аог65го56. Методичка по ВИК 2021. Методическое пособие для сдачи общего экзамена Разработал Специалист iii уровня
 Скачать 3.66 Mb.
|
|
Интерферометры – очень чувствительные оптические приборы, позволяющие определять незначительные изменения показателя преломления прозрачных тел (газов, жидких и твердых тел) в зависимости от давления, температуры, примесей и т. д. Интерферометры применяются также для измерения углов, исследования быстропротекающих процессов, происходящих в воздухе и т. д. 12 Интерферометры применяют при различных измерениях, когда требуется высокая точность, в частности, для измерения и контроля формы и чистоты обработки поверхностей. Применение интерферометров весьма многообразно. Они применяются для точного (порядка 10 7 м) измерения длин, измерения углов, определения качества оптических деталей, исследования быстропротекающих процессов и др. Принцип интерференции также заложен в создании голограмм. Дифракция света. С волновой точки зрения можно было объяснить и явление огибания светом различных препятствий. Гримальди назвал это явление дифракцией. Его может наблюдать любой человек, посмотрев на яркую светящуюся лампу, находящуюся на расстоянии 20-40 м от него, через два пальца, плотно прижатых друг к другу так, чтобы между ними оставалась узкая щель. Вместо одной светящейся щели можно увидеть поперечную щель, полосу, состоящую из яркой центральной и чередующихся боковых темных и светлых полос. В более узком смысле под дифракцией понимают явление огибания светом малых препятствий, т.е. отклонения от законов геометрической оптики и, следовательно, проникновение света в область геометрической тени. Чтобы увидеть явление дифракции света, препятствие должно быть соизмеримо с длиной световой волны. А длина волны света очень мала. Дифракция свойственна всякому волновому движению, поэтому открытие или объяснение дифракции света явились одним из основных доказательств волновой природы света. рис. 1.13а. Если на пути света, испускаемого источником S, поставить непрозрачный экран с малым отверстием, то световые волны отклоняются от прямолинейного пути распространения. Свет, огибая края отверстия, распространяется в область геометрической тени, и на экране Э (рис. 1.13а) получится более широкое светлое пятно, чем это следует из геометрических построений. рис. 1.13б. Точно так же, если на пути света поместить непрозрачный круглый диск малого диаметра (рис.1.13б), то за центром диска в точке А на экране получим светлое пятно, интенсивность которого 13 быстро уменьшается по мере увеличения размера диска. Вне геометрической тени получается система концентрических светлых и темных колец. Принцип Гюйгенса-Френеля Явление дифракции может быть объяснено с помощью принципа Гюйгенса, согласно которому каждая точка, до которой доходит волновое возмущение в момент времени t, является центром вторичных волн. Огибающая этих волн дает положение фронта волны в момент времени t+dt (рис.1.14.). Пусть на плоскую преграду с отверстием (рис.1.15.) падает волна с параллельным преграде фронтом. По Гюйгенсу каждая точка выделяемого отверстием участка волнового фронта служит центром испускания вторичных волн, которые в однородной и изотропной среде будут сферическими. Построив огибающую вторичных волн, мы убеждаемся в том, что за отверстием волна проникает в область геометрической тени, огибая края преграды. рис. 1.14. Однако принцип Гюйгенса не дает никакой информации об амплитуде, а, следовательно, и об интенсивности волн, распространяющихся в различных направлениях. Этот недостаток был устранен Френелем, дополнившим принцип Гюйгенса представлением об интерференции вторичных волн, которые являются когерентными, т.к. исходят из одного источника. Учет фаз и амплитуд этих вторичных волн позволяет найти амплитуду результирующей волны в любой точке пространства. рис. 1.15. С помощью принципа Гюйгенса-Френеля удалось объяснить целый ряд дифракционных явлений, а также устранить одно из основных затруднений волновой теории света - показать, как согласуется волновая природа с наблюдающимся на опыте прямолинейным распространением света. 14 рис. 1.16. На рисунке (рис. 1.16) показано увеличенное фото тени верхнего края непрозрачной стены на экране. Видно, что переход из тёмной части тени в освещённую происходит не резко, а через последовательность чередующихся тёмных и ярких полос. Эти полосы являются результатом дифракции лучей света на краю препятствия и последующей их интерференции. рис. 1.17. Щель в непрозрачном экране тоже искажает фронт распространения волн. Согласно принципу Гюйгенса границы щели и она сама становятся вторичными источниками волн, а их последующая интерференция приводит к возникновению устойчивой картины - чередования дифракционных максимумов и минимумов интенсивности света. Между интерференцией и дифракцией нет существенного физического различия. Оба явления заключаются в перераспределении светового потока в результате наложения (суперпозиции) волн. Дифракционные решетки Для того, чтобы увидеть явление дифракции используют дифракционные решетки (рис. 1.18). Дифракционная решётка состоит из тысяч узких и близко расположенных щелей. 15 У хороших решеток параллельные друг другу штрихи имеют длину порядка 10см, а на каждый миллиметр приходится до 2000 штрихов. При этом общая длина решетки достигает 10– 15 см. Изготовление таких решеток требует применения самых высоких технологий. На практике применяются также и более грубые решетки с 50 – 100 штрихами на миллиметр, нанесенными на поверхность прозрачной пленки. В качестве дифракционной решетки может быть использован кусочек компакт-диска или даже осколок граммофонной пластинки. рис. 1.18. Изготовление дифракционных решеток Хорошие решётки требуют очень высокой точности изготовления. Если хоть одна щель из множества будет нанесена с ошибкой, то решётка будет забракована. Машина для изготовления решёток прочно устанавливается на специальный массивный фундамент. Перед началом непосредственного изготовления решёток, машина работает 5-20 часов на холостом ходу для стабилизации всех своих узлов. Нарезание решётки длится до 7 суток, хотя время нанесения штриха составляет 3 секунды. Виды решеток: Отраженные - Штрихи нанесены на зеркальную (металлическую) поверхность, и наблюдение ведется в отраженном свете; Прозрачные - Штрихи нанесены на прозрачную поверхность (или вырезаются в виде щелей на непрозрачном экране), наблюдение ведется в проходящем свете. Применение дифракционных решеток Дифракционная решётка - один из приборов, который позволяет разложить свет по спектральным составляющим. На рисунке (рис. 1.19) показано, как дифракционная решётка расщепляет голубой луч лазера. рис. 1.19. На рисунке (рис. 1.20) показано, что происходит с белым светом, после того, как он проходит через дифракционную решётку. Видно, что дифракционная картина в этом случае представляет собой наложение дифракционных картин для цветов, образующих белый свет. 16 рис. 1.20. Используется в спектральных приборах высокого класса вместо призм с целью разложения света на составляющие для получения монохроматического света (монохроматоры,спектрофотометры и др.) Изучая спектры небесных светил, можно получить сведения об их химическом составе, температуре, давлении, вращении и т.д. Дифракционная решетка также используется для создания мер малой длины. Свойства дифракционных решеток признаны и предприятиями, работающими в областях, требующих сверхвысокой точности измерений, и метрологами. Кроме спектральных приборов, дифракционные решётки применяются также в качестве оптических датчиков линейных и угловых перемещений (измерительные дифракционные решётки), поляризаторов и фильтров инфракрасного излучения, делителей пучков в интерферометрах и для др. целей, а также в так называемых «антибликовых» очках. Явления дифракции и интерференции света помогают Природе раскрашивать всё живое, не прибегая к использованию красителей (рис. 1.21). рис. 1.21. Неожиданным образом обычный компакт-диск можно использовать как дифракционную решётку (рис. 1.22а) а) б) в) рис. 1.22. 17 На фотографии посередине изображена свеча и отражение её пламени от поверхности компакт-диска (рис. 1.22б). На фотографии справа - компакт-диски, на которых стоят свечки разной формы (рис. 1.22в). Отражаясь от компакт-диска как от дифракционной решётки, свет свечек раскладывается на спектральные составляющие. Поляризация световых волн. Успехом волновой теории явилось и объяснение свойства света, названного Ньютоном поляризацией. Световые волны имеют продольную и поперечную составляющие волн. Скорость распространения волны может зависеть от её поляризации. Явление поляризации описывает поведение поперечной составляющей света рис. 1.23 При действии света на вещество основное значение имеет электрическая составляющая электромагнитного поля световой волны, поскольку именно она оказывает основное действие на электроны в атомах вещества. Поэтому для описания закономерностей поляризации будем рассматривать только световой вектор – вектор напряженности E электрического поля. Свет представляет собой суммарное электромагнитное излучение множества независимо излучающих атомов. Поэтому все ориентации вектора Е будут равновероятны. Такой свет называется естественным. Поляризованным светом называется свет, в котором направления колебания вектора Е каким-либо образом упорядочены. Для поляризованного света различные направления в плоскости, перпендикулярной световому лучу, неэквивалентны. Такая неэквивалентность существует только для поперечных волн. Продольные волны не имеют поляризации. рис. 1.24 18 Для волны, изображенной на рис. 1.24 а, направление колебаний вектора Е является выделенным. Эта волна поляризована. Волна, изображенная на рис. 1.24.б, неполяризованная, так как все направления колебания вектора Е в плоскости беспорядочно изменяются с течением времени и поэтому эквивалентны. Существуют три типа поляризации света: линейная, циркулярная (круговая); эллиптическая. Кроме того, свет может быть неполяризованным и частично поляризованным. Линейно поляризованная волна Линейно (плоско) поляризованной называется волна, вектор E которой в процессе распространения колеблется в одной плоскости, проходящей через луч (рис.1.25а). Линейно поляризованную волну принято на рисунках изображать при помощи условных обозначений, смысл которых понятен из рис. 1.25. Линейно поляризованная волна, представленная на рис. 1.25а, имеет вектор Е, лежащий в плоскости листа. Вектор Е волны, изображенной на рис.1.25б, перпендикулярен плоскости листа. Если при распространении электромагнитной волны световой вектор сохраняет свою ориентацию, такую волну называют линейно поляризованной или плоско поляризованной. рис. 1.25. Естественный (неполяризованный) свет. Свет, испускаемый каким-либо отдельным атомом, всегда линейно поляризован. Но любой реальный макроскопический источник света состоит из огромного числа атомов, каждый из которых испускает волну с поляризацией произвольного направления. Поэтому в результирующем излучении направление вектора Е в каждый момент времени непредсказуемо, и излучение такого источника является неполяризованным. Среднее значение квадрата вектора Е за время наблюдения, а значит, и интенсивность света, не зависит от направления в плоскости, перпендикулярной направлению распространения света. Естественным называется свет с быстро и беспорядочно изменяющимся направлением вектора напряженности электрического поля, причем все направления колебаний, будучи перпендикулярными световому лучу, равновероятны (рис.1.24б). Условные обозначения для естественного света приведены на рис.1.25 в. Свет, у которого одно из направлений колебания вектора Е является преимущественным, но не единственным, называется частично поляризованным. Частично поляризованный свет может быть представлен в виде суперпозиции линейно поляризованного и естественного света. Условные обозначения для частично поляризованного света приведены на рис.1.25г. 19 В продольной волне поляризация возникнуть не может, так как направление колебаний в этом типе волн всегда совпадает с направлением распространения. Эллиптическая и циркулярная (круговая) поляризация света Рассмотрим суперпозицию двух линейно поляризованных волн одной и той же частоты, распространяющихся в одном и том же направлении, плоскости колебаний вектора Е которых взаимно перпендикулярны (рис. 4.3.) Исследуем поведение суммарного вектора 𝑬 ⃗⃗ =Е⃗⃗ 1+Е⃗⃗ 2 при фиксированном значении координаты (для простоты возьмем случай z=0). С течением времени конец вектора Е ⃗⃗ описывает в плоскости XY некоторую кривую.Найдем уравнение этой кривой при фиксированных значениях разности фаз δ между волнами. Для этого в (4.1) исключим явную зависимость от времени. Находя sin(ωt) и cos(ωt) из уравнений (4.1) и подставляя их в тождество , получаем Если вдоль одного и того же направления распространяются две монохроматические волны, поляризованные в двух взаимно перпендикулярных плоскостях, то в результате их сложения в общем случае возникает эллиптически поляризованная волна. Частным случаем эллиптически поляризованной волны является круговая поляризация. Таким образом, при сложении двух линейно поляризованных волн одинаковой частоты, колебания вектора Е ⃗⃗ которых лежат во взаимно перпендикулярных плоскостях, результирующая волна имеет эллиптическую поляризацию. Волна называется эллиптически поляризованной, если при фиксированном значении координаты z (координаты, вдоль которой волна распространяется) конец вектора Е ⃗⃗ в плоскости с течением времени описывает эллипс. рис. 1.26. Поляризаторы Поляризатор - устройство для получения линейно поляризованного света. То направление в плоскости поляризатора, которое совпадает с направлением вектора Е световой волны на выходе из поляризатора, называется осью пропускания или просто осью поляризатора. Существуют два типа поляризаторов - поляризационные призмы и поляроиды. Поляризационная призма состоит обычно из двух трехгранных призм, по меньшей мере одна из которых вырезается из оптически анизотропного кристалла. Проходящий через призму свет проходит границу раздела двух призм, на которой условия преломления света для компонент пучка, поляризованных в двух взаимно перпендикулярных направлениях, резко различны. В частности, для одной из этих компонент на границе раздела могут выполняться условия полного внутреннего отражения, в результате чего через призму проходит лишь другая компонента. 20 Поляроид изготавливается из вещества, обладающего свойством дихроизма - способностью неодинаково поглощать волны разной поляризации.. Причем коэффициент поглощения одной из них может быть настолько велик, что вся она поглощается на длине порядка нескольких десятков или сотен микрометров. В то же время волна, поляризованная в перпендикулярном направлении, проходит через вещество практически не поглощаясь. Поляроиды почти полностью пропускают волну разрешенной поляризации и не пропускают волну, поляризованную в перпендикулярном направлении. Поляризаторы, изготовленные из веществ, обладающих сильным дихроизмом, представляют собой тонкие пленки. Поляроиды можно считать идеальными поляризационными фильтрами. Применение явления поляризации в жизни: Поляроиды – тонкие пленки. Поляризаторы. Чаще всего это явление используется для создания различных оптических эффектов, а также в 3D-кинематографе (технология IMAX), где поляризация используется для разделения изображений, предназначенных правому и левому глазу. Круговая поляризация применяется в антеннах космических линий связи, так как для приёма сигнала не важно положение плоскости поляризации передающей и приёмной антенн. То есть вращение космического аппарата не повлияет на возможность связи с ним. В наземных линиях используют антенны линейной поляризации — всегда можно выбрать заранее — горизонтально или вертикально располагать плоскость поляризации антенн. Антенну круговой поляризации выполнить сложнее, чем антенну линейной поляризации. Вообще, круговая поляризация — вещь теоретическая. На практике говорят об антеннах эллиптической поляризации — с левым или правым направлением вращения. Круговая поляризация света используется также в технологиях стереокинематографа RealD и MasterImage. Эти технологии подобны IMAX с той разницей, что круговая поляризация вместо линейной позволяет сохранять стереоэффект и избегать двоения изображения при небольших боковых наклонах головы. Дисперсии света (разложение света) – это явление, обусловленное зависимостью абсолютного показателя преломления вещества от частоты (или длины волны) света (частотная дисперсия). Экспериментально открыта Ньютоном около 1672 года, хотя теоретически достаточно хорошо объяснена значительно позднее. Один из самых наглядных примеров дисперсии — разложение белого света при прохождении его через призму (опыт Ньютона). Сущностью явления дисперсии является различие фазовых скоростей распространения лучей света c различной длиной волны в прозрачном веществе — оптической среде (тогда как в вакууме скорость света всегда одинакова, независимо от длины волны и следовательно цвета). Обычно, чем больше частота световой волны, тем больше показатель преломления среды для неё и тем меньше фазовая скорость волны в среде: рис. 1.27. 21 Дисперсия света доказывает, что белый свет – сложный ,состоит из простых – монохроматических цветов. У света красного цвета фазовая скорость распространения в среде максимальна, а степень преломления — минимальна, У света фиолетового цвета фазовая скорость распространения в среде минимальна, а степень преломления — максимальна. Таблица 1.1. Таблица соответствия частот электромагнитного излучения и цветов. Цвет Диапазон длин волн, нм Диапазон частот, ТГц Диапазон энергии фотонов, эВ Фиолетовый 380—440 790—680 3,26-2,82 Синий 440—485 680—620 2,82-2,56 Голубой 485—500 620—600 2,56-2,48 Зеленый 500—565 600—530 2,48-2,19 Желтый 565—590 530—510 2,19-2,10 Оранжевый 590—625 510—480 2,10-1,98 Красный 625—740 480—405 1,98-1,68 В последующих опытах Ньютону удалось соединить цветные лучи в белый свет. Для этого пропустим лучи солнечного света сквозь призму, а затем вышедшие из нее цветовые лучи соберем с помощью собирающей линзы. В месте соединения цветовых лучей, луч стал белого цвета. Дисперсия позволяет объяснить цвета непрозрачных тел, тем что тела по- разному отражают и поглощают свет различных частот. |