Основы оптики. Введение

1. Введение

Под физической оптикой понимают рассмотрение законов распространения электромагнитных волн оптического диапазона в средё и взаимодействие их с веществом среды, происходящих при этом преоб­разований излучения, а также явлений, возникающих при прохожде­нии излучения через различные среды и устройства. Вероятно, это по­нятие следует расширить и отнести к физической оптике не только Яв­ления, связанные с волновыми свойствами оптического Излучения, но и физические процессы, которые интерпретируются с позиций квантовых представлений об оптическом излучении.

2.Классификация сред

Однородные и неоднородные среды

Однородной называется среда показатель преломления которой «n» постоянен и не зависит от координат, т.е. n=const.

Различают абсолютный показатель преломления

, (1.1)

где c-скорость света в вакууме;

V- скорость света в среде;

и относительный

, (1.2)

где V₁-скорость распространения света в первой среде;

n₁-показатель преломления света в первой среде;

V₂-скорость распространения света во второй среде;

n₂-показатель преломления света во второй среде.

Абсолютный показатель преломления cреды определяется поляризуемостью составляющих ее частиц, структурой cреды и агрегатным состоянием. С диэлекрической (_) и магнитной (_) проницаемостью cреды абсолютный показатель преломления связан известным соотношением

(1.3)

где индекс  подчеркивает зависимость этих величин от длины волны излучения.

Неоднородная среда характеризуется непостоянством показателя преломления, т.е. nconst.

Оптическими неоднородностями являются поверхности или объемы внутри среды с отличающимися показателями преломления «n»(рис.1.1).

Независимо от физической природы неоднородности, она всегда отклоняет свет от его первоначального направления. На поверхностях, разделяющих среды с различными «n» (n₁,n₂,n₃), происходит отражение и преломление света, на микронеоднородностях, «n» которых отличается от «n» окружающей среды - рассеяние света.

Можно выделить два вида неоднородностей : пространственную n=f(x,y,z), где x,y,z - координаты рассматриваемой точки, и временную n=f(t), где t-время. Механические, электрические, оптические, тепловые, акустические и другие воздействия на однородную среду могут превратить ее в неоднородную. Наличие примесей усугубляет неоднородность среды (например, аэрозоль в воздухе). Если рассматривать микроструктуру вещества , то все среды следует признать неоднородными, т.к. в силу теплового хаотического движения молекул плотность среды будет меняться.

Изотропные и анизотропные среды

Изотропной называется среда, оптические свойства которой не зависят от направления падающего света и его поляризации (стекло, воздух, вода - когда эти среды не подвергаются воздействию электрических, механических и т.д. полей). В изотропных средах

, (1.4)

где D - вектор электрической индукции,

Е- вектор электрической напряженности,

 - диэлектрическая проницаемость.

В изотропной среде векторы D и E совпадают по направлению.

Под анизотропной понимают среду, оптические свойства которой меняются в зависимости от направления распространения света и его поляризации. Оптическая анизотропия проявляется:

• в двойном лучепреломлении,

• дихроизме,

• вращении плоскости поляризации,

• изменении эллиптичности поляризованного света.

К анизотропным средам относятся кристаллы (одно и двухосные), некоторые жидкости и пары (раствор сахара в воде, пары винной кислоты). Это естественная анизотропия. Анизотропию можно создать искусственно с помощью электрического поля (эффект Керра), магнитного поля (эффект Фарадея, эффект Коттона), поля упругих сил (фотоупругость). Для анизотропных сред векторы Е и D по направлению, как правило, не совпадают.

Линейные и нелинейные среды

Линейной называется среда, у которой параметры не зависят от интенсивности падающего излучения. Например, D=E, где диэлектрическая проницаемость  не зависит от напряженности поля Е, т.е. =const.

Для нелинейной среды характерна зависимость ее свойств от интенсивности падающего излучения.

Например, =f(Е), т.е. под действием падающего излучения меняется диэлектрическая проницаемость.

Линейная среда может стать в определенных условиях нелинейной (например, при прохождении мощного лазерного излучения через атмосферу).

В обычных условиях атмосфера земли неоднородная, изотропная, линейная.