Политех в Сети

Сайт для Учебы

1.1. Предмет оптики

Рейтинг пользователей: / 2
ХудшийЛучший 

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.