Волновая и квантовая оптика

Раздел 8. Геометрическая оптика

Лекция 1. Законы геометрической оптики.

Введение

Природа света и законы его распространения интересо­вали древнегреческих ученых – Платона, Эвклида, Аристотеля еще в 400-300 гг. до нашей эры. Тогда были сформулированы законы прямолинейного распространения и отражения света, были сделаны первые попытки объяснить преломление света. К 140 г. нашей эры Птолемеем был собран большой эксперимен­тальный материал и составлены таблицы углов падения и пре­ломления световых лучей, однако найти математическую связь между ними ему не удалось. Закон преломления был открыт почти через полторы тысячи лет, в 1621 г. голландским ученым В.Снеллиусом.

К началу XVII в. были изобретены микроскоп, зритель­ная труба, оптические приборы в астрономии и навигации. Од­нако создание новых оптических приборов и их совершенство­вание требовало развития теоретических знаний и законов о природе света. В результате обобщения многовековых исследований к концу XVII в. в оптике сформировались две противоположные по взглядам теории света: корпускулярная «теория истечения» (И.Ньютон) и волновая (Ф.Гук и Х.Гюйгенс).

По теории Ньютона свет – это поток мельчайших световых частиц, корпускул, испускаемых светящимся телом и летящих прямолинейно с огромными скоростями. Движение корпускул описывалось законами классической механики.

Гюйгенс в своем «Трактате о свете» выдвинул совершенно иное утверждение, что свет – это упругие волны, распространяющиеся в особой среде – эфире. Борьба сторонников этих двух теорий длилась более ста лет.

В середине XIX в. английский физик Д.К.Максвелл обосновывает электромагнитную природу световых волн, которые в общей шкале электромагнитных волн занимают интервал длин от ~ 380 до 770 нм, что в конце XIX в. экспериментально подтверждается опытами Герца. Однако ряд явлений, открытых к тому времени – фотоэффект, тепловое излучение и др. волновая теория света объяснить не смогла. В начале ХХ в. в работах М.Планка и А.Эйнштейна были заложены основы квантовой физики, утверждающей о дискретности электромагнитного излучения и объясняющие накопившиеся противоречия.

Современные научные представления о природе света объединяют обе точки зрения и дают единую картину его волновых и корпускулярных свойств.

Оптика (от греч. optike - зрительный) – раздел физики, изучающий природу и свойства света, процессы его излучения и распространения, взаимодействие света с веществом. Оптика изучает широкий диапазон электромагнитных волн, охватывающий ультрафиолетовую, видимую и инфракрасную области.

1. 1. Элементы геометрической оптики.

Геометрическая оптика – это раздел физики, в котором световой луч представляется прямой линией, вдоль которой распространяется световая энергия. Законы геометрической оптики применяются для построения изображения при прохождении света через оптическую систему. Это следующие законы:

1. Закон прямолинейного распространения света говорит о том, что в однородной прозрачной среде свет распространяется прямолинейно, доказательством чего служит наличие тени с резкими границами от непрозрачного тела, освещенного источником света малых размеров.

2. Закон независимости световых лучей. Каждый световой луч при объединении с другими ведет себя независимо от остальных лучей, т.е. справедлив принцип суперпозиции.

Если луч света падает на границу двух прозрачных сред, то падающий луч 1 раздваивается на отраженный 2 и преломленный 3 (рис. 1.1). Углы i, i’ и r называются углами падения, отражения и преломления соответственно.

3. Закон отражения света. Падающий световой луч на границу двух сред, нормаль, проведенная к точке падения, и от­раженный луч лежат в одной плоскости; угол падения равен углу отражения i = i’ (рис. 1.1).

4. Закон преломления света. Луч, падающий на границу раздела двух сред, преломленный луч и нормаль, восстановлен­ная в точке падения, лежат в одной плоскости; отношение си­нуса угла падения к синусу угла преломления есть величина по­стоянная для двух данных сред (закон Снеллиуса):

,

где n₂₁ – относительный показатель второй среды относительно первой.

n₂₁ = n₂ /n₁,

где n₂ и n₁ – абсолютные показатели преломления второй и пер­вой сред.

Абсолютным показателем преломления вещества назы­вается величина n, равная отношению скорости света в вакууме к скорости света υ в данной среде: n = c / υ. Пусть в первой среде n₁ = c / υ₁, а во второй n₂ = c / υ₂, тогда . Та­ким образом, физический смысл относительного показателя преломления состоит в том, что он показывает, во сколько раз скорость света в одной среде больше, чем в другой.