2_blok

19.Явление дифракции. Принцип Гюйгенса-Френеля, его интегральная запись и трактовка. Зоны Френеля. Применение векторных диаграмм для анализа дифракционных картин. Зонные пластинки. Дифракция на круглом отверстии и диске.

16. Физические основы метода голографической записи и воспроизведения изображений. Голограммы Габора и Денисюка. Разрешающая способность голограмм.

Голография— полная запись, метод получения объёмного изображения объекта, основанный на интерференции и дифракции волн.

Рассеянные объектом волны характеризуются амплитудой и фазой. Регистрация амплитуды волн не представляет затруднений; обычная фотографическая пленка регистрирует амплитуду, преобразуя ее значения в соответствующее почернение фотографической эмульсии. Фазовые соотношения становятся доступными для регистрации с помощью интерференции, преобразующей фазовые соотношения в соответствующие амплитудные. Интерференция возникает, когда в некоторой области пространства складываются несколько электромагнитных волн, частоты которых с очень высокой степенью точности совпадают. Когда записывают голограмму, в определённой области пространства складывают две волны: одна из них идёт непосредственно от источника (опорная волна), а другая отражается от объекта записи (объектная волна). В этой же области размещают фотопластинку (или иной регистрирующий материал), в результате на этой пластинке возникает сложная картина полос потемнения, которые соответствуют распределению электромагнитной энергии (картинеинтерференции) в этой области пространства. Если теперь эту пластинку осветить волной, близкой к опорной, то она преобразует эту волну в волну, близкую к объектной. Таким образом, мы будем видеть (с той или иной степенью точности) такой же свет, какой отражался бы от объекта записи.

Г.Денисюка- как фильтр, выбирает из широкополосного солнечного спектра только тот спектральный интервал, где её дифракционная эффективность максимальна.

Чем больше разрешающая способность голограммы, тем более чёткое (контрастное) изображение объекта может быть получено при его восстановлении. Как для дифракционной решётки с увеличением числа штрихов увеличивается её разрешающая способность, так и для голограммы с увеличением площади голограммы происходит увеличение чёткости изображения получаемого с голограммы. Всем известное суждение о возможности получения изображения с любой части голограммы записанного на нём изображения объекта, не следует понимать буквально. Дело в том, что изображение, полученное с малых частей голограммы, может быть нечётким из-за малой разрешающей способности голограммы, используемой для восстановления изображения записанного на нёй объекта. В этом отношении голограммы Фурье в ряде случаев представляют собой удобный способ получения голограмм, имеющих очень малый размер. Такие голограммы называются микроголограммами. Возможности получения микроголограмм объектов в голографии Фурье является следствием свойства линзы, согласно которому изображение протяжённых объектов, наблюдаемых в её задней фокальной плоскости, сосредоточено в очень малой окрестности вокруг точки фокуса. Минимальный размер голограммы, с которой можно получить чёткое изображение записанного на ней объекта, определяется размером  области в фокальной плоскости линзы (рис. 6.7a), внутри которой находится распределение пространственного спектра записываемого объекта. Как следует из главы 7, размер минимальной голограммы определяется диском Эйри для линзы диаметром , вычисляется по формуле (5.29):

,где  - длина волны опорного источника, используемого для записи голограмм.

26. Фотоны и их свойства. Законы сохранения энергии и импульса в процессах с участием фотонов. Фотоэффект. Формула Эйнштейна. Опыты Столетова. Эффект Комптона.

Фотон - материальная, электрически нейтральная частица, квант электромагнитного поля (переносчик электромагнитного взаимодействия).

Основные свойства фотона

1. Является частицей электромагнитного поля.

2. Движется со скоростью света.

3. Существует только в движении.

 4. Остановить фотон нельзя: он либо движется со скоростью, равной скорости света, либо не существует; следовательно, масса покоя фотона равна нулю.

Энергия фотона:.

Согласно теории относительности энергия всегда может быть вычислена как , Отсюда  - масса фотона. 

Импульс фотона . Импульс фотона направлен по световому пучку.

Наличие импульса подтверждается экспериментально: существованием светового давления.

Фотоэффектом называется электрические явления, которые происходят при освещении светом вещ-ва, а именно: выход электронов из вещ-ва (фотоэлектронная эмиссия), возникновение ЭДС.

Вылет электронов из освещенных тел называют внешним фотоэффектом.

Столетов опытным путем установил следующие законы (внешнего) фотоэффекта:

1. Число электронов, вырываемых из катода за единицу времени, пропорционально интенсивности света. (Фототок насыщения пропорционален энергетической освещенности E).

2. Максимальная начальная скорость фотоэлектронов не зависит от интенсивности падающего света, а определяется только его частотой.

3. Для каждого фотокатода существует красная граница фотоэффекта, то есть минимальная частота , при которой фотоэффект еще возможен. Эта частота зависит от химической природы и состояния его поверхности.

Уравнение Эйнштейна для фотоэффекта

Энергия падающего фотона расходуется на совершение электроном работы выхода из металла и на сообщение вылетевшему фотоэлектрону кинетической энергии:

Уравнение (2) называется уравнением Эйнштейна для внешнего фотоэффекта. Уравнение Эйнштейна позволяет объяснить второй и третий законы фотоэффекта. Из уравнения (2) непосредственно следует, что максимальная кинетическая энергия (mV²_max /2) возрастает с увеличением частоты падающего света. С уменьшением частоты кинетическая энергия (mV²_max /2) уменьшается и при некоторой частоте она становиться равной нулю и фотоэффект прекращается (). Отсюда

- красная граница фотоэффекта (ниже которой фотоэффект не наблюдается), она зависит лишь от работы выхода электрона из металла (то есть от химической природы вещества).

21. Причины появления и механизм формирования радуги. Виды и причины появления гало. Полярные сияния. Зодиакальное свечение.

Гало-  оптический феномен, светящееся кольцо вокруг объекта — источника света.

Природа этого явления — дисперсия света в кристаллах льда. В отличии от капелек воды (которые отличаются только размером) ледяные кристаллы бывают разной формы и могут летать в воздухе разными способами: парить, вращаться, медленно падать и т.д. Поэтому радуга всегда располагается в одном месте на небе (нужно стать к солнцу спиной, чтобы ее увидеть), а гало бывают разных видов (около сотни). гало (кроме нескольких редких видов) наблюдается около солнца. По расположению на небе

• гало расположенные близко к солнцу: 22° гало и прилегающие к нему касательные дуги, паргелии, дуги Парри, Ловица, редкие гало пирамидальных кристаллов,световые столбы, эллиптические гало.

• гало на расстоянии 46° и дальше от солнца: большое гало и его касательные дуги, 46 градусные дуги Ловица, зенитная и окологоризонтная дуги, 44° паргелии, 90° гало.

• гало, охватывающие все небо:паргелический круг, солнечная петля, дуга Хастингса.

• гало в противоположной солнцу части неба: 120° паргелии, дуги Вегнера, Гринлера, паргелии Лилеквиста, противосолнце, субсолнечная петля

• отраженные в плоскости горизонта гало(суб гало): субсолнце, субпаргелии и другие суб- гало.

По окрашенности

• белые гало: светлые, бесцветные,  белые дуги и пятна на небе:паргелический круг.

• радужные гало, слабоокрашенные: только красный,оранжевый и белый цвет: 22° гало;

• радужные гало, полноцветные: видны также синий и зеленыйцвета: касательные дуги 46° гало, окологоризонтная дуга.

Полярные сияния чаще всего наблюдаются в двух неправильной формы зонах, окружающих северный и южный магнитные полюсы Земли и простирающихся на широтах 60-70°. Полярные сияния возникают при вторжении в верхние слон атмосферы заряженных частиц высокой энергии из земной магнитосферы. Сталкиваясь с различными атомами земной атмосферы, они возбуж-дают их, вызывая свечение. В основном полярные сияния происходят на высотах 100-115 км, но иногда они наблюдаются как гораздо ниже, до 70 км, так и выше-на высоте до 300 км. Так, наиболее часто наблюдается бледно-зеленый и красный цвет, однако каким-то наблюдателям то же самое полярное сияние может показаться бесцветным. Цвет смяния зависит от высоты, особенно у полярных сияний с вытянутой лучевой структурой.

ЗОДИАКАЛЬНЫЙ СВЕТ - слабое диффузное свечение, к-рое можно наблюдать на ночном небе в виде расширяющейся к горизонту полосы, простирающейся через зодиакальные созвездия. Видимая яркость 3. с. приблизительно в 2-3 раза больше яркости ночного неба. Лучше всего 3. с. виден в экваториальной области Земли между тропиками. ЗОДИАКАЛЬНЫЙ свет - свечение ночного неба, создаваемое находящейся в межпланетном пространстве пылью (за счет рассеивания солнечного излучения частичками пыли).

21. Рефракция в атмосфере. Гигантские линзы. Турбулентное смещение луча, мерцание звёзд. Релеевское рассеяние в атмосфере. Радуга, гало, венцы, глории, нимбы.

 Миражи третьего класса – сверхдальнего видения – трудно объяснить. Однако, высказывались предположения об образовании в атмосфере гигантских воздушных линз, о создании вторичного миража, то есть миража от миража. Возможно, что здесь играет роль ионосфера, отражающая не только радиоволны, но и световые волны.

при прохождении света через турбулентные неоднородности воздуха возникают такие атмосферно-оптич. явления, как мерцание звёзд, случайная рефракция, пятнистая структура световых пучков и др. Для уменьшения искажающего влияния атмосферы разрабатываются спец. методы и средства компенсации (т. н. адаптивная оптика).

Основы молекулярной оптики заложены Рэлеем (Дж. У. Стрётт, J. W. Strutt) (1871, 1899). По его теории, солнечные лучи при прохождении через атмосферу рассеиваются молекулами воздуха. Теоретич. исследования Л. И. Мандельштама (1907) показали, что свет рассеивается не молекулами воздуха, а флуктуациями плотности воздуха (случайно расположенными сгущениями и разрежениями). Теория флуктуац. рассеяния, разработанная M. Смолуховским (M. Smoluchowski, 1908) и А. Эйнштейном (A. Einstein, 1910), приводит к тем же ф-лам, к-рые ранее были получены Рэлеем. T. к. флуктуации плотности обусловлены молекулярно-кинетич. природой строения вещества, флуктуац. рассеяние по-прежнему наз. молекулярным.

Глории - цветные кольца, образующиеся вокруг тени наблюдателя (обычно в горах) или наблюдаемые с самолёта вокруг тени самолёта на фоне облаков. Преломление (рефракция) световых лучей в атмосфере приводит к кажущемуся смещению видимого положения светил, к депрессии или расширению видимого горизонта, к возникновению разл. рода миражей.

Радуга - разноцветная дуга на небосводе, возникающая в результате разложения солнечного света в каплях дождя на спектральные составляющие. Первая радуга с угловым радиусом 42° образуется за счёт двукратного преломления и однократного отражения солнечного луча от внутр. поверхности капли, вторая - с угловым радиусом 53° возникает за счёт двукратного преломления и двукратного отражения луча в капле воды. Гало - светлые круги около Солнца и Луны радиусом 22 и 46°, ложные Солнца и Луны, дуги, столбы, пятна, образующиеся за счёт отражения и преломления света чаще всего ледяными кристаллами перисто-слоистых облаков. Венцы - светлые радужные кольца, окружающие Солнце, Луну, яркие звёзды, фонари и др., обусловленные дифракцией света на взвешенных в воздухе каплях или кристаллах льда.

нимбы). В особых условиях возникают необычные атмосферные явления. Если Солнце находится за спиной наблюдателя, а его тень проецируется на близрасположенные облака или завесу тумана, при определенном состоянии атмосферы вокруг тени головы человека можно увидеть цветной светящийся круг - нимб. Обычно такой нимб образуется из-за отражения света капельками росы на травяном газоне.

17. Глаз и зрение. Оптическая схема глаза. Аккомодация и адаптация. Близорукость, дальнозоркость и астигматизм. Дневное и сумеречное зрение. Эффект красных глаз.

На рисунке 2.1. изображен разрез глазного яблокаи показаны основные детали глаза.

Глаз представляет собой шаровидное тело (глазное яблоко), почти полностью покрытое непрозрачной твердой оболочкой (склерой).

Хрусталик представляет собой двояковыпуклую эластичную линзу, которая крепится на мышцах ресничного тела. Место входа зрительного нерва представляет собой слепое пятно. Немного выше расположено желтое пятно – участок наиболее ясного видения. Линия, проходящая через центр желтого пятна и центр хрусталика, называется зрительной осью. Она отклонена от оптической оси глаза на угол около 5°.

Аккомодация – это способность глаза приспосабливаться к четкому различению предметов, расположенных на разных расстояниях от глаза.

Аккомодация происходит путем изменения кривизны поверхностей хрусталика при помощи натяжения или расслабления ресничного тела. Когда ресничное тело натянуто, хрусталик растягивается и его радиусы кривизны увеличиваются. При уменьшении натяжения мышцы хрусталик под действием упругих сил увеличивает свою кривизну.

Приспособление глаза к изменившимся условиям освещенности называется адаптацией.

• изменением диаметра отверстия зрачка;

• перемещением черного пигмента в слоях сетчатки;

• различной реакцией палочек и колбочек.

миопия (близорукость), при которой лучи от бесконечно удаленного точечного источника фокусируются перед сетчаткой (рис. 2.6 а).

гиперметропия (дальнозоркость), при которой истинный фокус лучей от бесконечно удаленного предмета лежит за сетчаткой (рис. 2.6 б).

астигматизм, при котором преломляющая способность глаза различна в разных плоскостях, проходящих через его оптическую ось. Причина астигматизма лежит либо в неправильной, несферичной форме роговицы (в разных сечениях глаза, проходящих через ось, радиусы кривизны неодинаковы), либо в нецентричном по отношению к оптической оси глаза положении хрусталика. Обе причины приводят к тому, что для различных сечений глаза фокусные расстояния оказываются неодинаковыми.

Сумеречное зрение (или мезопическое зрение; от греч. mesos - средний, промежуточный и opsis - зрение)― это зрение, которое осуществляется палочковым аппаратом глаза при слабой степени освещенности (0,1-0,3 лк), приспособленное к небольшой яркости света. Сумеречное зрение характеризуется низкой остротой зрения и ахроматичным (нецветовым) восприятием предметов, при котором зрительные ощущения обеспечиваются палочками сетчатки.

-порог яркости, по сравнению с обычным, дневным (фотопическим) зрением, низкий;

-кривая освещенности показывает максимальную чувствительность к волнам длиной приблизительно 510 нм с быстро уменьшающейся чувствительностью к более длинным и более коротким волнам;

-так как палочки содержатся только за пределами фовеа (углубления в задней части глаза, где зрительная ось пересекает сетчатку, обильно населенное колбочками, отвечающими за зрение при дневном освещении), поэтому резкостьсумеречного зрения низкая.

Эффект красных глаз у людей возникает при фотосъёмке из-за отражения света фотовспышки от глазного дна глаза человека. Сосудистая оболочка глазного дна человека имеет красный цвет.

Если созданы условия для попадания в объектив фотоаппарата света, отраженного от глазного дна, то на фотопортрете мы увидим характерный дефект — красные зрачки глаз человека.

Условия появления эффекта красных глаз у людей могут возникать при использовании вспышки, встроенной в фотоаппарат либо закреплённой на нём.

• Если отражается много света, то зрачки имеют красную окраску. Если отражается мало света, то зрачки имеют естественный цвет, а ложный красный цвет имеет малую яркость и насыщенность.

• От глазного дна отражается меньше света, когда зрачки глаз человека сужены.

• Зрачки расширяются в темноте, и вспышкой пользуются при плохом освещении. Когда зрачки глаз расширены, от глазного дна отражается много света и увеличивается вероятность появления на фотопортрете ложной окраски зрачков глаз человека и усиливается дефект передачи цвета зрачков глаз человека

24. Сферическое зеркало. Сложение оптических систем. Оптические приборы. Фотоаппарат. Окуляр. Подзорная труба, телескоп. Микроскоп.

Сферическим зеркалом называют зеркально отражающую поверхность, имеющую форму сферического сегмента. Центр сферы, из которой вырезан сегмент, называютоптическим центром зеркала. Вершину сферического сегмента называют полюсом. Прямая, проходящая через оптический центр и полюс зеркала, называется главной оптической осью сферического зеркала. Главная оптическая ось выделена из всех других прямых, проходящих через оптический центр, только тем, что она является осью симметрии зеркала.

Сферические зеркала бывают вогнутыми и выпуклыми. Если на вогнутое сферическое зеркало падает пучок лучей, параллельный главной оптической оси, то после отражения от зеркала лучи пересекутся в точке, которая называется главным фокусом F зеркала. Расстояние от фокуса до полюса зеркала называют фокусным расстоянием и обозначают той же буквой F. У вогнутого сферического зеркала главный фокус действительный. Он расположен посередине между центром и полюсом зеркала (рис 3.2.2).

Следует иметь в виду, что отраженные лучи пересекаются приблизительно в одной точке только в том случае, если падающий параллельный пучок был достаточно узким (так называемый параксиальный пучок).

Главный фокус выпуклого зеркала является мнимым. Если на выпуклое зеркало падает пучок лучей, параллельных главной оптической оси, то после отражения в фокусе пересекутся не сами лучи, а их продолжения (рис 3.2.3).

Фокусным расстояниям сферических зеркал приписывается определенный знак: для вогнутого зеркала  для выпуклого  где R – радиус кривизны зеркала.

Глаз является хорошей моделью для фотоаппарата, в нем есть все необходимые составляющие. Несколько линз объектива фокусируют свет вместо хрусталика. Механическая диафрагма, которая заменяет радужную оболочку глаза, регулирует количество света, попадающего внутрь фотоаппарата. Наконец, в качестве сетчатки используется фотопленка. Свет проходит через линзы, отражается от зеркала и с помощью призмы перенаправляется в видоискатель, как продемонстрировано на рис. 2.5. Когда зеркало поднято, свет доходит до задней стенки фотоаппарата и попадает на пленку.

20. Оптические явления в природе. Источники излучения , освещающие поверхность земли. Пропускание атмосферы. Рефракция в атмосфере. Турбулентное смещение луча. Светимость и геометрия небосвода.

Глории - цветные кольца, образующиеся вокруг тени наблюдателя (обычно в горах) или наблюдаемые с самолёта вокруг тени самолёта на фоне облаков. Преломление (рефракция) световых лучей в атмосфере приводит к кажущемуся смещению видимого положения светил, к депрессии или расширению видимого горизонта, к возникновению разл. рода миражей.

Радуга - разноцветная дуга на небосводе, возникающая в результате разложения солнечного света в каплях дождя на спектральные составляющие. Первая радуга с угловым радиусом 42° образуется за счёт двукратного преломления и однократного отражения солнечного луча от внутр. поверхности капли, вторая - с угловым радиусом 53° возникает за счёт двукратного преломления и двукратного отражения луча в капле воды. Гало - светлые круги около Солнца и Луны радиусом 22 и 46°, ложные Солнца и Луны, дуги, столбы, пятна, образующиеся за счёт отражения и преломления света чаще всего ледяными кристаллами перисто-слоистых облаков. Венцы - светлые радужные кольца, окружающие Солнце, Луну, яркие звёзды, фонари и др., обусловленные дифракцией света на взвешенных в воздухе каплях или кристаллах льда.

нимбы). В особых условиях возникают необычные атмосферные явления. Если Солнце находится за спиной наблюдателя, а его тень проецируется на близрасположенные облака или завесу тумана, при определенном состоянии атмосферы вокруг тени головы человека можно увидеть цветной светящийся круг - нимб. Обычно такой нимб образуется из-за отражения света капельками росы на травяном газоне.

ПРОЗРАЧНОСТЬ ЗЕМНОЙ АТМОСФЕРЫ - способность атмосферы пропускать направленное излучение.

вид (закон Бугера - Ламберта)

где- оптическая толщина (толща) атмосферы.

Закон Бугера - Ламберта (см. Бугера - Ламберта - Бера закон)получен для квазимонохроматич. излучения. При использовании его для расчётов интегральных потоков обнаруживается кажущийся дневной ход коэф. прозрачности. С увеличением воздушной массы т (т. е. с уменьшением высоты Солнца над горизонтом) в проходящем потоке увеличивается доля ДВ-ра-диации, для к-рой атмосфера более прозрачна, что приводит к кажущемуся увеличению П. з. а. (эффект Fорбса). Для исключения влияния этого эффекта коэф. интегральной прозрачности р, полученные при разл. высотах Солнца, приводятся по специальным номограммам к коэф. интегральной прозрачностипри определённой воздушной массеОбычно принимается  = 2 (т. е. высота Солнца равна Коэф.  регулярно определяются на метеостанциях и широко используются в актинометрии, при изучении атм. процессов, при расчётах радиац. потоков, радиац. баланса земной поверхности и т. д.