Дифракция света

4) Дифракцией света называется явление отклонения света от прямолинейного направления распространения при прохождении вблизи препятствий.

легко найти радиусы ρ_m зон Френеля: 

Дифра́кция во́лн — явление, которое можно рассматривать как отклонение от законов геометрической оптики при распространении волн. 

Принцип Гюйгенса — Френеля — основной постулат волновой теории, описывающий и объясняющий механизм распространения волн, в частности, световых.

Здесь   – комплексная амплитуда поля первичной волны от источника на элементе ds,   – длина волны (источник предполагается монохроматическим),  – так называемый коэффициент наклона, зависящий от угла   между нормалью к элементу поверхности ds и радиусом-вектором  .

Метод зон Френеля

Френель предложил оригинальный метод разбиения волновой поверхности S на зоны, позволивший сильно упростить решение задач (метод зон Френеля).

Границей первой (центральной) зоны служат точки поверхности S, находящиеся на расстоянии   от точки M (рис. 9.2). Точки сферы S, находящиеся на расстояниях   ,   , и т.д. от точки M, образуют 2, 3 и т.д. зоны Френеля.

Колебания, возбуждаемые в точке M между двумя соседними зонами, противоположны по фазе, так как разность хода от этих зон до точки M   .

Поэтому при сложении этих колебаний, они должны взаимно ослаблять друг друга:

где A – амплитуда результирующего колебания,   – амплитуда колебаний, возбуждаемая i-й зоной Френеля.

Величина   зависит от площади   зоны и угла   между нормалью к поверхности и прямой, направленной в точку M.

Площадь одной зоны

Отсюда видно, что площадь зоны Френеля не зависит от номера зоны i. Это значит, что при не слишком больших i площади соседних зон одинаковы.

В то же время с увеличением номера зоны возрастает угол   и, следовательно, уменьшается интенсивность излучения зоны в направлении точки M, т.е. уменьшается амплитуда   . Она уменьшается также из-за увеличения расстояния до точки M:

.

Общее число зон Френеля, умещающихся на части сферы, обращенной в сторону точки M, очень велико: при   ,   , число зон   , а радиус первой зоны   .

Отсюда следует, что углы между нормалью к зоне и направлением на точку M у соседних зон примерно равны, т.е. что амплитуды волн, приходящих в точку M от соседних зон,примерно равны.

Световая волна распространяется прямолинейно. Фазы колебаний, возбуждаемые соседними зонами, отличаются на π. Поэтому в качестве допустимого приближения можно считать, что амплитуда колебания   от некоторой m-й зоны равна среднему арифметическому от амплитуд примыкающих к ней зон, т.е.

 .

Тогда выражение (9.2.1) можно записать в виде

Так как площади соседних зон одинаковы, то выражения в скобках равны нулю, значит результирующая амплитуда   .

Интенсивность излучения   .

Таким образом, результирующая амплитуда, создаваемая в некоторой точке M всей сферической поверхностью, равна половине амплитуды, создаваемой одной лишь центральной зоной, а интенсивность.

Так как радиус центральной зоны мал (   ), следовательно, можно считать, что свет от точки P до точки M распространяется прямолинейно.

Если на пути волны поставить непрозрачный экран с отверстием, оставляющим открытой только центральную зону Френеля, то амплитуда в точке M будет равна   . Соответственно, интенсивность в точке M будет в 4 раза больше, чем при отсутствии экрана (т.к.   ). Интенсивность света увеличивается, если закрыть все четные зоны.

Таким образом, принцип Гюйгенса–Френеля позволяет объяснить прямолинейное распространение света в однородной среде.

Правомерность деления волнового фронта на зоны Френеля подтверждена экспериментально. Для этого используются зонные пластинки – система чередующихся прозрачных и непрозрачных колец.

Опыт подтверждает, что с помощью зонных пластинок можно увеличить освещенность в точке М, подобно собирающей линзе.

5)

6) Естественный свет - это свет, в котором колебания вектора напряженности Е электрического поля происходят по всевозможным направлениям в плоскости, перпендикулярной направлению распространения (к лучу).

Плоскополяризованный свет - это свет, в котором колебания вектора Е происходят только в одном направлении, перпендикулярном лучу.

Частично поляризованный свет - это свет, в котором колебания в каком-либо направлении ослаблены.

Поляризация света - ориентация векторов напряженности электрического поля и магнитной индукции световой волны в плоскости, перпендикулярной световому лучу. Обычно поляризация возникает при отражении и преломлении света, а также при распространении света в анизотропной среде. Различают линейную, круговую и эллиптическую поляризацию света.

ПОЛЯРИЗАЦИЯ СВЕТА - физ. характеристика оптич. излучения, описывающая поперечную анизотропию световых волн, т. е. неэквивалентность разл. направлений в плоскости, перпендикулярной световому лучу. Первые указания на поперечную анизотропию светового луча были получены в 1690 X. Гюйгенсом (Ch. Huygens) при опытах с кристаллами исландского шпата. 

7) Если угол падения света на границу раздела двух диэлектриков (например, на поверхность стеклянной пластинки) отличен от нуля, отраженный и преломленный лучи оказывают частично поляризован-ными.

Причем, при отражении от проводящей поверхности (например, от поверхности металла) получается эллиптически-поляризованный свет. В отраженном луче преобладают колебания, перпендикулярные к плоскости падения (на рис. 6.2 эти колебания обозначены точками), в преломленном луче колебания, параллельные плоскости падения (на рисунке они изображены двусторон-ними стрелками). Степень поляриза-ции зависит от угла падения.

8) Двойно́е лучепреломле́ние — эффект расщепления в анизотропных средах луча света на две составляющие. Впервые обнаружен на кристалле исландского шпата. Если луч света падает перпендикулярно к поверхности кристалла, то на этой поверхности он расщепляется на два луча. Первый луч продолжает распространяться прямо, и называется обыкновенным (o — ordinary), второй же отклоняется в сторону, нарушая обычный закон преломления света, и называется необыкновенным (e — extraordinary).

9) Диспе́рсия све́та (разложение света) — это явление, обусловленное зависимостью абсолютного показателя преломления вещества от частоты (или длины волны) света (частотная дисперсия), или, то же самое, зависимость фазовой скорости света в веществе от длины волны (или частоты). Экспериментально открыта Ньютоном около 1672 года, хотя теоретически достаточно хорошо объяснена значительно позднее.

10) ПОГЛОЩЕНИЕ СВЕТА - уменьшение светового потока, проходящего через вещество, вследствие превращения части света в другие формы энергии. Характеризуется коэффициентом поглощения а, составляющим отношение светового потока, поглощенного веществом, к световому потоку, падающему на поверхность:

где F0 - световой поток, падающий на тело; Fα - световой поток, поглощенный телом; Fρ - световой поток, отраженный телом; Fτ - световой поток, прошедший через тело.

Рассеяние света — рассеяние электромагнитных волн видимого диапазона при их взаимодействии с веществом. При этом происходит изменение пространственного распределения, частоты, поляризации оптического излучения, хотя часто под рассеянием понимается только преобразование углового распределения светового потока.

Пусть ω и   — частоты падающего и рассеянного света. Тогда

• Если   — упругое рассеяние

• Если   — неупругое рассеяние

•  — стоксово рассеяние

•  — антистоксово рассеяние