§ 27. Корпускулярные и волновые свойства света.

Рассмотренные в предыдущих лекциях явления – излучение чёрного тела, фотоэффект, эффект Комптона – служат доказательством корпускулярных представлений о свете. С другой стороны, такие явления, как интерференция, дифракция и поляризация света, убедительно подтверждают волновую природу света. Наконец, отражение и давление света (и некоторые другие явления) объясняются как волновой, так и квантовой (корпускулярной) теориями. Таким образом, электромагнитное световое излучение обнаруживает и корпускулярные и волновые свойства.

Имеются соотношения, которые связывают корпускулярные (энергия и импульс фотона) и волновые (частота или длина волны) свойства света: _ = h, p_ = h/c = h/.

Свет, обладая одновременно корпускулярными и волновыми свойствами, обнаруживает определённые закономерности в их проявлении. Так, волновые свойства света проявляются в закономерностях его распространения (интерференция, дифракция, поляризация), а корпускулярные – в процессах взаимодействия света с веществом. Чем больше длина волны, тем меньше энергия и импульс фотона и тем труднее обнаруживаются квантовые свойства света. Наоборот, чем меньше длина волны, тем больше энергия и импульс фотона и тем труднее обнаруживаются волновые свойства – рентгеновское излучение, например, дифрагирует только на кристаллической решётке твёрдых тел.

Можно интерпретировать дифракционную картину, используя не только волновые, но и квантовые свойства света. При прохождении света через щель происходит перераспределение фотонов в пространстве и то большее или меньшее их количество попадает в разные точки экрана, формируя таким образом дифракционную картину. И поскольку освещённость экрана пропорциональна квадрату амплитуды, то квадрат амплитуды является мерой вероятности попадания фотона в данную точку экрана.

Тема 9: Голография и лазеры.

§ 28. Понятие о голографии.

Голография (от греческого – полная запись) – особый способ записи и последующего восстановления волнового поля, основанный на регистрации интерференционной картины. Основана на законах интерференции и дифракции.

Голография была изобретена английским инженером Д. Габором в 1947 г. (Нобелевская премия 1971 г.). Экспериментальная реализация стала возможна после появления в 1960 г. лазеров.

Рассмотрим элементарные основы принципа голографии, т.е. регистрации и восстановления информации о предмете. Для регистрации и восстановления световой волны нужно уметь регистрировать, запоминать и восстанавливать амплитуду и фазу идущей от предмета волны, поскольку распределение интенсивности в интерференционной картинке определяется как амплитудой интерферирующих волн, так и разностью их фаз. Поэтому для регистрации как фазовой, так и амплитудной информации кроме волны, идущей от предмета (предметной волны), используют ещё когерентную с ней волну, идущую от источника света (опорную волну). Идея голографирования состоит в том, что фотографируется распределение интенсивности в интерференционной картине, возникающей при суперпозиции волнового поля предмета и когерентной ему опорной волны. Последующая дифракция света на зарегистрированном распределении почернений в фотослое восстанавливает волновое поле предмета и позволяет изучение этого поля при отсутствии предмета.

Практически эта идея может быть осуществлена по схеме, изображённой на рисунке:

Лазерный пучок делится на две части, причём одна его часть отражается зеркалом на фотопластинку (опорная волна), а вторая попадает на фотопластинку, отразившись от предмета (предметная волна). Опорная и предметная волны, являясь когерентными и накладываясь друг на друга, образуют на фотопластинке интерференционную картину. После проявления фотопластинки и получим голограмму, зарегистрированную на фотопластинке.

Для восстановления изображения голограмма помещается в то же самое положение, где она находилась до регистрации. Её освещают опорным пучком того же лазерного источника. В результате дифракции света на голограмме восстанавливается копия предметной волны, образующая объёмное мнимое изображение предмета, которое расположено в том месте, где раньше находился сам предмет. Если голограмму, зафиксированную на фотопластинке расколоть на несколько частей, то и каждая часть даст то же изображение, только менее чёткое. Голограмма служит как бы дифракционной решёткой с очень сложным рисунком штрихов.