеет форму клина, то в отраженном свете наблюдается интерференционная картина в виде полос (равной толщины), причем расстояние между соседними светлыми полосами соответствует изменению толщины клина на половину длины волны. В случае неровных поверхностей наблюдаются контуры равной толщины, характеризующие поверхностный рельеф. Если пластинки тесно прижаты друг к другу, то можно в белом свете получить цветную интерференционную картину, которую, однако, труднее интерпретировать. Такие интерференционные картины позволяют очень точно сравнивать оптические поверхности, например для контроля поверхностей линз при их изготовлении.

Дифракция. Когда волновые фронты светового пучка ограничиваются, например, диафрагмой или краем непрозрачного экрана, волны частично проникают в область геометрической тени. Поэтому тень оказывается не резкой, как должно было бы быть при прямолинейном распространении света, а размытой. Такое огибание светом препятствий является общим для всех волн свойством и называется дифракцией. Различают два типа дифракции: дифракцию Фраунгофера, когда источник и экран бесконечно удалены друг от друга, и дифракцию Френеля, когда они находятся на конечном расстоянии друг от друга. Примером дифракции Фраунгофера может служить дифракция на одной щели (рис. 17). Свет от источника (щели S ?) падает на щель S и проходит к экрану P. Если поместить источник и экран в фокусах линз L1 и L2, то это будет соответствовать их удалению на бесконечность. Если щели S и S? заменить отверстиями, дифракционная картина будет иметь вид концентрических колец, а не полос, но распределение света по диаметру будет аналогичным. Размер дифракционной картины зависит от ширины щели или диаметра отверстия: чем они больше, тем меньше размер картины. Дифракцией определяется разрешающая способность и телескопа, и микроскопа. Предположим, что имеются два точечных источника, каждый из которых дает на экране свою дифракционную картину. При близком расположении источников две дифракционные картины перекрываются. При этом в зависимости от степени перекрытия можно различить на этом изображении две отдельные точки. Если центр одной из дифракционных картин приходится на середину первого темного кольца другой, то считается, что они различимы. Используя этот критерий, можно найти максимально возможную (ограниченную волновыми свойствами света) разрешающую способность телескопа, которая тем выше, чем больше диаметр его главного зеркала.

Из дифракционных приборов наиболее важное значение имеет дифракционная решетка. Как правило, она представляет собой стеклянную пластинку с большим числом параллельных эквидистантных штрихов, проведенных резцом. (Металлическая дифракционная решетка называется отражательной.) На прозрачную дифракционную решетку направляется параллельный пучок света, создаваемый линзой (рис. 18). Выходящие параллельные дифрагированные пучки при помощи другой линзы фокусируются на экран. (Необходимость в линзах отпадает, если дифракционная решетка выполнена в виде вогнутого зеркала.) Решетка разбивает свет на пучки, идущие как в прямом направлении (? = 0), так и под разными углами ? в зависимости от периода решетки d и длины волны ? света. Фронт плоской падающей монохроматической волны, разбитый щелями решетки, в пределах каждой щели можно в соответствии с принципом Гюйгенса рассматривать как независимый источник. Между волнами, исходящими из этих новых источников, может происходить интерференция, которая будет усиливающей, если разность их хода равна целому кратному длины волны. Разность хода, как это явствует из рис. 18, равна d sin?, а поэтому направления, в которых будут наблюдаться максимумы, определяются условием

N? = d sin?,

где N = 0, 1, 2, 3 и т.д. Случай N = 0 соответствует центральному, недифрагированному пучку нулевого порядка. При большом числе штрихов возникает ряд четких изображений источника, соответствующих разным порядкам — разным значениям N. Если на решетку падает белый свет, то он разлагается в спектр, но спектры высших порядков могут перекрываться. Дифракционные решетки широко применяются для спектрального анализа. Лучшие решетки имеют размер порядка 10 см и более, а полное число штрихов может превышать 100 000.

Дифракция Френеля. Френель исследовал дифракцию, разбивая волновой фронт падающей волны на зоны так, чтобы расстояния от двух соседних зон до рассматриваемой точки экрана различались на половину длины волны. Он установил, что если отверстия и диафрагмы не очень малы, то дифракционные явления наблюдаются только на краях пучка.

Поляризация. Как уже говорилось, свет — это электромагнитное излучение с векторами напряженности электрического поля и напряженности магнитного поля, перпендикулярными друг другу и направлению распространения волны. Таким образом, помимо своего направления световой пучок характеризуется еще одним параметром — плоскостью, в которой колеблется электрическая (или магнитная) компонента поля. Если колебания вектора напряженности электрического поля в пучке света происходят в одной определенной плоскости (а вектора напряженности магнитного поля — в перпендикулярной ей плоскости), то говорят, что свет является плоскополяризованным; плоскость колебаний вектора E напряженности электрического поля называется плоскостью поляризации. Колебания вектора E в случае естественного света принимают всевозможные ориентации, поскольку свет реальных источников слагается из света, хаотически испускаемого большим числом атомов без какой-либо преимущественной ориентации. Такой неполяризованный свет можно разложить на две взаимно перпендикулярные компоненты одинаковой интенсивности. Возможен и частично поляризованный свет, в котором доли компонент неодинаковы. В этом случае степень поляризации определяется как отношение доли поляризованного света к полной интенсивности.

Существуют и два других типа поляризации: круговая и эллиптическая. В первом случае вектор E колеблется не в фиксированной плоскости, а описывает полную окружность при прохождении светом расстояния в одну длину волны; величина вектора при этом остается постоянной. Эллиптическая поляризация аналогична круговой, но только в этом случае конец вектора E описывает не окружность, а эллипс. В каждом из этих случаев в зависимости от того, в какую сторону поворачивается вектор E при распространении волны, возможна правая и левая поляризация. Неполяризованный свет в принципе можно разложить на два пучка с круговой поляризацией в противоположных направлениях.

Когда свет отражается от поверхности диэлектрика, например стекла, и отраженный, и преломленный лучи являются частично поляризованными. При некотором угле падения, называемом углом Брюстера, отраженный свет становится полностью поляризованным. В отраженном луче вектор E параллелен отражающей поверхности. В этом случае отраженный и преломленный луч взаимно перпендикулярны, а угол Брюстера связан с показателем преломления n соотношением tg? = n. Для стекла ??? 57?.

Двойное лучепреломление. При преломлении света в некоторых кристаллах, таких, как кварц или кальцит, он разделяется на два пучка, один из которых подчиняется обычному закону преломления и называется обыкновенным, а другой преломляется иначе и называется необыкновенным лучом. Оба пучка оказываются плоскополяризованными во взаимно перпендикулярных направлениях. В кристаллах кварца и кальцита имеется также направление, называемое оптической осью, в котором двойное лучепреломление отсутствует. Это означает, что при распространении света вдоль оптической оси его скорость не зависит от ориентации вектора напряженности E электрического поля в световой волне. Соответственно, показатель преломления n не зависит от ориентации плоскости поляризации. Подобные кристаллы называются одноосными. В других направлениях один из лучей — обыкновенный — по-прежнему распространяется с той же скоростью, но луч, поляризованный перпендикулярно плоскости поляризации обыкновенного луча, имеет другую скорость, и для него показатель преломления оказывается другим. В общем случае для одноосных кристаллов можно выбрать три взаимно перпендикулярных направления, в двух из которых показатели преломления одинаковы, а в третьем направлении значение n другое. Это третье направление совпадает с оптической осью. Есть и другой тип более сложных кристаллов, в которых показатели преломления для всех трех взаимно перпендикулярных направлений неодинаковы. В этих случаях имеются две характерные оптические оси, которые не совпадают с рассмотренными выше. Такие кристаллы называются двухосными.

В некоторых кристаллах, таких, как турмалин, двойное лучепреломление хотя и имеет место, обыкновенный луч почти полностью поглощается, а выходящий луч является плоскополяризованным. Тонкие плоскопараллельные пластинки, изготовленные из таких кристаллов, очень удобны для получения поляризованного света, хотя поляризация в этом случае и не является стопроцентной. Более совершенный поляризатор можно изготовить из кристалла исландского шпата (прозрачная и однородная разновидность кальцита), определенным образом разрезав его по диагонали на два куска и склеив их затем канадским бальзамом. Показатели преломления этого кристалла таковы, что если разрез сделан правильно, то обыкновенный луч претерпевает на нем полное внутреннее отражение, попадает на боковую поверхность кристалла и поглощается, а необыкновенный проходит через систему. Такая система называется николем (призмой Николя). Если два николя расположить друг за другом на пути светового луча и ориентировать так, чтобы проходящее излучение имело максимальную интенсивность (параллельная ориентация), то при повороте второго николя на 90? поляризованный свет, даваемый первым николем, через систему не пройдет, а при углах от 0 до 90? пройдет лишь часть первоначального светового излучения. Первый из николей в этой системе называется поляризатором, а второй — анализатором. Поляризационные фильтры (поляроиды), хотя они и не являются столь совершенными поляризаторами, как николи, дешевле и практичнее. Они делаются из пластмассы и по своим свойствам сходны с турмалином.

Оптическая активность. Некоторые кристаллы, например кварц, хотя и имеют оптическую ось, вдоль которой отсутствует двойное лучепреломление, тем не менее способны поворачивать плоскость поляризации проходящего через них света, причем угол поворота зависит от оптической длины пути света в данном веществе. Таким же свойством обладают и некоторые растворы, например раствор сахара в воде. Существуют левовращающие и правовращающие вещества в зависимости от направления вращения (со стороны наблюдателя). Поворот плоскости поляризации обусловлен различием в показателях преломления для света с левой и правой круговой поляризацией.

Рассеяние света. Когда свет распространяется в среде с диспергированными малыми частицами, например сквозь дым, часть света рассеивается во всех направлениях вследствие отражения или преломления. Рассеяние может происходить даже на молекулах газа (так называемое рэлеевской рассеяние). Интенсивность рассеяния зависит от числа рассеивающих частиц на пути световой волны, а также от длины волны, причем сильнее рассеиваются коротковолновые лучи — фиолетовые и ультрафиолетовые. Поэтому, пользуясь фотопленкой, чувствительной к инфракрасному излучению, можно делать снимки в тумане. Рэлеевским рассеянием света объясняется голубизна неба: синий свет больше рассеивается, и когда смотришь на небо, этот цвет преобладает. Свет же, прошедший через рассеивающую среду (атмосферный воздух), краснеет, чем и объясняется покраснение солнца на восходе и на закате, когда оно стоит низко над горизонтом. Рассеяние обычно сопровождается поляризационными явлениями, так что для голубого неба в некоторых направлениях характерна значительная степень поляризации. См. также ОПТИЧЕСКИЕ ПРИБОРЫ; КВАНТОВАЯ МЕХАНИКА; СПЕКТРОСКОПИЯ.

История становления и развития волновой оптики

История становления и развития волновой оптики

Содержание

Введение. 3

Глава 1.Теоретические основы волновой оптики. 5

1.1. Основные понятия волновой оптики. 5

1.2. Интерференция и дифракция света. 8

1.3. Поляризация света. 13

Глава 2.Развитие волновой оптики. 16

2.1. История развития взглядов на природу света. 16

2.2. Волновая оптика Гюйгенса и оптика Ньютона. 21

2.3.Проблемы и перспективы развития волновой оптики. 26

Глава 3. Экспериментальное определение длины световой волны при помощи спектрометра. 28

Заключение. 33

Список использованной литературы.. 34

Фотоаппараты, телескопы, микроскопы, очки, линзы — все эти предметы широко используются сегодня, и все они объединены такой наукой как оптика. Мало кто задумывается, что именно этой науке, которая появилась еще в античности, мы обязаны многим современным предметам, изобретениям, без которых, возможно, уже не представляем свою повседневную жизнь.

Оптика — это наука о свойствах света, затрагивающая многие сферы жизни и имеющая широкое применение в науке и в быту.

Тема «История становления и развития волновой оптики», безусловно, актуальна, поскольку волновая теория, в отличие от корпускулярной, рассматривала свет как волновой процесс, подобный механическим волнам. В основу волновой теории был положен принцип Гюйгенса, согласно которому каждая точка, до которой доходит волна, становится центром вторичных волн, а огибающая этих волн дает положение волнового фронта в следующий момент времени.

Объектом исследования является волновая оптика.

Предметом исследования является становление и развитие волновой оптики.

Цель курсовой работы: систематизация и обобщение научного материала по волновой оптике и рассмотрение истории становление развития волновой оптики.

В соответствии с целями исследования были сформулированы следующие задачи исследования:

·                   изучить научную литературу по волновой оптике;

·                   рассмотреть основные понятия волновой оптики;

·                   описать теорию явлений интерференции, дифракции и поляризации света;

·                   исследовать историю развития взглядов на природу света;

·                   описать волновую оптику Гюйгенса и оптику Ньютона;

·                   выявить проблемы и перспективы развития волновой оптики.

В работе были использованы следующие методы исследования: описание, анализ, синтез, дедукция.

Практическая значимость курсовой работы заключается в возможности использования проведённого исследования в процессе выполнения лабораторного практикума.

Курсовая работа состоит из введения, трёх глав, заключения и списка использованной литературы.

Во введении обоснована актуальность исследования, определены объект и предмет исследования, сформулированы цель и задачи исследования, перечислены используемые в ходе выполнения работы методы исследования и указана практическая значимость работы. В главе 1 представлена подробная информация об основных понятиях волновой оптики. Особое внимание уделено интерференция, дифракция и поляризации света. Во второй главе рассматриваются процессы, связанные историей развития взглядов на природу света, также рассмотрена  волновая оптика Гюйгенса и оптика Ньютона. Определены проблемы и перспективы развития волновой оптики. В третьей главе представлены результаты экспериментального определения постоянной дифракционной решётки и длин световых волн, соответствующих фиолетовому и оранжевому цветам спектра излучения атомов ртути. В заключении представлены основные выводы по работе.

Основные законы и положения оптики как науки были сформулированы до 1900 г. В начале XX века вся физика, и оптика в частности, была подвергнута принципиальному пересмотру. Именно в это время был открыт квант энергии. Теории, которые были известны до этого момента, не перестали быть нужными, но были установлены пределы их применимости.

Оптика как наука имеет глубокие исторические корни. Первые систематические описания оптических явлений принадлежат греческим философам Эмпедоклу (490 — 430 гг. до н.э.), Евклиду (300 г. до н.э.) [1, С. 34]. Они знали о зажигательных стеклах, преломлении и отражении, прямолинейном распространении света.  Из основателей новой философии следует упомянуть Р. Декарта, который считал, что свет — это сжатие, распространяющееся в идеальной упругой среде (эфире), которая заполняет все пространство, при этом различие цветов он объяснил вращением частиц среды с разными скоростями. После демонстрации Галилеем роль эксперимента, оптика получила серьезную основу.

Закон отражения знали еще древние греки, закон преломления света был эмпирически установлен в 1621 г. В. Снеллиусом. В 1637 г. П. Ферма сформулировал принцип, из которого следует, что свет распространяется по кратчайшему пути.

Явление интерференции было обнаружено Р. Бойлем и Р. Гуком. Гук установил существование явления дифракции. Гук был первым ученым, который рассматривал свет как совокупность быстрых колебаний. В 1666 г. была выяснена природа цвета, в опыте Ньютона, который разложил призмой белый цвет на отдельные цветовые компоненты. Волновая теория испытывала затруднения в объяснении явления поляризации (открыто Гюйгенсом) и прямолинейного распространения света, поэтому Ньютон пытался развивать корпускулярную теорию света. Конечность скорости света обнаружена О. Ремером в 1675 г., когда он наблюдал за спутниками Юпитера.

Согласно современным представлениям свет – это сложное явление, которое при одних обстоятельствах ведет себя как электромагнитные волны, при других – его следует рассматривать как поток особенных частиц (фотонов).

Волновая оптика – это специальный раздел оптики, как науки, в которой рассматриваются явления, объясняемые на основе волновой природы света. Волновая теория света была расширена Х. Гюйгенсом. Он сформулировал принцип, по которому каждую точку эфира, до которого дошло световое возмущение можно рассматривать как центр нового возмущения, которое распространяется в виде сферической волны. Вторичные волны комбинируются так, что их огибающая определяет волновой фронт в любой следующий момент времени. Принцип Гюйгенса позволил объяснить законы преломления и отражения света. Он же обнаружил явление поляризации, однако объяснить ее не смог. Однако отрицание волновой теории Ньютоном привело к ее забвению почти на сто лет.

В начале XIX века были сделаны важнейшие открытия, которые заставили признать истинность волновой теории. Так, в это время Т. Юнг объяснил явление интерференции, Э.Л. Малюс обнаружил поляризацию света при отражении. Ж. Френель объединил идеи Гюйгенса о построении волнового фронта и принципа Юнга, что позволило ему объяснить прямолинейность распространения света и явление дифракции. Вместе с Араго Френель исследовал интерференцию поляризованных лучей света и получил, что лучи, поляризованные в перпендикулярных плоскостях, никогда не интерферируют. Из чего Юнг сделал вывод о том, что световые волны поперечны.

 Д. Максвелл объединил все имеющиеся знания в области электромагнетизма и сформулировал систему уравнений, самым важным следствием чего стало описание электромагнитных волн, установление их свойств. Дальнейшие исследования подтвердили правоту и предсказания Максвелла. Когда идеи Максвелла стали привычными ученые оставили попытки объяснить его уравнения механическими представлениями [1 C. 42].

В свое время и электромагнитная теория достигла границ, за которыми стала неприменимой. Она в общих чертах объясняет все явления распространения света, но не может описать процессы излучения и поглощения. Законы, которые управляют этими процессами, являются предметом изучения современной оптики, и других разделов физики.

Явление интерференции свидетельствует о том, что свет — это волна.

Интерференцией световых волн называется сложение двух когерентных волн, вследствие которого наблюдается усиление или ослабление результирующих световых колебаний в различных точках пространства.

Волны должны быть когерентны. Когерентность – согласованность. В простейшем случае когерентными являются волны одинаковой длины, между которыми существует постоянная разность фаз. Все источники света, кроме лазера, некогерентны, однако Т. Юнг впервые пронаблюдал (1802) явление интерференции, разделив волну на две с помощью двойной щели.

Свет от точечного монохроматического источника S падал на два небольших отвер­стия на экране. Эти отверстия действуют как два когерентных источника света S₂ и S₃. Волны от них интерферируют в области перекрытия, проходя разные пути: ℓ₁ и ℓ_2.

На экране наблюдается чередование светлых и темных полос (рис.1).

Рис.1 – Явление интерференции (Т.Юнг) [4, C. 56]

Метод зеркал Френеля. Два плоских соприкасающихся по линии О зеркала ОМ и ОN образуют угол, близкий к 180⁰(рис.2).

Рис.2 – Метод зеркал Френеля [4, C.59]

Угол α мал. От источника света S. На зеркала падают световые волны. Зеркала отбрасывают на экран когерентные волны, распространяющиеся так, как будто они исходили из мнимых источников S₁ и S₂, являющихся изображением источника S. Нетрудно сообразить, что OS₁ = OS₂ = r. Отсюда, расстояние между мнимыми источниками S₁ и S₂  равно

Из рисунка нетрудно видеть, что

Следовательно,

Подставив эти значения в формулу (4), найдем ширину интерференционной полосы

Область перекрытия волн имеет ширину

Поделив х на ширину полос Δx, найдем число интерференционных полос, наблюдаемых на экране

Метод бипризм Френеля. Изготовленные из одного куска стекла две призмы с общим основанием имеют малый преломляющий угол θ (рис.3).

Рис.3 – Метод бипризм Френеля [4, C.61]

Преломляющий угол призмы определяет угол отклонения α луча, прошедшего через призму, от его начального направления

Лучи от источника света S, после прохождения через призмы, распространяются так, словно они исходят из мнимых источников света S₁ и S₂._{Нетрудно сообразить, что расстояние между мнимыми источниками равно}

где a – расстояние от источника до призм. Расстояние от мнимых источников до экрана равно , где b – расстояние от призм до экрана. В соответствии с формулой (4) ширина полосы равна

Область перекрытия волн на экране имеет протяженность

Число наблюдаемых на экране полос равно

Первые опыты и активные исследования природы света начались еще в далеком XVII веке, когда итальянский ученый Франческо Гримальди впервые открыл такое интересное физическое явление как дифракция света. Что же такое дифракция света? Это отклонение света от прямолинейного распространения в силу определенных препятствий на его пути. Более научное объяснение причинам дифракции света было дано в начале XIX века английским ученым Томасом Юнгом, согласно нему дифракция света возможна благодаря тому, что свет представляет собой волну, идущую от своего источника и естественным образом искривляющуюся при попадании на определенные препятствия. Им же была изобретена первая дифракционная решетка, представляющая собой оптический прибор, работающий на основе дифракции света, то есть специально искривляющий световую волну.

Изучая поведение монохроматического пучка света, Томас Юнг, разделив его пополам, получил дифракционную картину, которая представляла собой последовательное чередование ярких и темных полос на экране. Волновая теория природы света, сформированная Юнгом, прекрасно объясняла это явление. Будучи волной, пучок света при попадании на непрозрачное препятствие искривляется, меняет траекторию своего движения. Так появляется дифракция света, при которой свет может, как целиком огибать препятствия (если длина световой волны больше размеров препятствия) или искривлять свою траекторию (когда размеры препятствий сопоставимы с длиной световой волны). Примером тут может быть попадание света через узкие щели или небольшие отверстия. На рисунке 4 показано схематическое изображение дифракции.

Рис.4 — Схема дифракции на узкой щели [5, С. 63]

Таким образом, дифракцией называют систему явлений, которые могут наблюдаться, если световые волны распространяются в веществах с неоднородными участками (или вкраплениями) и, в этой связи, возникают отклонения от законов геометрической оптики. Частным случаем дифракции является огибание препятствий волнами света и попадание света в область геометрической тени.

Наиболее простыми с точки зрения математического описания являются следующие виды дифракции от: круглого отверстия; круглого диска; прямоугольного края полуплоскости; щели; дифракционной решетки.

Световая волна, как и всякая электромагнитная волна, является поперечной. Однако в естественном луче мы не обнаружим асимметрии по отношению к направлению ее распространения. Этот факт свидетельствует о том, что в обычном луче колебания происходят в разных направлениях, но при этом, перпендикулярных вектору скорости волны. В естественном свете колебания разных направлений с высокой скоростью меняют друг друга.

Поляризованным называют луч света, в котором направления колебаний упорядочены. Однако же свет, испускаемый большинством источников света, например, раскаленными твердыми телами,  не проявляет какой-либо поляризации. Почему? Потому, что естественный свет никогда не состоит из единственной волны. Световая волна состоит из множества цугов волн, испускаемых отдельными атомами совершенно случайно, и плоскости колебаний каждого цуга ориентирована совершенно случайно. В пучке естественного света колебания различных направлений представлены с равной вероятностью (рис.5).

Рис.5 – Пучок естественного света

Свет, в котором направления колебаний каким-либо образом упорядочены, называется поляризованным. Если колебания светового вектора происходят только в одной плоскости, то такой свет называется плоско- либо линейно-поляризованным. Плоскость, в которой происходят колебания светового вектора,  называется плоскостью колебаний. Эту же плоскость называют плоскостью поляризации.  

Если угол падения света на границу раздела двух диэлектриков отличен от нуля, то отраженный и преломленный лучи оказываются частично поляризованными. В отраженном луче преобладают колебания, перпендикулярные к плоскости падения, в преломленном – колебания в плоскости падения (рис.6).

Рис.6 — Поляризация света при отражении и преломлении

Поляризация света – явление, при котором из светового пучка «убираются» все лишние электромагнитные волны. Остаются лишь те, которые лежат в определённой плоскости – плоскости поляризации. Обычно для поляризации света используют специальную поляризационную плёнку.

Рис.7 – Схема поляризации света

Поляризацию используют не только в научных лабораториях, но и в повседневной жизни. Это и поляризационные фильтры для фотоаппаратов, и антибликовые линзы в солнцезащитных очках. Кроме этого, любой ЖК монитор и дисплеи мобильных телефонов покрыты данной плёнкой. Оно помогает формировать изображение на экране.

Таким образом, волновая оптика —  это раздел оптики, изучающий явления, в которых проявляются волновые свойства света:  интерференция, дифракция, поляризация, дисперсия света и другие, связанные с ними явления.

Первые представления о природе света были известны еще у древних греков египтян. Со временем изобретались новые оптические приборы, которые развивались и трансформировались. А конец XVII века знаменит тем, что появляются две теории света: корпускулярная (И. Ньютон) и волновая (Р. Гук и Х. Гюйгенс).

Корпускулярная теория рассматривает свет как поток частиц, которые испускаются при помощи светящихся тел. Ньютон предполагал, что их движение подчинено законам механики. Понятие отражения света рассматривалось также, как и отражение упругого шарика от плоскости. Преломление света было объяснено изменением скорости корпускул при переходе из одной среды в другую. Случай с преломлением корпускулярная теория привела к такому виду записи закона:

 где с – скорость света в вакууме, υ — скорость распространения света в среде. Имеем, что n>1, тогда, исходя из нее, скорость света в средах должна была быть больше скорости света в вакууме.

Также Ньютон предпринял попытки объяснить возникновение интерференционных полос, которые были подвержены определенной периодичностью световых процессов. Поэтому корпускулярная теория содержала некоторые элементы волновых представлений.

Волновая теория рассматривала свет в качестве волнового процесса, напоминающего механические волны. В основу теории был заложен принцип Гюйгенса, из которого следовало, что каждая точка, до которой доходит волна, определяется как центр вторичных волн.

 Отсюда понятно, огибающая этих волн, изображенная на плоскости рисунка 8 определяет положение волнового фронта в последующий момент времени.

Рис.8 — Положение волнового фронта в последующий момент времени

По Гюйгенсу волновой фронт – это геометрическое скопление точек, от которых доходит волновое возмущение одновременно. Данный принцип объяснял законы отражения и преломления. На рисунке 9 изображены представления Гюйгенса об определении направления распространения волны, которая преломляется на границах двух прозрачных сред.

Если преломление происходит на границе вакуум-среды, тогда, исходя из волновой теории, приходим к результату:

Закон преломления получается из волновой теории. Но он противоречит формуле Ньютона. Волновая теория говорит о том, что υ<c, когда по корпускулярной теории υ>c.

Начало XVIII века – это было временем существования двух противоположных подходов к объяснению природы света: корпускулярная и волновая. Обе трактовали прямолинейное распространение света, законы отражения и преломления. Начало XIX столетия стало переломным моментом.

Корпускулярная теория отвергнута, а волновая была принята. Это произошло, благодаря исследованиям Т. Юнга и О. Френеля в области явлений интерференции и дифракции. Точно объяснить все явления было возможно, основываясь на волновой теории. В 1851 году ее справедливость доказана Ж. Фуко экспериментально при измерении скорости распространения света в воде, получив υ<c.

Середина XIX века – это время общепризнанной волновой теории. Но вопрос о природе световых волн оставался нерешенным. Со временем Максвелл установил общие законы электромагнитного поля, приведшие его к тому, что свет является электромагнитными волнами. Подтверждением данного факта было совпадение скорости света в вакууме с электродинамической постоянной 

Позднее электромагнитную природу света признали после опытов Герца, связанных с исследованием электромагнитных волн. П.Н. Лебедев изучал и также проводил опыты, связанные с изменением светового давления, благодаря чему электромагнитная теория света и стала рассматриваться, как факт.

На роль определения природы света повлияло определение ее скорости. Еще с конца XVII пытались измерить скорость света при помощи различных методов. Наличие современной техники расширило возможности и помогло точно измерить скорость света в независимости от длины волны λ и частоты υ(c=λ⋅υ). Поэтому пришли к выводу, что c=299792458 м/c. Значение отличается от предыдущего полученного более, чем на два порядка.

Важная роль света в жизни была отмечена давно. Большое количество информации предоставляется именно при помощи света. Но существует не только видимый свет, но и невидимый для наших глаз: инфракрасный (ИК) и ультрафиолетовый (УФ).

Свет и электромагнитное излучение иных диапазонов схожи по физическим свойствам. Отличительные же черты различных участков спектра – это длина волны λ и частота υ. На рисунке 9 располагается шкала значения электромагнитных волн.

Рис.9 — Шкала электромагнитных волн (границы между различными диапазонами условны) [12, C.211]

Оптический диапазон измерения волн – нанометр (нм) и микрометр (мкм):

1 нм=10−9 м=10−7 см=10−3 мкм

С помощью электромагнитной теории смогли объяснить оптические явления. Но она не позволила завершить понимание природы света. В XX веке было выявлено, что электромагнитная теория не сможет помочь в толковании явлений атомного масштаба, которые возникают после взаимодействия света с веществом. Такие понятия, как излучение черного тела, эффект Комптона и другие требовали введения квантовых представлений.

При изучении и углублении световых свойств науке снова пришлось вернуться к теории корпускул – световых квантов. Когда при проведении опытов замечали проявления волновых и корпускулярных волн, то имел смысл говорить о том, что свет имеет двойственную природу. Иначе говоря, он характеризуется корпускулярно-волновым дуализмом.

И всё же волновая теория света имела один существенный недостаток. В ней предполагалось, что световое излучение представляет собой поперечные механические волны, которые могут возникать только в упругой среде. Поэтому была создана гипотеза о невидимом мировом эфире, который представляет собой гипотетическую среду, заполняющую всю Вселенную (всё пространство между телами и молекулами). Мировой эфир должен был обладать целым рядом противоречивых свойств: должен обладать упругими свойствами твёрдых тел и быть одновременно невесомым. Эти трудности были разрешены во 2-й половине 19-го века при последовательном развитии учения английским физиком Джеймсом Клерком Максвеллом (1831 – 1879) об электромагнитном поле. Максвелл пришёл к выводу, что свет есть частный случай электромагнитных волн.

Однако в начале 20-го века были обнаружены прерывистые, или квантовые свойства света. Этим свойствам давала объяснение корпускулярная теория. Таким образом, свет обладает корпускулярно-волновым дуализмом (двойственностью свойств). В процессе распространения свет обнаруживает волновые свойства (то есть ведёт себя как волна), а при излучении и поглощении – корпускулярные свойства (то есть ведёт себя как поток частиц).

Законы распространения света в прозрачных средах на основе представлений о световом луче рассматриваются в разделе оптики, который называется Геометрическая оптика. Подразумевается, сто световой луч – это линия, вдоль которой распространяется энергия световых электромагнитных волн.

Ко времени создания Максвеллом электромагнитной теории уже были известны многие закономерности распространения света. Первая успешная попытка объяснить эти закономерности была сделана X. Гюйгенсом. Обосновывая волновую теорию света, Гюйгенс предложил принцип, который позволял наглядно решать некоторые задачи распространения и преломления света. Смысл его в том, что: Если в какой — либо момент времени известен световой волновой фронт, то для того, чтобы определить его положение через некоторый промежуток времени равный  △t, то каждую точку фронта следует рассматривать как источник сферической волны, построить вокруг такого вторичного источника волн сферу, имеющую радиус c△t, где c — скорость света в вакууме. При этом поверхность, которая огибает вторичные сферические волны, будет являться фронтом исходной волны через заданный промежуток времени △t.

Гюйгенс предложил лишь геометрический рецепт построения волновой поверхности в момент времени t+ ∆t по известному её положению в текущий момент времени t (рис.10).

Рис.10 — Принцип Гюйгенса: движение волновых поверхностей [11, C. 104]

По физическому содержанию принцип Гюйгенса выражает взгляд на свет как непрерывный процесс в пространстве. При использовании принципа Гюйгенса можно объяснить почему, волны света попадают в область геометрической тени.

С помощью своего принципа Гюйгенс пытался объяснить прямолинейное распространение света, но сделать этого ему не удалось. Как оказалось впоследствии, вопрос о прямолинейном распространении света решается только в рамках теории дифракции, которую «чистый» принцип Гюйгенса также не объясняет.

Основной проблемой принципа Гюйгенса является то, что он не учитывает явления интерференции света. Этот принцип не дает сведений об амплитуде и интенсивности волн. Пользуясь этим принципом, физики не могли объяснить прямолинейность распространения света в свободном пространстве; это препятствовало признанию волновых свойств света до первой трети XIX в., когда принцип Гюйгенса был дополнен французским физиком Френелем.

Френель развил принцип Гюйгенса, и это положение стало формулироваться так: Любая точка, принадлежащая волновому фронту, превращается в источник вторичных волн (это из принципа Гюйгенса), при этом вторичные источники являются когерентными между собой и испускаемые ими вторичные волны интерферируют. Для поверхности, совпадающей с волновой поверхностью, мощности вторичного излучения равных по площади участков одинаковы. Причем свет, распространяющийся от каждого вторичного источника идет в направлении внешней нормали.

Рэлей обобщил вышеназванный принцип:

 «Окружим все источники света S1,S2,S3,… замкнутой поверхностью (F) произвольной формы. При этом любую точку поверхности F можно считать вторичным источником волн, которые распространяются по всем направлениям. Данные волны когерентны, так как возбуждены одними и теми же первичными источниками. Световое поле, которое появляется, как результат их пространственной интерференции, за пределами поверхности F совпадает с полем реальных источников света» [3, C. 87].

Так, реальные источники света можно заменить светящейся поверхностью, которая их окружает. Причем, по всей этой поверхности как бы непрерывно распределены когерентные вторичные источники световых волн. Отличие этой гипотетической поверхности в том, что она прозрачна относительно любого излучения.

Понятно, что трактат Гюйгенса в глазах современников не мог идти ни в какое сравнение с насыщенной огромным физическим содержанием «Оптикой» Ньютона. Ньютон, высоко ценивший Гюйгенса как механика, геометра и астронома, не мог так же высоко оценить его оптику. В его глазах оптика Гюйгенса могла только дискредитировать волновую теорию света. В вопросе 28 своей «Оптики» Ньютон спрашивает: «Не ошибочны ли все гипотезы, в которых свет приписывается давлению или движению, распространяющемуся через некоторую жидкую среду?» — и указывает на такие трудности волновой гипотезы:

1) «Должны были бы наблюдаться загибания света внутрь препятствия: давление или движение не могут распространяться в жидкости по прямым линиям около препятствия, задерживающего часть движения — они будут загибаться и распространяться повсюду внутри покоящейся среды, лежащей за препятствием. Так огибают препятствия водяные и звуковые волны. Относительно света неизвестно ни одного случая, чтобы он распространялся по извилистым проходам или загибался внутрь тени». И, вспоминая о дифракции, он добавляет: «Лучи, проходящие очень близко от краёв какого-нибудь тела, немного загибаются действием тела, как это мы видели выше; но это загибание направлено не внутрь, но от тени и происходит только при прохождении луча около тела и на очень малом расстоянии от него. Как только луч проходит мимо тела, он идёт дальше по прямой» [2, C. 114]. Как было сказано выше, Ньютон не заметил загибания света внутрь тени.

2) Трудность объяснения поляризации.

3) «Против заполнения неба жидкими средами, если они, только не чрезвычайно разрежены, возникает  большое сомнение в связи с правильными и весьма длительными движениями планет и комет по всякого рода путям в небесном пространстве. Ибо отсюда ясно, что небесное пространство лишено всякого заметного сопротивления, а, следовательно, и всякой ощутимой материи».

«Если же её отбросить, то и гипотезы о том, что свет, состоит в давлении или движении, распространяющемся через такую среду, отпадают вместе с нею». Ньютон, предлагает в вопросе 29 «Оптики» другую гипотезу: «Не являются ли лучи света очень малыми телами, испускаемыми светящимися веществами? Ибо, такие будут проходить через; однородные среды без загибания в тень, соответственно природе лучей света. Они могут иметь также различные свойства и способны сохранять эти свойства неизменными: при прохождении через различные среды, в чём заключается другое условие лучей света. Прозрачные вещества действуют на лучи света на расстоянии, преломляя, отражая и изгибая их, и взаимно лучи двигают части этих веществ на расстоянии, нагревая их; это действие и противодействие на расстоянии очень похожи на притягательную силу между телами» [7, C. 42].

Кольца Ньютона наблюдаются при отражении света от соприкасающихся друг с другом плоскопараллельной стеклянной пластинки и плосковыпуклой линзы с большим радиусом кривизны R (рис.11).

Рис.11 – Кольца Ньютона

Роль тонкой пленки выполняет воздушный зазор между пластинкой и линзой. Места равной толщины воздушной пластинки d представляют собой окружности радиуса r c центром в месте соприкосновения линзы и пластинки О. Поэтому при нормальном падении света полосы равной толщины представляют собой концентрические окружности, при наклонном – эллипсы.

Так возникли обе знаменитые оптические концепции, авторы которых связывали их с допущением или недопущением действия на расстоянии. Этот вопрос был тесно связан с актуальнейшей проблемой того времени,— проблемой тяготения.

Современная теория света сформировалась в ходе очень сложного и противоречивого исторического развития и трудоемких исследований ученых всего мира. В результате этих работ сегодня, очевидно, что свет обладает одновременно как волновыми, так и корпускулярными свойствами.

Двойственность теоретических представлений о природе света в прошлом уступила в современной теории света место их единству.  Современный период характеризуется интенсивным, ускоренным развитием всех направлений науки. Успехи в области физической оптики стали возможными благодаря развитию, как квантовой электроники, так и волновой оптики.

 Смыкание радио­физики и оптики привело к появлению лазеров, в которых используются квантовые свойства излучения. Лазеры — качественно новые источники света, основанные на явлении индуцированного излучения. Создание лазеров явилось крупным событием в истории оптики и определило революционный путь развития лазерной техники.

Успехи современной волновой оптики далеко не исчерпываются квантовыми ге­нераторами и усилителями света. Последние 25 лет характеризуются распространением спектроскопических методов исследования на диапазон миллиметровых и сантиметровых волн, т. е. на диапазон радиочастотных колебаний. Возник самостоятельный раздел исследований — радиоспектро­скопия. Однако во многих отношениях радиоспектроскопические и опти­ческие исследования настолько тесно связаны между собой, что говорить о них раздельно невозможно [10, C. 113]. Переходу между двумя очень близкими энергетическими уровнями, будь это уровень в атоме или в молекуле, со­ответствует частота излучения, попадающая в область радиочастот. При несколько большем расстоянии между уровнями — это далекое инфра­красное излучение, при еще большем — излучение видимого света. Пере­ход здесь непрерывен, и всякое разграничение областей излучения неми­нуемо будет носить искусственный характер. Недавно предельная длина волны инфракрасного спектра, которая могла быть зарегистрирована, со­ставляла около одной десятой миллиметра. В настоящее время построены вакуумные инфракрасные спектрометры с дифракционными решетками, позволяющие систематически исследовать спектры в области длин волн до 1 мм. Оптический и радиотехнический диапазоны полностью сомкну­лись.

Комплексное изучение длинноволнового инфракрасного и короткого ра­диочастотного излучения представляет исключительно большой интерес для исследования свойств молекул. Особое принципиальное значение имеет исследование процессов, происходящих при переходах между так называемыми сверхтонкими уровнями атомов или уровнями, которые появля­ются при воздействии на атомы внешнего магнитного или электрического поля.

Наряду с новыми в оптике сохраняют значение и «старые» [6, C. 184], ставшие уже классическими методы. Часто приходится слышать мнение, что, раз­вивая в науке новое и прогрессивное, надо смелее отказываться от старого. Это верно, но лишь в тех случаях, когда старое действительно изжило себя, а новое не только открывает более широкие перспективы в науке, но и полностью заменяет старое. Подобные случаи встречаются не столь часто. По большей части наиболее плодотворно сочетание новых и старых приемов работы.

На основании изучения теоретического материала по теории интерференции и дифракции электромагнитных волн, мною был проведен эксперимент по определению длины световой волны в спектре длин световых волн соответствующих фиолетовому и оранжевому цветам спектра излучения ртутной лампы. Для этих целей использовались ртутная лампа, спектрометр и дифракционная решетка для которой предварительно была вычислена ее постоянная.

Ртутный спектр состоит из чередующихся линий трех цветов: фиолетового, зеленого и оранжевого. Достаточно четко наблюдаются спектры первого (k=1) и второго (k=2) порядков. Каждой линии каждого порядка соответствует свой угол дифракции.

dsinφ = ± kλ     (1)

Как видно из формулы (1), для определения постоянной решетки и длин волн необходимо знать углы дифракции. Необходимо определить углы дифракции для линий каждого цвета и каждого порядка.

Рис.12 — Схема установки

Для этого выполняем следующие действия.

1.                 Определяем цену деления шкалы спектрометра и включаем ртутную лампу.

2.                 Устанавливаем ртутную лампу и решетку так, чтобы световые лучи проходили через щель коллиматора и попадали на решетку. При этом решетка должна быть установлена в зажим параллельно к пучку света. Наводим зрительную трубу на щель коллиматора в направлении не отклоненного пучка (белого цвета). Производим фокусировку линии. Совмещаем указатель с серединой линии белого цвета.

3.                 Проводим отсчет угла по шкале. Повторяем измерения 3 раза, рассчитать среднее значение угла α₀ (этот угол является «точкой отсчета» всех углов φ дифракции).

Рис.13 — Схематичная картина, которую видит наблюдатель

4.      Поворачиваем зрительную трубу, например, влево, до тех пор, пока не появится линия фиолетового цвета спектра ртути. Производим фокусировку линии. Совмещаем указатель с серединой фиолетовой линии в спектре первого порядка (k=1), провести отсчет угла α_ф по шкале. Помещая трубу далее, совместить указатель с линией зеленого цвета и провести отсчет угла α_зел. И далее аналогично проводим отсчет угла α_ор для линии оранжевого цвета.

5.      Поворачиваем трубу далее и наводим ее на спектр второго порядка (k=2). Снова для линий фиолетового, зеленого и оранжевого цветов проводим отсчет углов α_ф, α_зел и α_ор.

6.      Поворачиваем зрительную трубу в другую сторону от нулевого максимума белого цвета. Аналогично проводим отсчет соответствующих углов α_ф, α_зел и α_ор для каждой линии первого (k=1) и второго (k=2).

7.      Вычисляем углы дифракции φ для линий каждого цвета ( по 2 угла каждого порядка) по формуле:

φ_ф = α_ф — α₀

φ_зел = α_зел — α₀

φ_ор = α_ор — α₀

8.      Для каждого порядка (k=±1, ±2) вычисляем среднее значение углов φ_ф1 φ_ф2 – для линий фиолетового цвета, φ_зел1 φ_зел2 – для линий зеленого цвета, φ_ор1 φ_ор2 – для линий оранжевого цвета.

9.      Результаты измерений представлены в таблице 1.

Таблица №1

Далее определяем постоянную дифракционной решетки.

Если знать длину волны λ соответствующий линии спектра и угол дифракции φ, то из формулы (1) можно найти:

d =      (2)

В данном упражнении расчеты проводились для зеленой линии спектра, длина волны которой известна.

Средние значение углов дифракции взяты из таблицы 1. Постоянная d дифракционной решетки вычислялась по формуле (2). Для повышения точности результатов вычисление проводилось для 1 и 2 порядка дифракционных максимумов. Результаты вычислений представлены в таблице 2.

Таблица 2.

Постоянная дифракционной решетки оказалась равна d = 9,5*10^-6. Определена с относительной погрешностью ɛ = 4%.

Определение длины световой волны.

Из уравнения (1) можно получить выражение для расчёта длины световой волны:

λ =        (3)

Для расчета λ необходимо знать постоянную дифракционной решетки d (табл. 2) и соответствующие данной волне углы дифракции (табл. 1). Длины волн рассчитывались для фиолетового и оранжевого цветов в спектре излучения ртутной лампы. Результаты вычислений представлены в таблице 3.

Таблица №3.

На основании данных эксперимента длины волн фиолетовой и оранжевой линии в спектрометре излучения атомов ртути оказались равны: λ_ф= (451±24) нм. и λ_ор = (621±50) нм. Табличное значение λ_ф= 408нм., λ_ор = 577нм [11]. Относительная погрешность, показывающая несоответствие между вычисленными и справочными значениями длин волн, составляет _ф=5,3% и _ор=8% соответственно.

Оптика зародилась еще в античные времена, когда люди пытались понять природу света и выяснить, каким образом удается видеть предметы окружающего мира. Древние философы считали видимый свет или лучами, выходящими из глаз человека, или потоком мельчайших частиц, разлетающихся от объектов и попадающих в глаз. В дальнейшем природу света изучали многие видные ученые. Исаак Ньютон сформулировал теорию о корпускулах — крошечных частичках света. Другой ученый, Гюйгенс, выдвинул волновую теорию.

Поскольку известно, что свет имеет все свойства электромагнитной волны, отдельный раздел физики изучает проявления этих свойств. Он называется волновая оптика. Основные понятия данного раздела оптики — это дисперсия, интерференция, дифракция и поляризация. Явление дисперсии было обнаружено Ньютоном, благодаря его опытам с призмами. Он обнаружил, что преломление световых лучей зависит от их цвета. Это явление было названо дисперсией или рассеянием света.

Подтверждением волновой природы света является интерференция его волн, открытая Юнгом. Так называют наложение друг на друга двух или нескольких волн. Любому волновому процессу свойственно явление дифракции. Этот термин переводится с латинского, как «разломанный». Дифракция в оптике — это огибание волнами света краев препятствий.

Последнее ключевое понятие волновой оптики — это поляризация. Свет называют поляризованным, если направление колебаний его волны является упорядоченным.

В ходе выполнения курсовой работы основные задачи исследования, сформулированные во введении, были решены. Цель исследования достигнута.

1.                 Аберрационный синтез оптических систем, предназначенных для преобразования лазерных пучков / П.А. Носов, В.Ю. Павлов, И.И. Пахомов, А.Ф. Ширанков // Оптический журнал. — 2011. — Т. 78. № 9. — С. 34–44.

2.                 Бондарев Б. В.  Курс общей физики в 3 кн. Книга 2: электромагнетизм, оптика, квантовая физика : учебник для бакалавров / Б. В. Бондарев, Н. П. Калашников, Г. Г. Спирин. — 2-е изд. — Москва : Издательство Юрайт, 2019. — 441 с.

3.                 Бордовский Г. А.  Общая физика в 2 т. Том 2 : учебное пособие для вузов / Г. А. Бордовский, Э. В. Бурсиан. — 2-е изд., испр. и доп. — Москва : ИНФРА-М, 2019. — 299 с.

4.                 Волновая и квантовая оптика. Основы физики атома и атомного ядра. Элементы квантовой физики и физики твердого тела : учеб.- метод. пособие / Р. Н. Никулин, М. В. Грецов, Н. В. Грецова ; ВолгГТУ. – Волгоград, 2017. – 164 с.

5.                 Волновая оптика : учебное пособие для вузов / А. В. Михельсон, Т. И. Папушина, А. А. Повзнер, А. Г. Гофман. — Москва : Издательство Юрайт, 2018. — 118 с.

6.                 Гороховатский Ю. А.  Оптика : учебник и практикум для вузов / Ю. А. Гороховатский, И. И. Худякова ; под редакцией Ю. А. Гороховатского. — 2-е изд., испр. и доп. — Москва : Эксмо, 2019. — 220 с.

7.                 Горячев Б. В.  Общая физика. Оптика. Практические занятия : учебное пособие для вузов / Б. В. Горячев, С. Б. Могильницкий. — Москва : Издательство Юрайт, 2020. — 92 с.

8.                 Горячев Б. В.  Физика. Оптика. Практические занятия : учебное пособие для среднего профессионального образования / Б. В. Горячев, С. Б. Могильницкий. — Москва : Издательство Юрайт, 2020. — 91 с.

9.                 Зотеев А. В.  Общая физика: лабораторные задачи : учебное пособие для вузов / А. В. Зотеев, В. Б. Зайцев, С. Д. Алекперов. — 2-е изд., испр. и доп. — Москва : ИНФРА-М, 2018. — 251 с.

10.            Кузнецов С. И.  Физика: оптика. Элементы атомной и ядерной физики. Элементарные частицы : учебное пособие для вузов / С. И. Кузнецов. — Москва : Издательство Юрайт, 2020. — 301 с.

11.            Корнеева Т.П. Градуировка спектроскопа и определение длин волн спектральных линий. Специализированный учебно-научный центр — факультет МГУ им. М.В. Ломоносова, Школа имени А.Н. Колмогорова Кафедра физики 2008. – С. 15.

12.            Мусин Ю. Р.  Физика: колебания, оптика, квантовая физика : учебное пособие для среднего профессионального образования / Ю. Р. Мусин. — 2-е изд., испр. и доп. — Москва : Эксмо, 2020. — 329 с.

13.            Никеров В. А.  Физика : учебник и практикум для вузов / В. А. Никеров. — Москва : Издательство Юрайт, 2020. — 415 с.

14.            Волновая оптика [Электронный ресурс]. – Режим доступа: https://physics.shkolkovo.net/catalog/magnitnoe-pole-optika/2018-volnovaya-optika (дата обращения 26.10.2020)

15.            Лекции по оптике [Электронный ресурс]. – Режим доступа: http://kirensky.ru/zdoc/Optics_lectures.pdf (дата обращения 27.10.2020)

16.            Развитие волновой оптики в первой половине XIX столетия [Электронный ресурс]. – Режим доступа: http://physiclib.ru/books/item/f00/s00/z0000000/st028.shtml (дата обращения 26.10.2020)

5.4. Основные положения физики оптических явлений

5.4.1. Волновая оптика

Волны — возмущения, распространяющиеся с конечной скоростью в пространстве и несущие с собой энергию. Наиболее важные и часто встречающиеся волны: упругие (в частности, звуковые) — распространяющиеся в среде упругие деформации; волны на поверхности жидкости — возмущения уровня свободной поверхности жидкости; электромагнитные волны — распространяющиеся в пространстве электромагнитные поля.

X. Гюйгенс (1629-1695) выдвинул волновую теорию, рассматривающую свет как упругую волну, распространяющуюся в мировом эфире.

Электромагнитные волны распространяются в пространстве в результате того, что появляющееся в каком-либо месте пространства электромагнитное поле возбуждает в соседних полях магнитное поле и, наоборот, возникающее в этом месте магнитное поле возбуждает в соседних областях электрическое поле; возбуждая друг друга, эти поля в виде единого электромагнитного поля распространяются в пространстве.

Оптика — учение о свете и его взаимодействии с веществом. Оптика изучает распространение света в различных средах, законы испускания и поглощения света, а также различные действия света на вещество. Первоначально оптика ограничивалась изучением видимой области спектра электромагнитных волн, т.е. воспринимаемых человеческим глазом. Таким образом, можно считать, что свет — это электромагнитные колебания определенной длины волны.

По современным представлениям свет имеет двойственную корпускулярно-волновую природу (в связи с этим принято говорить о корпускулярно-волновом дуализме): в одних случаях свет ведет себя как электромагнитная волна, в других — как поток особых частиц или корпускул (фотонов).

Явления, в основе которых лежит волновая природа света принято относить к волновой оптике. Речь идет, прежде всего, о различных электромагнитных явлениях, которые наиболее характерны для диапазона волн, со ответствующих видимому свету и наиболее ярко отражающих его волновую природу. К этим явлениям принято относить интерференцию, дифракцию и поляризацию света.

5.4.2. Интерференция и дифракция света

Когерентностью называется согласованное протекание нескольких колебательных или волновых процессов. Степень согласования может быть различной. Поэтому вводится понятие степени когерентности двух волн. Волны называются когерентными, если разность фаз возбуждаемых волнами колебаний, остается постоянной во времени.

рис. 8

Понятие когерентности является относительным: две волны могут проявлять себя как когерентные при наблюдении одним прибором (с малой инерционностью) и как некогерентные при наблюдении другими приборами (с большой инерционностью).

Интерференция световых волн.

Рассмотрим две волны одинаковой частоты w, которые, накладываясь друг на друга, возбуждают в некоторой точке пространства колебания одинакового направления. Если световые волны будут когерентными, то при их наложении происходит перераспределение светового потока в пространстве, в результате чего в одних местах возникают максимумы, а в других — минимумы интенсивности.

Это явление усиления или ослабления амплитуды результирующей волны при сложении двух (или нескольких) когерентных волн называется интерференцией световых волн.

Особенно отчетливо проявляется интерференция в том случае, когда интенсивность обоих интерферирующих волн одинакова.

Из сказанного вытекает, что при освещении какой-либо поверхности несколькими источниками света (например, двумя лампочками) должна, казалось бы, наблюдаться интерференционная картина с характерными для нее чередованиями максимумов и минимумов интенсивности. Однако из повседневного опыта известно, что в указанном случае освещенность поверхности монотонно убывает по мере удаления от источников света и никакой интерференционной картины не наблюдается. Это объясняется тем, что естественные источники света не являются когерентными.

Дифракция света.

Дифракцией называется совокупность явлений, наблюдаемых при распространении света в среде с явно выраженными неоднородностями (например, вблизи границ непрозрачных или прозрачных тел, сквозь малые отверстия и т.д.). При этом лучи света «дифрагируют» (отклоняются от своего первоначального направления). Огибание препятствий звуковыми волнами (дифракция звуковых волн) наблюдается постоянно в обыденной жизни. Для наблюдения дифракции световых волн необходимо создание специальных условий. Это обусловлено малостью длин световых волн. В частности, при дифракции на одной щели явление наблюдается, если размеры той щели сопоставимы с длиной волны падающего на эту щель света.

Между интерференцией и дифракцией нет существенного физического различия. Оба явления заключаются в перераспределении светового потока в результате суперпозиции (наложения) волн.

По историческим причинам перераспределение интенсивности, возникающее в результате суперпозиции волн, возбуждаемых конечным числом дискретных когерентных источников света, принято называть интерференцией волн.

Перераспределение интенсивности, возникающее вследствие суперпозиции волн, возбуждаемых когерентными источниками, расположенными непрерывно, принято называть дифракцией волн.

Волновая оптика

Физика

Предварительные сведения : оптика изучает световые явления.

Свет имеет свойства электромагнитных волн и частиц (квантово-волновой дуализм).

Оптика подразделяется на: ВолновуюиКвантовую.

В волновой оптике не учитывается дифракция света (только прямолинейное движение света). Видимая область света 0,4…0,7 мкм (ультрафиолетовая область — < 0,4 , инфракрасная область -> 0,7).

Кривая относительной чувствительности глаза:

Оптическая плотность прозрачной среды характеризующаяся абсолютным показателем (n):.

Оптическая длина пути = .,, гдеи- диэлектрическая и магнитная проницаемости среды.

Для всех прозрачных сред =1 и тогда.

В оптике выполняется принцип Ферма:

Свет от одной точки к другой распространяется по такому пути, по которому время (движения) распространения будет минимальным по сравнению с любой другой траекторией.

Следствия:

1. Закон о прямолинейности распространения света в изотропной среде;

2. Закон обратимости хода лучей в прямом и обратном направлении распространяются по одной и той же траектории;

3. Законы преломления и отражения;

Таутохронность – лучи выходят из одной точки с помощью оптической системы, могут быть собраны в другую точку, причём если они вышли одновременно, то войдут тоже одновременно.

В электромагнитной волне колеблются вектора и.

Экспериментально установлено, что воздействие света на вещество определяется только вектором ., (И для плоской и для сферической волнA=A₀ /r).

В соответственном свете направление изменяется хаотично, но остаётся.

Интенсивность световой волны среднее по времени значение плотности потока энергии.

I ~A ².

2. Интерференция света

Явление интерференции света возникает при наложении двух монохроматических волн, которое приводит к тому, что эти волны ослабляют или усиливают друг друга, и на экране появляются min-мы иmax-мы (чередование).

Необходимое условие – когерентность волн.

Когерентность – согласованное протекание во времени и пространстве нескольких колеблющихся или волновых процессов.

Пусть в какой-то точке экрана сошлись 2 монохроматические волны:

E₁=A₁·cos(₁·t-k₁·r₁+₁)=A₁·cos₁;

E₂=A₂·cos(₂·t-k₂·r₂+₂)=A₂·cos₂;

E= A·cos; (A-?, -?;)

Ē=Ē₁+Ē₂ ; A²=A₁²+A₂²+2·A₁·A₂·cosΔ;

Пройдём от А к I : I₁=I₁+I₂+2√(I₁I₂)∙cosΔ

Интенсивность результирующей волны зависит не только от I₁ и I₂ но и от разности фаз между интерваламиΔ.

Необходимое условие — Δ не зависит от времени.

Δ=((₂+₁)∙t- (k₂·r₂-k₁·r₁)+(₂-₁)) для того чтобыΔне зависело отt, необходимо, чтобы₁=₂.

Волны, которые создают интерференционную картину вне зависимости от времени, должны иметь одинаковую частоту. Δ=const => ₁=₂ , при Ē₁↑↑Ē₂.

Δ= k₁·r₁ -k₂·r₂+₂-₁;

1.) Если Δ=0,,2,4,…,2*m cosΔ=1 I =I₁+I₂+2* ( I₁*I₂ ) — max

2.) Если Δ=,3,5,…,(2+1)*m cosΔ= -1 I =I₁+I₂-2* ( I₁*I₂ ) — min

Если волны не когерентны => Δсо временем меняется хаотично => <cosΔ>=0 =>

I=I₁I₂

Условия minиmax можно записать в другом более удобном виде:

MAX: ··m= k₁·r₁ — k₂·r₂+₂-₁; k=2  (*n)/(c*T)=n₀ ;

-длина волны в среде; ₀-длина волны в вакууме.

(₀)*n₁r₁-n₂r₂)=2*L/₀; еслиL=n₁r₁-n₂r₂=L₁-L₂– оптическая разность хода двух лучей.

L₀=*m =>L=m*₀– условиеMAX-ма;m=0,1,2,3,…

MIN:Δ=(2m+1);m=L₀;L=₀m+1)/2 =m*₀₀условиеmin.

Расстояние между двумя ближайшими минимумами называется шириной интерференционной полосы. При отражении от оптически более плотной среды теряется ½ длины волны.

Waves and Optics — Overview

На этой странице: Обзор — Структура курса — Слайд-шоу — Книги — Взаимодействие

   
 Статья о волновой оптике  
 в  
 RP Photonics Encyclopedia   

   
  alt =" article ">   

  * [https://www.rp-photonics.com/wave_optics.html 
, статья «Волновая оптика» в энциклопедии RP Photonics]