В результате дифракции света на интерференционной структуре голограммы восстанавливается копия предметной волны, образующая объемное мнимое изображение предмета, расположенное в том месте, где предмет находился при голографировании. Восстанавливается еще и действительное изображение предмета, имеющее рельеф, обратный рельефу предмета. (Наблюдение ведется справа от голограммы.)
Голограмму можно расколоть на несколько пучков, но даже малая часть голограммы восстанавливает полное изображение предмета. Уменьшение размеров голограммы приводит к ухудшению изображения, т.к. голограмма служит для опорного пучка дифракционной решеткой, а при уменьшении числа штрихов дифракционной решетки ее разрешающая способность уменьшается.
Применение голографии разнообразно, наиболее важными являются запись и хранение информации. На пластину размером 32×32 мм можно записать 1024 голограммы, площадь каждой ~ 1 мм2.
Вопросы для повторения
1.Какие практические применения имеет формула Вульфа-Брэггов?
2.Что определяет критерий Рэлея?
3.Каковы принципиальные пути повышения разрешающей способности оптических приборов?
4.От чего зависит разрешающая способность объектива, дифракционной решётки?
5.Каковы возможные применения голографии?
6.Когда два точечных источника разрешимы по Рэлею?
Глава 22. Поляризация света
§31. Естественный и поляризованный свет
Следствием теории Максвелла является поперечность световых волн: векторы напряжёностей электрического E и магнитного H полей волны взаимно перпендикулярны и колеблются перпендикулярно вектору скорости υ распространения волны.
Поэтому для описания закономерностей поляризации света достаточно знать поведение лишь одного из векторов. Обычно все рассуждения ведутся относительно светового вектора –
вектора напряженности E электрического поля.
Свет представляет собой суммарное электромагнитное излучение множества атомов. Атомы же излучают волны не зависимо друг от друга, поэтому световая волна, излучаемая телом, в целом характеризуется всевозможными равновероятными колебаниями светового вектора: (луч перпендикулярен плоскости рисунка).
Рис.31.1
Свет со всевозможными равновероятными ориентациями вектора E (и следовательно вектора H ) называется естественным.
Свет, в котором направления колебаний светового вектора каким-то образом упорядочены, называется поляризованным.
27
Так, если в результате каких-либо внешних воздействий появляется преимущественное (но
не исключительное) направление колебаний вектора E , то мы имеем дело с частично поляризованным светом.
Рис.31.2
Свет в котором вектор E (и следовательно вектор H ) колеблется только в одном направлении перпендикулярно лучу, называется плоскополяризованным (линейно поляризованным).
Рис.31.3
Плоскость, проходящая через направление колебаний светового вектора плоско поляризованной волны и направление распространения этой волны, называется плоскостью поляризации.
Для характеристики поляризованного света вводится величина
P = |
Imax − Imin |
, |
(31.1) |
|
Imax + Imin |
||||
|
|
|
называемая степенью поляризации, где Imax и Imin – соответственно максимальная и минимальная интенсивности частично поляризованного света, пропускаемого анализатором.
Для естественного света Imax= Imin и P=0, для плоскополяризованного Imin=0 и P=1.
Естественный свет можно преобразовать в плоскополяризованный используя так называемые поляризаторы.
Поляризаторы – это устройства пропускающие колебания только определенного направления.
(В качестве поляризаторов могут быть использованы кристаллы.) Рассмотрим классический опыт с турмалином:
Плоскополяризованный свет О'
В
А |
Т1 |
А' |
О Т2
Естественный свет
О
Рис.31.4
О'
В'
28
Направим естественный свет перпендикулярно пластине турмалина Т1, вырезанной параллельно так называемой оптической оси ОО′. Вращая кристалл вокруг направления луча, никаких изменений интенсивности прошедшего через турмалин света не наблюдаем.
Если на пути луча поставить вторую пластину турмалина Т2 и вращать ее вокруг направления луча, то интенсивность света, прошедшего через пластинки, меняется в зависимости от угла α между оптическими осями кристаллов по закону Малюса (французский физик):
I = I0 cos2 α , |
(31.2) |
где I0 – интенсивность света, вышедшего из поляризатора.
I – интенсивность света, вышедшего из анализатора.
Пластина Т1 преобразующая естественный свет в плоскополяризованный, является
поляризатором.
Пластина Т2, служащая для анализа степени поляризации света, называется анализатором. Обе пластинки Т1 и Т2 совершенно одинаковы (их можно поменять местами.)
Из закона Малюса следует, что интенсивность прошедшего через пластинки света изменятся от минимума (полное гашение света) при α=π/2 (оптические оси пластин перпендикулярны как на рисунке 1) до максимума α=0 (оптические оси пластинок параллельны).
Рис.31.5
Однако из рисунка 31.5 следует, что амплитуда вектора E световых колебаний, прошедших через пластинку Т2 будут меньше амплитуды световых колебаний вектора E0 , падающих на пластину Т2:
E = E0 cos2 α . |
(31.3) |
А так как интенсивность света пропорциональна квадрату амплитуды I А2, то и получается выражение (7.1).
Если пропустить естественный свет через два поляризатора, главные плоскости которых образуют угол α, то из первого выйдет плоскополяризованный свет, интенсивность которого:
I0 |
= |
1 |
Iест , |
(31.4) |
||
|
||||||
|
|
2 |
|
|
||
Из второго, согласно закону Малюса: |
|
|
|
|
|
|
I = I0 cos2 α , |
(31.5) |
|||||
выйдет свет интенсивностью: |
|
|
|
|
|
|
I = |
1 |
Iест cos2 α . |
(31.6) |
|||
2 |
||||||
|
|
|
|
|
||
|
|
29 |
|
|||
И так мы нашли интенсивность света, прошедшего через два поляризатора. Отсюда:
Imax = |
1 |
Iест , |
(31.7) |
|
2 |
||||
|
|
|
(если поляризаторы параллельны), и Imin=0 (поляризаторы скрещены.).
§32. Закон Брюстера
Если естественный свет падает на границу раздела двух диэлектриков ( например воздуха и стекло), то часть его отражается, а часть преломляется и распространяется во второй среде. Установим на пути отраженного и преломленного лучей анализатор (например турмалин), убеждаемся в том, что отраженный и преломленный лучи частично поляризованы: при поворачивании анализатора вокруг лучей интенсивность света периодически усиливается и ослабевает (полного гашения не наблюдается).
Дальнейшие исследования показали (рис. 32.1), что в отраженном луче преобладают колебания, перпендикулярные плоскости падения (обозначены точками), в преломленном – колебания, параллельные плоскости падения (изображены стрелками).
Рис. 32.1
Степень поляризации (степень выделения световых волн с определенной ориентацией электрического (и магнитного) вектора) зависит от угла падения лучей и показателя преломления.
Шотландский физик Д. Брюстер установил закон, согласно которому при угле падения iB (угол Брюстера), определяемого соотношениями:
tg iB = n21 , |
(32.1) |
отраженный луч является плоскополяризованным (содержит только колебания, перпендикулярные плоскости падения). Преломленный же луч при угле падения iB поляризуется максимально, но не полностью. (n21 – показатель преломления второй среды относительно первой).
Если свет падает на границу раздела под углом Брюстера, то отраженный и преломленные лучи взаимно перпендикулярны. Покажем это:
n21 |
= |
sin iB |
, |
|
|||
|
|
sin i2 |
|
(где i2 –угол преломления).
30