Оглавление.
Раздел 1. Основные положения оптики. 5
§ 1. Введение. 5
§ 2. Электромагнитные волны. 6
§ 3. Поперечность электромагнитных волн. 7
§ 4. Решение волнового уравнения. 8
§ 5. Излучение диполя. 10
§ 6. Характеристики электромагнитных волн. 10
§ 7. Энергетические характеристики. 11
§ 8. Фотометрия и фотометрические величины 12
§ 9. Геометрическая оптика. 13
Раздел 2. Интерференция света. 17
§ 1. Сложение волн. 17
§ 2. Опыт Юнга. 18
§ 3. Когерентность. 19
§ 4. Интерферометры. 27
§ 5. Интерференция в тонких пленках 29
§ 6. Многолучевая интерференция 31
§ 7. Применение интерференции 32
§ 8. Основные методы получения и наблюдения интерференции. 33
§ 9. Методы наблюдения интерференции. Расчет интерференционных картин двух источников. 33
§ 10. Интерференция света в тонких пластинах. Полосы равного наклона. Полосы равной толщины. 34
§ 11. Практическое применение явления интерференции. Просветленная оптика. 34
Раздел 3. Дифракция света. 36
§ 1. Принцип Гюйгенса-Френеля. 36
§ 2. Дифракция Френеля. 36
§ 3. Критерий Релея. Разрешающая способность оптических приборов. 36
§ 4. Дифракция на пространственной решетке. Формула Вульфа - Бреггов. 37
§ 5. Голография. 37
Раздел 4. Распространение света в веществе. 38
§ 1. Классическая электронная теория движения оптических электронов. 38
§ 2. Дисперсия света. 38
§ 3. Поглощение света. 38
§ 4. Поляризация света. 39
§ 5. Поляризация света при отражении. Угол Брюстера. 39
§ 6. Двойное лучепреломление. 39
§ 7. Вращение плоскости поляризации. 40
§ 8. Рассеяние света в оптически неоднородных средах. 40
Раздел 5. Генерация света. 41
§ 1. Тепловое излучение. 41
§ 2. Характеристики теплового излучения. 41
§ 3. Закон Стефана-Больцмана и закон Вина. Формула Релея-Джинса. 42
§ 4. Формула Планка. 43
Раздел 6. Фотоны. 44
§ 1. Тормозное рентгеновское излучение. 44
§ 2. Фотоэффект. 44
§ 3. Опыт Боте. 45
§ 4. Эффект Комптона. 45
Раздел 7. Элементы квантовой оптики. 46
§ 1. Внешний фотоэффект. 46
§ 2. Эффект Комптона. 46
§ 3. Тепловое излучение. Закон Кирхгофа. 46
§ 4. Спектральная излучательная способность абсолютно черного тела. 47
§ 5. Законы теплового излучения. 48
§ 6. Оптическая пирометрия. 48
Раздел 1. Основные положения оптики. § 1. Введение.
Оптика - это наука о свете. Она занимается изучением природы света, закономерностей его испускания, распространения и взаимодействия с веществом.
Курс оптики является продолжением и логическим развитием теории электричества и магнетизма.
Свет представляет собой электромагнитные волны с длиной волны 400-700 нм. Для сравнения на шкале электромагнитных волн (рис.1) представлены другие виды излучения, среди которых можно выделить радиоволны, которые возникают в основном при низкочастотных колебаниях тока в антеннах, СВЧ и ИК излучение, которое создается при колебаниях молекул, видимое излучение, которое определяется колебаниями электронов в атомах, -излучение, сопровождающее ядерные реакции.
Рисунок 1
Оптика имеет дело с электромагнитными волнами с очень короткой длиной волны 400-700 нм. Однако, это важная самостоятельная дисциплина. Причин здесь несколько:
Свет и информация. Свет играет важную роль в получении информации: 90% информации человек получает через зрение.
Свет и вещество. Свет имеет высокую частоту колебаний, которая близка к частоте колебаний электронов в атомах и молекулах и интенсивно взаимодействует с веществом. Это свойство света позволило разработать разные методы воздействия на вещество, и методы его изучения.
Современное условное деление оптики можно представить себе следующим образом:
Рисунок
2
Инженер должен иметь понятие о принципах функционирования современной электроники, лазеров, о современных способах измерения и контроля параметров материалов, неразрушающем контроле, формировании и обработке изображений, передаче информации и других дисциплин, в основе которых лежит оптика.
Почему мы видим именно в диапазоне 380 - 760 нм.? § 2. Электромагнитные волны.
Вспомним, что такое электромагнитные волны. Колебания диполя вызывают изменение электрического поля. Переменное электрическое поле порождает магнитное поле, которое тоже оказывается переменным.
Переменное магнитное поле порождает электрическое и т.д. Этот процесс будет периодическим во времени и пространстве, т.е. представляет собой волну. Раз возникнув, электромагнитные. волны могут существовать сами по себе, распространяясь в пространстве со скоростью с.
Математически электромагнитные волны описываются уравнениями Максвелла:
-
(1)
Переменное магнитное поле порождает в окружающем пространстве вихревое электрическое поле. Правило Ленца.
(2)
Переменное электрическое поле порождает в окружающем пространстве вихревое магнитное поле.
(3)
Неподвижные заряды и стационарные потоки в оптике не рассматриваются, поскольку не создают эл. м. волн.
(4)
В природе не существует магнитных зарядов-источников.
Волновое уравнение. Взяв ротор от уравнения (1) получим:
(5)
Напомню, что
(6)
Тогда,
поменяв местами операцию
и
в (5) нетрудно получить, что
, (7)
где
мы сделали замену
,
с
— константа, численно равная скорости
света в вакууме.
Проводя аналогичные рассуждения для (3), можно получить
. (8)
Уравнения (7-8) называются волновыми уравнениями и являются основными уравнениями оптики. Они являются следствием системы уравнений Максвелла, однако, хотя они и имеют более высокий порядок, в них переменные разделены и они зачастую проще для решения.
Волной называется процесс распространения колебаний в пространстве с течением времени. С математической точки зрения любая функция f = f (x-vt) описывает распространение величины в пространстве с течением времени (Рис.1). Функция E=E(x-vt) является решением волнового уравнения, в чем несложно убедиться непосредственной подстановкой. Величина v, находимая из условия
Рис.1
,
характеризует скорость распространения волн в среде с диэлектрической проницаемостью и магнитной . Величина n=. имеет важное значение в оптике и называется показателем преломления. Обычно мы рассматриваем в оптике немагнитные среды, в которых =1. В этом случае n=. Как видно
и показывает, во сколько раз скорость света в веществе меньше, чем скорость света в вакууме. Типичное значение n:
nводы= 1.33
nстекла=1.5