4.8. Понятие о голографии

При обычной фотографии фотопластинка регистрирует только интенсивность световой волны. Информация о фазе волны при этом теряется. Таким образом, содержащаяся в фотографии информация об объекте весьма ограничена, например, не можем увидеть то, что было закрыто во время съемки объектом, находящемся на переднем плане, - не можем заглянуть за этот объект.

Голография (от греческого " полная запись" ) позволяет записать на фотопластинку (голограмму) полную информацию (амплитуду и фазу) об объекте и затем восстановить изображение. Для этого необходимо иметь излучение с высокой степенью когерентности, полученное с помощью лазера.

На рис.7 приведена схема получения

Рис.7

голограммы (а) и восстановления изображения (б).

Для получения цветного голографического изображения объекта пользуются монохроматическим светом трех основных цветов (например, красным, зеленым и синим), испускаемым одновременно тремя лазерами.

Если голограмму расколоть на

несколько кусков, то каждый из них при просвечивании восстанавливает полное изображение, но с меньшей четкостью.

Тема 25. Поляризація світла.

Поляризація світла (2 год.)

План

Мета: Дати означення явищу поляризації світлових променів.

1. Поляризація. Закон Брюстера.

2. Закон Малюса.

3. Подвійне променезаломлення.

Література: [1], [2], [3], [5], [6], [7], [8], [10] – основна; [1], [5] – додаткова.

ПОЛЯРИЗАЦІЯ ЕЛЕКТРОМАГНІТНИХ ХВИЛЬ

Розглядаючи природу електромагнітних хвиль, ми встановили, що хвиля, яка випромінюється вібратором, є поперечною. Вектор магнітної індукції і вектор напруженості електричного поля взаємно перпендикулярні і знаходяться в площині, перпендикулярній до вектора швидкості хвилі.

В електромагнітній хвилі, яку випромінює один вібратор, вектори магнітної індукції і напруженості електричного поля взаємно перпендикулярні

У хвилі, яка поширюється від антени передавача,  напрямок  векторів   залишається незмінним протягом усього часу поширення хвилі.

Хвилю, вектори   якої тривалий час залишаються в одній площині, називають плоско поляризованою.

Плоско поляризовану хвилю випромінює вібратор кожного радіопередавача. Щоб переконатися в цьому, візьмемо навчальний передавач, який випромінює хвилю довжиною в декілька сантиметрів. Його вібратор розміщений у рупорі-антені вертикально. Спрямуємо антену так, щоб випромінювана хвиля потрапляла на антену приймача, що й зафіксує реєструвальний прилад. Після цього повернемо передавач на 90° навколо поздовжньої осі. Приймач перестане реагувати на радіохвилю. Передавальний і приймальний вібратори будуть при цьому взаємно перпендикулярними. Оскільки змінний струм в антені індукує електрична складова хвилі, характеристикою якої є вектор  , то отриманий результат досліду підтверджує поляризацію хвилі.

Світло — також електромагнітна хвиля, тому можна очікувати поляризацію і світлової хвилі. Однак вібратором, який випромінює світлову хвилю, є атом, і таких атомів у речовині велика кількість, тому неможливо виділити переважний напрямок їхніх коливань. З цієї причини у звичайному світлі, яке називають природним, коливання векторів   відбуваються в усіх напрямках. Проте є методи, за допомогою яких із загального потоку електромагнітних хвиль можна виділити ті, вектори   яких коливаються в одній площині. Метод поляризації природного світла можна зрозуміти з такого прикладу.

Радіопередавач з одним вібратором випромінює плоско поляризовану хвилю

Поляризацію радіохвилі можна виявити за допомогою радіоприймача з антеною

У природному світлі вектори   коливаються в різних площинах

Природне світло можна поляризувати

Закріпимо один кінець мотузки в стіні і натягнемо її в горизонтальному напрямку. Вільний кінець мотузки почнемо коливати у вертикальному напрямку так, щоб уздовж неї поширювалася хвиля. Коливання мотузки поширюватимуться й тоді, коли мотузка буде протягнута крізь плоский ящик (мал. 4.73, а). Якщо ж цей ящик повернути на 90°, то коливання доходитимуть лише до нього, за ящиком мотузка буде нерухомою (мал. 4.73, б).

Для поляризації світла використовують спеціальні пристрої з асиметрією оптичних властивостей. Наприклад, якщо світло падає на плоске діелектричне дзеркало під певним кутом, то хвилі, електричний вектор яких паралельний поверхні, відбиватимуться ним (дзеркалом), а ті, в яких цей вектор перпендикулярний до поверхні — послаблюватимуться аж до зникнення. Відбите від дзеркала світло виявиться поляризованим.

Існують природні і штучні кристали, які мають оптичну анізотропію — неоднорідність оптичних властивостей в різних напрямках. У разі проходження крізь ці кристали світло поляризується. Прикладом може бути природний кристал турмаліну, значення показника заломленння якого в різних напрямках різне.

Око людини нездатне відрізняти поляризоване світло від природного. Хоча комахи, зокрема бджоли, можуть визначати напрямок площини поляризації поляризованого світла.

У лабораторних умовах для виявлення поляризації світла використовують пристрої, які називаютьаналізаторами. Це поляризаційні прилади, які встановлюють на шляху поширення досліджуваного світла, здебільшого після поляризатора.

На мал. 4.74 зображено установку, в якій здійснюється поляризація природного світла.

Установка складається із джерела, яке дає пучок світла, двох поляризаційних пристроїв та екрана. Перший пристрій поляризує світло, а другий — аналізатор — визначає рівень поляризації. Повертаючи цей пристрій навколо горизонтальної осі, можна знайти таке його положення, за якого світло зовсім не потраплятиме на екран. У цьому випадку кажуть про «схрещені» поляроїди. Площина, в якій коливається електричний вектор світла після проходження крізь поляризатор, буде перпендикулярною до площини коливань світла в аналізаторі. Отже, щоб з'ясувати, чи світло поляризоване, потрібно на шляху поширення світлового пучка розмістити поляризаційний пристрій. Якщо під час його повертання яскравість променя, що проходить крізь нього, змінюється, то досліджуване світло поляризоване.

Явище поляризації широко застосовують у техніці. У сучасних містах, де багато радіопередавачів різного призначення, випромінювальні антени розміщують у взаємно перпендикулярних площинах (мал. 4.75). За таких  умов  дві  радіостанції, які працюють на однаковій частоті, не заважають одна одній.

Під час фотографування великих гладеньких поверхонь (наприклад води) з'являються так звані відблиски — дзеркально відбиті світлові пучки, які істотно погіршують якість зображення. Щоб позбутися цих відблисків, на об'єктив фотоапарата надягають спеціальні поляризаційні фільтри, які працюють у режимі аналізатора (див. попередній дослід). Відбите світло завжди частково або повністю поляризоване. Тому, повертаючи поляризаційний фільтр, можна знайти таке його положення, за якого світло відблисків не потрапляє в об'єктив фотоапарата.

Поляризаційні фільтри застосовують у фотографії

Цукриметр дозволяє оперативно  визначати вміст цукру в розчині

У цукровій промисловості застосовують прилади для визначення концентрації цукру в мелясі чи в розчині — цукриметри. Розчин цукру здатний повертати площину поляризації світла на певний кут залежно від концетрації цукру (мал. 4.76).

Цукриметр складається із джерела світла (штучного чи природного), поляризатора, аналізатора, окуляра і шкали, за якою можна визначати кут повертання аналізатора. Прилад налаштовують так, щоб світло, пройшовши крізь поляризатор, не проходило крізь аналізатор. Після цього між поляризатором і аналізатором розміщують прозору капсулу з цукровим розчином. В окулярі з'являється світло. Подальшим повертанням аналізатора добиваються повного затемнення окуляра. За кутом повертання аналізатора визначають концентрацію цукру в розчині.

Спеціальні поляризаційні окуляри зі схрещеними осями поляризації застосовують під час перегляду стереофільмів, у яких зображення на екран проектується поляризованим світлом.

ДИСПЕРСІЯ

Поширюючись у речовині, електромагнітна хвиля взаємодіє з нею. Внаслідок цього речовина впливає на поширення електромагнітної хвилі. Зокрема, швидкість хвилі змінюється в разі переходу з однієї речовини в іншу.

Як уже встановлено, наслідком залежності швидкості електромагнітної хвилі, зокрема видимого світла, від природи речовини є явище його заломлення на межі двох середовищ. Показник заломлення визначають відношенням швидкостей хвилі в кожній із речовин. Зокрема, для випадку, коли хвиля переходить із вакууму в речовину, показник заломлення визначається за формулою:

Таку залежність можна записати лише для певної довжини хвилі. Експериментальні дослідження засвідчують, що хвилі різних довжин (частот) поширюються в певному середовищі з різними швидкостями. Це пояснюють тим, що хвилі різної довжини зазнають різних впливів з боку речовини. Наслідком залежності швидкості поширення електромагнітної хвилі від її частоти є залежність показника заломлення від довжини хвилі:

Явище залежності показника заломлення від довжини хвилі називають дисперсією.

У лабораторних умовах спостерігати дисперсію найкраще на прикладі видимого світла.

Якщо на межу поділу двох середовищ із показниками заломлення n₁ і n₂, причому n₁ < n₂ (мал. 4.64),

спрямувати під певним кутом а > 0 пучок світла червоного кольору (  = 700 нм), то він зазнає заломлення, і в другому середовищі поширюватиметься під кутом у₁< а.

Речовина впливає на швидкість електромагнітної хвилі, яка в ній поширюється

Показник заломлення речовин залежить від довжини хвилі

Якщо під таким самим кутом а > 0 спрямувати на межу поділу двох середовищ пучок світла зеленого кольору ( = 400 нм ), то він також зазнає заломлення, але кут заломлення у₂ буде меншим від кута заломлення пучка світла червоного кольору (мал. 4.65):

Y₂ < Y₁.

Подібну закономірність спостерігатимемо і в разі заломлення пучка світла синього кольору:

Y_З <Y₂ < Y₁.

Скориставшись означенням показника заломлення, за яким   (мал. 4.66),

можна дійти висновку, що результати дослідів узагальнюються таким чином:

n₁ < n₂ < n₃,

тобто показник заломлення світла найменший для світла червоного кольору і найбільший для світла синього кольору.

Графічну залежність показника заломлення від довжини хвилі для деяких речовин наведено на мал. 4.67.

З аналізу графіка залежності n =f .) випливає, що вона має нелінійний характер, і зі збільшенням довжини хвилі показник заломлення зменшується. Короткі хвилі заломлюються сильніше, ніж довгі. Інакше кажучи, зі збільшенням частоти хвилі світла показник заломлення зростає.

Залежність показника заломлення одного із сортів скла від довжини хвилі видимого світла, поданої в кольорах, наведено на полі.

Перше ґрунтовне дослідження прояву явища дисперсії провів у 1666 р. видатний англійський фізик І. Ньютон. Свої дослідження він розпочав на установці, основною частиною якої була трикутна призма. Він розмістив її на підставці у затемненій кімнаті і спрямував на неї пучок білого сонячного світла, яке проходило крізь малий отвір у віконниці (мал. 4.68). 

На білому екрані, розміщеному за призмою, з явилася різнобарвна стрічка, названа І. Ньютоном спектром. В одержаному спектрі спостерігалися всі кольори — від червоного до фіолетового.

Чому ж призма розкладає біле світло на складові частини?

Фіолетовий — 1,532 Синій — 1,528 Голубий — 1,524 Зелений — 1,519 Жовтий — 1,517 Оранжевий— 1,514 Червоний — 1,513

Коли вузький пучок світла падає на бічну грань призми ЛВ (мал. 4.69),

окремі хвилі з різною довжиною зазнають різно¬го заломлення внаслідок явища дисперсії. Тому пучок білого світла розкладається на окремі кольори. Процес повторюється і на грані призми ВС. Отже, паралельний пучок білого світла, пройшовши крізь трикутну призму, стає розбіжним. Складові хвилі в ньому поширюються в різних напрямках. Потрапивши на білий екран, вони забарвлюють його в різні кольори. Послідовність цих кольорів така (мал. 4.70):

червоний, оранжевий, жовтий, зелений, голубий, синій, фіолетовий.

Трикутна призма розкладає пучок білого світла на кольорові складові

При зведенні різнокольорових пучків одержується білий пучок

Якщо «кольорові» хвилі зібрати в один пучок, то на екрані, на який він падає, спостерігатимемо білу пляму (мал. 4.71).

Спектр, одержаний у разі проходження білого світла крізь призму,  називають суцільним. У ньому всі кольори плавно переходять один в інший.

Спектрографи є в багатьох наукових лабораторіях. Вони допомагають вивчати різні фізичні та хімічні процеси в речовині

За складом спектра можна судити про властивості речовини, яка випромінює світло. З цією метою використовують прилади, названі спектрографами. Основною частиною такого приладу (мал. 4.72)

є трикутна призма, яка розкладає вузький пучок світла, що проходить крізь об'єктив, на спектр, який залишає слід на фотоплівці.