Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Физика. Оптика. Учебное пособие
.pdf
43
ная объектом световая волна, а также исходная «опорная» волна,
отраженная от зеркала, попадают на фотопластинку, на которой
регистрируется возникающая интерференционная картина. Пластинка проявляется и фиксируется обычным образом; она содержит всю информацию о виде исследуемого объекта. Эта пластинка
и называется голограммой. Для восстановления волны убирают
исследуемый объект, а голограмму помещают на то же место, где
была фотопластинка. Освещая ее тем же лазером, наблюдают через
голограмму изображение предмета, находящееся там же, где находился объект. Получаемое изображение кажется столь же реальным, как и сам предмет, причем в нем сохраняется такое же распределение освещенности. Наблюдатель видит предмет через голограмму как сквозь дымчатое стекло. Так можно рассматривать
предмет, меняя точку зрения (и как бы заглядывать за предмет, что
принципиально невозможно на фотографии!), при этом создается
иллюзия наблюдения реального объекта. Изображение можно сфотографировать обычным способом. Если нарушить положение голограммы или освещать ее лазером с другой длиной волны, то абсолютное совпадение предмета и его изображения нарушится.
Интерференционная картинка в каждой точке голограммы
определяется светом, рассеянным всеми точками объекта, поэтому
любой участок голограммы воспроизводит весь объект (однако,
чем меньше участок, тем хуже изображение).
Применение голограмм
Голографический метод записи волнового фронта находит
широкое применение в различных областях науки и техники и имеет перспективы в будущем. Известны голограммы, играющие роль
линз (голограмма - зонная решетка), разлагающие свет в спектр
(голограммы - дифракционные решетки), интерференционные
фильтры (слои Липпмана) и т.д. Голографические дифракционные
решетки содержат свыше 5000 полос на 1 мм.
Метод голографии позволяет записывать на заданном малом
участке фотоэмульсии (особенно толстослойной) в 100-400 раз
больше страниц печатного текста, чем методы обычной микрофотографии. На обычную фотопластинку размером 32-32 мм2 можно записать 1024 голограммы, каждая из которых занимает площадь в
один квадратный миллиметр. Одна голограмма - страница книги,
одна пластинка - целая большая книга. Многообещающим является
41
44
применение голографии при распознавании образов и символов, что
позволит создать читающие автоматы, обладающие большой надежностью.
Голографические устройства с использованием звуковых ра-
диоволн совместно со световыми волнами дадут возможность видеть предметы, рассеивающие звуковые или радиоволны (звуко- и
радиовидение).
Метод голографической интерферометрии позволяет исследо-
вать изменения (например, деформацию), происшедшие в наблюдаемом объекте под каким-либо внешним действием. В основе регистрации таких малых деформаций лежит явление интерференции
двух волн, существовавших в разные моменты времени. Как можно
осуществить интерференцию таких волн? Для этого на одну и ту же
фотопластинку регистрируют две голограммы, полученные от одного и того же исследуемого объекта в разные моменты времени. Малейшее изменение формы объекта из-за деформации в промежутке
между двумя регистрациями изменяет фазу предметной волны. Следовательно, если в промежуток времени между двумя экспозициями
(важно, чтобы фотопластинка не сдвинулась между двумя экспозициями) произошли какие-то деформации, то при просвечивании этих
голограмм увидим изображение объекта, перерезанное интерференционными полосами, по форме которых можно судить о характере
деформации. Точность измерения этого метода весьма высокая: он
позволяет измерить деформации порядка 10-7м. Возможности контроля размеров, формы и качества обработки сложных деталей с помощью голографии сделают этот метод наиболее ценным в производстве.
Запись голографического портрета стала возможной благодаря созданию многокаскадных рубиновых лазеров с большой длиной когерентности излучения. Короткая длительность импульса
твердотельных лазеров позволяет пренебречь механической нестабильностью и движением объекта.
6. Поляризация света. Законы Малюса и Брюстера
При действии света на вещество основное значение имеет
электрическая составляющая электромагнитного поля световой
волны, поскольку именно она оказывает основное действие на
электроны в атомах вещества. Поэтому для описания закономерностей поляризации будем рассматривать только световой вектор -
42
45
вектор напряженности
Е
Е
Е
Е
Е
Е
электрического поля. Свет представляет
собой суммарное электромагнитное излучение множества независимо излучающих атомов. Поэтому все ориентации вектора
бу-
дут равновероятны. Такой свет называется естественным (рис.
32а).
Рис. 32 . Естественный и поляризованный свет
Поляризованным светом называется свет, в котором
направления колебания вектора
каким-либо образом упорядо-
чены.
Частично поляризованный свет (рис. 32б) - свет с преиму-
щественным направлением колебаний вектора
Плоскополяризованный свет - свет, в котором вектор
.
ко-
леблется только в одной, проходящей через луч плоскости (рис.
32в, рис. 33а, б). Эта плоскость называется плоскостью поляриза-
ции.
Если концы вектора
с течением времени описывают в
плоскости, перпендикулярной лучу, окружность или эллипс, то
свет называется циркулярно или эллиптически поляризован-
ным.
Рис. 33. Поляризованный свет
43
46
Естественный свет можно преобразовать в плоскополяризо-
2
0
I
I
2
12
cosII
ванный, используя так называемые поляризаторы, пропускающие
колебания только определенного направления.
В качестве поляризаторов используют поляризационные
призмы (например, из исландского шпата), поляроиды - специальные пленки, в органической основе которых расположены сориентированные кристаллики турмалина или сульфата йодистого хинина. Те же устройства можно использовать в качестве анализаторов
– устройств для определения характера и степени поляризации света. Главной плоскостью поляризатора (или анализатора) называется плоскость поляризации света, пропускаемого поляризатором
(или анализатором).
Для большинства практических применений поляризационный фильтр изготавливают в виде двух стеклянных пластинок с
находящейся между ними пленкой. Поляроидная пленка представляет собой слой ацетилцеллюлозы, содержащий большое количество мелких кристаллов герапатита (йодистое соединение сернокислого хинина). В фотографии поляризационные фильтры используются для достижения различных художественных эффектов
(устранение бликов, затемнение неба).
При прохождении естественного света сквозь поляризатор,
интенсивность света уменьшается в 2 раза (без учета процессов
поглощения внутри поляризатора):
,
I0 – интенсивность естественного света, I – интенсивность света
после прохождения поляризатора.
Интенсивность света, прошедшего сквозь поляризатор и
анализатор, плоскости поляризации которых образуют угол θ (за-
кон Малюса), вычисляется по формуле:
,
I1 – интенсивность поляризованного света, вышедшего из поляризатора, I2 - интенсивность света, вышедшего из анализатора (рис.
34).
44
47
Б
i
nitgБ
Рис. 34. Иллюстрация к закону Малюса
Угол Брюстера
– угол падения луча, при котором отра-
женный и преломленный лучи перпендикулярны друг другу, а отраженный луч полностью поляризован (рис. 35):
.
Рис. 35. Угол Брюстера
Вращение плоскости поляризации
При прохождении плоскополяризованного света через неко-
торые вещества, называемые оптически активными, плоскость
поляризации света поворачивается вокруг направления луча. Оптически активны некоторые кристаллы (кварц, киноварь и др.), чистые жидкости и растворы (скипидар, раствор сахара в воде, камфора, винная кислота и др.), 19 из 20 жизненно важных аминокислот оптически активны.
Большинство оптически активных кристаллов существуют в
двух модификациях: правовращающей, когда плоскость поляризации поворачивается вправо для наблюдателя, смотрящего
45
48
навстречу лучу, и левовращающей, когда плоскость поляризации
lс
вращается влево.
Методы исследования излучения, основанные на измерении
оптической активности веществ или их растворов, называются по-
ляриметрией. Поляриметрия широко применяется в аналитической химии для быстрого измерения концентрации оптически активных веществ (сахариметрия), для идентификации эфирных масел и в других исследованиях. Например, в медицине таким методом определяют концентрацию сахара в моче больных сахарным
диабетом. Приборы, предназначенные для измерения угла вращения плоскости поляризации оптически активными прозрачными и
однородными растворами и жидкостями, называются поляримет-
рами.
Мало отличаясь по принципу действия, поляриметры могут
существенно отличаться по внешнему виду. На рис. 36а изображен
портативный поляриметр, миниатюрные размеры которого позволяют больным сахарным диабетом самостоятельно в домашних
условиях контролировать содержание сахара в моче. Поляриметры
применяют в лабораториях пищевой, химической промышленности
и других отраслях науки и производства. Существуют цифровые
поляриметры, на табло которых сразу высвечивается концентрация
(в процентах) исследуемого вещества (рис. 36б).
Угол поворота плоскости поляризации света при прохождении им пути l в оптически активном растворе равен:
,
[α] – удельное вращение раствора (град·м2/кг; угол, на который повернется плоскость поляризации света при прохождении
светом пути в 1 м в растворе концентрацией оптически активного
вещества 1 кг/м3), с – объемно-массовая концентрация оптически
активного вещества в растворе (кг/м3), l – путь, пройденный светом
в растворе (м). Удельное вращение [α] зависит от природы вещества и растворителя, температуры, длины волны света.
46
49
а) б)
Рис. 36 а) Поляриметр портативный П161- М, б) Поляриметр
портативный цифровой ИГП-01
7. Дисперсия света
Фазовой скоростью υ монохроматичной волны принято
называть скорость распространения волнового фронта. В среде с
показателем преломления n фазовая скорость υ равна:
47
50
- круговая частота, k – волновое число, c – скорость света в
вакууме.
Как показывает опыт, все без исключения среды обладают
дисперсионными свойствами – волны разных частот распространяются в средах с различными фазовыми скоростями. Это явление
называют дисперсией. Закон дисперсии можно задать либо в виде
зависимости показателя преломления от частоты n() или в виде
функции υ().
При распространении монохроматической волны в среде с
дисперсией никаких особых явлений не наблюдается; волна распространяется со своей фазовой скоростью, которая определяется
значением показателя преломления на частоте волны. Но если в
диспергирующей среде (среде с дисперсией) одновременно распространяется группа волн разных частот, то по мере распространения волн возникают фазовые сдвиги между отдельными спектральными компонентами. При этом происходит деформация формы суммарного процесса. Если на входе в диспергирующую среду
возмущение имело вид импульса (волнового пакета) определенной
формы, то после прохождения некоторого слоя форма импульса
может существенно измениться (рис. 37).
Рис. 37. Прохождение волнового пакета сквозь среду с дисперсией
Вопрос о скорости распространения волнового пакета в
среде с дисперсией достаточно сложен и неоднозначен. Можно,
например, следить за перемещением переднего фронта (точка A на
рис. 37). Обычно в теории рассматривается так называемая группо-
вая скорость, то есть скорость перемещения центра волновой
группы или точки с максимальным значением амплитуды (точка
B). Отметим, что понятие групповой скорости правильно описыва-
48
51
ет распространение только таких сигналов, «форма» которых мало
меняется при перемещении сигнала в среде.
Между фазовой υ и групповой u скоростями может быть
установлена связь:
λ – длина волны.
Следует сделать несколько важных замечаний.
1. При экспериментальном определении скорости света в среде
всегда измеряется групповая скорость u. С этой скоростью распространяется энергия волны.
2. В соответствии с теорией относительности групповая скорость
не может превышать скорости света в вакууме.
3. Теория относительности не налагает ограничений на величину
фазовой скорости (она может быть как меньше, так и больше скорости света в вакууме).
Часто рассматривают зависимость показателя преломления
от частоты n(). Эта зависимость легко обнаруживается при прохождении пучка белого света через призму (рис. 38).
Рис. 38. Разложение белого света призмой в спектр
Зависимость показателя преломления от частоты света n()
нелинейная и немонотонная. Области, в которых n увеличивается с
ростом частоты (т.е. производная dn/d>0), соответствуют нор-
мальной дисперсии света. Например, обычное стекло прозрачно
для видимого света, и в этой области частот наблюдается нормальная дисперсия света.
49
52
x
eII
0
Дисперсия называется аномальной, если показатель прелом-
ления n уменьшается с ростом частоты (т.е. производная
dn/d<0). Аномальная дисперсия наблюдается в областях частот,
соответствующих полосам интенсивного поглощения света в данной среде. Например, у обычного стекла эти полосы находятся в
области инфракрасной и ультрафиолетовой частей спектра.
На рис. 39 представлена зависимость показателя преломления n от частоты света . Участок АВ – это область аномальной
дисперсии (n уменьшается с ростом ); 0 – собственная частота
колебаний электронов вещества, световые волны с данной частотой
будут поглощаться средой.
Рис. 39. Зависимость показателя преломления от частоты волны
8. Поглощение света. Виды спектров поглощения
Поглощением света называется явление уменьшения энер-
гии световой волны при ее распространении в веществе, происходящее вследствие преобразования энергии волны во внутреннюю
энергию вещества или в энергию вторичного излучения, имеющего
другой спектральный состав и иные направления распространения
(фотолюминесценция). Поглощение света может вызвать нагревание вещества, возбуждение и ионизацию атомов и молекул, фотохимические реакции и другие процессы в веществе.
Поглощение описывается законом Бугера-Ламберта:
,
I0 и I – интенсивности света на входе и выходе из слоя среды тол-
щиной х с натуральным показателем поглощения . Численное
50
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]