12

Одесский национальный медицинский университет

Кафедра биофизики, информатики и медицинской аппаратуры

МЕТОДИЧЕСКИЕ РЕКОМЕНДАЦИИ

практического занятия

для студентов 1 курса по теме:

Волновая оптика

Утверждено

на методическом совет кафедры

"___"____________ 2010 г.

Протокол №____

Зав. кафедрой,

профессор Годлевский Л.С.

Одесса, 2010 г.

1. Тема: "Волновая оптика" – 2 часа

2. Актуальность темы:

Актуальность темы связана с тем, что в клинической медицине и в диагностике здоровья человека, в санитарно-гигиенических целях чаще всего используются интерференционный рефлактометр, интерференционный микроскоп, рентгеноструктурный анализ биологических систем, голографический микроскоп.

Практическое занятие на тему "Интерференции и дифракции света" посвящено изучению основных принципов работы этих приборов.

3. Цели занятия:

В результате этого занятия:

3.1 Студент должен знать:

– о когерентных источниках и когерентных световых волнах;

– что такое интерференция света, условия максимума и минимума;

– что такое интерференция света в тонких пластинках;

– о просветлении оптики;

– что такое интерферометры и их применение;

– принцип работы интерференционного микроскопа;

– принцип Гюйгенса-Френеля;

– о дифракции на щели в параллельных лучах;

– о дифракционной решетке и дифракционном спектре;

– об угловой дисперсии и разрешающей способности;

– об основах рентгеноструктурного анализа;

– что такое голография и ее применение в медицине.

3.2 Воспитательные цели занятия.

В результате занятия студенты знакомятся с основными понятиями: интерференция и дифракция света. У них формируется глубокое понимание принципов работы медаппаратуры, основанное на данных понятиях.

4. Междисциплинарная интеграция

№№ п./п.	Дисциплина	Знать	Уметь
1	2	3	4
1	Курс физики средней школы	Понятие об интерференции и дифракции света	Определять условия minиmaxдля когерентных источников на дифракционной решетке
2	Следующие дисциплины: 1.Офтальмология 2.Терапия 3.Хирургия
3	Внутрипредметная интеграция 1.Электромагнитные колебания 2.Электромагнитные волны 3.Принцип суперпозиции электромагнитных полей	1.Классифика-ция электромагнит-ных волн 2.Волновое уравнение	Пользоваться принципами суперпозиции электромагнит-ных полей

5. Содержание темы занятия (тезисы основных положений)

КОГЕРЕНТНЫЕ СВЕТОВЫЕ ВОЛНЫ

Под интерференцией понимают такое сложение световых волн, в результате которого образуется устойчивая картина их усиления и ослабления.

Необходимым условием возникновения интерференции служит наличие источников света, которые обеспечивают постоянную во времени разность фаз ∆φ слагаемых волн в различных точках, Волны, отвечающие этому условию, называют когерентными (частный случай, когда частоты равны).

ИНТЕРФЕРЕНЦИЯ СВЕТА

Для определения условий min и max вводят понятие – оптическая длина пути: δ = xn, где х - геометрический путь волны,n- показатель преломления среды.

Условия максимума при интерференции наблюдается в тех точках, для которых оптическая разность хода интерферирующих волн равна целому числу длин волн δ = x₁n₁ - x₂n₂ = кλ,где к - целое число,λ- длина волны.

Условия минимума при интерференции – когда в данных точках оптическая разность хода равна нечетному числу полуволн

δ = (2К+1),

где λ- длина волны

К - целое число.

ИНТЕРФЕРЕНЦИЯ СВЕТА В ТОНКИХ ПЛАСТИНАХ

При попадании на тонкую пластину (пленку) луч делится на два: первый – преломляется на границе, затем отражается от нижней границы и выходит в первую среду преломившись; второй – отражается от точки А. Оптическая разность хода δ = 2 lncos λ идля максимума интерференции необходимо

,

для минимума

2

i

i

Aγв

l1

γ

м

ПРОСВЕТЛЕНИЕ ОПТИКИ

Устройства, увеличивающие долю световой энергии поступающей к регистрирующим устройствам по отношению к световой энергии, отраженной оптической системой, очень важны. Они построены на покрытии оптической системы тонким слоем оксидов металлов так, чтобы для некоторой средней, в данной области спектра, длины волны был минимум интерференции в отраженном свете.

Подобные покрытия называют просветлением оптики, а сами оптические изделия с таким покрытием – просветленной оптикой.

ИНТЕРФЕРОМЕТРЫ И ИХ ИСПОЛЬЗОВАНИЕ

Интерферометр – прибор для измерения с высокой степенью точности длин волн, небольших расстояний, показателей преломления веществ и определения качества оптических поверхностей.

Принципиальная схема интерферометра Майнельсона, предназначенного для измерения показателя преломления показана на рис.1

Он относится к двухлучевым интерферометрам.

Рис.1

ПОНЯТИЕ ПРО ИНТЕРФЕРЕНЦИОННЫЙ МИКРОСКОП

Интерференционный микроскоп сочетает в себе двухлучевой интерферометр и микроскоп. Принципиальная его схема показана на рис.2.

Рис.2

ПРИНЦИП ГЮЙГЕНСА – ФРЕНЕЛЯ

Согласно Гюйгенсу, каждая точка волновой поверхности, которой достигла в данный момент волна, является центром элементарных вторичных волн, их внешняя огибающая будет волновой поверхностью в последующий момент времени. Френель дополнил это положение, введя представление о когерентности вторичных волн и их интерференции. В этом обобщенном виде идеи получили названия принципа Гюйгенса – Френеля.

ДИФРАКЦИЯ НА ЩЕЛИ В ПАРАЛЛЕЛЬНЫХ ЛУЧАХ

Дифракцией света называют явление отклонения света от прямолинейного распределения в среде с резкими неоднородностями.

|АВ| =а

Условие максимума:

|BD|=

Условие минимума:

ДИФРАКЦИОННАЯ РЕШЕТКА И ДИФРАКЦИОННЫЙ СПЕКТР

Дифракционная решетка – оптическое устройство, представляющее собой совокупность большого числа параллельных, обычно равноотстоящих друг от друг щелей. Суммарную ширину щели аи промежуткавмежду щелями называют постоянной или периодом решеткис = а+в. Главные максимумы возникают при условииc sinL=k λ.При падении на дифракционную решетку белого или иного немонохроматического света, каждый главный максимум окажется разложенным в спектр иkназывают порядок спектра.

УГЛОВАЯ ДИСПЕРСИЯ И РАЗРЕШАЮЩАЯ СПОСОБНОСТЬ

Угловая дисперсия определяет угловую ширину спектра. Численно она равна угловому расстоянию между двумя линиями спектра, длины волн которого различаются на единицу (dλ=1). Разрешающая способность равна отношению длины волны к наименьшему интервалу длин волн, которые еще могут быть разрешены.

Разрешающая способность дифракционной решетки тем больше, чем больше порядок (k) спектра и число штрихов (N).

ОСНОВЫ РЕНТГЕНОСТРУКТУРНОГО АНАЛИЗА

При падении монохроматического рентгеновского излучения на кристалл под разными углами наибольшее отражение будет для углов, отвечающих условию Вульфа-Брегга. По полученным на фотопленке рентгенограммам можно решить задачу нахождения постоянной дифракционной решетки (в кристалле – постоянная кристаллической решетки). Можно получать рентгенограмму биологических молекул и систем.

ПОНЯТИЕ ПРО ГОЛОГРАФИЮ И ЕЕ ИСПОЛЬЗОВАНИЕ В МЕДИЦИНЕ

Интерференционную картину, образованную сложением сигнальной и опорной волн и зафиксированную на светочувствительной пластине называют голограммой. Для восстановления изображения голограмму освещают той же опорной волной.

Метод записи и восстановления изображения, основанный на интерференции и дифракции волн, называют голографией.

В медицине используется ультразвуковая голография, голографический микроскоп.