Меню
Главная
Авторизация/Регистрация
 
Главная arrow Естествознание arrow Общая физика
Посмотреть оригинал

Физика электромагнитных волн оптического диапазона

Волны оптического диапазона излучаются в результате электронных энергетических переходов в атомах и молекулах. В низшем, основном энергетическом состоянии атом, не излучая, может существовать бесконечно долго. Если он переходит из основного в некоторое другое с большей энергией — так называемое возбужденное состояние, то время т его жизни в этом состоянии не бесконечно велико, а составляет (во многих случаях) величину ~10-8 с. Возвращаясь в исходное состояние, атом испускает электромагнитную волну или, точнее, иуг волн (волновой пакет). Нетрудно оценить длину / цуга: время т, умноженное на скорость с распространения света, дают эту длину (~10-8 с, умноженное на 3108 м/с, составляет по порядку величину / ~ 1 м). Совокупность таких элементарных волн (цугов) образует пучок волн или световой луч.

В главе 2 приведены уравнения бегущей волны (выражения (2.128) и (2.131)). Там же говорилось, что ^(х, t) символизирует любое смещение из положения равновесия при колебаниях. В данном случае в оптике под колебанием с; подразумевается колебание вектора напряженности Е электрического поля и вектора напряженности Н магнитного поля (см. рис. 2.21 и 6.46, б) во взаимно перпендикулярных плоскостях, в свою очередь перпендикулярных волновому вектору к, ориентированному в направлении распространения волны. Плоскость, в которой лежит вектор к (см. подраздел 2.8.2) и происходят колебания вектора Е, называется плоскостью колебаний. Соответственно тому, о чем сказано в подразделе 2.8, уравнение волны применительно к вектору Е в этой плоскости может быть записано в виде Е(х, t) = = Е(, cos(cot—kx), где Е0 — амплитуда; со — частота колебаний; к = 2п/Х — волновое число (k = |&|; X — длина волны); х и t — текущая координата по оси х и время t соответственно. Монохроматической называют волну с единственной и постоянной длиной волны к (и с постоянным волновым вектором к, соответственно). Если в световом луче векторы Е всех цугов колеблются в одной плоскости, луч называется плоскополяри- зованным.

Так как электрические взаимодействия являются более сильными, чем магнитные, то все физиологические, фотохимические, фотоэлектрические и другие воздействия света вызываются колебаниями электрического поля. Поэтому во многих случаях колебания вектора Н

(или магнитной индукции В) в расчет не принимаются: электромагнитная волна представляется одной плоскостью, в которой происходят колебания вектора напряженности Е электрического поля. Этот вектор называют световым вектором.

В случае когда излучаемый в некотором направлении совокупностью атомов луч света представляет собой набор цугов, в которых плоскости колебаний расположены вокруг вектора к, задающего направление распространения случайно или неупорядоченно, луч света называется естественным (неполяризованным). Если же в расположении плоскостей колебаний имеется какая-либо упорядоченность, луч является поляризованным — частично или полностью.

Возможна, в частности, круговая или эллиптическая поляризация, когда конец светового вектора при колебаниях описывает в пространстве соответствующие траектории (правая или левая в зависимости от направления вращения Ё ).

Напомним теперь некоторые известные из курса физики средней школы законы оптики и проанализируем их с точки зрения волновой природы света.

Преломление света при прохождении через вещество (л > п{)

Рис. 7.2. Преломление света при прохождении через вещество (л2 > п{)

Рассмотрим луч света, падающий на границу раздела двух сред со своими абсолютными показателями преломления п и п2 соответственно (рис. 7.2). Среда с большим показателем преломления называется оптически более плотной средой (пусть на рис. 7.2 это среда сп2>п). В точке О падающий луч АО частично отражается (образуется отраженный луч О В) и частично преломляется (образуется преломленный луч 00'). Закон отражения-преломления утверждает, что лучи падающий АО, отраженный ОВ и преломленный 00', вместе с нормалью к поверхности раздела KL, восстановленной в точке падения О, лежат в одной плоскости. Угол а падения равен углу а' отражения. Отношение синуса угла а падения к синусу угла р преломления равно отношению абсолютных показателей преломления двух сред (и2 второй среды к п первой)

где «21 — относительным показатель преломления, равный отношению скорости о, распространения света в среде с я = «| к соответствующей скорости v2 во второй среде (с я = л2), т.е. л21 = n-Jnx = i>,/u2 (см. формулу (6.163) и (6.164)).

Это соотношение называется законом Снеллиуса (законом преломления). Так как показатель преломления воздуха близок к единице, относительный показатель преломления на границе с воздухом (или вакуумом) практически равен абсолютному (иг/«1 = e/v2 ~ «2)-

Закон обратимости света утверждает, что если навстречу лучу, претерпевшему ряд отражений и преломлений, направить другой луч, то он пойдет по тому же пути, что и первый, но в обратном направлении. Если воспользоваться этим законом и проследить ход обратного луча при его распространении в оптически более плотной среде и точке падения на границу раздела, то можно записать: sin а = «21 sin р. Так как «2i > 1, при некотором значении угла а преломленный луч будет распространяться вдоль границы раздела, не выходя из среды (угол р станет равным л/2) (рис. 7.3). Угол а = ас при этом называется предельным (,критическим) углом полного (внутреннего) отражения. При больших значениях угла а (а > ас) полное отражение сохраняется.

Отражение при разных углах падения (меньших и больших критического а)

Рис. 7.3. Отражение при разных углах падения (меньших и больших критического ас)

Ход лучей в световоде

Рис. 7.4. Ход лучей в световоде

Ход лучей в призме

Рис. 7.5. Ход лучей в призме

Явление полного внутреннего отражения имеет основополагающее значение при создании волоконной оптики, т.е. световодов — оптических волокон из прозрачных материалов (рис. 7.4): попав в такое волокно- световод, луч света не может его покинуть, потому что любой угол является для него большим критического, и распространяется вдоль волокна.

Рассмотрим теперь ход лучей в призме с преломляющим углом 0, изготовленной из материала с коэффициентом п преломления, находящейся в воздухе (рис. 7.5). При не очень больших углах падения угол р отклонения луча от первоначального направления связан с показателем п преломления и преломляющим углом 0 соотношением

т.е. угол отклонения линейно зависит от показателя п преломления материала призмы.

Вследствие того, что коэффициент преломления зависит от длины волны (см. далее подраздел 7.5), призма является простейшим прибором для разложения белого дневного света в спектр по длинам волн. Радуга на небе после дождя является примером такого разложения взвешенными в воздухе каплями влаги (микропризмами).

В подразделе 2.9.2 (см. рис. 2.26) рассмотрены эффекты, возникающие при отражении волн от границ раздела сред, в которых эти волны распространяются. При этом использовалась очень простая модель бегущей волны, распространяющейся в некоторой среде, а отражение рассматривалось для двух случаев: когда волна на поверхности раздела имеет узел или пучность. Применительно к отражению света от поверхностей раздела, приведенное рассмотрение соответствует отражению от оптически более плотной или менее плотной сред. Анализ показывает, что отражение от оптически более плотной («2 > п) среды соответствует узлу на поверхности раздела, а отражение от оптически менее плотной (п2 < пх) среды — пучности. В первом случае отражение сопровождается скачкообразным изменением фазы колебаний в отраженной волне на п. Иными словами, отражение от оптически более плотной среды сопровождается сдвигом всей отраженной части волны на границе раздела сред на половину длины волны (как говорят, с «потерей» половины длины Х/2 волны). При отражении света от оптически менее плотных сред этот сдвиг не возникает.

Приведем в заключение показатели преломления для наиболее часто применяемых в оптических экспериментах веществ (табл. 7.1)

Таблица 7.1

Показатели преломления некоторых веществ

Вещество

Показатель преломления (л)

Скорость света в веществе (в единицах скорости с света в вакууме)

Абсолютный вакуум

1

1

Воздух

1,0003

0,9997

Вода

1,33

0,75

Стекло

1,4-1,8

0,56-0,71

Окончание

Вещество

Показатель преломления (п)

Скорость света в веществе (в единицах скорости с света в вакууме)

Алмаз

2,4

0,42

Кремний

3,5

0,29

На схеме ниже приведены длины световых волн, соответствующие различным цветам видимого глазом спектра (сравните с рис. 7.1).

 
Посмотреть оригинал
< Предыдущая   СОДЕРЖАНИЕ   Следующая >
 

Популярные страницы