Глава I. Основные понятия и законы физической оптики

§1.1. Оптическое излучение - электромагнитные волны

Световое излучение представляет собой совокупность электромагнитных волн. Электромагнитной волной называется распространённое в пространстве переменное электромагнитное поле.

Название диапазона			Длины волн, λ		Частоты, ν		Источники
Радиоволны	Сверхдлинные	более 10 км		менее 30 кГц		Атмосферные и магнитосферные явления. Радиосвязь.
	Длинные	10 км — 1 км		30 кГц — 300 кГц
	Средние	1 км — 100 м		300 кГц — 3 МГц
	Короткие	100 м — 10 м		3 МГц — 30 МГц
	Ультракороткие	10 м — 1 мм		30 МГц — 300 ГГц
Инфракрасное излучение			1 мм — 780 нм		300 ГГц — 429 ТГц		Излучение молекул и атомов при тепловых и электрических воздействиях.
Видимое (оптическое) излучение			780—380 нм		429 ТГц — 750 ТГц
Ультрафиолетовое			380 — 10 нм		7,5×1014 Гц — 3×1016 Гц		Излучение атомов под воздействием ускоренных электронов.
Рентгеновские			10 нм — 5 пм		3×1016 — 6×1019 Гц		Атомные процессы при воздействии ускоренных заряженных частиц.
Гамма			менее 5 пм		более 6×1019 Гц		Ядерные и космические процессы, радиоактивный распад.

Электромагнитные волны являются поперечными, если векторы Е и Н взаимно перпендикулярны и лежат в плоскости, перпендикулярной к направлению распространения волны. Рис. 1.1.

Электромагнитные волны называются плоскими, если Е и Н зависят только от времени и одной координаты. Электромагнитные волны называются монохроматическими, если компоненты векторов Е и Н совершают гармонические колебания одной частоты, называемой частотой волны. Монохроматическая волна не ограничена в пространстве и времени. Можно показать, что векторный потенциал монохроматической плоской волны описывается соотношением 1.1 и 1.2

Волна будет монохроматической только в том случае, если не только частота, но и амплитуда волны и начальная фаза будут не зависеть от времени. Реальные электромагнитные волны не являются монохроматическими, т.к. ограничены в пространстве и времени. Такие волны могут быть представлены в виде совокупности монохроматических волн и называются группой волн. Совокупность монохроматических волн, в результате которых получается рассматриваемая волна, называется спектром. В диспергирующих средах, в которых фазовая скорость зависит от их длины, происходит искажение группы волн, обусловленное различием фазовых скоростей отдельных монохроматических волн. Диспергирующая среда – распределенная среда, параметры которой зависят от частот ω и волновых векторов к. Понятие диспергирующая среда четко устанавливается только для линейных однородных систем, где гармонические поля могут существовать самостоятельно.

Для группы волн вводится понятие групповой скорости. Скорость переноса энергии группой волн называется групповой скоростью. Групповая скорость в отличие от фазовой есть скорость перемещения амплитуды, а не фазы.

Плоскость, проходящая через направление векторов, Н и ОХ, называется плоскостью поляризации. Плоскость, проходящая через Е и ОY, называется плоскостью колебаний. Если направление векторов Е и Н в световой волне беспорядочно меняют свою ориентацию в пространстве, то такое излучение называется неполяризованным. Если вектор Е колеблется вдоль параллельных прямых, то такая волна называется плоско поляризованной. Поляризация называется эллиптической, если конец вектора Е в какой-либо плоскости перпендикулярной ОХ описывает эллипс за период Т₀.

Такую волну получают, если вдоль направления по Х распространяются две линейно поляризованные волны со сдвигом фаз относительно друг друга.

Если сдвиг фаз и амплитуды полей одинаковые, то получается круговая поляризация.

, (1.1)

где - амплитуда волны,– время,– волновое число,- частота колебаний. Вспомним ряд известных формул.

; ;;; (1.2)

где - длина волны;- круговая частота;- скорость распро­странения монохроматиче­ской волны, т. е. скорость с которой переда­ётся от точки к точке фаза монохроматического ко­лебания,- период.

. (1.3)

Если разность фаз между монохроматическими компонентами двух волн, распространяющихся в одном направлении, остается постоянной, то такие волны называются когерентными. Поскольку реальное излучение не является монохроматическим, то и не может существовать идеальная когерентность. Когерентность реальных источников характеризуется с помощью специальных характеристик, одной из которых является интервал когерентности, т.е. интервал, на котором можно считать колебания когерентными.