Лекция 11. Волновая оптика. Развитие представлений о природе света.

Для объяснения оптических явлений с 17 века существовало 2 теории: корпускулярная, созданная Ньютоном, и волновая, созданная Гюйгенсом. Согласно корпускулярной, свет представляет собой поток частиц – корпускул. С точки зрения волновой теории свет есть упругая волна, распространяющаяся в мировом эфире. Как мы знаем, в 1864г. Максвелл создал электромагнитную теорию света. В конце 19в. и начале 20в. ряд новых экспериментальных фактов заставил вернуться к представлению об особых волновых частицах – фотонах. Была создана корпускулярная теория света – квантовая оптика.

С точки зрения волновой теории объясняются явления интерференции, дифракции, поляризации света. В рамках корпускулярной теории объясняются явления фотоэффекта, тепловое излучение, эффект Комптона и др.

Прохождение света через границу двух диэлектриков.

Рассмотрим поведение световой волны на границе раздела двух однородных и изотропных сред. Среда называется оптически изотропной, если ее оптические свойства не зависят от направления распространения и характера поляризации волны.

Можно доказать, что при прохождении света через границу двух сред фаза проходящей волны не меняется.

У отраженной от границы раздела волны фаза не меняется при отражении от менее плотной среды, когда n₁>n₂. Если же отражение происходит от более плотной среды, когда n₁<n₂, фаза волны меняется на π, то есть колебания происходят в противоположной фазе.

Интерференция световых волн

Как было сказано ранее, мгновенные значения напряженностей электрической и магнитной составляющих электромагнитной волны определяются соотношениями:

Е = Е₀sin (ωt- kx+ φ); H = H₀sin (ωt- kx+ φ).

Экспериментально доказано, что физиологическое, фото­химическое и другие действия света вызываются колебаниями электрического вектора , поэтому он получил название свето­вого вектора

Геометрическая разность хода двух волн определяется как разность их геометрических путей до точки наблюдения:

∆r = r₂ – r₁

Оптическая разность хода двух волн определяется с учетом показателей преломления сред, в которых свет распространяется:

∆r_n =n₂r₂ – n₁r₁ Разность фаз волн связана с разностью хода так: Если монохроматические световые волны имеют посто­янную во времени разность фаз и колебания их световых векто­ров происходят в одной плоскости, то они называются коге­рентными (от греч. cohereus - согласованный). Такие согласо­ванные когерентные волны при наложении их друг на друга мо­гут создать в пространстве картину, заключающуюся в чередо­вании светлых и темных областей. Данное явление перераспре­деления интенсивности световой волны в пространстве при на­ложении двух или нескольких когерентных волн называется ин­терференцией света.

Любое светящееся тело состоит из огромного количества светящихся атомов, каждый из которых излучает лишь очень короткое время τ = 10^{- 8} с. За это время атом испускает отрезок волны протяженностью примерно 3м, называемый цугом волны. Затем возбуждение атома повторяется, но излучае­мый волновой цуг будет иметь другую начальную фазу, амплитуду, направление колебаний вектора , которые меняются случайным образом. Следовательно, цуги одного атома, а тем более цуги разных атомов, принадлежащих одному источ­нику, будут некогерентными. По этой причине в результате на­ложения световых волн от двух независимых источников (на­пример, двух электрических ламп накаливания) явление интер­ференции никогда не наблюдается.

Частота видимых световых волн лежит в диапазоне от 4∙10¹⁴ Гц до 7,5∙10¹⁴Гц. Заметить колебания потока энергии волны на глаз невозможно. Поэтому регистрируется усредненное по времени значение потока энергии в данной точке пространства, которое названо интенсивностью светаI.

С учетом сказанного ранее, среднее по времени значение модуля вектора Умова – Пойтинга: S~E₀H₀ ~n . Следовательно, интенсивность света I ~n