1. Волны и частицы

Оптикой называется раздел физики, занимающейся изучением природы света, закономерностей его испускания, распространения и взаимодействия с веществом. С физической точки зрения все виды материи разделяются по природе или на волны или на частицы. Обычно свет представляется в виде волн, а электроны – в виде частиц. Однако физические исследования показали, что четкой границы между частицами и волнами не существует. Поведение как частицы, так и волны, может быть и корпускулярным, и волновым.

Частицы света называются фотонами. Фотоны представляют собой квант или пакет излучения. Квант является элементарной единицей излучения. Количество энергии, переносимое фотоном, зависит от частоты и увеличивается с ростом частоты. Длинам волн фиолетового диапазона соответствует большее количество энергии, чем красному свету, так как фиолетовому диапазону соответствуют большие частоты. Энергия, запасенная в одно фотоне:

,

где - его частота;

- постоянная Планка равная .

Энергия фотона зависит только от частоты (длины волны). Квант энергии света, заключенный в одном фотоне, равен . Чем выше частота, тем большую энергию имеет квант.

Инфракрасный свет .

Рентгеновские лучи .

Фотон является частицей с нулевой массой покоя. Если он не движется, то он не существует. В этом смысле фотон не является частицей, такой как электрон. Он служит вместилищем («оболочкой»), но ведет себя как частица.

В волоконной оптике свет рассматривают и как частицу и как волну. Простейшим способом описания света в оптике является анализ прохождения лучей света, т.е. свет рассматривается как простые лучи, отображаемыми прямыми линиями.

Таким образом, свет имеет как лучевую, так и волновую природу.

Лучевая природа – поток частиц (фотонов) движущихся со скоростью (в вакууме), которые излучаются отдельными порциями (квантами).

Волновая теория доказывает, что все свойства света совпадают со свойствами электромагнитной волны, но характеризуется очень высокой частотой.

1.2 Отражение и преломление света на границе раздела двух диэлектрических сред

Показатель преломления - безразмерная величина выраженная через отношение скорости света в вакууме (C) к скорости света в материале . С другой стороны магнитные и электрические свойства среды (материала), в которой распространяется электромагнитная волна, принято характеризовать относительной магнитной и диэлектрической проницаемостями, поэтому оптические свойства среды характеризуют показателем преломления . В оптической среде магнитные эффекты ничтожно малы, поэтому и .

Для вакуума , для любой другой среды (таблица 1.1).

Таблица 1.1

Материал	Показатель преломления	Скорость света (км/сек)
Вакуум	1,0	300000
Воздух	1,0003	300000
Вода	1,33	225000
Кварц	1,46	205000
Стекло	1,50	200000
Алмаз	2,5	120000

В геометрической оптике световые волны изображаются световыми

лучами, которые распространяются в однородной среде прямолинейно. При падении на границу раздела двух сред с разными значениями показателей преломления световой луч изменяет свое направление и в общем случае появляются преломленный и отраженный лучи.

Углы, которые образуют падающий, отраженный и преломленный лучи с нормалью (перпендикуляр) к границе раздела сред, восстановленный в точке падения, называют соответственно углами падения , отражения и преломления (рисунок 1.2а).

Рисунок.1.2а

Угол падения – угол между перпендикуляром и падающим лучом.

Угол преломления – угол между перпендикуляром и преломленным лучом.

Если , преломленный луч отклоняется от перпендикуляра, если преломленный луч отклоняется к перпендикуляру.

По мере увеличения угла падения угол преломления стремится к , называется критическим (рисунок 1.2б). При угле падения больше критического, свет полностью отражается от поверхности, при этом угол падения равен углу отражения (рисунок 1.2в).

Даже когда свет проходит в более плотную среду, некоторая его часть отражается назад в исходную среду. Этот эффект получил название отражение Френеля. Чем больше разница показателей преломления сред, тем больше свет отражается назад. Показатель Френелевского отражения на границе с воздухом:

,

в децибелах потери света составят:

.

Для двух сред «стекло-воздух» , дБ один механический соединитель (соединение двух волокон) вносит потери дБ, так как потери происходят как при вхождении света в стекло, так и при выходе из него. Первое Френелевское отражение возникает при попадании света из первого волокна в воздушный зазор и второе отражение – на границе воздушного зазора и второго волокна. Френелевское отражение не зависит от направления прохождения границ двух сред.

Соотношение между падающим и преломленным лучами устанавливает закон Снеллиуса:

,

из которого следует, что углы зависят от показателей преломления двух сред. При угле падения (критический угол), когда :

.

При (рисунок 1.2в) световой луч полностью отражается от границы раздела сред и возвращается в среду падения. Это явление называется полным внутренним отражением.

Пример:

Критический угол равен . При угле падения больше критического (например, ) будет иметь место только отражение. Свет будет распространяться вдоль слоя исходной среды благодаря полному внутреннему отражению.