ОПТИКА

Оптикой называется раздел физики, занимающийся изучением природы света, закономерностей его испускания, распространения и взаимодействия с веществом. Природа света двойственна, т.е. свет в одних условиях проявляет себя как электромагнитная волна, а в других как поток частиц – фотонов. Такие явления как интерференция, дифракция можно объяснить волновыми свойствами света, а излучение и поглощение – квантовыми. В связи с этим оптика разделяется на геометрическую и физическую.

1. Геометрическая оптика

1.1 Основные понятия. Законы отражения и преломления света.

Световой луч – это линия, вдоль которой распространяется энергия световых волн. В оптически однородной среде (среда, в которой показатель преломления везде одинаков) свет распространяется прямолинейно.

Абсолютный показатель преломления среды (или просто показатель преломления) – это отношение скорости света в вакууме с к скорости распространения света в данной среде v и обозначается n.

n = (1.1)

Относительным показателем преломления n₂₁ второй среды относительно первой называется отношение

, (1.2)

где n₁ и n₂ –абсолютные показатели преломления первой и второй сред; v₁ и v₂ – скорости распространения света соответственно в первой и во второй средах.

Если показатель преломления одной среды больше чем другой, то эта среда называется оптически более плотной, тогда как другая называется соответственно оптически менее плотной.

При падении лучей на границу раздела двух сред, происходят явления преломления и отражения света. Углом падения α называется угол между падающим лучом S и перпендикуляром к границе раздела MN, восстановленным в точке падения B (рис.1.1). Углом отражения γ называется угол между отраженным лучом A и тем же перпендикуляром. Углом преломления β называется угол между преломленным лучом C и тем же перпендикуляром.

Рис.1.1

Законы отражения и преломления света:

1. Падающий луч, отраженный луч, преломленный луч и перпендикуляр, восстановленный в точку падения луча, лежат в одной плоскости.

2. Угол падения равен углу отражения.

3. Отношение синуса угла падения к синусу угла преломления есть величина постоянная, равная относительному показателю преломления данных двух сред.

(1.3)

1.2 Явление полного внутреннего отражения. Волоконная оптика и ее использование в медицине.

Волоконная оптика – раздел оптики, рассматривающий передачу света и изображения на расстояние с помощью световодов. Волоконная оптика основана на явлении полного внутреннего отражения. Полное внутреннее отражение - это явление, наблюдаемое при переходе света из оптически более плотной среды в менее плотную: (n₁ > n₂, при этом β > α) под углом больше предельного угла полного внутреннего отражения α_пр.. Предельный угол полного внутреннего отражения – это угол падения α, при котором угол преломления β = 90⁰ (рис.1.2).

Рис.1.2 Рис.1.3 Рис.1.4

На рис.1.2 Луч 3 испытывает полное внутреннее отражение.

Светопровод представляет собой гибкую стеклянную нить, которая покрыта пленкой из оптически менее плотного, чем стекло, вещества (рис.1.3). Пучок волокон, уложенных определенным образом, образует световод. Такой световод может передавать свет от источника или, например, изображение предмета на значительные расстояния, как по прямолинейному, так и криволинейному пути (рис.1.4). Чем меньше диаметр отдельного волокна, тем более мелкие детали изображения можно передать по световоду.

Световоды успешно используют в медицине (в эндоскопии) для осмотра внутренних полостей (желудка, кишечника). Медицинский световод представляет собой гибкий жгут диаметром 10÷15 мм, образованный десятками тысяч тончайших стеклянных светопроводов. С помощью волоконного эндоскопа (гастроскопа) можно не только визуально осмотреть желудок, но и произвести необходимые снимки для диагностики. С помощью светопроводов можно передавать лазерное излучение во внутренние органы с целью разрушения опухолей, в терапии – для заживления, например, язвы желудка, ожогов.