1. Теоретические основы прикладной оптики Волновой и квантовый характер световых явлений

В 1672 году Ньютоном была выдвинута первая научная теория света – корпускулярная. Ньютон считал, что свет представляет собой поток особых частиц – корпускул, и что скорость движения этих частиц есть скорость света.

Главным аргументом в пользу своей теории Ньютон считал прямолинейность распространения света. С помощью этой теории удалось объяснить отражение и преломление света, для чего пришлось допустить, что скорость распространения световых корпускул в средах с различной оптической плотностью меняется только в направлении нормали к поверхности. Из этого допущения вытекало, что скорость света в оптически более плотных средах больше, чем в воздухе. Следует отметить, что некоторые оптические явления интерференции (кольца Ньютона) наводили Ньютона на мысль о более сложном характере света, он пытался объединить корпускулярную теорию с волновой.

Современник Ньютона Гюйгенс, в свою очередь, выдвинул другую теорию. Он считал, что никаких корпускул не существует и что свет является волновым процессом. В оптике известен принцип, носящий имя Гюйгенса: Каждая точка, до которой доходит световое возбуждение, сама становится источником вторичных световых волн, огибающая которых в каждый данный момент времени и представляет фронт распространяющейся волны.

В Х1Х веке работами Юнга и Френеля были объяснены на основании волновых представлений явления, интерференции и дифракции света. Наконец, окончательное подтверждение волновой теории последовало после работ Максвелла, который показал, что свет является электромагнитным колебанием.

Однако, некоторые опытные данные, в частности явления, связанные с взаимодействием света с веществом – фотоэлектрический эффект, поглощение и испускание света - не удавалось уложит в рамки волновой теории.

В 1900 году Планк выдвинул гипотезу (первоначально принимаемую им как удобный математический аппарат и не имеющий физической основы), что свет испускается отдельными порциями, квантами, энергия которых равна hν , где ν - частота света, h - постоянная Планка. Эта гипотеза позволила объяснить многие непонятные оптические явления и одновременно явилась как бы возвращением к старой корпускулярной теории, но на более высоком уровне.

Для объяснения одних явлений, таких как интерференция, дифракция, поляризация света требуется предполагать, что свет является электромагнитным колебанием, то есть, использовать волновую теорию света; другие явления понятны только при условии принятия квантового характера света.

Отсюда следует естественное заключение, что свет одновременно обладает и корпускулярными и волновыми свойствами.

Законы распространения света

Уже в первые периоды оптических исследований были опытным путем установлены основные законы распространения света:

• Закон прямолинейного распространения света;

• Закон независимости световых пучков;

• Закон отражения;

• Закон преломления.

При этом, основные законы геометрической оптики были известны задолго до установления физической природы света.

Закон прямолинейного распространения света: в оптически однородной среде свет распространяется прямолинейно.

Опытным доказательством этого закона могут служить резкие тени, отбрасываемые непрозрачными телами при освещении светом источника достаточно малых размеров («точечный источник»). Другим доказательством может служить известный опыт по прохождению света далекого источника сквозь небольшое отверстие, в результате чего образуется узкий световой пучок. Этот опыт приводит к представлению о световом луче как о геометрической линии, вдоль которой распространяется свет. Следует отметить, что закон прямолинейного распространения света нарушается и понятие светового луча утрачивает смысл, если свет проходит через малые отверстия, размеры которых сравнимы с длиной волны. Таким образом, геометрическая оптика, опирающаяся на представление о световых лучах, есть предельный случай волновой оптики при .

На границе раздела двух прозрачных сред свет может частично отразиться так, что часть световой энергии будет распространяться после отражения по новому направлению, а частично пройти через границу и распространяться во второй среде.

Закон отражения света: падающий и отраженный лучи, а также перпендикуляр к границе раздела двух сред, восстановленный в точке падения луча, лежат в одной плоскости (плоскость падения). Угол отражения равен углу падения .

Закон преломления света: падающий и преломленный лучи, а также перпендикуляр к границе раздела двух сред, восстановленный в точке падения луча, лежат в одной плоскости. Отношение синуса угла падения к синусу угла преломления есть величина, постоянная для двух данных сред:

Закон преломления был экспериментально установлен голландским ученым В. Снеллиусом .

Постоянную величину называют относительным показателем преломления второй среды относительно первой. Показатель преломления среды относительно вакуума называют абсолютным показателем преломления.

Относительный показатель преломления двух сред равен отношению их абсолютных показателей преломления:

Законы отражения и преломления находят объяснение в волновой физике. Согласно волновым представлениям, преломление является следствием изменения скорости распространения волн при переходе из одной среды в другую. Физический смысл показателя преломления – это отношение скорости распространения волн в первой среде к скорости их распространения во второй среде :

Абсолютный показатель преломления равен отношению скорости света в вакууме к скорости света в среде:

Рис 1.2.1 иллюстрирует законы отражения и преломления света: и .

Среду с меньшим абсолютным показателем преломления называют оптически менее плотной.

При переходе света из оптически более плотной среды в оптически менее плотную (например, из стекла в воздух) можно наблюдать явление полного отражения, то есть исчезновение преломленного луча. Это явление наблюдается при углах падения, превышающих некоторый критический угол , который называется предельным углом полного внутреннего отражения (см. рис. 1.2.2). Полное внутреннее отражение света на границе вода–воздух; – точечный источник света.

Д ля угла падения ; значение .

Если второй средой является воздух ( ), то формулу удобно переписать в виде:

где – абсолютный показатель преломления первой среды.

Для границы раздела стекло–воздух ( ) критический угол равен , для границы вода–воздух ( ) – .

Я вление полного внутреннего отражения находит применение во многих оптических устройствах. Наиболее интересным и практически важным применением является создание волоконных световодов, которые представляют собой тонкие (от нескольких микрометров до миллиметров) произвольно изогнутые нити из оптически прозрачного материала (стекло, кварц). Свет, попадающий на торец световода, может распространяться по нему на большие расстояния за счет полного внутреннего отражения от боковых поверхностей (рис. 1.2.3). Показано распространение света в волоконном световоде. При сильном изгибе волокна закон полного внутреннего отражения нарушается, и свет частично выходит из волокна через боковую поверхность.

Научно-техническое направление, занимающееся разработкой и применением оптических световодов, называется волоконной оптикой.

В дальнейшем было показано, что первые два закона, закон прямолинейного распространения и закон независимости световых пучков, в следствии волнового характера световых колебаний, при определенных условиях не выполняются, в следствии чего возникают такие явления как дифракция и интерференция.