Vlnová optika vysvětluje jevy jako např. Vlnová optika

VLNÁ OPTIKA

VLNÁ OPTIKA

Fyzická sekce optika, která studuje souhrn jevů, ve kterých se objevují vlny. povaha světla. Představy o vlnách. Charakteristika šíření světla se vrací k základním Gollovým dílům. vědec 2. patro 17. století X. Huygens. Stvoření rozvoj V. o. získal ve výzkumu T. Younga (Velká Británie), O. Fresnela, D. Araga (Francie) a dalších, kdy byly provedeny zásadní experimenty, které umožnily nejen pozorovat, ale i vysvětlit jevy světelné interference. , difrakci světla, změřte délku, zjistěte příčné vibrace světla a identifikujte další znaky šíření světelných vln. Ale koordinovat příčnou vlnění světla se zákl. myšlenka V. na šíření elastických kmitů v izotropním prostředí bylo nutné vybavit toto prostředí (svět) řadou vzájemně těžko slučitelných požadavků. Ch. Některé z těchto potíží byly nakonec vyřešeny. 19. století Angličtina fyzik J. Maxwell v analýze rovnic spojujících rychle proměnnou elektr. a mag. pole. V dílech Maxwella vznikl nový voltaický o.-el.-magnetický. teorie světla, s jejíž pomocí se ukázalo jako celkem jednoduché vysvětlit například řadu jevů. polarizace světla a veličin. vztahy pro přechod světla z jednoho průhledného dielektrika do druhého (viz FRESNELOVÉ VZORCE). Aplikace el.-magn. teorie v různých úkoly V. o. ukázal souhlas s experimentem. Tak byl například předpovězen fenomén lehkého tlaku, jehož existenci dokázal P. N. Lebedev (1899). Doplněk el.-magn. teorie světelného modelu reprezentace elektronové teorie (viz LORENTZ - MAXWELLOVÉ ROVNICE) umožnily jednoduše vysvětlit závislost indexu lomu na vlnové délce (disperze světla) a dalších efektech.

Další rozšíření hranic V. o. došlo v důsledku aplikace speciálních myšlenek. teorie relativity (viz RELATIVITY THEORY), experimentální. zdůvodnění řezu se týkalo tenkých optických vláken. experimenty, ve kterých hlavně hraná role souvisí. zdroj a přijímač světla (viz MICHAELSONOVA ZKUŠENOST). Rozvoj těchto myšlenek umožnil vyloučit z úvahy světový éter nejen jako médium, do kterého se šíří elektrický magnetismus. vlny, ale také jako abstraktní referenční rámec.

Analýza experimentálních dat o rovnovážném tepelném záření a fotoelektrickém jevu však ukázala, že V. o. má jisté hranice aplikace. Podařilo se vysvětlit rozložení energie ve spektru tepelného záření. fyzik M. Planck (1900), který došel k závěru, že elementární oscilace. systém vyzařuje a absorbuje energii ne nepřetržitě, ale po částech - kvantech. Rozvoj kvantové teorie A. Einsteina vedl k vytvoření fotonové fyziky - nové korpuskulární optiky, která doplňuje elektrický magnetismus. teorie světla, plně odpovídá obecně uznávaným představám o dualismu světla.

Fyzický encyklopedický slovník. - M.: Sovětská encyklopedie. Šéfredaktor A. M. Prochorov. 1983 .

Podívejte se, co je "WAVE OPTICS" v jiných slovnících:

Vlnová optika je obor optiky, který popisuje šíření světla s přihlédnutím k jeho vlnové povaze. Jevy vlnové optiky: interference, difrakce, polarizace atd. Viz také Vlnová optika v přírodě Odkazy... Wikipedia

Obor fyzikální optiky, který studuje soubor jevů jako je difrakce světla, interference světla, polarizace světla, ve kterých se projevuje vlnová povaha světla... Velký encyklopedický slovník

vlnová optika- - [L.G. Anglicko-ruský slovník informačních technologií. M.: State Enterprise TsNIIS, 2003.] Témata informačních technologií obecně EN fyzická optika ... Technická příručka překladatele

Obor fyzikální optiky, který studuje soubor jevů, ve kterých se projevuje vlnová povaha světla, jako je difrakce světla, interference světla, polarizace světla. * * * WAVE OPTICS WAVE OPTICS, obor fyzikální optiky, který studuje... ... encyklopedický slovník

vlnová optika- banginė optika statusas T sritis fizika atitikmenys: engl. vlnová optika vok. Wellenoptik, rus. vlnová optika, f pranc. optique d'ondes, f; optique ondulatoire, f … Fizikos terminų žodynas

Fyzická sekce optika, která studuje souhrn jevů, ve kterých se projevuje vlnová podstata světla, jako je difrakce světla, interference světla, polarizace světla... Přírodní věda. encyklopedický slovník

Styl tohoto článku je neencyklopedický nebo porušuje normy ruského jazyka. Článek by měl být opraven podle stylistických pravidel Wikipedie. Obsah... Wikipedie

Kvantová mechanika ... Wikipedie

Tabulka „Optika“ z encyklopedie z roku 1728 O ... Wikipedie

Vlnová optika- obor fyzikální optiky studující souhrn jevů, v nichž se projevuje vlnová povaha světla. První práce X. Huygense (1629 1695) 2. pol. 17. století Vlnová optika zaznamenala významný rozvoj ve výzkumu T. Younga (1773 1829), O. ... ... Pojmy moderní přírodní vědy. Slovníček základních pojmů

knihy

• Wave Optics Fifth Stereotype Edition, N. Kaliteevsky’s učebnice „Wave Optics“ pojednává o základech elektromagnetické teorie světla.. Patřičná pozornost je věnována experimentu. Výklad vlastností elektromagnetických vln...

Z hlediska vlnové optiky je světlo elektromagnetické vlnění s určitým frekvenčním rozsahem.

JEVY CHARAKTERIZUJÍCÍ SVĚTLO JAKO VLNA.

1) Rozptyl– závislost indexu lomu látky na frekvenci (vlnové délce) procházejícího světla Nemonochromatické světlo při lomu, interferenci a difrakci lze rozložit na spektrum (na monochromatické složky).

Jednobarevné světlo je světelná vlna o určité frekvenci (světlo jedné konkrétní barvy). Nemonochromatický Světlo je komplexní světlo skládající se z několika monochromatických složek.

> , > , < (для среды, в вакууме скорость света ).

< ().Frekvence kmitání světelné vlny se při přechodu z jednoho prostředí do druhého nemění.

V přírodě neexistuje žádná barva; existují elektromagnetické vlny různých frekvencí, které působí na sítnici oka a způsobují pocit světla. Člověk vnímá list papíru jako bílý, protože... odráží všechny vlny viditelné části spektra elektromagnetických vln, které na něj dopadají. Saze jsou černé, protože absorbuje všechny vlny viditelného spektra, které na něj dopadají. List rostliny je zelený, protože odráží elektromagnetické vlnění o takové frekvenci, že při dopadu na sítnici způsobí vjem zelené barvy list pohltí všechny ostatní vlny viditelné části spektra;

2) Rušení světla pozorováno např. v tenkých vrstvách: mýdlová bublina, benzinový film na vodě, křídla hmyzu atd. Dva nezávislé světelné zdroje produkují nesoudržné vlny pro získání koherentních světelných vln, buď je použit laser, nebo světelná vlna vycházející z jednoho zdroj je rozdělen na dvě části s rozdílem zdvihu. V tenkých filmech tak může být vytvořen interferenční obrazec vlnami odraženými od vnějšího a vnitřního povrchu filmu. V tomto případě je dráhový rozdíl , kde index lomu látky filmu je tloušťka filmu. Pokrytím čoček přístrojů fóliemi s indexem lomu nižším než má materiál čoček a volbou požadované tloušťky fólie dosáhneme čištění optiky, těch. minimalizovat světelnou energii odraženou od filmu.

Interferenční obrazec pro monochromatické světlo je střídání tmavých pásů (prstenců) a pásů (prstenců) osvětlených daným monochromatickým světlem.

Interferenční obrazec pro bílé světlo je střídáním duhových pruhů (prstenců).

PŘÍKLAD ŘEŠENÍ PROBLÉMU S RUŠENÍM SVĚTLA

Dva koherentní zdroje vyzařují monochromatické světlo o vlnové délce 600. Určete, v jaké vzdálenosti od bodu na obrazovce dojde k prvnímu maximálnímu osvětlení, pokud

4) Difrakce světla lze pozorovat, pokud je překážka, kterou světelná vlna ohýbá, velmi malá (srovnatelná s délkou světelné vlny) nebo je vzdálenost od překážky k obrazovce mnohonásobně větší než velikost samotné překážky. V těchto případech neplatí zákony geometrické optiky, protože světlo se odchyluje od přímočarého šíření. Difrakce je vždy doprovázena interferencí.

Při difrakci je tmavá skvrna umístěna ve středu stínítka u otvoru s difrakcí na překážce se tvoří světlá skvrna ve středu stínítka.

DIFRAKČNÍ MŘÍŽKA – soubor velkého počtu rovnoběžných štěrbin o šířce , pro světlo průhledných, oddělených neprůhlednými intervaly šířky . Doba mřížky (konstanta), kde je šířka určitého úseku mřížky, počet čar v tomto úseku. Pokud normálně monochromatické světlo dopadá na difrakční mřížku, pak jsou světelné vlny v důsledku difrakce vychylovány pod různými úhly.

Pokud jsou tyto vlny sbírány na stínítku pomocí čočky, vzniká interferenční obrazec, v jehož středu je centrální (nulové) maximum a na jeho obou stranách se vytvářejí maxima prvního, druhého atd. řádu .

Pokud na mřížku dopadá bílé světlo, pak je centrálním maximem bílý pruh, na jehož obou stranách jsou pozorována barevná spektra různého řádu.

Maxima se tvoří za podmínky . Při řešení problémů lze pro pohodlí pro malé úhly () nahradit .

Ve spektrální analýze se využívá rozklad světla do spektra pomocí difrakční mřížky nebo hranolu. Pomocí spektrální analýzy se zjišťuje chemické složení látky (každá chemická látka má své spektrum, které se neshoduje se spektrem žádného jiného chemického prvku), teplota látky a rychlost pohybu těles.

5) Polarizace světla možné díky skutečnosti, že světlo je příčná vlna. Přirozené světlo je vlna, ve které dochází k oscilacím vektoru v různých rovinách, pokud se oscilace vektoru vyskytují v jedné konkrétní rovině, pak je světlo polarizováno. Světlo lze polarizovat např. pomocí turmalínového krystalu, který díky své anizotropii propouští světelné vlny s vibracemi ležícími ve stejné rovině.

Vlnová optika– obor optiky, který zkoumá procesy a jevy, v nichž se projevují vlnové vlastnosti světla. Jakýkoli pohyb vln je charakterizován jevy interference a difrakce. U světla byly tyto jevy experimentálně pozorovány, což potvrzuje vlnovou povahu světla. Vlnová teorie byla založena na Huygensově principu, podle kterého se každý bod, do kterého vlna dostane, stává středem sekundárních vln a obálka těchto vln udává polohu čela vlny v příštím časovém okamžiku. Uvažováním interference sekundárních vln bylo možné vysvětlit přímost šíření světla. Pomocí Huygensova principu byly vysvětleny zákony geometrické optiky - zákony odrazu a lomu světla. Když vezmeme v úvahu interferenci sekundárních vln, lze pochopit, jak vzniká difrakční obrazec, když světlo dopadá na různé překážky.

Rušení- jev sčítání v prostoru dvou nebo více vln, při kterém v různých bodech dochází k zesílení nebo zeslabení amplitudy výsledné vlny. Pro vytvoření stabilního interferenčního obrazce je nutné, aby se vlny superponovaly v daném bodě prostoru s konstantním rozdílem fází kmitů. Takové vlny se nazývají koherentní vlny , a zdroje takových vln se nazývají koherentní zdroje . Rušení je charakteristické pro vlny různé povahy, včetně světelných vln. Přirozené světelné zdroje nejsou koherentní zdroje, takže interference světelných vln z nich není pozorována.

V Youngově experimentu byly koherentními zdroji dvě štěrbiny, na které dopadla stejná primární vlna. Ve Fresnelově biprizmatu se primární světelná vlna láme, což vede ke vzniku dvou koherentních imaginárních zdrojů, ze kterých lze pozorovat interferenční obrazec. Interferenci lze pozorovat, pokud se primární vlna (primární světelný paprsek) rozdělí na dva světelné paprsky, které se pohybují po různých drahách a opět se vzájemně překrývají (interference tenkého filmu, Newtonovy prstence).

Difrakce světla– jev ohýbání světelných vln kolem protijedoucích překážek o rozměrech úměrných vlnové délce nebo pronikání světla do oblasti geometrického stínu (například v případě otvoru, jehož rozměry jsou úměrné s vlnovou délkou). Jev se vysvětluje interferencí sekundárních vln, které jsou vyzařovány každým bodem čela primární vlny (základní princip vlnové optiky - Huygens-Fresnelův princip). Pokud je velikost otvoru mnohem větší než vlnová délka světla, pak interference sekundárních vln vznikajících v rovině otvoru vede k tomu, že v oblasti geometrického stínu je intenzita světla nulová, tzn. Dostáváme se k vysvětlení zákona přímočarosti šíření světla v rámci vlnové optiky. Z vlnového hlediska představuje světelný paprsek oblast, ve které interference sekundárních vln vede ke zvýšení intenzity světla.

Všimněte si, že ve vlnové optice na rozdíl od geometrické optiky ztrácí pojem světelný paprsek svůj fyzikální význam, ale používá se k označení směru šíření světelné vlny.

Po prostudování této kapitoly by měl student: vědět

• koncepty vlnové a geometrické optiky;
• koncept vlnově-částicové duality;
• čtyři zákony geometrické optiky;
• pojem interference světla, koherence, vlak;
• Huygens-Fresnelův princip;
• výpočet interferenčního obrazce dvou zdrojů;
• výpočet interference v tenkých vrstvách;
• principy čistící optiky; být schopný
• řešit typické aplikované fyzikální problémy ze zákonů geometrické optiky a interference světla;

vlastní

• dovednosti v používání standardních metod a modelů matematiky ve vztahu k zákonům geometrické optiky a světelné interference;
• dovednosti v používání metod analytické geometrie a vektorové algebry ve vztahu k zákonům geometrické optiky a interference světla;
• dovednosti ve vedení fyzikálních experimentů, jakož i ve zpracování experimentálních výsledků podle zákonů geometrické optiky a světelné interference.

Vlnová a geometrická optika. Zákony geometrické optiky

Vlnová optika - obor optiky, který popisuje šíření světla s přihlédnutím k jeho vlnové elektromagnetické povaze. V rámci vlnové optiky umožnila Maxwellova teorie zcela jednoduše vysvětlit takové optické jevy, jako je interference, difrakce, polarizace atd.

Na konci 17. stol. Vznikly dvě teorie světla: mávat(propagoval R. Hooke a H. Huygens) a korpuskulární(prosazoval ji I. Newton). Vlnová teorie vnímá světlo jako vlnový proces, podobný elastickým mechanickým vlnám. Podle korpuskulární (kvantové) teorie je světlo proud částic (korpusklů) popsaný zákony mechaniky. Odraz světla lze tedy uvažovat podobně jako odraz pružné koule od roviny. Dlouhou dobu byly dvě teorie světla považovány za alternativní. Četné experimenty však ukázaly, že světlo v některých experimentech vykazuje vlnové vlastnosti a v jiných - korpuskulární vlastnosti. Proto na počátku 20. stol. Bylo uznáno, že světlo má v zásadě dvojí povahu – má dualita vlna-částice.

Než však představíme základní principy a výsledky vlnové optiky, zformulujme si základní zákony geometrické optiky.

Geometrická optika- obor optiky, který studuje zákonitosti šíření světla v průhledných médiích a pravidla pro konstrukci obrazů při průchodu světla optickými systémy bez zohlednění jeho vlnových vlastností. V geometrické optice je zaveden koncept paprsek světla, určení směru toku zářivé energie. Předpokládá se, že šíření světla nezávisí na příčných rozměrech světelného paprsku. V souladu se zákony vlnové optiky to platí, pokud je příčná velikost paprsku mnohem větší než vlnová délka světla. Geometrickou optiku lze považovat za limitující případ vlnové optiky, kdy má vlnová délka světla tendenci k nule. Přesněji, hranice použitelnosti geometrické optiky budou určeny studiem difrakce světla.

Základní zákony geometrické optiky byly experimentálně objeveny dlouho předtím, než byla objevena fyzikální podstata světla. Zformulujme čtyři zákon geometrické optiky.

• 1. Zákon o přímočarém šíření světla:V opticky homogenním prostředí se světlo šíří přímočaře. Tento zákon potvrzuje ostrý stín vrhaný tělesem při osvětlení bodovým zdrojem světla. Dalším příkladem je, když světlo ze vzdáleného zdroje prochází malým otvorem a vytváří úzký, přímý paprsek světla. V tomto případě je nutné, aby velikost otvoru byla mnohem větší než vlnová délka.
• 2. Zákon nezávislosti světelných paprsků:Efekt vytvořený jediným paprskem světla je nezávislý na ostatních paprscích. Osvětlení plochy, na kterou svítí několik paprsků, se tedy rovná součtu osvětlení vytvořeného jednotlivými paprsky. Výjimkou jsou nelineární optické efekty, které se mohou objevit při vysoké intenzitě světla.

Rýže. 26.1

3.Zákon odrazu světla:dopadající a odražené paprsky (a také kolmo k rozhraní mezi dvěma médii, (rovina dopadu) na opačných stranách kolmice. Úhel odrazu na rovný úhlu dopadu a(obr. 26.1):

4. Zákon lomu světla:dopadající a lomené paprsky (stejně jako kolmo na rozhraní mezi dvěma médii, rekonstruované v místě dopadu paprsku) leží ve stejné rovině (rovina dopadu) na opačných stranách kolmice.

Poměr sinu úhlu dopadu a k sinu úhlu lomu R existuje množství, konstantní pro dvě daná prostředí(obr. 26.1):

Tady n je index lomu druhého prostředí vzhledem k prvnímu.

Index lomu prostředí vzhledem k vakuu se nazývá absolutní index lomu. Relativní index lomu dvou médií se rovná poměru jejich absolutních indexů lomu:

Zákony odrazu a lomu mají vysvětlení ve fyzice vln. Lom je důsledkem změn rychlosti šíření vlnění při přechodu z jednoho prostředí do druhého. Fyzikální význam indexu lomu je poměr rychlosti šíření vln v prvním prostředí proti( na rychlost šíření ve druhém médiu v2:

Absolutní index lomu je roven poměru rychlosti světla S ve vakuu na rychlost světla proti v prostředí:

Médium s velkým absolutním indexem lomu se nazývá opticky hustší médium. Když světlo přechází z opticky hustšího média do opticky méně hustého, například ze skla do vzduchu ( n 2 se může uskutečnit jev totálního odrazu, tj. vymizení lomeného paprsku. Tento jev je pozorován při úhlech dopadu přesahujícím určitý kritický úhel apr, který se nazývá mezní úhel totálního vnitřního odrazu. Pro úhel dopadu a = apr je podmínkou vymizení lomeného paprsku

Pokud je druhým médiem vzduch (p 2 ~ 1), pak pomocí vzorců (26.2) a (26.3) je vhodné napsat vzorec pro výpočet mezního úhlu totálního vnitřního odrazu ve tvaru

Kde n = n x> 1 - absolutní index lomu prvního prostředí. Pro rozhraní sklo-vzduch (P= 1,5) kritický úhel apr = 42°, pro rozhraní voda-vzduch (P= 1,33) a pr = 49°.

Nejzajímavější aplikací totální vnitřní reflexe je tvořit vláknové světlovody, což jsou tenké (od několika mikrometrů do několika milimetrů) libovolně zakřivené nitě vyrobené z opticky průhledného materiálu (sklo, křemen, plast). Světlo dopadající na konec světlovodu se po něm může šířit na velké vzdálenosti v důsledku úplného vnitřního odrazu od bočních ploch. Světlovod nelze silně ohýbat, neboť při silném ohybu je porušena podmínka úplného vnitřního odrazu (26.7) a světlo částečně vystupuje z vlákna boční plochou.

Všimněte si, že lze odvodit první, třetí a čtvrtý zákon geometrické optiky Fermatův princip(princip nejmenšího času): trajektorie šíření světelného paprsku odpovídá nejkratší době šíření. A je snadné to ukázat.

Na závěr se podívejme na jeden ze zábavných problémů v geometrické optice – vytvoření čepice neviditelnosti. Z optického hlediska by mohla být neviditelná čepice systémem ohýbání světelných paprsků kolem předmětu.

Vytvoření takového systému pomocí zákona lomu světla není v zásadě obtížné. Hlavním problémem je boj se silným útlumem světla v refrakčním systému. Nejlepší variantou tedy může být systém videorekordéru obrazu za objektem a televizního vysílače tohoto obrazu před objektem.

WAVE OPTICS, obor fyzikální optiky, který studuje jevy související s vlnovou povahou světla. Vlnový charakter šíření světla zavedl H. Huygens ve 2. polovině 17. století. Významný rozvoj zaznamenala vlnová optika ve studiích T. Younga, O. Fresnela, D. Araga, kdy byly provedeny experimenty, které umožnily nejen pozorovat, ale také vysvětlit interferenci, difrakci a polarizaci světla, které geometrické optika nedokázala vysvětlit. Vlnová optika uvažuje šíření světelných vln v různých prostředích, odraz a lom světla na hranicích prostředí (viz Fresnelovy vzorce), rozptyl a rozptyl světla v hmotě atd. Světelné vlny, což jsou kmity elektromagnetického pole, jsou popsané obecnými rovnicemi klasické elektrodynamiky (viz Maxwellovy rovnice ). Tyto rovnice jsou doplněny rovnicemi kvantové mechaniky, které spojují hodnoty dielektrické a magnetické permeability s molekulární strukturou a vlastnostmi hmoty. Tento přístup umožňuje studovat vlnově optické jevy v různých prostředích (viz Krystalová optika, Magnetooptika, Molekulární optika). Vlastnosti šíření světelných vln v pohybujících se prostředích (viz Elektrodynamika pohybujících se prostředí), stejně jako v silných gravitačních polích, jsou vysvětleny ve speciálních a obecných teoriích relativity. Vlnová optika, využívající klasický popis světelného pole, není schopna podat konzistentní vysvětlení procesů emise a absorpce světla, což vyžaduje zavedení představ o světelných kvantech - fotonech (viz Kvantová optika, Dualita vlnových částic ). Řadu problémů ve vlnové optice lze řešit i jednodušším popisem světelného pole pomocí vlnové rovnice.

Vlnová optika stanovuje meze použitelnosti geometrické optiky a poskytuje matematické zdůvodnění vztahů v ní používaných (rovnice eikonaly, Fermatův princip atd.). V mezioblasti, kdy je vlnová délka světla výrazně menší než geometrické rozměry optické soustavy, ale zároveň jsou výrazné difrakční zkreslení paprsků, se používají kvazioptické metody.

Vlnové jevy v nelineárních prostředích jsou uvažovány v nelineární optice. Šíření světelných vln v náhodně nehomogenních prostředích včetně atmosféry je studováno metodami statistické optiky. Moderní vlnová optika studuje tvorbu koherentních světelných paprsků v optických rezonátorech laserů a transformaci paprsků pomocí holografie, Fourierovy optiky a adaptivní optiky. Rychle se rozvíjející oblastí je také výzkum nelineárních optických jevů v optických vláknech (viz Vláknová optika) a v planárních (filmových) optických systémech (viz Integrovaná optika).

Lit. podívejte se na Art. Optika.