Принцип Гюйгенса — Френеля — основной постулат волновой теории, описывающий и объясняющий механизм распространения волн, в частности, световых.

Принцип Гюйгенса — Френеля — основной постулат волновой теории, описывающий и объясняющий механизм распространения волн, в частности, световых.

Принцип Гюйгенса — Френеля формулируется следующим образом: Каждый элемент волнового фронта можно рассматривать, как центр вторичного возмущения, порождающего вторичные сферические волны, а результирующее световое поле в каждой точке пространства будет определяться интерференцией этих волн.

 

2. Принцип Ферма и объяснение законов отражения и преломления света. Прохождение света через плоскопараллельную пластинку и призму.

При́ нцип Ферма́ (принцип наименьшего времени Ферма) в геометрической оптике — постулат, предписывающий лучу света двигаться из начальной точки в конечную точку по пути, минимизирующему (реже — максимизирующему) время движения. В более точной формулировке: свет выбирает один путь из множества близлежащих, требующих почти одинакового времени для прохождения; другими словами, любое малое изменение этого пути не приводит в первом порядке к изменению времени прохождения.

Прохождение света через плоскопараллельную пластинку. При прохождении света сквозь плоскопараллельную пластинку луч дважды пересекает границу двух оптических сред воздух - стекло и стекло - воздух (рис. 5, б). Пройдя первую границу, луч отклонится вниз, а при выходе из стекла в воздух вновь отклонится вверх. Так как стекло однородно и обе его поверхности параллельны, углы отклонения равны по величине и противоположны по направлению. Нетрудно убедиться, что вышедший из стекла луч сохраняет прежнее направление и лишь смещается на некоторую величину. Величина смещения зависит от коэффициента преломления стекла, его толщины и угла падения луча.

Прохождение света через призму. Луч света S, падающий на грань призмы трехгранного сечения ABC (рис. 6), на границе воздух-стекло преломляется и отклоняется от прежнего направления к основанию призмы AC. Пройдя толщу стекла призмы, луч снова встречает на своем пути границу сред стекло - воздух и отклоняется в сторону основания призмы. Таким образом, дважды отклонившись, луч изменит свое первоначальное направление на угол, равный удвоенной разности угла падения и угла преломления.

Рис. 5. Преломление луча: а - на границе воздух-стекло; б - в плоскопараллельной пластинке	Рис. 6. Ход луча в призме

 

 

3. Полное внутреннее отражение. Предельный угол полного отражения. Волоконная оптика. Проникновение волн в оптически менее плотную среду при условии полного внутреннего отражения.

Полное внутреннее отражение, отражение оптического излучения (света) или электромагнитного излучения другого диапазона (например, радиоволн) при его падении на границу раздела двух прозрачных сред из среды с большим преломления показателем (ПП). Полное внутреннее отражение осуществляется, когда угол падения i превосходит некоторый предельный (называется также критическим) угол i_пр. При i > i_npпреломление во вторую среду прекращается. Впервые Полное внутреннее отражение описано И. Кеплером. После открытия Снелля закона преломления стало ясно, что в рамках геометрической оптикиПолное внутреннее отражение- прямое следствие этого закона: оно обусловлено тем, что угол преломления j не может превышать 90° ( рис. 1 ). Величина i_пр задаётся условием sini_пр = 1/n, где n - относительный ПП 1-й и 2-й среды. Значения n и, следовательно, i_пр несколько отличаются для разных длин волн (частот) излучения (дисперсия света). При Полное внутреннее отражение электромагнитная энергия полностью (отсюда - «полное») возвращается в оптически более плотную (с большим ПП) среду. Значение отражения коэффициента при Полное внутреннее отражение превосходит его самые большие значения для зеркального отражения от полированных поверхностей и практически с высокой точностью равно 1. Кроме того, этот коэффициент при Полное внутреннее отражение, в отличие от зеркального отражения, не зависит от длины волны излучения (при условии, что для этой длины волны Полное внутреннее отражение вообще имеет место) и даже при многократном Полное внутреннее отражение спектральный состав («цвет») сложного излучения не меняется. Поэтому Полное внутреннее отражение широко используется во многих оптических приборах и экспериментах (см., например, Волоконная оптика, Отражательные призмы, Поляризационные призмы, Световод, см. рис. 2 и 3 ). Следует, однако, отметить, что энергия электромагнитных волн при Полное внутреннее отражение частично проникает во 2-ю (с меньшим ПП) среду, но затем возвращается обратно.

Нижний мираж

Наблюдается при очень большом вертикальном градиенте температуры (падении её с высотой) над перегретой ровной поверхностью, часто пустыней или асфальтированной дорогой. Мнимое изображение неба создаёт при этом иллюзию воды на поверхности. Так, уходящая вдаль дорога в жаркий летний день кажется мокрой.

Верхний мираж

Фата-моргана

Объёмный мираж

Поляризация света – процесс упорядочения колебаний вектора напряжённости электрического поля световой волны при прохождении света сквозь некоторые вещества (при преломлении) или при отражении светового потока.

Дихроичный поляризатор содержит пленку, содержащую по крайней мере одно дихроичное органическое вещество, молекулы или фрагменты молекул которого имеют плоское строение. По крайней мере часть пленки имеет кристаллическую структуру. Дихроичное вещество имеет по крайней мере по одному максимуму спектральной кривой поглощения в спектральных диапазонах 400 - 700 нм и/или 200 - 400 нм и 0, 7 - 13 мкм. При изготовлении поляризатора наносят на подложку пленку, содержащую дихроичное органическое вещество, накладывают на нее ориентирующее воздействие и сушат. При этом условия нанесения пленки и вид, и величину ориентирующего воздействия выбирают так, что параметр порядка пленки, соответствующий по крайней мере одному максимуму на спектральной кривой поглощения в спектральном диапазоне 0, 7 - 13 мкм, имеет величину не менее 0, 8. Кристаллическая структура по крайней мере части пленки представляет собой трехмерную кристаллическую решетку, образованную молекулами дихроичного органического вещества. Обеспечивается расширение спектрального диапазона работы поляризатора при одновременном улучшении его поляризационных характеристик.

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 I₀ — интенсивность падающего на поляризатор света, I — интенсивность света, выходящего из поляризатора, k_a — коэффициент прозрачности поляризатора.

 

6. Явление Брюстера. Формулы Френеля для коэффициента отражения для волн, электрический вектор которых лежит в плоскости падения, и для волн, электрический вектор которых перпендикулярен к плоскости падения. Зависимость коэффициентов отражения от угла падения. Степень поляризации отраженных волн.

Закон Брюстера — закон оптики, выражающий связь показателя преломления с таким углом, при котором свет, отражённый от границы раздела, будет полностью поляризованным в плоскости, перпендикулярной плоскости падения, а преломлённый луч частично поляризуется в плоскости падения, причем поляризация преломленного луча достигает наибольшего значения. Легко установить, что в этом случае отраженный и преломленный лучи взаимно перпендикулярны. Соответствующий угол называетсяуглом Брюстера. Закон Брюстера: , где n₂₁ — показатель преломления второй среды относительно первой, θ _Br — угол падения (угол Брюстера). С амплитудами падающей ( U_пад) и отраженной ( U_отр) волн в линии КБВ связано соотношением:

K_бв = (U_пад - U_отр) / (U_пад + U_отр)

Через коэффициент отражения по напряжению ( K_U ) КБВ выражается следующим образом:

K_бв = (1 - K_U) / (1 + K_U)При чисто активном характере нагрузки КБВ равен:

K_бв = R / ρ при R < ρ или

K_бв = ρ / R при R ≥ ρ

где R — активное сопротивление нагрузки, ρ — волновое сопротивление линии

 

7. Понятие об интерференции света. Сложение двух некогерентных и когерентных волн, линии поляризации которых совпадают. Зависимость интенсивности результирующей волны при сложении двух когерентных волн от разности их фаз. Понятие о геометрической и оптической разности хода волн. Общие условия для наблюдения максимумов и минимумов интерференции.

Интерференция света — нелинейное сложение интенсивностей двух или нескольких световых волн. Это явление сопровождается чередующимися в пространстве максимумами и минимумами интенсивности. Её распределение называется интерференционной картиной. При интерференции света происходит перераспределение энергии в пространстве.

Волны и возбуждающие их источники называются когерентными, если разность фаз волн не зависит от времени. Волны и возбуждающие их источники называются некогерентными, если разность фаз волн изменяется с течением времени. Формула для разности:

, где , ,

 

8. Лабораторные методы наблюдения интерференции света: опыт Юнга, бипризма Френеля, зеркала Френеля. Расчет положения максимумов и минимумов интерференции.

Опыт юнга - В опыте пучок света направляется на непрозрачный экран-ширму с двумя параллельными прорезями, позади которого устанавливается проекционный экран. Этот опыт демонстрируетинтерференцию света, что является доказательством волновой теории. Особенность прорезей в том, что их ширина приблизительно равна длине волны излучаемого света. Ниже рассматривается влияние ширины прорезей на интерференцию.

Если исходить из того, что свет состоит из частиц (корпускулярная теория света), то на проекционном экране можно было бы увидеть только две параллельных полосы света, прошедших через прорези ширмы. Между ними проекционный экран оставался бы практически неосвещенным.

Бипризма Френеля - в физике - двойная призма с очень малыми углами при вершинах.
Бипризма Френеля является оптическим устройством, позволяющим из одного источника света формировать две когерентные волны, которые дают возможность наблюдать на экране устойчивую интерференционную картину.
Бипризма Френкеля служит средством экспериментального доказательства волновой природы света.

Зеркала Френеля — оптическое устройство, предложенное в 1816 О. Ж. Френелем для наблюдения явления интерференциикогерентных световых пучков. Устройство состоит из двух плоских зеркал I и II, образующих двугранный угол, отличающийся от 180° всего на несколько угловых мин (см. рис. 1 в ст. Интерференция света). При освещении зеркал от источника S отражённые от зеркал пучки лучей можно рассматривать как исходящие из когерентных источников S1 и S2, являющихся мнимыми изображениями S. В пространстве, где пучки перекрываются, возникает интерференция. Если источник S линеен (щель) и параллелен ребру Ф. з., то при освещении монохроматическим светом интерференционная картина в виде параллельных щели равностоящих тёмных и светлых полос наблюдается на экране М, который может быть установлен в любом месте в области перекрытия пучков. По расстоянию между полосами можно определить длину волны света. Опыты, проведённые с Ф. з., явились одним из решающих доказательств волновой природы света.

 

9. Интерференция света в тонких пленках. Условия образования светлых и темных полос в отраженном и проходящем свете.

10. Полосы равного наклона и полосы равной толщины. Интерференционные кольца Ньютона. Радиусы темных и светлых колец.

11. Интерференция света в тонких пленках при нормальном падении света. Просветвление оптических приборов.

12. Оптические интерферометры Майкельсона и Жамена. Определение показателя преломления вещества с помощью двулучевых интерферометров.

13. Понятие о многолучевой интерференции света. Интерферометр Фабри-Перо. Сложение конечного числа волн одинаковых амплитуд, фазы которых образуют арифметическую прогрессию. Зависимость интенсивности результирующей волны от разности фаз интерферирующих волн. Условие образования главных максимумов и минимумов интерференции. Характер многолучевой интерференционной картины.

14. Понятие о дифракции волн. Волновой параметр и границы применимости законов геометрической оптики. Принцип Гюйгенса-Френеля.

15. Метод зон Френеля и доказательство прямолинейного распространения света.

16. Дифракция Френеля на круглом отверстии. Радиусы зон Френеля при сферическом и плоском волновом фронте.

17. Дифракция света на непрозрачном диске. Расчет площади зон Френеля.

 

 

18. Проблема увеличения амплитуды волны при прохождении через круглое отверстие. Амплитудные и фазовые зонные пластинки. Фокусирующие и зонные пластинки. Фокусирующая линза как предельный случай ступенчатой фазовой зонной пластинки. Зонирование линз.

В плоском зеркале можно оставить лишь отражающие нечётные зоны, удалив из него отражающие чётные зоны. Полученная таким образом пластинка называется амплитудной зонной пластинкой, работающей на отражение

между вторичными волнами, отражёнными от соседних чётных и нечётных зон имеется разность фаз ϕ = π , или геометрическая разность хода ∆ = λ /2. Поэтому вместо того, чтобы исключать действие чётных зон, для увеличения амплитуды отражённой волны необходимо фазывторичных волн от чётных зон изменить на π по сравнению с фазами волн, отражённых от нечётных зон. Дру-гими словами, необходимо компенсировать разность хода ∆ = λ /2 вторичных волн от соседних зон. Полученная таким образом пластинка называется фазовой зонной пластинкой, работающей на отражение, или пластинкой с обращением фаз. Следовательно, фазовая зонная пластинка будет обеспечивать в точке приёма результирующую волну с амплитудой:

Ep3= E1+ E2+ E3+ E4+ E5+ E6.

Пространственной, или трехмерной, дифракционной решеткой называется такая оптически неоднородная среда, в которой неоднородности периодически повторяются при изменении всех трех пространственных координат.

условие образования главных максимумов интерференции для рентгеновского излучения

2kd sinθ = 2mπ, из которого следует закон Вульфа–Брэггов: 2d sinθ = mλ

23. Понятие об анизотропных средах. Двойное лучепреломление света в кристалле исландского шпата. Обыкновенный и необыкновенный лучи. Главная оптическая ось кристалла исландского шпата. Поляризация обыкновенного и необыкновенного лучей. Оптическая анизотропия. Главные значения диэлектрической проницаемости. Эллипсоид диэлектрической проницаемости для двуосного и одноосного кристалла.

24. Распространение плоской линейно поляризованной волны в одноосном кристалле. Волновые поверхности для обыкновенной и необыкновенной волн. Проекции волновх поверхностей на три взаимно перпендикулярные плоскости.

25. Двоякопреломляющие поляризационные призмы Волластона и Николя.

26. Прохождение линейно поляризационной волны через двоякопреломляющую пластинку. Сложение обыкновенной и необыкновенной волн. Получение волн с эллиптической и круговой поляризацией. Свойства пластинок в полволны и четверти волны.

27. Искуственная оптическая анизотропия при механической деформации вещества. Наблюдение оптической анизотропии. Двойное лучепреломление в электрическом поле. Эффект Кера и его применение.

28. Оптически активные вещества. Вращение линии поляризации света в оптически активной среде. Величина угла поворота линии поляризации. Объяснение вращения линии поляризации в оптически активной среде.

 

Принцип Гюйгенса — Френеля — основной постулат волновой теории, описывающий и объясняющий механизм распространения волн, в частности, световых.

Принцип Гюйгенса — Френеля формулируется следующим образом: Каждый элемент волнового фронта можно рассматривать, как центр вторичного возмущения, порождающего вторичные сферические волны, а результирующее световое поле в каждой точке пространства будет определяться интерференцией этих волн.

 

2. Принцип Ферма и объяснение законов отражения и преломления света. Прохождение света через плоскопараллельную пластинку и призму.

При́ нцип Ферма́ (принцип наименьшего времени Ферма) в геометрической оптике — постулат, предписывающий лучу света двигаться из начальной точки в конечную точку по пути, минимизирующему (реже — максимизирующему) время движения. В более точной формулировке: свет выбирает один путь из множества близлежащих, требующих почти одинакового времени для прохождения; другими словами, любое малое изменение этого пути не приводит в первом порядке к изменению времени прохождения.

Прохождение света через плоскопараллельную пластинку. При прохождении света сквозь плоскопараллельную пластинку луч дважды пересекает границу двух оптических сред воздух - стекло и стекло - воздух (рис. 5, б). Пройдя первую границу, луч отклонится вниз, а при выходе из стекла в воздух вновь отклонится вверх. Так как стекло однородно и обе его поверхности параллельны, углы отклонения равны по величине и противоположны по направлению. Нетрудно убедиться, что вышедший из стекла луч сохраняет прежнее направление и лишь смещается на некоторую величину. Величина смещения зависит от коэффициента преломления стекла, его толщины и угла падения луча.

Прохождение света через призму. Луч света S, падающий на грань призмы трехгранного сечения ABC (рис. 6), на границе воздух-стекло преломляется и отклоняется от прежнего направления к основанию призмы AC. Пройдя толщу стекла призмы, луч снова встречает на своем пути границу сред стекло - воздух и отклоняется в сторону основания призмы. Таким образом, дважды отклонившись, луч изменит свое первоначальное направление на угол, равный удвоенной разности угла падения и угла преломления.

Рис. 5. Преломление луча: а - на границе воздух-стекло; б - в плоскопараллельной пластинке	Рис. 6. Ход луча в призме

 

 

3. Полное внутреннее отражение. Предельный угол полного отражения. Волоконная оптика. Проникновение волн в оптически менее плотную среду при условии полного внутреннего отражения.

Полное внутреннее отражение, отражение оптического излучения (света) или электромагнитного излучения другого диапазона (например, радиоволн) при его падении на границу раздела двух прозрачных сред из среды с большим преломления показателем (ПП). Полное внутреннее отражение осуществляется, когда угол падения i превосходит некоторый предельный (называется также критическим) угол i_пр. При i > i_npпреломление во вторую среду прекращается. Впервые Полное внутреннее отражение описано И. Кеплером. После открытия Снелля закона преломления стало ясно, что в рамках геометрической оптикиПолное внутреннее отражение- прямое следствие этого закона: оно обусловлено тем, что угол преломления j не может превышать 90° ( рис. 1 ). Величина i_пр задаётся условием sini_пр = 1/n, где n - относительный ПП 1-й и 2-й среды. Значения n и, следовательно, i_пр несколько отличаются для разных длин волн (частот) излучения (дисперсия света). При Полное внутреннее отражение электромагнитная энергия полностью (отсюда - «полное») возвращается в оптически более плотную (с большим ПП) среду. Значение отражения коэффициента при Полное внутреннее отражение превосходит его самые большие значения для зеркального отражения от полированных поверхностей и практически с высокой точностью равно 1. Кроме того, этот коэффициент при Полное внутреннее отражение, в отличие от зеркального отражения, не зависит от длины волны излучения (при условии, что для этой длины волны Полное внутреннее отражение вообще имеет место) и даже при многократном Полное внутреннее отражение спектральный состав («цвет») сложного излучения не меняется. Поэтому Полное внутреннее отражение широко используется во многих оптических приборах и экспериментах (см., например, Волоконная оптика, Отражательные призмы, Поляризационные призмы, Световод, см. рис. 2 и 3 ). Следует, однако, отметить, что энергия электромагнитных волн при Полное внутреннее отражение частично проникает во 2-ю (с меньшим ПП) среду, но затем возвращается обратно.

123Следующая ⇒

Поделиться: