5.4. Основные положения физики оптических явлений

5.4.1. Волновая оптика

Волны - возмущения, распространяющиеся с конечной скоростью в пространстве и несущие с собой энергию. Наиболее важные и часто встречающиеся волны: упругие (в частности, звуковые) - распространяющиеся в среде упругие деформации; волны на поверхности жидкости - возмущения уровня свободной поверхности жидкости; электромагнитные волны - распространяющиеся в пространстве электромагнитные поля.

X. Гюйгенс (1629-1695) выдвинул волновую теорию, рассматривающую свет как упругую волну, распространяющуюся в мировом эфире.

Электромагнитные волны распространяются в пространстве в результате того, что появляющееся в каком-либо месте пространства электромагнитное поле возбуждает в соседних полях магнитное поле и, наоборот, возникающее в этом месте магнитное поле возбуждает в соседних областях электрическое поле; возбуждая друг друга, эти поля в виде единого электромагнитного поля распространяются в пространстве.

Оптика - учение о свете и его взаимодействии с веществом. Оптика изучает распространение света в различных средах, законы испускания и поглощения света, а также различные действия света на вещество. Первоначально оптика ограничивалась изучением видимой области спектра электромагнитных волн, т.е. воспринимаемых человеческим глазом. Таким образом, можно считать, что свет - это электромагнитные колебания определенной длины волны.

По современным представлениям свет имеет двойственную корпускулярно-волновую природу (в связи с этим принято говорить о корпускулярно-волновом дуализме): в одних случаях свет ведет себя как электромагнитная волна, в других - как поток особых частиц или корпускул (фотонов).

Явления, в основе которых лежит волновая природа света принято относить к волновой оптике. Речь идет, прежде всего, о различных электромагнитных явлениях, которые наиболее характерны для диапазона волн, со ответствующих видимому свету и наиболее ярко отражающих его волновую природу. К этим явлениям принято относить интерференцию, дифракцию и поляризацию света.

5.4.2. Интерференция и дифракция света

Когерентностью называется согласованное протекание нескольких колебательных или волновых процессов. Степень согласования может быть различной. Поэтому вводится понятие степени когерентности двух волн. Волны называются когерентными, если разность фаз возбуждаемых волнами колебаний, остается постоянной во времени.

рис. 8

Понятие когерентности является относительным: две волны могут проявлять себя как когерентные при наблюдении одним прибором (с малой инерционностью) и как некогерентные при наблюдении другими приборами (с большой инерционностью).

Интерференция световых волн.

Рассмотрим две волны одинаковой частоты w, которые, накладываясь друг на друга, возбуждают в некоторой точке пространства колебания одинакового направления. Если световые волны будут когерентными, то при их наложении происходит перераспределение светового потока в пространстве, в результате чего в одних местах возникают максимумы, а в других - минимумы интенсивности.

Это явление усиления или ослабления амплитуды результирующей волны при сложении двух (или нескольких) когерентных волн называется интерференцией световых волн.

Особенно отчетливо проявляется интерференция в том случае, когда интенсивность обоих интерферирующих волн одинакова.

Из сказанного вытекает, что при освещении какой-либо поверхности несколькими источниками света (например, двумя лампочками) должна, казалось бы, наблюдаться интерференционная картина с характерными для нее чередованиями максимумов и минимумов интенсивности. Однако из повседневного опыта известно, что в указанном случае освещенность поверхности монотонно убывает по мере удаления от источников света и никакой интерференционной картины не наблюдается. Это объясняется тем, что естественные источники света не являются когерентными.

Дифракция света.

Дифракцией называется совокупность явлений, наблюдаемых при распространении света в среде с явно выраженными неоднородностями (например, вблизи границ непрозрачных или прозрачных тел, сквозь малые отверстия и т.д.). При этом лучи света «дифрагируют» (отклоняются от своего первоначального направления). Огибание препятствий звуковыми волнами (дифракция звуковых волн) наблюдается постоянно в обыденной жизни. Для наблюдения дифракции световых волн необходимо создание специальных условий. Это обусловлено малостью длин световых волн. В частности, при дифракции на одной щели явление наблюдается, если размеры той щели сопоставимы с длиной волны падающего на эту щель света.

Между интерференцией и дифракцией нет существенного физического различия. Оба явления заключаются в перераспределении светового потока в результате суперпозиции (наложения) волн.

По историческим причинам перераспределение интенсивности, возникающее в результате суперпозиции волн, возбуждаемых конечным числом дискретных когерентных источников света, принято называть интерференцией волн.

Перераспределение интенсивности, возникающее вследствие суперпозиции волн, возбуждаемых когерентными источниками, расположенными непрерывно, принято называть дифракцией волн.