1. Основные понятия оптики и фотометрии. Плоские линейно поляризованные электромагнитные волны в однородном изотропном безграничном диэлектрике. Оптический диапазон частот. Отражение и преломление света на границе двух диэлектриков. Законы Снелля. Полное внутреннее отражение света. Дисперсия света нормальная и аномальная.

Фотометрия – раздел оптики, занимающийся вопросами измерения интенсивности света и его источников. В фотометрии используют световые величины, характеризующие физиологические действия света и оцениваемые по действию на глаз (сила света, световой поток, светимость, яркость, освещенность), а также энергетические величины, характеризующие энергетические параметры оптического излучения безотносительно к его действию на преемники излучения (поток излучения, энергетическая светимость или излучательность, энергетическая сила света или сила излучения, энергетическая яркость или лучистость и энергетическая освещенность или облученность).

Световой поток Ф – мощность лучистой энергии, оцениваемая по световому ощущению, которое она производит на глаз. Если я обычную электрическую лампу, то свет, кот. она излучает во все стороны, и есть световой поток. Измер. в люменах (лм)- световой поток, испускаемый точечным источником в телесном угле 1 стерадиан при силе света 1 кандела (при равномерности поля излучения внутри телесного угла), 1лм=1кд*ер.

Поток излучения Фе – величина, равная отношению энергии W излучения ко времени t , за кот. изл-ие произошло: Фе=W/t. СИ: ватт (Вт). для монохроматического излучения с длиной волны 555нм лучистому потоку в 1 Вт соответствует поток 683лм.

В применении к электрическим лампам кол-во люменов светового потока Ф, кот. приходится на ед.мощности электр. тока в лампе, называют световой отдачей k лампы: k=Ф/W.

Светимость R – отношение светового потока, испускаемого светящейся пов-тью, к площади этой пов-ти. СИ: лм/м², СГС – радфОт.

Освещенность Е – поверхностная плотность светового потока, падающего на освещаемую пов-ть; определяестся как отношение светового потока Ф к площади пов-ти S, на кот. он распределяется: Е=Ф/S.

Скорость света. Э/м волны распростран. в в-ве с опред. скоростью с: С=1/(ε ε₀µ µ₀)^1\2. с₀=1/(ε₀ µ₀)^1\2≈3*10⁸ м/с.

Цвет	Диапазон длин волн, нм	Диапазон частот, ТГц	Диапазон энергии фотонов, эВ
Фиолетовый	380—440	790—680	2,82—3,26
Синий	440—485	680—620	2,56—2,82
Голубой	485—500	620—600	2,48—2,56
Зелёный	500—565	600—530	2,19—2,48
Жёлтый	565—590	530—510	2,10—2,19
Оранжевый	590—625	510—480	1,98—2,10
Красный	625—740	480—400	1,68—1,98

Преломление света – изменение направления распространения света при прохождении через границу раздела двух прозрачных сред. Отражение света - возникновение вторичных световых волн, распространяющихся от границы раздела двух сред "обратно" в первую среду, из которой первоначально падал свет.

 Закон Снелля - закон преломления света на границедвух прозрачных сред, утверждающий, что при любом угле падения α отношение sin α /sin β (β - угол преломления) является величиной постоянной.

Полное внутреннее отражение - отражение эл.-магн. излучения (в частности, света) при его падении на границу раздела двух прозрачных сред из среды с большим показателем преломления. П. в. о. осуществляется, когда угол падения i превосходит нек-рый предельный (критический) угол iкр. При i>iкр преломление во вторую среду прекращается (II угол преломления не может быть больше 90⁰, закон Снелля).

Дисперсия света – совокупность оптических явлений, обусловленных зависимостью комплексной диэлектрической проницаемости (следоват., и показателя преломления) от частоты (длины волны) света, т.е. это зависимость показателя преломления от длины волны проходящего света:n=f(λ).

Дисперсия в-ва D: D≡dn/dλ показывает зависимость показателя преломления в-ва от длины волны. Для большинства оптических материалов (прозрачных в-в) в видимом диапазоне показатель преломления n растет с увеличением частоты (=с уменьш. длины волны) – нормальная дисперсия показателя преломления. Аномальная – наоборот (пары йода).

2. Оптическая призма. Монохроматор; простейший спектрофотометр. Спектральный анализ. Поглощение света; закон Бугера-Ламберта-Бера. Рассеяние света; закон Рэлея.

Опт.призма – призма изпрозрачного в-ва. Делятся на 3 класса: спектральные (дисперсионные), отражательные, поляризационные.

Монохроматор — спектральный оптико-механический прибор, предназначенный для выделения монохроматического излучения. Принцип работы основан на дисперсии света.

Монохроматор состоит из следующих основных частей и узлов: входная спектральная щель, коллиматорный объектив, диспергирующий элемент (призма или дифракционная решётка), фокусирующий объектив и выходная спектральная щель, которая выделяет излучение, принадлежащее узкому интервалу длин волн. Возможность сканирования спектра (выбора нужного спектрального диапазона) обеспечивается путем поворота диспергирующего элемента. Для обеспечения точности поворот осуществляется с помощью специального передаточного механизма, управление последним в различных моделях может осуществляться вручную (последовательно перебирая необходимые длины волн) или автоматически (с помощью готового или собственного программного обеспечения).

Спектрофотометр – прибор измерения зависимости коэффициента прохождения или отражения электромагнитного излучения оптического диапазона от длины волны. Спектрофотометр определяется количеством источников (одно – или двухлучевой спектрофотометр) и типом монохроматора – устройством для разложения исходного светового потока от источника с широким спектром, включающим весь рабочий диапазон прибора, на монохроматические составляющие определенной, в пределах точности прибора, длины волны. Например, сканирующий спектрофотометр для разложения исходного сигнала в спектр использует одну или несколько дифракционных решеток.

Спектральный анализ — совокупность методов качественного и количественного определения состава объекта, основанная на изучении спектров взаимодействия материи с излучением, включая спектры электромагнитного излучения, акустических волн, распределения по массам и энергиям элементарных частиц и др.

В 1859г. Кирхгоф сформулировал основные законы спектрал. анализа: 1. накалённое твердое тело, сильно нагретая жидкость (при достаточном P и t - газ) излучают непрерывные спектр. 2. нагретый газ при низком P излучает спектр, состоящий из отдельных линий испускания. 3. газ, помещенный перед более горячим источником непрерывного излучения, создает в спектре источника набор темных линий (линий поглощения), которые приходятся на те же самые длины волн, что и линии излучения этого газа.

Поглощение (абсорбция) света – уменьшение интенсивности оптического излучения при прохождении через какую-либо среду за счет взаимодействия с ней, в результате которого световая энергия переходит в другие виды энергии или в оптическое излучение другого спектрального состава.

Однородные слои одного и того же в-ва одинаковой толщины при постоянной концентрации растворенного в-ва поглощают одну и ту же долю падающей на них световой энергии (Закон БугЕра-Ламберта).

Закон БугЕра-Ламберта-Бера: пучок монохроматического светаинтенсивностью I₀, пройдя через слой поглощающегов-ва толщиной l, выходит ослабленным до интенсивность I, определяемой выражением:

где k_λ – показатель преломления.

Рассеяние света – рассеяние волн оптического диапазона, заключающееся в изменении пространственного распределения, частоты, поляризации оптического излучения при его взаимодействии с в-вом, например, в результате диффузионного отражения.

Рэлеевское рассеяние происходит с частотами колебаний возбуждающего света. Интенсивность рассеиваемого средой света пропорциональна λ^-4: Iрасс /пропорц./1/λ⁴.

3. Поляризация света. Поляризация света при отражении; угол Брюстера. Интерференция света. Когерентность. Длина и время когерентности. Образование интерференционной картины для двух одинаково поляризованных волн.

1808г. свеча раздваивалась, если смотреть через пластинку исландского шпата. но если смотреть на отражение свечи в воде, то при опред.угле отражения одна свеча пропадала. Т.о., отраженный таким образом луч обладает асимметрией вокруг своего направления. это св-во луча – поляризация, луч – поляризованный.

[отсутств., частичная, линейная]

[линейная, круговая, эллиптическая]

Если естественный свет падает на границу раздела двух диэлектриков (например, воздуха и стекла), то часть его отражается, а часть преломляется и распространяется во второй среде. Устанавливая на пути отраженного и преломленного лучей анализатор (например, турмалин), убеждаемся в том, что отраженный и преломленный лучи частично поляризованы: при поворачивании анализатора вокруг лучей интенсивность света периодически усиливается и ослабевает (полного гашения не наблюдается!). Дальнейшие исследования показали, что в отраженном луче преобладают колебания, перпендикулярные плоскости падения, в преломленном - колебания, параллельные плоскости падения.

Угол Брюстера - угол падения светового луча, при котором отражённый от диэлектрика свет полностью поляризован. ϕ= arctg(n2/n1), n1<n2

Интерференция света – пространственное перераспределение энергии светового излучения при наложении двух или нескольких световых волн; частный случай интерференции волн. И. света наб-ся на экране или др.пов-ти в виде характерного чередования светлых и темных полос или пятен(для монохроматического света) или окрашенных участков (для белого света).

Необходимым условием существования устойчивой во времени интерференционной картины яв-ся согласованное протекание колебательных процессов в накладывающихся волнах. Для этого необходимо, чтобы эти волны были одинаковой частоты и постоянной разности фаз. Источники таких волн называют когерентными. Условию когерентности удовлетворяют монохроматические волны – не ограниченные в пространстве волны одной определенной и строго постоянной частоты. Однако ни один реальный источник не дает строго монохроматического света.

Любой немонохроматический свет можно представить в виде совокупности сменяющих друг друга независимых гармонических цугов. Средняя продолжительность одного цуга τ_цуг наз-ся временем когерентности τ_с. Когерентность существует только в пределах одного цуга, и время когерентности не может превышать время излучения.

Если волна распростран. в однородной среде, то фаза колебаний в опред. точке пространства сохраняется только в течение времени когерентности τ_с. За это время волна распространяется на расстояние Lс=c* τ_с, называемое длиной когерентности (цуга). Длина когерентности – рас-ие, после прохождения которого две или несколько волн утрачивают когерентность.

Образование интерференционной картины для двух одинаково поляризованных волн – я так понимаю, там образуются максимумы и минимумы, т.е. интерференция проявляется наиболее четко (а может и нет, но мне кажется, что да). а вот при наложении двух когерентных лучей, поляризованных во взаимно перпендикулярных направлениях, никакой интерференционной картины с максимумами и минимумами интенсивности получиться не может (это уж точно).

Наиб. отчетливо интерференция проявляется, когда две волны имеют одинаковую поляризацию, а их интенсивности равны I₁=I₂, тогда в максимумах интенсивность света = 4I_t, а в минимумах I=0.