Розділ іі. Хвильова оптика Теоретичні відомості

Хвильова оптика  це розділ фізичної оптики, який вивчає явища, що можуть бути пояснені, виходячи із хвильових уявлень про природу світла. До таких явищ належать: інтерференція, дифракція, поляризація і под. Явища, які вивчаються у хвильовій оптиці, мають широке практичне застосування в різних областях науки і техніки, у тому числі й у харчовій промисловості. Досить назвати такі методи аналізу різних харчових продуктів, як рефрактометрія і спектрофотометрія, поляриметрія та інтерферометрія.

Щоб зрозуміть ряд питань хвильової оптики, треба розглянути таке поняття, як хвильовий фронт. Хвильовий фронт  це поверхня, на всіх точках якої хвиля має в даний момент часу однакову фазу. Поширення хвилі відбувається у напрямку нормалі до хвильового фронту і може розглядатися як рух хвильового фронту в середовищі.

В однорідному ізотропному середовищі випромінювання точкового джерела має сферичний хвильовий фронт. Паралельному пучку променів відповідає фронт хвилі у вигляді площини, яка перпендикулярна до напрямку поширення хвилі. Одже, форма фронту хвилі визначає тип хвилі.

Принцип Гюйгенса  Френеля  це основний постулат хвильової теорії, який пояснює механізм поширення світлових хвиль. Спочатку Х.Гюйгенс (1690 р.) запропонував простий спосіб визначення положення фронту хвилі у просторі в будь-який момент часу. Кожну точку фронту хвилі S(t) можна вважати центром сферичної вторинної хвилі, а нове положення фронту в будь-який інший момент часу S(t+t) є обвідною поверхнею до таких хвиль. У 1815 р. О.Френель доповнив принципи Гюйгенса, ввівши поняття про когерентність та інтерференцію вторинних хвиль.

Світло з погляду хвильової природи являє собою поперечні електромагнітні хвилі  змінне електромагнітне поле, що поширюється у просторі. Швидкість його поширення у вакуумі с = 3  10⁸ м/с, у речовині  с. Вектори напруженостей електричного і магнітного полів взаємно перпендикулярні, коливаються синфазно і лежать у площині, що перпендикулярна до вектора швидкості хвилі . Вектори , та створюють правоґвинтову систему (рис. 8).

Електромагнітна хвиля називається монохроматичною, якщо її вектори та здійснюють гармонічні коливання однакової частоти, яка називається частотою хвилі . Довжина хвилі монохроматичного світла . “Видимі” електромагнітні хвилі лежать у діапазоні довжин хвиль 3,9  10^–7 м    7,4  10^–7 м.

Інтенсивність випромінювання  це повний потік енергії випромінювання, який проходить за одиницю часу крізь одиничну площину у напрямку нормалі до неї і розрахований на одиницю тілесного кута. Інтенсивність випромінювання І  це енергетична характеристика електромагнітного випромінювання: І  , де  амплітуда вектора напруженості електричного поля.

Якщо вектори та залежать тільки від часу та від однієї декартової координати, то електромагнітна хвиля є плоскою.

Рівняння плоскої монохроматичної хвилі, що поширюється вздовж додатного напрямку осі 0z (див. рис. 8 ), мають вигляд

де  = 2;  хвильове число.

Модулі векторів та пов’язані співвідношенням

,

де ,  електрична та магнітна сталі;  магнітна проникність середовища,  відносна діелектрична проникність середовища.

Хвильова природа світла проявляє себе найбільш чітко в явищах інтерференції, дифракції та поляризації хвиль.

Література: [1, § 3.1; 2, § 161–164; 3, § 110].