Волновая оптика

Световые волны.

Законы геометрической (лучевой) оптики

Световые волны. Интенсивность света. Световой поток. Законы геометрической оптики. Полное внутреннее отражение

Оптика – это раздел физики, изучающий природу светового излучения, его распространение и взаимодействие с веществом. Раздел оптики, в котором изучается волновая природа света, называется волновой оптикой. Волновая природа света лежит в основе таких явлений, как интерференция, дифракция, поляризация. Раздел оптики, в котором не учитываются волновые свойства света и который основывается на понятии луча, называется геометрической оптикой.

§ 1. СВЕТОВЫЕ ВОЛНЫ

Согласно современным представлениям, свет представляет собой сложное явление: в одних случаях он ведет себя как электромагнитная волна, в других – как поток особых частиц (фотонов). Такое свойство называется корпускулярноволновым дуализмом (корпускула – частица, дуализм – двойственность). В этой части курса лекций будем рассматривать волновые явления света.

Световая волна – это электромагнитная волна с длиной волны в вакууме в диапазоне:

Показатель преломления

Скорость распространения света в среде, как и любой электромагнитной волны, равна (см. (7.3)):

Для характеристики оптических свойств среды вводится показатель преломления. Отношение скорости света в вакууме к скорости света в данной среде называется абсолютным показателем преломления:

так как для большинства прозрачных веществ μ=1.

Формула (8.2) связывает оптические свойства вещества с его электрическими свойствами. Для любой среды, кроме вакуума, n> 1. Для вакуума n = 1, для газов при нормальных условиях n≈ 1.

Показатель преломления характеризует оптическую плотность среды . Среда с большим показателем преломления называется оптически более плотной. Обозначим абсолютные показатели преломления для двух сред:

электромагнитной волны, то n = n(ν) илиn = n(λ) – показатель преломления будет зависеть от длины волны света (см. лекции № 16, 17).

Зависимость показателя преломления от длины волны (или частоты) называется дисперсией .

В световой волне, как и в любой электромагнитной волне, колеблются векторы E и H. Эти векторы перпендикулярны друг другу и направлению

вектора v . Как показывает опыт, физиологическое, фотохимическое, фотоэлектрическое и другие виды воздействий вызываются колебаниями электрического вектора. Поэтому световой вектор – это вектор напряженности электрического поля световой (электромагнитной) волны.

Для монохроматической световой волны изменение во времени и пространстве проекции светового вектора на направление, вдоль которого он

Здесь k – волновое число; r – расстояние, отсчитываемое вдоль направления распространения волны; E m – амплитуда световой волны. Для плоской волныE m = const , для сферической убывает как 1/r.

§ 2. ИНТЕНСИВНОСТЬ СВЕТА. СВЕТОВОЙ ПОТОК

Частота световых волн очень велика, поэтому приемник света или глаз фиксирует усредненный по времени поток. Интенсивностью света называется модуль среднего по времени значения плотности энергии в данной точке пространства. Для световой волны, как и для любой электромагнитной волны, интенсивность (см (7.8)) равна:

Для световой волны μ≈ 1, поэтому из (7.5) следует:

μ0 H =ε0 ε E,

откуда с учетом (8.2):

Подставим в (7.8) формулы (8.4) и (8.5). После усреднения получим:

Следовательно, интенсивность света пропорциональна квадрату амплитуды световой волны и показателю преломления. Заметим, что для

вакуума и воздуха n = 1, поэтому I ~ E 2 m (сравните с (7.9)).

Для характеристики интенсивности света с учетом его способности вызывать зрительное ощущение вводится величина Ф, называемая световым потоком. Действие света на глаз сильно зависит от длины волны. Наиболее

чувствителен глаз к излучению с длиной волны λ з = 555 нм (зеленый цвет).

Для других волн чувствительность глаза ниже, а вне интервала (400– 760 нм) чувствительность глаза равна нулю.

Световым потоком называется поток световой энергии, оцениваемый по зрительному ощущению. Единицей светового потока является люмен (лм). Соответственно, интенсивность измеряется либо в энергетических единицах (Вт/м2 ), либо в световых единицах (лм/м2 ).

Интенсивность света характеризует численное значение средней энергии, переносимой световой волной в единицу времени через единицу площади площадки, поставленной перпендикулярно направлению распространения волны. Линии, вдоль которых распространяется световая энергия, называют лучами. Раздел оптики, в котором изучаются законы распространения светового

излучения на основе представлений о световых лучах, называется геометрической, или лучевой оптикой.

§ 3. ОСНОВНЫЕ ЗАКОНЫ ГЕОМЕТРИЧЕСКОЙ ОПТИКИ

Геометрическая оптика – это приближенное рассмотрение распространения света в предположении, что свет распространяется вдоль некоторых линий – лучей (лучевая оптика). В этом приближении пренебрегают конечностью длин волн света, полагая, что λ→ 0.

Геометрическая оптика позволяет во многих случаях достаточно хорошо рассчитать оптическую систему. Но в ряде случаев реальный расчет оптических систем требует учета волновой природы света.

Первые три закона геометрической оптики известны с древних времен. 1. Закон прямолинейного распространения света.

Закон прямолинейного распространения света утверждает, что в

однороднойсреде свет распространяется прямолинейно.

Если среда неоднородна, т. е. ее показатель преломления изменяется от точки к точке, или n = n(r) , то свет не будет распространяться по прямой. При

наличии резких неоднородностей, таких, как отверстия в непрозрачных экранах, границы этих экранов, наблюдается отклонение света от прямолинейного распространения.

2. Закон независимости световых лучей утверждает, что лучи при пересечениине возмущают друг друга . При больших интенсивностях этот закон не соблюдается, происходит рассеяние света на свете.

3 и 4. Законы отражения и преломления утверждают, что на границе раздела двух сред происходит отражение и преломление светового луча. Отраженный и преломленный лучи лежат в одной плоскости с падающим

лучом и перпендикуляром, восстановленным к границе раздела в точке падения

Угол падения равен углу отражения:

для которых показатель

Вычислим теперь полную энергию, излучаемую зарядом при ускорении. Для общности возьмем случай произвольного ускорения, считая, однако, движение нерелятивистским. Когда ускорение направлено, скажем, по вертикали, электрическое поле излучения равно произведению заряда на проекцию запаздывающего ускорения, деленному на расстояние. Таким образом, нам известно электрическое поле в любой точке, а отсюда мы знаем энергию , проходящую через единичную площадку за .

Величина часто встречается в формулах распространения радиоволн. Обратную ей величину можно назвать импедансом вакуума (или сопротивлением вакуума); она равна . Отсюда мощность (в ваттах на квадратный метр) есть средний квадрат поля, деленный на 377.

С помощью формулы (29.1) для электрического поля мы получаем

, (32.2)

где - мощность на , излучаемая под углом . Как уже отмечалось, обратно пропорционально расстоянию. Интегрируя, получаем отсюда полную мощность, излучаемую во всех направлениях. Для этого сначала умножим на площадь полоски сферы, тогда мы получим поток энергии в интервале угла (фиг. 32.1). Площадь полоски вычисляется следующим образом: если радиус равен , то толщина полоски равна , а длина , поскольку радиус кольцевой полоски есть . Таким образом, площадь полоски равна

(32.3)

Фигура 32.1. Площадь кольца на сфере, равна .

Умножая поток [мощность на , согласно формуле (32.2)] на площадь полоски, найдем энергию, излучаемую в интервале углов и ; далее нужно проинтегрировать по всем углам от до :

(32.4)

При вычислении воспользуемся равенством и в результате получим . Отсюда окончательно

Необходимо сделать несколько замечаний по поводу этого выражения. Прежде всего, поскольку есть вектор, то в формуле (32.5) означает , т. е. квадрат длины вектора. Во-вторых, в формулу (32.2) для потока входит ускорение, взятое с учетом запаздывания, т. е. ускорение в тот момент времени, когда была излучена энергия, проходящая сейчас через поверхность сферы. Может возникнуть мысль, что энергия действительно была излучена точно в указанный момент времени. Но это не совсем правильно. Момент излучения нельзя определить точно. Можно вычислить результат только такого движения, например колебания и т. п., где ускорение в конце концов исчезает. Следовательно, мы можем найти только полный поток энергии за весь период колебаний, пропорциональный среднему за период квадрату ускорения. Поэтому в (32.5) должно означать среднее по времени от квадрата ускорения. Для такого движения, когда ускорение в начале и в конце обращается в нуль, полная излученная энергия равна интегралу по времени от выражения (32.5).

Посмотрим, что дает формула (32.5) для осциллирующей системы, для которой ускорение имеет вид . Среднее за период от квадрата ускорения равно (при возведении в квадрат надо помнить, что на самом деле вместо экспоненты должна входить ее действительная часть - косинус, а среднее от дает ):

Следовательно,

Эти формулы были получены сравнительно недавно - в начале XX века. Это замечательные формулы, они имели огромное историческое значение, и о них стоило бы почитать в старых книгах по физике. Правда, там использовалась другая система единиц, а не система СИ. Однако в конечных результатах, относящихся к электронам, эти осложнения можно исключить с помощью следующего правила соответствия: величина где - заряд электрона (в кулонах), раньше записывалась как . Легко убедиться, что в системе СИ значение численно равно , поскольку мы знаем, что и . В дальнейшем мы будем часто пользоваться удобным обозначением (32.7)

Если это численное значение подставить в старые формулы, то все остальные величины в них можно считать определенными в системе СИ. Например, формула (32.5) прежде имела вид . А потенциальная энергия протона и электрона на расстоянии есть или , где СИ.

Таким образом, в геометрической оптике световую волну можно рассматривать как пучок лучей. Лучи, однако, сами по себе определяют лишь направление распространения света в каждой точке; остается вопрос о распределении интенсивности света в пространстве.

Выделим на какой-либо из волновых поверхностей рассматриваемого пучка бесконечно малый элемент. Из дифференциальной геометрии известно, что всякая поверхность имеет в каждой своей точке два, вообще говоря, различных главных радиуса кривизны.

Пусть (рис. 7) - элементы главных кругов кривизны, проведенные на данном элементе волновой поверхности. Тогда лучи, проходящие через точки а и с, пересекутся друг с другом в соответствующем центре кривизны а лучи, проходящие через b и d, пересекутся в другом центре кривизны .

При данных углах раствора лучей, исходящих из длины отрезков пропорциональны соответствующим радиусам кривизны (т. е. длинам и ); площадь элемента поверхности пропорциональна произведению длин , т. е. пропорциональна Другими словами, если рассматривать элемент волновой поверхности, ограниченный определенным рядом лучей, то при движении вдоль них площадь этого элемента будет меняться пропорционально .

С другой стороны, интенсивность, т. е. плотность потока энергии, обратно пропорциональна площади поверхности, через которую проходит данное количество световой энергии. Таким образом, мы приходим к выводу, что интенсивность

Эту формулу надо понимать следующим образом. На каждом данном луче (АВ на рис. 7) существуют определенные точки и , являющиеся центрами кривизны всех волновых поверхностей, пересекающих данный луч. Расстояния и от точки О пересечения волновой поверхности с лучом до точек являются радиусами кривизны волновой поверхности в точке О. Таким образом, формула (54,1) определяет интенсивность света в точке О на данном луче как функцию от расстояний до определенных точек на этом дуче. Подчеркнем, что эта формула непригодна для сравнения интенсивностей в разных точках одной и той же волновой поверхности.

Поскольку интенсивность определяется квадратом модуля поля, то для изменения самого поля вдоль луча мы можем написать:

где в фазовом множителе под R может поразумеваться как так и величины отличаются друг от друга только постоянным (для данного луча) множителем, поскольку разность , расстояние между обоими центрами кривизны, постоянна.

Если оба радиуса кривизны волновой поверхности совпадают, то (54,1) и (54,2) имеют вид

Это имеет место, в частности, всегда в тех случаях, когда свет испускается точечным источником (волновые поверхности являются тогда концентрическими сферами, a R - расстоянием до источника света).

Из (54,1) мы видим, что интенсивность обращается в бесконечность в точках т. е. в центрах кривизны волновых поверхностей. Применяя это ко всем лучам в пучке, находим, что интенсивность света в данном пучке обращается в бесконечность, вообще говоря, на двух поверхностях - геометрическом месте всех центров кривизны волновых поверхностей. Эти поверхности носят название каустик. В частном случае пучка лучей со сферическими волновыми поверхностями обе каустики сливаются в одну точку {фокус).

Отметим, что, согласно известным из дифференциальной геометрии свойствам геометрического места центров кривизны семейства поверхностей, лучи касаются каустик.

Надо иметь в виду, что (при выпуклых волновых поверхностях) центры кривизны волновых поверхностей могут оказаться лежащими не на самих лучах, а на их продолжениях за оптическую систему, от которой они исходят. В таких случаях говорят о мнимых каустиках (или мнимых фокусах). Интенсивность света при этом нигде не обращается в бесконечность.

Что касается обращения интенсивности в бесконечность, то в действительности, разумеется, интенсивность в точках каустики делается большой, но остается конечной (см. задачу к § 59). Формальное обращение в бесконечность означает, что приближение геометрической оптики становится во всяком случае неприменимым вблизи каустик. С этим же обстоятельством связано и то, что изменение фазы вдоль луча может определяться формулой (54,2) только на участках луча, не включающих в себя точек его касания с каустиками. Ниже (в § 59) будет показано, что в действительности при прохождении мимо каустики фаза поля уменьшается на . Это значит, что если на участке луча до его касания первой каустики поле пропорционально множителю - координата вдоль луча), то после прохождения мимо каустики поле будет пропорционально То же самое произойдет вблизи точки касания второй каустики, и за этой точкой поле будет пропорционально

Рассмотрим элементарную площадку с площадью , расположенную в пространстве, заполненном излучением от разных источников. Будем характеризовать ориентацию площадки в пространстве вектором нормали к ее поверхности.

Важное свойство интенсивности: эта величина характеризует излучательные свойства источника и не зависит от того, на каком расстоянии от него поместить элементарную площадку. Отодвинем площадку на некоторое расстояние. Действительно с ростом расстояния r до источника мощность излучения, проходящего через площадку, падает как r 2 , но по такому же закону падает и телесный угол, под которым виден источник. Элементарную площадку можно совместить с наблюдателем, а можно представить находящейся на поверхности источника. Интенсивность будет той же самой.

Определение. Интенсивность излучения – это мощность световой энергии (поток излучения за единицу времени), проходящей через площадку единичного сечения, расположенную перпендикулярно выбранному направлению в единичном телесном угле.

Кандела – (СВЕЧА МЕЖДУНАРОДНАЯ до 1970) единица измерения интенсивности (силы света), равная силе света такого точечного источника, который испускает световой поток в один люмен внутри единичного телесного угла (стерадиана), то есть 1кд =1лм/ср

Интенсивность лучистой энергии имеет размерность – вт/ср, эрг/сек*ср

Надо еще учесть ориентацию площадки в пространстве. В общем случае, если угол между нормалью и выбранным направлением равен q, то

где = - элемент телесного угла.

Телесный угол, под которым виден источник, выражается равенством:

где S –площадь вырезаемая конусом на сфере радиусом r . При телесный угол равен 1.

Эта величина называется стерадианом . Все пространство имеет телесный угол, равный 4p.

Таким образом, интенсивность источника это поток излучения в пределах телесного угла равного стерадиану.

Определение. Источник называют изотропно излучающим, если его интенсивность не зависит от направления в пространстве.

Из (2.1) можно получить мощность излучения, проходящего через единичную площадку. Для этого проинтегрируем интенсивность по телесному углу.

Для изотропного поля излучения получаем полный поток через площадку по формуле = 0. Для изотропно излучающей бесконечной площади интегрирование по полусфере дает поток

Освещенность.

Рассмотрим поток от источника в месте наблюдения. При отсутствии поглощения поток падает с расстоянием как из-за уменьшения телесного угла, под которым виден источник. Поэтому поток можно рассматривать как освещенность в месте наблюдения, создаваемая источником.

Определение. Освещенность E – это световой поток на единицу площади.

С учетом (2.2) получаем:

Если площадка, ограничивающая конус, расположена под углом q к нормали, то в общем виде можно записать выражение для освещенности площадки в виде:

За единицу освещенности принимается люкс – когда через площадку 1м 2 проходит поток равный 1 люмену. 1лк = 1лм/м 2

Освещенность в энергетических единицах - вт/см 2 , эрг/сек*см 2

От точечного источника телескоп может регистрировать только поток излучения, а не интенсивность. Рассмотрим излучение от звезды радиуса R , которую можно представить в виде сферически-симметричного изотропного источника, находящегося на расстоянии r. Непосредственно измеряемый поток от звезды будет:

где - интенсивность в точке приемника (телескопа), а = - телесный угол под которым видна звезда. Поток с единицы поверхности от звезды для изотропной интенсивности есть просто = . В отсутствии поглощения = . Поэтому для измеряемой величины находим:

= (2.7)

Так как , то переход от непосредственно измеряемой величины к интенсивности возможен, если только известен угловой диаметр R/r источника, то есть если он не воспринимается как точечный.

Может очень сильно различаться, причем визуально мы не в состоянии определить степень освещенности, т. к. человеческий глаз наделен способностью приспосабливаться к разному освещению. Между тем, интенсивность освещения имеет чрезвычайно важное значение в самых разнообразных сферах деятельности. Для примера можно взять процесс кино- или видеосъемки, а также, допустим, выращивание комнатных растений.

Человеческий глаз воспринимает световые от 380 нм (фиолетового цвета) до 780 нм (красного). Лучше всего мы воспринимаем волны с длиной, как раз не самой пригодной для растений. Яркое и приятное нашему глазу освещение может быть неподходящим для растений в теплице, которые могут недополучать важных для фотосинтеза волн.

Интенсивность света измеряется в люксах. Ярким солнечным полднем в нашей средней полосе она достигает примерно 100 000 люкс, к вечеру снижается до 25 000 люкс. В густой тени ее значение составляет десятые доли этих величин. В помещениях интенсивность солнечного освещения значительно меньше, т. к. свет ослаблен деревьями и оконными стеклами. Самое яркое освещение (на южном окне летом сразу за стеклами) в лучшем случае 3-5 тысяч люкс, на середине комнаты (в 2-3 метрах от окна) - всего 500 люкс. Это минимально необходимое для выживания растений освещение. Для нормального роста даже неприхотливым требуется не менее 800 люкс.

Интенсивность света на глаз мы определить не можем. Для этого существует прибор, название которого - люксметр. При его покупке необходимо уточнить измеряемый им диапазон волн, т.к. возможности прибора хоть и шире возможностей человеческого глаза, но все же ограничены.

Интенсивность света также можно измерить с помощью фотоаппарата или фотоэкспонометра. Правда, придется сделать перерасчет полученных единиц в люксы. Для проведения измерения нужно в месте замера положить белый лист бумаги и навести на него фотоаппарат, светочувствительность которого установлена на 100, а диафрагма на 4. Определив выдержку, следует ее знаменатель умножить на 10, полученное значение будет приблизительно соответствовать освещению в люксах. Например, при полученной выдержке 1/60 сек. освещение около 600 люкс.

Если вы увлекаетесь разведением цветов и уходом за ними, то, конечно же, знаете, что энергия света жизненно необходима растениям для нормального фотосинтеза. Свет оказывает влияние на скорость роста, направление, развитие цветка, размер и форму его листьев. С уменьшением световой интенсивности пропорционально замедляются все процессы в растениях. Количество его зависит от того, насколько удален источник света, от стороны горизонта, на которую обращено окно, от степени затененности уличными деревьями, от наличия штор или жалюзи. Чем светлее помещение, тем активнее происходит рост растений и тем больше им требуется воды, тепла и удобрений. Если растения растут в тени, то и ухода они требуют в меньшем количестве.

При съемке фильма или телевизионной передачи освещенность имеет очень важное значение. Высококачественная съемка возможна при освещенности порядка 1000 люкс, достигаемой в телевизионной студии при помощи специальных ламп. Но приемлемое качество изображения можно получить и при меньшем освещении.

Интенсивность освещения в студии до начала и в процессе съемки измеряют с помощью экспонометров или высококачественных цветных мониторов, которые подключаются к видеокамере. До начала съемки лучше всего пройтись с экспонометром по всей съемочной площадке с целью определения затемненных или чрезмерно освещенных ее участков во избежание негативных явлений при просмотре отснятого материала. Кроме того, правильной регулировкой освещения можно добиться дополнительной выразительности снимаемой сцены и нужных режиссерских эффектов.