2. Центрированная оптическая система. Главные точки и плоскости. Формула оптической системы

4.Цуг волн (радиоимпульс). Спектр цуга. Эффективная ширина спектра излучения.

Длина цуга и ширина спектра излучения

Найдём соотношение между длиной цугов и шириной спектра излучения. Пусть функция F(t) описывает колебательное движение, вызванное прохождением одного-единственного цуга волн в определенной точке и в определённый момент времени t.

Предположим, что F=0 для |t|=F, где t - длительность цуга (постоянная затухания).

Согласно теореме Фурье, колебание F(t), вызванное прохождением одного цуга волн, можно рассматривать как суперпозицию монохроматических колебаний с различными частотами u :

F(t) = (u )ℓi2p u tdu (2.1)

где ¦ (u ) даёт распределение, по амплитуде монохроматических составляющих F(t). Распределение этих составляющих по энергиям даётся выражением |¦ (u )|2. Согласно свойствам преобразования Фурье, имеем

¦ (u ) = (t)ℓ-i2p u tdt (2.2)

где ¦ (u )- спектр F(t). В дальнейшем будем рассматривать лишь узкие спектры, для которых |¦ (u )| имеет заметное значение только в интервале частот, малом по сравнению со средней частотой (квазимонохроматический свет)

6.Формулы Френеля

Степень поляризации отраженного и преломленного лучей при различных углах падения можно получить с помощью формул Френеля. Эти формулы вытекают из условий, налагаемых на электромагнитное поле на границе двух диэлектриков. К числу таких условий принадлежит равенство тангенсальных составляющих векторов и , а также равенство нормальных составляющих векторов и , а также равенство нормальных составляющих векторов D и B по обе стороны границы раздела.Формула Френеля Формулы Френеля устанавливают соотношения между комплексными амплитуда падающей, отраженной и преломленной волны. Âǁ и Âǁ — амплитуды падающих волн, ‘‖ и ‘⊥ — амплитуды отраженных волн, «‖ и «⊥ — амплитуды преломленных волн. Формулы Френеля имеют следующий вид: ‘‖= Â‖, ‘⊥=- Â⊥, (4) «‖= Â‖, «⊥= Â⊥, где 1 - угол падения, 2 — угол преломления световой волны. Подчеркнем, что формулы (3) устанавливают соотношение между комплексными амплитудами на границе раздела диэлектриков, то есть в точке падения луча на эту границу.

8.Интерференция световых волн. Когерентные волны. Интегрирующее действие приемников света.

Интерференция – одно из ярких проявлений волновой природы света. Это интересное и красивое явление наблюдается при наложении двух или нескольких световых пучков. Интенсивность света в области перекрывания пучков имеет характер чередующихся светлых и темных полос, причем в максимумах интенсивность больше, а в минимумах меньше суммы интенсивностей пучков.

Для образования устойчивой интерференционной картины необходимо, чтобы источники волн имели одинаковую частоту и разность фаз их колебания была постоянной. Источники, удовлетворяющие этому условию, называются когерентными*.От латинского слова cohaereus - взаимосвязанный. Волны таких источников также называются когерентными. Когерентность волн бывает временной и пространственной. Источники, у которых разность фаз остается постоянной, называются когерентными. Наиболее простой способ создать когерентные источники – это использовать реальный источник и его изображение. Существуют различные способы создания когерентных источников. Основные схемы наблюдения интерференции в немохроматическом свете используют деление волнового фронта (обычно от точечного источника) или деление амплитуды волны. При этом создаются две когерентных волны, которые интерферируют при небольшой разности хода.

10.Интерференционная картина от двух когерентных источников. Оптическая длина пути. Оптическая разность хода.

Область, в которой волны источников перекрываются, называется полем интерференции. В поле интерференции имеются места, где волны источников будут складываться в фазе. В этих местах будут отмечаться максимумы интенсивности электромагнитного поля. Там же, где волны будут складываться в противофазе - минимальная интенсивность . Если в поле интерференции поместить непрозрачный экран, то будет наблюдается чередование светлых и тёмных полос (рис. 4.3a), представляющие собой интерференционную картину. Параметрами интерференционной картины являются положение её максимумов и минимумов , а также связанная с ними ширина полос интерференционной картины (рис. 4.3a) В соответствии с (4.4a) для расчёта этих величин надо найти разность фаз излучаемых источниками волн в точке наблюдения, расположенной на экране. Как показано в главе 3, для расчёта надо определить оптическую разность хода волн от первого и второго источников (рис. 4.3a) до точки наблюдения, поскольку

,где - показатель преломления среды, в которой распространяются электромагнитные волны; - расстояния, проходимые волнами соответственно от первого и второго источников (рис. 4.3a) до точки наблюдения; - длина волны.

Оптической длиной пути между точками А и В прозрачной среды; расстояние, на которое свет (Оптическое излучение) распространился бы в вакууме за время его прохождения от А до В.

Оптическая разность хода-Геометрическая - чисто расстояние. Оптическая - с учетом скорости света (показателя преломления) в каждой среде - т.е. фактически разность времени прохождения светом путей, деленная на скорость света в вакууме.

12.Пространственная когерентность. Радиус когерентности.

Пространственная когерентность — когерентность колебаний, которые совершаются в один и тот же момент времени в разных точках плоскости, перпендикулярной направлению распространения волны.

Коогерентность- В физике когерентностью называется скоррелированность (согласованность) нескольких колебательных или волновых процессов во времени, проявляющаяся при их сложении. Колебания когерентны, если разность их фаз постоянна во времени и при сложении колебаний получается колебание той же частоты.

14.Интерференция света при отражении от клиновидной пластинки. Полосы равной толщиныНа рис. 3 приведены возможные варианты отражения световых лучей от поверхности.клиновидной пластинки. В первом случае (рис. 3а) интерференционные полосы

локализуются над поверхностью клина, во втором случае (рис. 3б) – под поверхностью

клина.

Рис. 3. Локализация полос равной толщины (жирная штриховая линия) при

отражении параллельных пучков света от тонкой клиновидной пластинки: а – над

поверхностью клина; б – под поверхностью клина.

При нормальном падении полосы равной толщины, как нетрудно показать,

локализуются на верхней поверхности клина

16.Многолучевая интерференция. Эталон Фабри – Перо

Многолучевая интерференция – участие в интерференции более 2 когерентных лучей.В случае многолучевой интерференции по сравнению с двухлучевой происходит резкое увеличение яркости светлых интерференционных полос с одновременным уменьшением их ширины. Многолучевую интерференцию можно осуществить в многослойной системе чередующихся пленок с разными показателями преломления, нанесенных на отражающую поверхность.Явление интерференции света используется в спектральном анализе, для точного измерения расстояний и углов, в задачах контроля качества поверхности, для создания светофильтров, зеркал, просветляющих покрытий. На явлении интерференции основана голография.

2. Интерферометр Фабри-Перо.Многолучевой интерферометр Фабри — Перо (рис. 4) состоит из двух стеклянных или кварцевых пластинок Р1 и Р2, на обращённые друг к другу и параллельные между собой поверхности к-рых нанесены зеркальные покрытия с высоким (85—98%) коэфф. отражения. Параллельный пучок света, падающий из объектива О1, в результате многократного отражения от зеркал образует большое число параллельных

18.Применение интерференции в технике (просветление оптики, высокоотражающие покрытия, интерференционные методы контроля качества поверхностей).

Явление интерференции применяется также для улучшения качества оптических приборов (просветление оптики) и получения высокоотражающих покрытий. Прохождение света через каждую преломляющую поверхность линзы, например через границу стекло–воздух, сопровождается отражением »4% падающего потока (при показателе преломления стекла »1,5). Так как современные объективы содержат большое количество линз, то число отражений в них велико, а поэтому велики и потери светового потока. Таким образом, интенсивность прошедшего света ослабляется и светосила оптического прибора уменьшается. Кроме того, отражения от поверхностей линз приводят к возникновению бликов, что часто (например, в военной технике) демаскирует положение прибора.

20.Метод зон Френеля. Зонная пластинка (пластинка Соре).

Метод зон Френеля Френель предложил метод разбиения фронта волны на кольцевые зоны, который впоследствии получил название метод зон Френеля. Пусть от источника света S распространяется монохроматическая сферическая волна, P - точка наблюдения. Через точку O проходит сферическая волновая поверхность. Она симметрична относительно прямой SP. Разобьем эту поверхность на кольцевые зоны I, II, III и т.д. так, чтобы расстояния от краев зоны до точки P отличались на l/2 - половину длины световой волны. Это разбиение было предложено O. Френелем и зоны называют зонами Френеля. Возьмем произвольную точку 1 в первой зоне Френеля. В зоне II найдется, в силу правила построения зон, такая соответствующая ей точка, что разность хода лучей, идущих в точку P от точек 1 и 2 будет равна l/2. Вследствие этого колебания от точек 1 и 2 погасят друг друга в точке P

пластинка Соре) - экран (в простейшем случае - стеклянная пластинка), состоящий из системы чередующихся прозрачных и непрозрачных концентрич. колец, ширина к-рых подобрана так, чтобы расстояние от краёв соседних прозрачного и непрозрачного колец (рис.) до точки наблюдения F, называемой фокусом 3. п., изменялось на длину полуволны; NF-MF=l/2, где l - длина волны. Т. о., 3. п. делит падающую на неё волну на кольцевые

22.Дифракция Фраунгофера на щели. Дифракционная расходимость светового пучкаРассмотрим схему наблюдения дифракции Фраунгофера, представленную на рис.3. Плоская монохроматическая волна падает нормально на плоскость Щ, где расположена бесконечно длинная щель шириной b (щель можно считать бесконечно длинной, если ее длина намного больше ее ширины. Так при ширине в 0,01 - 0,05 мм длина в несколько миллиметров может считаться бесконечной).

За щелью расположена линза Л, в фокальной плоскости которой находится экран Э. Наличие линзы равносильно тому, что экран расположен как бы на "бесконечном" расстоянии от объекта. Если бы свет распространялся прямолинейно в соответствии с законами геометрической оптики, то в фокальной плоскости линзы получилась бы бесконечно узкая светлая полоса, проходящая через точку N0 на экране Э. Но в соответствии с принципом Гюйгенса-Френеля каждая точка волнового фронта, достигающего плоскости, где расположена щель, является источником вторичных волн. Тогда лучи, идущие от всех этих вторичных источников под некоторым углом j к первоначальному направлению, образуют плоский волновой фронт и соберутся в фокальной плоскости линзы в т.Nj (рис.3).

24.Спектральные приборы и их основные характеристики

Каждый спектральный прибор рассчитан на работу в определенной области спектра. Оптические детали самого прибора и системы освещения щели должны быть прозрачны во всей рабочей области спектра. Иногда из-за ограниченной прозрачности или дисперсии материала не удается охватить всю нужную область спектра. Тогда делают приборы со сменной оптикой:Светосила прибора, Инструментальная функция прибора, Разрешающая способность спектрографа. Линейная дисперсия

26.Дифракция на двумерных структурах.

Гораздо шире распространен случай, когда коэффициент про пускания пластинки, располагаемой в световом пучке, меняет не вдоль одного направления, а по всей поверхности нашей пластинки. Примером может служить пластинка беспорядочно запыленного стекла или окно, покрытое узорами мороза. Ясно, что такое изменение коэффициента пропускания можно охарактеризовать как изменение по двум координатам нашей поверхности, так что рассматриваемая структура будет двумерной. В простейшем случае это будет двумерная периодическая структура (двумерная решетка), в общем — совокупность многих двумерных решеток.

28.Естественный и поляризованный свет. Виды поляризации. Закон Малюса. Степень поляризации частично поляризованного света.

Естественный свет - это свет, в котором колебания вектора напряженности Е электрического поля происходят по всевозможным направлениям в плоскости, перпендикулярной направлению распространения (к лучу).Плоскополяризованный свет - это свет, в котором колебания вектора Е происходят только в одном направлении, перпендикулярном лучу.Поляризация:линейная,круговая.Закон Малюса — физический закон, выражающий зависимость интенсивности линейно-поляризованного света после его прохождения через поляризатор от угла между плоскостями поляризации падающего света и поляризатора.

где — интенсивность падающего на поляризатор света, — интенсивность света, выходящего из поляризатора, — коэффициент прозрачности поляризатора.

30.Поляризация света при двойном лучепреломлении. Обыкновенный и необыкновенный лучи. Одноосные и двуосные кристаллы. Призма Николя.

При прохождении света через все прозрачные кристаллы, за исключением принадлежащих к кубической системе, наблюдается явление, получившее название двойного лучепреломления. Это явление заключается в том, что упавший на кристалл луч разделяется внутри кристалла на два луча, распространяющееся, вообще говоря, с разными скоростями и в различных направлениях. Кристаллы, обладающие двойным лучепреломлением, подразделяются на одноосные и двуосные. У одноосных кристаллов один из преломленных лучей подчиняется обычному закону преломления, в частности он лежит в одной плоскости с падающим лучом и нормалью к преломляющей поверхности. Этот луч называется обыкновенным и обозначается буквой о. Для другого луча, называемого необыкновенным (его обозначают буквой е), отношение синусов угла падения и угла преломления не остается постоянным при изменении угла падени

Призма николя - Свет с произвольной поляризацией, проходя через торец призмы испытывает двойное лучепреломление, расщепляясь на два луча — обыкновенный, имеющий горизонтальную плоскость поляризации (AO) и необыкновенный, с вертикальной плоскостью поляризации (АE). После чего обыкновенный луч испытывает полное внутреннее отражение о плоскость склеивания и выходит через боковую поверхность. Необыкновенный беспрепятственно выходит через противоположный торец призмы.

Список вопросов, включенных в экзаменационные билеты по физике (ч.3)

1. Световые волны и их основные характеристики. Световые лучи. Нормальная и лучевая скорости. Интенсивность света. Корпускулярно – волновой дуализм.

2. Центрированная оптическая система. Главные точки и плоскости. Формула оптической системы.

3. Лупа. Микроскоп, Телескоп

4. Цуг волн (радиоимпульс). Спектр цуга. Эффективная ширина спектра излучения.

5. Принцип Гюйгенса. Законы отражения и преломления света как следствия принципа Гюйгенса. Атмосферная рефракция.

6. Формулы Френеля.

7. Полное внутреннее отражение. Волоконная оптика. Миражи.

8. Интерференция световых волн. Когерентные волны. Интегрирующее действие приемников света.

9. Получение когерентных волн. Сходственные (сопряженные) цуги.

10. Интерференционная картина от двух когерентных источников. Оптическая длина пути. Оптическая разность хода. Таутохронизм.

11. Временная когерентность. Время и длина когерентности.

12. Пространственная когерентность. Радиус когерентности.

13. Интерференция света при отражении от тонких плоскопараллельных пленок. Полосы равного наклона.

14. Интерференция света при отражении от клиновидной пластинки. Полосы равной толщины.

15. Кольца Ньютона.

16. Многолучевая интерференция. Эталон Фабри – Перо.

17. Интерферометр Майкельсона

18. Применение интерференции в технике (просветление оптики, высокоотражающие покрытия, интерференционные методы контроля качества поверхностей).

19. Дифракция света. Принцип Гюйгенса – Френеля. Дифракция Френеля и дифракция Фраунгофера.

20. Метод зон Френеля. Зонная пластинка (пластинка Соре).

21. Дифракция Френеля на круглом отверстии и диске.

22. Дифракция Фраунгофера на щели. Дифракционная расходимость светового пучка.

23. Дифракционная решетка.

24. Спектральные приборы и их основные характеристики

25. Разрешающая сила объектива оптического прибора.

26. Дифракция на двумерных структурах.

27. Голография.

28. Естественный и поляризованный свет. Виды поляризации. Закон Малюса. Степень поляризации частично поляризованного света.

29. Поляризация света при отражении и преломлении. Закон Брюстера и причины отклонения от него. Понятие об эллипсометрии.

30. Поляризация света при двойном лучепреломлении. Обыкновенный и необыкновенный лучи. Одноосные и двуосные кристаллы. Призма Николя.

31. Построение Гюйгенса для одноосного кристалла.

32. Четвертьволновая пластинка

33. Искусственная оптическая анизотропия, обусловленная механическими напряжениями, электрическими и магнитными полями.

34. Вращение плоскости поляризации. Эффект Фарадея.

35. Дисперсия света (временная дисперсия). Элементарная электронная теория дисперсии.

36. Поглощение света Закон Бугера – Ламберта. Закон Бера. Спектры поглощения тел.

37. Рассеяние света. Молекулярное рассеяние. Ультрамикроскоп.

38. Тепловое излучение и его основные характеристики. Абсолютно черное тело. Серое тело.

39. Законы Кирхгофа, Стефана – Больцмана и Вина для теплового излучения.

40. Формула Рэлея – Джинса. Ультрафиолетовая катастрофа.

41. Формула Планка для теплового излучения.

42. Оптическая пирометрия. Яркостная и радиационная температура.

43. Внешний фотоэффект и его законы. Формула Эйнштейна.

44. Внутренний фотоэффект. Фотогальванический эффект.

45. Кванты света (фотоны). Опыты Бете. Давление света. Опыты Лебедева.

46. Эффект Комптона.

47. Опыты Резерфорда. Ядерная модель атома. Боровская теория атома водорода. Постоянная Ридберга.

48. Гипотеза де Бройля. Опыт Дэвиссона-Джермера. Вероятностный смысл волн де Бройля.

49. Волновая функция частицы. Уравнение Шредингера. Собственные значения энергии и собственные функции.

50. Спонтанное излучение. Вынужденное излучение и его свойства.

51. Лазеры. Трехуровневая и четырехуровневая схемы получения инверсии заселенности. Свойства лазерного излучения. Применение лазеров.

52. Состав и характеристики атомных ядер. Дефект массы и энергия связи ядра.

53. Радиоактивность. Виды радиоактивности. Закон радиоактивного распада.