1.1. Предмет оптики | Политех в Сети
Оптика (от греческого optike — наука о зрительных восприятиях) — раздел физики, в котором изучаются оптическое излучение (свет), его распространение и явления, наблюдаемые при взаимодействии света и вещества.
Оптическое излучение представляет собой электромагнитные волны и поэтому оптика — часть общего учения об электромагнитном поле. Длины волн оптического излучения заключены в диапазоне с условными границами от единиц нанометров до десятых долей миллиметра (диапазон частот 3×1017 – 3×1011 Гц). К оптическому излучению помимо воспринимаемого человеческим глазом видимого излучения (обычно называемого светом) относятся инфракрасное излучение и УФ-излучение. Оптический диапазон длин волн l охватывает около 20 октав и, следовательно, ограничен с одной стороны рентгеновскими лучами, а с другой — микроволновым диапазоном радиоизлучения.
Такое ограничение условно и в значительной степени определяется общностью технических средств и методов исследования явлений в указанном диапазоне.
Для оптических методов исследования характерно формирование направленных потоков оптического излучения с помощью оптических систем, формирование оптических изображений предметов с помощью приборов, линейные размеры которых много больше длины волны l излучения.
В оптическом диапазоне отчетливо проявляются одновременно и волновые и корпускулярные свойства электромагнитного излучения. Волновые свойства оптического излучения позволяют дать объяснение явлениям дифракции, интерференции, поляризации. В то же время процессы фотоэлектрической эмиссии, тепловое излучение невозможно понять, не привлекая представлений об оптическом излучении как о потоке частиц-фотонов. Эта двойственность природы оптического излучения находит общее объяснение в квантовой механике.
Виды оптического излучения классифицируются по следующим признакам:
По природе возникновения — тепловое, люминесцентное, синхротронное.
По особенностям испускания атомов и молекул — спонтанное и вынужденное.
По степени однородности спектрального состава — монохроматическое, немонохроматическое.
По степени пространственной и временной когерентности.
Упорядоченности ориентации векторов и естественное, поляризованное линейно, по кругу, эллиптически поляризованное.
По традиций оптику принято подразделять на геометрическую, физическую, физиологическую.
Геометрическая оптика не рассматривает вопрос о природе света, а исходит из эмпирических законов его распространения. Здесь используется представление о световых лучах, которые преломляются и отражаются на границах сред с разными оптическими свойствами и прямолинейных в оптически однородной среде.
Методы геометрической оптики позволяют изучать условия формирования оптического изображения объекта как совокупность изображений отдельных его точек и объяснить многие явления, связанные с прохождением оптического излучения в различных средах, в том числе неоднородных (например, искривление лучей в земной атмосфере вследствие непостоянства ее показателя преломления — миражи, радуга).
Наибольшее значение геометрическая оптика с частичным привлечением волновой оптики имеет для расчета и конструирования оптических приборов, от очковых линз до сложных объективов и огромных астрономических инструментов. Благодаря развитию и вычислительной математики и применению современной вычислительной техники такие расчеты достигли высокого совершенства, и сформировалось отдельное направление, получившее название вычислительной оптики.
Физическая оптика рассматривает вопросы, связанные с процессами испускания света, природы света и световых явлений.
Волновая оптика изучает совокупность явлений, в которых проявляется волновая природа света. Ее математическим основанием служит общее уравнение классической электродинамики — уравнение Максвелла. Свойства среды при этом характеризуются макроскопическими материальными константами: значением диэлектрической проницаемости e и магнитной проницаемости m, входящими в уравнение Максвелла в виде коэффициентов. Эти значения однозначно определяет показатель преломления среды N.
Феноменологическая волновая оптика оставляет в стороне вопрос о связи величин e и m, определяемых экспериментально, со структурой вещества. Она позволяет объяснить все эмпирические законы геометрической оптики и установить границы ее применимости. Но в отличие от геометрической оптики она дает возможность рассматривать процессы распространения света не только при размерах формирующих световые пучки систем, значительно больше длины волны излучения, но и при любом соотношении между ними. Во многих случаях решение конкретных задач методов волновой оптики оказывается чрезвычайно сложным. Поэтому получила развитие квазиоптика, в которой процессы распространения, преломления и отражения волновых пучков с сечением > l описываются геометрически, но учитываются дифракционные вклады и, тем самым, волновая природа излучения.
Огромную роль в развитии волновой оптики сыграло установление связи e и m с молекулярной и кристаллической структурой вещества. Это позволило выйти далеко за рамки феноменологического описания оптических явлений и объяснить все процессы, сопровождающие распространение света в рассеивающих и анизотропных средах и вблизи границ раздела, а также зависимость от e оптических свойств сред, влияние на световые явления температуры, давления, звука, электрических, магнитных полей и многих других факторов.
В классической волновой оптике e и m, N считаются независимыми от интенсивности света. Соответствующие оптические процессы описываются линейными дифференциальными уравнениями с постоянными коэффициентами. Однако во многих случаях это утверждение несправедливо, что приводит к совершенно новым явлениям и закономерностям, таким как изменение угла преломления светового луча на границе двух сред при изменении интенсивности, сжатие и расширение световых пучков (самофокусировка и самодифракция света), изменение спектрального состава света, проходящего через нелинейную среду (генерация оптических гармоник, взаимодействие световых пучков в результате модуляции светом величины e) и появление в излучении комбинированных частот (параметрические явления). Все эти явления рассматриваются нелинейной оптикой, получившей большое практическое значение в связи с созданием лазеров.
Хорошо описывая распространение света в различных материальных средах, волновая оптика не смогла удовлетворительно объяснить процессы его испускания и поглощения.
Исследования этих процессов (фотоэффект, фотохимическое превращение молекул, закономерности оптических спектров) и т. д. и общие термодинамические соображения о взаимодействии электромагнитного поля с веществом привели к выводу, что элементарная система (атом, молекула) может испускать или поглощать энергию электромагнитного поля лишь дискретными порциями (квантами), пропорциональными частоте излучения. По этому световому потоку сопоставляется поток квантов света, распространяющихся в вакууме со скоростью c. Эффекты, в которых при взаимодействии света и вещества проявляются квантовые свойства элементарных систем, рассматриваются методами квантовой оптики. Эти методы развиты в квантовой механике и квантовой электродинамике.
Двойственность природы света, то есть наличие у него одновременно характерных черт, присущих и волнам и частицам, является частным случаем корпускулярно-волнового дуализма. Эта концепция бала впервые сформулирована для оптического излучения, затем она утвердилась как универсальная для всех частиц микромира и затем была экспериментально подтверждена для радиоизлучения (квантовая электроника).
Открытие квантовых явлений в радиофизике во многом стерло резкую границу между радиофизикой и оптикой. Сначала в радиофизике, а затем и в физической оптике сформировалось новое направление, связанное с генерацией вынужденного излучения и созданием квантовых усилителей и квантовых генераторов (мазеров и лазеров). В отличие от излучения обычных источников света излучение лазеров обладает большой временной и пространственной упорядоченностью (когерентностью) высокой монохроматичностью Dn/n » 10 – 14, предельно малой расходимостью, что позволяет получить при фокусировке недопустимые для каких-либо других устройств напряженности электрического поля, превышающее внутриатомное.
Появление лазеров стимулировало пересмотр и развитие традиционных и возникновение новых направлений в физической оптике. Оказалось возможным реализовать практически идеи голографии, большую роль стали играть исследования статистики излучения (статистическая оптика), получили развитие методы создания узконаправленных когерентных пучков света и управление ими (когерентная оптика).
Дальнейшее развитие получили метода и средства автоматического управления системами, позволяющие компенсировать искажения световых пучков, проходящих через неоднородные среды (адаптивная оптика).
Особую важность приобрело изучение круга явлений, связанных с воздействием интенсивных световых потоков на вещество. Начала быстро развиваться лазерная технология. Развитие лазерной техники потребовало разработки новых оптических материалов, пропускающих без их повреждения интенсивные световые потоки (силовая оптика).
Физиологическая оптика изучает строение и функционирование всего аппарата зрения от глаза до коры головного мозга. Здесь разрабатывается теория зрения, восприятие света и цвета. Результаты используются в медицине, физиологии и в технике при разработке разнообразных устройств, от осветительных приборов и очков до цветного кино и телевидения.
Оптика | Физика
Оптика (от греч. — optike ) — это раздел физики, изучающий законы излучения, распространения света и взаимодействия с веществом.
Оптика традиционно делится на следующие разделы.
1. Геометрическая (или лучевая) оптика. Этот раздел оптики исторически сформировался первым. Геометрическая оптика изучает законы распространения оптического излучения и формирования изображений предметов с помощью оптических систем на основе представления о световом луче как о прямой линии, не интересуясь природой самого света (т. е. вопросом о том, что такое свет). Законы геометрической оптики справедливы при условии, что размеры предметов много больше длины волны света; среда, в которой распространяется свет, оптически однородна, а свойства ее не зависят от интенсивности света.
2. Физическая оптика изучает вопросы, связанные с процессами испускания света, природой света и световых явлений. К ним, в частности, относятся следующие явления:
• интерференция и дифракция света, свидетельствующие о волновой природе света и являющиеся предметом изучения волновой оптики, в основе которой лежат уравнения Максвелла;
• тепловое излучение, разработка теории которого привела М.
Планка к открытию квантовой природы излучения и определению постоянной Планка;
• люминесценция, исследование природы которой привело к идее о возможности создания оптических квантовых генераторов (лазеров).
Создание лазеров, в свою очередь, послужило стимулом для развития нелинейной оптики — раздела физической оптики, в котором рассматривается взаимодействие вещества со светом большой интенсивности, при котором свойства вещества зависят от интенсивности света, т. е. оно перестает быть оптически однородным и перестают работать законы геометрической оптики.
Благодаря лазерам стало возможным развитие голографии, которая сейчас используется начиная с музеев (демонстрация голограмм ценных экспонатов) до заводов, где голографические методы применяются для выявления дефектов и напряжений деталей машин.
3. Физиологическая оптика изучает строение глаза человека как составной части всего аппа-
рата зрения, а также и все остальное, что относится к механизму зрения. По результатам иссле-
дований, проводимых в этой области, строится теория зрения, а также теория восприятия света
и цвета.
Достижения физиологической оптики используются в медицине, физиологии, технике,
при разработке различных устройств — от очков до телевидения.
Выше приведен далеко не полный перечень явлений, изучаемых оптикой.
Практическое применение результатов исследований всех разделов оптики огромно. Пожалуй, нет отрасли науки или народного хозяйства, в которой не использовались бы достижения оптики или оптические методы исследования — от освещения улиц до новых систем хранения и записи информации для нужд вычислительной техники, до слежения за искусственными спутниками Земли и использования линий лазерной оптической связи для ведения телефонных переговоров и передачи изображений.
Основы оптики: три основных направления оптической науки
Поскольку предполагается, что это блог, в значительной степени посвященный науке, я хотел бы начать с нескольких серьезных статей на научные темы. Как и большинство авторитетных научных блоггеров, я буду смешивать посты, посвященные основным научным понятиям, и посты, посвященные конкретным техническим темам.
Этот пост будет одним из первых.
Моя специализация в области физики и область исследований: оптическая наука . Хотя у большинства людей слово «оптика» ассоциируется с созданием линз для очков, телескопов и микроскопов, в физике этот термин в более широком смысле относится к изучению поведения света и его взаимодействия с веществом . Однако связь с очками и т. п. не случайна: разработка различных оптических инструментов побудила ученых более внимательно изучить поведение света, направляемого этими инструментами.
- Геометрическая оптика , изучение света как лучей
- Физическая оптика , изучение света в виде волн
- Квантовая оптика , изучение света как частиц
Давайте рассмотрим каждое из этих подполей по очереди, как с исторической, так и с научной точки зрения.
1. Геометрическая оптика.
Наш повседневный опыт со светом показывает, что он распространяется по большей части по прямым линиям. Когда солнечные лучи пробиваются сквозь щель в облаке или сквозь щель в темной листве, мы видим непрерывную «линию» или «поток» света, выходящего из этой щели. Если мы уменьшим зазор (в пределах, обсуждаемых ниже), поток станет уже, но останется потоком света.
Ранние исследователи оптики использовали геометрию для моделирования этого взгляда на свет. Постулируется, что свет распространяется по лучам и отрезкам прямой в свободном пространстве, но может менять направление или даже изгибаться при встрече с материей.
Два закона определяют, что происходит, когда свет сталкивается с материальной поверхностью. Закон отражения , очевидно впервые сформулированный Евклидом около 300 г. до н.э., гласит, что когда свет сталкивается с плоской отражающей поверхностью, угол падения луча равен углу отражения. 9Закон преломления 0005
Прямым следствием такого «изгиба» световых лучей является то, что объект, наполовину погруженный в стакан с водой, будет казаться изогнутым.Из законов отражения и преломления можно определить поведение оптических устройств, таких как телескопы и микроскопы. Можно проследить пути различных лучей (так называемая «трассировка лучей») через оптическую систему и увидеть, как могут формироваться изображения, их относительную ориентацию и их увеличение. Фактически это наиболее важное применение геометрической оптики и по сей день: поведение сложных оптических систем можно в первом приближении определить, изучая пути всех лучей через систему.
Простой иллюстрацией этого является воздействие прозрачной стеклянной линзы на совокупность параллельных лучей, показанное на рисунке ниже. Набор лучей, входящих слева, дважды преломляется линзой, один раз на входе и один раз на выходе, и в результате все лучи собираются в фокусе справа.
В принципе, на картинке бесконечное количество параллельных лучей; мы, очевидно, рисуем только некоторые из них.
2. Физическая оптика. Глядя еще раз на картину фокусировки лучей выше, мы сталкиваемся с проблемой: в точке фокуса все лучи пересекаются. Следовательно, плотность лучей в этой точке бесконечна, что, согласно геометрической оптике, предполагает бесконечно яркое фокальное пятно . Очевидно, что это не может быть правдой.
Если мы поместим черный экран в плоскость фокальной точки и внимательно посмотрим на структуру фокального пятна, спроецированного на плоскость, экспериментально мы увидим изображение, смоделированное ниже:
Имеется очень маленькое центральное яркое пятно, но также гораздо более тусклые (увеличенные на этом изображении) кольца, окружающие центральное пятно. Эти кольца не могут быть объяснены использованием только геометрической оптики и являются результатом волновой природы света.
Хотя люди уже давно предполагали, что свет обладает волнообразными свойствами, прямых доказательств не было (обратите внимание на размер фокального пятна на картинке выше: кольца довольно трудно увидеть невооруженным глазом) до начала 1800-х годов. Ряд ученых предоставил теоретическую и экспериментальную основу для демонстрации того, что свет обладает волнообразными свойствами, среди них выделяются Томас Юнг, Йозеф Фраунгофер и Огюстен Френель. Из этой работы родилась область физической оптики.
Физическая оптика — это изучение волновых свойств света, которые можно условно разделить на три категории: интерференция, дифракция и поляризация. Интерференция — это способность волны интерферировать сама с собой, создавая локализованные области, в которых поле попеременно то очень яркое, то очень темное. 
Мы рассмотрим все эти термины более подробно в следующих постах.
Волновая природа звука может быть легко определена любым человеком даже без специального научного оборудования. Например, если вы стоите на противоположной стороне здания от друга, вне прямой видимости, крики вашего друга все равно будут слышны вам. Звуковые волны от вашего друга частично охватывают углы здания, позволяя вам слышать его или ее. Это можно рассматривать как пример дифракции. Волновая природа света не столь очевидна. Причина этого несоответствия связана с
3. Квантовая оптика. Вернемся к изображению фокального пятна, показанному выше, и теперь представим, что источник света, создающий фокальное пятно, находится на очень точном регуляторе яркости.
Физическая оптика предсказывает, что форма фокального пятна останется неизменной; он просто станет менее ярким. Однако, когда переключатель диммера поворачивается ниже некоторого критического порога, происходит нечто иное и довольно неожиданное: мы обнаруживаем свет в небольших локализованных «выбросах» энергии и вообще не видим нашу кольцевую картину.
Некоторые из этих брызг проиллюстрированы в части (а) рисунка ( очень грубое впечатление художника) ниже. Если мы будем вести непрерывный подсчет того, сколько струй попало в каждое место, мы можем медленно построить усредненную картину того, где откладывается световая энергия; это показано в частях (b) и (c) рисунка ниже.
Примечательно, что мы обнаружили, что среднее пространственное распределение струй дает в точности кольцевой узор, предсказанный волновой теорией света! Теперь известно, что потоки энергии представляют собой отдельные частиц света, называемых фотонами .
Признание этого поведения частиц света развивалось в результате ряда открытий в конце 1800-х и начале 1900-х годов, кульминацией которых стало объяснение фотоэлектрического эффекта Эйнштейном в 1905 году с использованием концепции фотона. Фотоэлектрический эффект — это явление, при котором электроны могут выбрасываться с поверхности металла при освещении поверхности лучом света. Эффект имел ряд любопытных особенностей, которые, как показал Эйнштейн, легче всего объяснить, рассматривая свет как поток частиц.
Реальность такова, что свет обладает как волновыми, так и корпускулярными свойствами, в зависимости от условий измерения. Это то, что известно как корпускулярно-волновой дуализм и является одним из краеугольных камней современной физики. Это иллюстрируется упомянутой выше любопытной последовательностью струй: отдельные частицы (фотоны) в конечном итоге создают волнообразную картину — каждая частица света, очевидно, «несет» с собой волновую информацию, необходимую для построения дифракционной картины.
Квантовая оптика занимается изучением корпускулярной (квантовой) природы света.
***
Таким образом, три отрасли оптической науки включают изучение света во все более мелких и точных измерительных масштабах.
Все три ветви все еще активно изучаются. Геометрическая оптика обычно используется при проектировании сложных оптических систем, и исследователи изучают способы «улучшения» геометрических моделей, чтобы обеспечить лучшее совпадение с волновой теорией света. Физическая оптика находится на границе техники и чистой науки, поскольку новые физические следствия волновой природы света все еще открываются, и строятся оптические устройства, использующие эту волновую природу. Квантовая оптика используется в качестве инструмента для лучшего понимания теории квантовой механики, хотя в настоящее время изучается ряд весьма спекулятивных приложений, таких как квантовые вычисления и квантовая криптография.
По мере продолжения этого блога мы будем более подробно изучать каждую из ветвей, а также обсуждать некоторые приложения.
Нравится:
Нравится Загрузка…
Оптика | Как работает
«»Почему школьные автобусы желтые?
Знаменитый «желтый школьный автобус» был изобретен педагогом по имени Фрэнк Сир. Но если желтый цвет так хорош для видимости, почему все пожарные машины не используют его?
Дэйв Рус
«»Почему далекие горы кажутся голубыми невооруженным глазом
Ваши глаза не обманывают вас. Эти далекие горы действительно кажутся голубыми, и это из-за того, как световые волны рассеиваются в атмосфере.
Марк Манчини
Реклама
«»Действительно ли Vantablack самый черный черный?
Vantablack — одно из самых темных известных веществ, способное поглощать до 99,965% видимого света. Но является ли он самым черным из негров на планете?
Чериз Тривитт
«»Основными цветами являются красный, желтый и синий, верно? Ну, Не Точно
Основные цвета — это блоки, из которых строятся все остальные цвета.
Но о них нужно знать гораздо больше, чем об основных красных, желтых и синих, о которых мы узнали в детском саду.
Мишель Константиновски
«»Теория цветового круга: как говорить о цвете
Современная теория цвета началась, хотите верьте, хотите нет, сэра Исаака Ньютона, который также открыл маленькую вещь, называемую гравитацией, и изобрел исчисление.
Джесслин Шилдс
Реклама
«»Луч Просветления: Свет — это волна или частица?
Это особый тип частиц? Волна, проходящая через другую среду? Или нас окружает какая-то жуткая, неизвестная субстанция, которую мы просто не воспринимаем и не понимаем?
Натан Чендлер
«»Почему мы получаем столько удовольствия от симметрии?
Почему нам так нравится смотреть на идеально сложенные банки из-под супа или на шесть цветочных лепестков вокруг тычинки? Кажется, что наш мозг запрограммирован на это, но почему?
Дэйв Рус
«»Можете ли вы действительно сделать себя невидимым?
Если вы один из тех людей, которые выбирают невидимость в качестве желаемой сверхспособности, это может означать, что у вас есть темная сторона.
Алия Хойт
Реклама
«»Почему вращающиеся лезвия выглядят странно по телевизору
Вертолеты, потолочные вентиляторы, даже навороченные ободья автомобильных шин: Иногда кажется, что они едут назад или изгибаются.
Лори Л. Дав
«»Ученые создают умопомрачительные трехмерные акустические голограммы
Стена из кирпичиков, похожих на Lego, создает иллюзию гиперяркого трехмерного звука, изменяя звуковые волны подобно тому, как голограмма изменяет видимый свет.
Патрик Дж. Кигер
«»Как работают оптические иллюзии
Это юная леди! Это старуха! Это синее платье! Нет, это золото! Почему нас обманывают оптические иллюзии и что они говорят нам о работе мозга?
Мейса Салайта
Реклама
«»Что такое космологическое красное смещение?
Космологическое красное смещение: звучит как последний блокбастер, который идет в кинотеатре рядом с вами, не так ли? На самом деле это связано с тем, как распространяется сам свет, и понимание того, как это работает, необходимо для передовых технологий космических телескопов.
Кейт Кершнер
«»Как работают невероятные цвета
Что, если в видимом спектре есть цвета, которые наш мозг не может воспринимать? На самом деле есть. Их называют невозможными цветами. Но некоторые исследователи считают, что они открыли способ увидеть невозможное.
Дэйв Рус
Реклама
«»Как телескоп может видеть сквозь время?
Свет распространяется довольно быстро, но когда дело доходит до далеких галактик, этому свету требуется время, чтобы достичь наших телескопов. На самом деле, свет, который вы видите, может появиться миллиарды лет назад.
Кейт Кершнер
«»Сколько весит свет?
Семь унций за скат! Нет, это ложь. Измерить вес света не так просто. Так какое более сложное объяснение?
Кейт Кершнер
«»Как работает лазерная связь
Когда скорость решает все, а свет отмечает предел скорости во вселенной, лазеры обязательно станут ответом. По крайней мере, на это делают ставку НАСА и кучка дельцов с Уолл-Стрит.
