24.Оптическая среда. Законы распространения оптических сигналов.

Геометрическая оптика рассматривает излучение как тонкие пучки света – лучи, в однородной среде распространяющиеся прямолинейно. Геометрическая оптика базируется на четырех аксиомах: 1.лучи света распространяются независимо друг от друга, 2.суммарная интенсивность двух пучков равна сумме интенсивностей каждого пучка в отсутствие другого (принцип суперпозиции). Нарушение этой аксиомы сопровождается интерференцией, изучение которой выходит за рамки геометрической оптики, 3.в однородной среде лучи света распространяются прямолинейно. В начале XIX века было открыто явление огибания светом препятствий, получившее название дифракции, 4.закон отражения света: угол падения светового луча равен углу его отражения. Падающий и отраженный лучи, а также перпендикуляр, восстановленный в точке падения, лежат в одной плоскости, 5.закон Снеллиуса: отношение синуса угла падения к синусу угла преломления есть величина, постоянная для двух сред:

Геометрическая оптика допускает искривление лучей света в оптически неоднородных средах. На приведенном рисунке показатель преломления вещества в полусфере зависит от расстояния до ее центра по формуле n = n0 / (1 + (r/r0)2). Луч, падающий нормально на расстоянии r0 от центра полусферы, выйдет с другой стороны полусферы на том же расстоянии от центра.

При распространении света в прозрачной среде, например, воде или стекле, он движется значительно медленнее скорости с из-за непрерывного взаимодействия с атомами материальной среды. Если при пересечении границы двух сред скорость света во второй среде ниже, чем скорость света в первой среде, луч отклоняется в сторону нормали (линии, перпендикулярной границе). Если же во второй среде скорость распространения света выше (как, например, при переходе света из стекла в воздух), луч, напротив, отклонится от нормали на больший угол. Отношение скорости света в вакууме к скорости света в среде называется коэффициентом преломления среды. Так, коэффициент преломления стекла равен примерно 1,5, то есть, свет в стекле замедляется примерно на треть по сравнению со скоростью его распространения в вакууме. Закон Снеллиуса устанавливает числовое соотношение между углами падения и преломления луча при переходе из одной среды в другую. Если θ1 и θ2 — углы, соответственно, падения и преломления относительно нормали при переходе луча из одной среды в другую, а n1 и n2 — коэффициенты преломления этих сред, то имеет место соотношение: n1 sin θ1 = n2 sin θ2. Смысл этого закона в том, что если известны коэффициенты преломления света в двух граничащих средах и угол падения луча, можно рассчитать, насколько отклонится луч после пересечения границы между средами.

Коэффициент преломления n равен отношению скоростей распространения света в обеих средах. n = с1 / с2. При переходе луча из среды оптически менее плотной в среду оптически более плотную преломленный луч приближается к нормали (n > 1). Оптически менее плотной называется среда, в которой свет распространяется быстрее. При переходе из среды оптически более плотной в среду оптически менее плотную луч отклоняется от нормали (n < 1). При этом существует предельный угол β = 90º при некотором определенном угле α. Если α превышает это значение, то наступает полное отражение. Угол преломления более 90° по сути означает, что луч не выйдет за пределы стекла и останется внутри стеклянного бруса, - то есть, он не преломится, а отразится от границы стекла с воздухом. Это явление называется полным внутренним отражением. Критический угол определяется из уравнения: sin θ > n2/n1. Для передачи информации мало создать световую волну, надо ее сохранить и направить в нужном направлении. В однородной среде свет (электромагнитная волна) распространяется прямолинейно, но на границе изменения плотности среды по оптическим законам происходит изменение направления (отражение), или преломление.