Волновая оптика что изучает

Оптика. Волновая оптика.

Волновая оптика — раздел оптики, исследующий распространение света на основе его волновой природы, то есть рассматривает свет, как электромагнитные волны, обладающие всеми их свойствами.

Волновая оптика изучает такие процессы, как отражение, преломление, интерференция, дифракция, поляризация, эффект Доплера, дисперсия и прочие.

Ранее выделялось две параллельно эволюционирующие и конкурирующие теории сущности света – корпускулярная и волновая. Основоположником первой был Ньютон, второй – Гюйгенс.

Согласно с волновой концепцией Гюйгенса свет является волновым движение частиц особой среды – эфира, заполняющего все пространство.

С точки зрения волновой теории света, поясняется факт преломления света при переходе света из одного прозрачного диэлектрика в другой (наблюдатель видит ложку в стакане воды под некоторым углом зрения как бы сломанной или согнутой). Свету с разной длиной волны свойственна скорость распространения в одном и том же диэлектрике. От того, что скорость распространения меняется, при входе в плотную среду луч света отклоняется от своего первоначального направления, а если луч был не монохромным, то есть состоял из волн многих частот (цветов), то луч каждой из частот отклоняется на разный угол и получается разделение цветов. Вследствие этого человек видит радугу.

Источник

История становления и развития волновой оптики

История становления и развития волновой оптики

Введение

Тема «История становления и развития волновой оптики», безусловно, актуальна, поскольку волновая теория, в отличие от корпускулярной, рассматривала свет как волновой процесс, подобный механическим волнам. В основу волновой теории был положен принцип Гюйгенса, согласно которому каждая точка, до которой доходит волна, становится центром вторичных волн, а огибающая этих волн дает положение волнового фронта в следующий момент времени.

Объектом исследования является волновая оптика.

Предметом исследования является становление и развитие волновой оптики.

Цель курсовой работы: систематизация и обобщение научного материала по волновой оптике и рассмотрение истории становление развития волновой оптики.

В соответствии с целями исследования были сформулированы следующие задачи исследования:

· изучить научную литературу по волновой оптике;

· рассмотреть основные понятия волновой оптики;

· описать теорию явлений интерференции, дифракции и поляризации света;

· исследовать историю развития взглядов на природу света;

· описать волновую оптику Гюйгенса и оптику Ньютона;

· выявить проблемы и перспективы развития волновой оптики.

В работе были использованы следующие методы исследования: описание, анализ, синтез, дедукция.

Практическая значимость курсовой работы заключается в возможности использования проведённого исследования в процессе выполнения лабораторного практикума.

Курсовая работа состоит из введения, трёх глав, заключения и списка использованной литературы.

Глава 1.Теоретические основы волновой оптики

1.1. Основные понятия волновой оптики

Основные законы и положения оптики как науки были сформулированы до 1900 г. В начале XX века вся физика, и оптика в частности, была подвергнута принципиальному пересмотру. Именно в это время был открыт квант энергии. Теории, которые были известны до этого момента, не перестали быть нужными, но были установлены пределы их применимости.

Закон отражения знали еще древние греки, закон преломления света был эмпирически установлен в 1621 г. В. Снеллиусом. В 1637 г. П. Ферма сформулировал принцип, из которого следует, что свет распространяется по кратчайшему пути.

Явление интерференции было обнаружено Р. Бойлем и Р. Гуком. Гук установил существование явления дифракции. Гук был первым ученым, который рассматривал свет как совокупность быстрых колебаний. В 1666 г. была выяснена природа цвета, в опыте Ньютона, который разложил призмой белый цвет на отдельные цветовые компоненты. Волновая теория испытывала затруднения в объяснении явления поляризации (открыто Гюйгенсом) и прямолинейного распространения света, поэтому Ньютон пытался развивать корпускулярную теорию света. Конечность скорости света обнаружена О. Ремером в 1675 г., когда он наблюдал за спутниками Юпитера.

Согласно современным представлениям свет – это сложное явление, которое при одних обстоятельствах ведет себя как электромагнитные волны, при других – его следует рассматривать как поток особенных частиц (фотонов).

Волновая оптика – это специальный раздел оптики, как науки, в которой рассматриваются явления, объясняемые на основе волновой природы света. Волновая теория света была расширена Х. Гюйгенсом. Он сформулировал принцип, по которому каждую точку эфира, до которого дошло световое возмущение можно рассматривать как центр нового возмущения, которое распространяется в виде сферической волны. Вторичные волны комбинируются так, что их огибающая определяет волновой фронт в любой следующий момент времени. Принцип Гюйгенса позволил объяснить законы преломления и отражения света. Он же обнаружил явление поляризации, однако объяснить ее не смог. Однако отрицание волновой теории Ньютоном привело к ее забвению почти на сто лет.

В начале XIX века были сделаны важнейшие открытия, которые заставили признать истинность волновой теории. Так, в это время Т. Юнг объяснил явление интерференции, Э.Л. Малюс обнаружил поляризацию света при отражении. Ж. Френель объединил идеи Гюйгенса о построении волнового фронта и принципа Юнга, что позволило ему объяснить прямолинейность распространения света и явление дифракции. Вместе с Араго Френель исследовал интерференцию поляризованных лучей света и получил, что лучи, поляризованные в перпендикулярных плоскостях, никогда не интерферируют. Из чего Юнг сделал вывод о том, что световые волны поперечны.

В свое время и электромагнитная теория достигла границ, за которыми стала неприменимой. Она в общих чертах объясняет все явления распространения света, но не может описать процессы излучения и поглощения. Законы, которые управляют этими процессами, являются предметом изучения современной оптики, и других разделов физики.

1.2. Интерференция и дифракция света

Явление интерференции свидетельствует о том, что свет — это волна.

Интерференцией световых волн называется сложение двух когерентных волн, вследствие которого наблюдается усиление или ослабление результирующих световых колебаний в различных точках пространства.

Волны должны быть когерентны. Когерентность – согласованность. В простейшем случае когерентными являются волны одинаковой длины, между которыми существует постоянная разность фаз. Все источники света, кроме лазера, некогерентны, однако Т. Юнг впервые пронаблюдал (1802) явление интерференции, разделив волну на две с помощью двойной щели.

Свет от точечного монохроматического источника S падал на два небольших отвер­стия на экране. Эти отверстия действуют как два когерентных источника света S₂ и S₃. Волны от них интерферируют в области перекрытия, проходя разные пути: ℓ ₁ и ℓ_2.

На экране наблюдается чередование светлых и темных полос (рис.1).

Метод зеркал Френеля. Два плоских соприкасающихся по линии О зеркала ОМ и О N образуют угол, близкий к 180 0 (рис.2).

Из рисунка нетрудно видеть, что

Подставив эти значения в формулу (4), найдем ширину интерференционной полосы

Область перекрытия волн имеет ширину

Метод бипризм Френеля. Изготовленные из одного куска стекла две призмы с общим основанием имеют малый преломляющий угол θ (рис.3).

Преломляющий угол призмы определяет угол отклонения α луча, прошедшего через призму, от его начального направления

где a – расстояние от источника до призм. Расстояние от мнимых источников до экрана равно , где b – расстояние от призм до экрана. В соответствии с формулой (4) ширина полосы равна

Область перекрытия волн на экране имеет протяженность

Число наблюдаемых на экране полос равно

Первые опыты и активные исследования природы света начались еще в далеком XVII веке, когда итальянский ученый Франческо Гримальди впервые открыл такое интересное физическое явление как дифракция света. Что же такое дифракция света? Это отклонение света от прямолинейного распространения в силу определенных препятствий на его пути. Более научное объяснение причинам дифракции света было дано в начале XIX века английским ученым Томасом Юнгом, согласно нему дифракция света возможна благодаря тому, что свет представляет собой волну, идущую от своего источника и естественным образом искривляющуюся при попадании на определенные препятствия. Им же была изобретена первая дифракционная решетка, представляющая собой оптический прибор, работающий на основе дифракции света, то есть специально искривляющий световую волну.

Изучая поведение монохроматического пучка света, Томас Юнг, разделив его пополам, получил дифракционную картину, которая представляла собой последовательное чередование ярких и темных полос на экране. Волновая теория природы света, сформированная Юнгом, прекрасно объясняла это явление. Будучи волной, пучок света при попадании на непрозрачное препятствие искривляется, меняет траекторию своего движения. Так появляется дифракция света, при которой свет может, как целиком огибать препятствия (если длина световой волны больше размеров препятствия) или искривлять свою траекторию (когда размеры препятствий сопоставимы с длиной световой волны). Примером тут может быть попадание света через узкие щели или небольшие отверстия. На рисунке 4 показано схематическое изображение дифракции.

Таким образом, дифракцией называют систему явлений, которые могут наблюдаться, если световые волны распространяются в веществах с неоднородными участками (или вкраплениями) и, в этой связи, возникают отклонения от законов геометрической оптики. Частным случаем дифракции является огибание препятствий волнами света и попадание света в область геометрической тени.

Наиболее простыми с точки зрения математического описания являются следующие виды дифракции от: круглого отверстия; круглого диска; прямоугольного края полуплоскости; щели; дифракционной решетки.

1.3. Поляризация света

Световая волна, как и всякая электромагнитная волна, является поперечной. Однако в естественном луче мы не обнаружим асимметрии по отношению к направлению ее распространения. Этот факт свидетельствует о том, что в обычном луче колебания происходят в разных направлениях, но при этом, перпендикулярных вектору скорости волны. В естественном свете колебания разных направлений с высокой скоростью меняют друг друга.

Поляризованным называют луч света, в котором направления колебаний упорядочены. Однако же свет, испускаемый большинством источников света, например, раскаленными твердыми телами, не проявляет какой-либо поляризации. Почему? Потому, что естественный свет никогда не состоит из единственной волны. Световая волна состоит из множества цугов волн, испускаемых отдельными атомами совершенно случайно, и плоскости колебаний каждого цуга ориентирована совершенно случайно. В пучке естественного света колебания различных направлений представлены с равной вероятностью (рис.5).

Рис.5 – Пучок естественного света

Свет, в котором направления колебаний каким-либо образом упорядочены, называется поляризованным. Если колебания светового вектора происходят только в одной плоскости, то такой свет называется плоско- либо линейно-поляризованным. Плоскость, в которой происходят колебания светового вектора, называется плоскостью колебаний. Эту же плоскость называют плоскостью поляризации.

Если угол падения света на границу раздела двух диэлектриков отличен от нуля, то отраженный и преломленный лучи оказываются частично поляризованными. В отраженном луче преобладают колебания, перпендикулярные к плоскости падения, в преломленном – колебания в плоскости падения (рис.6).

Поляризация света – явление, при котором из светового пучка «убираются» все лишние электромагнитные волны. Остаются лишь те, которые лежат в определённой плоскости – плоскости поляризации. Обычно для поляризации света используют специальную поляризационную плёнку.

Рис.7 – Схема поляризации света

Поляризацию используют не только в научных лабораториях, но и в повседневной жизни. Это и поляризационные фильтры для фотоаппаратов, и антибликовые линзы в солнцезащитных очках. Кроме этого, любой ЖК монитор и дисплеи мобильных телефонов покрыты данной плёнкой. Оно помогает формировать изображение на экране.

Глава 2.Развитие волновой оптики

2.1. История развития взглядов на природу света

Первые представления о природе света были известны еще у древних греков египтян. Со временем изобретались новые оптические приборы, которые развивались и трансформировались. А конец XVII века знаменит тем, что появляются две теории света: корпускулярная (И. Ньютон) и волновая (Р. Гук и Х. Гюйгенс).

Корпускулярная теория рассматривает свет как поток частиц, которые испускаются при помощи светящихся тел. Ньютон предполагал, что их движение подчинено законам механики. Понятие отражения света рассматривалось также, как и отражение упругого шарика от плоскости. Преломление света было объяснено изменением скорости корпускул при переходе из одной среды в другую. Случай с преломлением корпускулярная теория привела к такому виду записи закона:

Также Ньютон предпринял попытки объяснить возникновение интерференционных полос, которые были подвержены определенной периодичностью световых процессов. Поэтому корпускулярная теория содержала некоторые элементы волновых представлений.

Волновая теория рассматривала свет в качестве волнового процесса, напоминающего механические волны. В основу теории был заложен принцип Гюйгенса, из которого следовало, что каждая точка, до которой доходит волна, определяется как центр вторичных волн.

Отсюда понятно, огибающая этих волн, изображенная на плоскости рисунка 8 определяет положение волнового фронта в последующий момент времени.

По Гюйгенсу волновой фронт – это геометрическое скопление точек, от которых доходит волновое возмущение одновременно. Данный принцип объяснял законы отражения и преломления. На рисунке 9 изображены представления Гюйгенса об определении направления распространения волны, которая преломляется на границах двух прозрачных сред.

Если преломление происходит на границе вакуум-среды, тогда, исходя из волновой теории, приходим к результату:

Закон преломления получается из волновой теории. Но он противоречит формуле Ньютона. Волновая теория говорит о том, что υ c.

Начало XVIII века – это было временем существования двух противоположных подходов к объяснению природы света: корпускулярная и волновая. Обе трактовали прямолинейное распространение света, законы отражения и преломления. Начало XIX столетия стало переломным моментом.

Корпускулярная теория отвергнута, а волновая была принята. Это произошло, благодаря исследованиям Т. Юнга и О. Френеля в области явлений интерференции и дифракции. Точно объяснить все явления было возможно, основываясь на волновой теории. В 1851 году ее справедливость доказана Ж. Фуко экспериментально при измерении скорости распространения света в воде, получив υ

Середина XIX века – это время общепризнанной волновой теории. Но вопрос о природе световых волн оставался нерешенным. Со временем Максвелл установил общие законы электромагнитного поля, приведшие его к тому, что свет является электромагнитными волнами. Подтверждением данного факта было совпадение скорости света в вакууме с электродинамической постоянной

Позднее электромагнитную природу света признали после опытов Герца, связанных с исследованием электромагнитных волн. П.Н. Лебедев изучал и также проводил опыты, связанные с изменением светового давления, благодаря чему электромагнитная теория света и стала рассматриваться, как факт.

На роль определения природы света повлияло определение ее скорости. Еще с конца XVII пытались измерить скорость света при помощи различных методов. Наличие современной техники расширило возможности и помогло точно измерить скорость света в независимости от длины волны λ и частоты υ(c=λ ⋅ υ). Поэтому пришли к выводу, что c=299792458 м/c. Значение отличается от предыдущего полученного более, чем на два порядка.

Важная роль света в жизни была отмечена давно. Большое количество информации предоставляется именно при помощи света. Но существует не только видимый свет, но и невидимый для наших глаз: инфракрасный (ИК) и ультрафиолетовый (УФ).

Свет и электромагнитное излучение иных диапазонов схожи по физическим свойствам. Отличительные же черты различных участков спектра – это длина волны λ и частота υ. На рисунке 9 располагается шкала значения электромагнитных волн.

Оптический диапазон измерения волн – нанометр (нм) и микрометр (мкм):

1 нм=10−9 м=10−7 см=10−3 мкм

С помощью электромагнитной теории смогли объяснить оптические явления. Но она не позволила завершить понимание природы света. В XX веке было выявлено, что электромагнитная теория не сможет помочь в толковании явлений атомного масштаба, которые возникают после взаимодействия света с веществом. Такие понятия, как излучение черного тела, эффект Комптона и другие требовали введения квантовых представлений.

При изучении и углублении световых свойств науке снова пришлось вернуться к теории корпускул – световых квантов. Когда при проведении опытов замечали проявления волновых и корпускулярных волн, то имел смысл говорить о том, что свет имеет двойственную природу. Иначе говоря, он характеризуется корпускулярно-волновым дуализмом.

И всё же волновая теория света имела один существенный недостаток. В ней предполагалось, что световое излучение представляет собой поперечные механические волны, которые могут возникать только в упругой среде. Поэтому была создана гипотеза о невидимом мировом эфире, который представляет собой гипотетическую среду, заполняющую всю Вселенную (всё пространство между телами и молекулами). Мировой эфир должен был обладать целым рядом противоречивых свойств: должен обладать упругими свойствами твёрдых тел и быть одновременно невесомым. Эти трудности были разрешены во 2-й половине 19-го века при последовательном развитии учения английским физиком Джеймсом Клерком Максвеллом (1831 – 1879) об электромагнитном поле. Максвелл пришёл к выводу, что свет есть частный случай электромагнитных волн.

Однако в начале 20-го века были обнаружены прерывистые, или квантовые свойства света. Этим свойствам давала объяснение корпускулярная теория. Таким образом, свет обладает корпускулярно-волновым дуализмом (двойственностью свойств). В процессе распространения свет обнаруживает волновые свойства (то есть ведёт себя как волна), а при излучении и поглощении – корпускулярные свойства (то есть ведёт себя как поток частиц).

Законы распространения света в прозрачных средах на основе представлений о световом луче рассматриваются в разделе оптики, который называется Геометрическая оптика. Подразумевается, сто световой луч – это линия, вдоль которой распространяется энергия световых электромагнитных волн.

2.2. Волновая оптика Гюйгенса и оптика Ньютона

Гюйгенс предложил лишь геометрический рецепт построения волновой поверхности в момент времени t+ ∆t по известному её положению в текущий момент времени t (рис.10).

По физическому содержанию принцип Гюйгенса выражает взгляд на свет как непрерывный процесс в пространстве. При использовании принципа Гюйгенса можно объяснить почему, волны света попадают в область геометрической тени.

С помощью своего принципа Гюйгенс пытался объяснить прямолинейное распространение света, но сделать этого ему не удалось. Как оказалось впоследствии, вопрос о прямолинейном распространении света решается только в рамках теории дифракции, которую «чистый» принцип Гюйгенса также не объясняет.

Основной проблемой принципа Гюйгенса является то, что он не учитывает явления интерференции света. Этот принцип не дает сведений об амплитуде и интенсивности волн. Пользуясь этим принципом, физики не могли объяснить прямолинейность распространения света в свободном пространстве; это препятствовало признанию волновых свойств света до первой трети XIX в., когда принцип Гюйгенса был дополнен французским физиком Френелем.

Френель развил принцип Гюйгенса, и это положение стало формулироваться так: Любая точка, принадлежащая волновому фронту, превращается в источник вторичных волн (это из принципа Гюйгенса), при этом вторичные источники являются когерентными между собой и испускаемые ими вторичные волны интерферируют. Для поверхности, совпадающей с волновой поверхностью, мощности вторичного излучения равных по площади участков одинаковы. Причем свет, распространяющийся от каждого вторичного источника идет в направлении внешней нормали.

Рэлей обобщил вышеназванный принцип:

Так, реальные источники света можно заменить светящейся поверхностью, которая их окружает. Причем, по всей этой поверхности как бы непрерывно распределены когерентные вторичные источники световых волн. Отличие этой гипотетической поверхности в том, что она прозрачна относительно любого излучения.

Понятно, что трактат Гюйгенса в глазах современников не мог идти ни в какое сравнение с насыщенной огромным физическим содержанием «Оптикой» Ньютона. Ньютон, высоко ценивший Гюйгенса как механика, геометра и астронома, не мог так же высоко оценить его оптику. В его глазах оптика Гюйгенса могла только дискредитировать волновую теорию света. В вопросе 28 своей «Оптики» Ньютон спрашивает: «Не ошибочны ли все гипотезы, в которых свет приписывается давлению или движению, распространяющемуся через некоторую жидкую среду?» — и указывает на такие трудности волновой гипотезы:

2) Трудность объяснения поляризации.

3) «Против заполнения неба жидкими средами, если они, только не чрезвычайно разрежены, возникает большое сомнение в связи с правильными и весьма длительными движениями планет и комет по всякого рода путям в небесном пространстве. Ибо отсюда ясно, что небесное пространство лишено всякого заметного сопротивления, а, следовательно, и всякой ощутимой материи».

Кольца Ньютона наблюдаются при отражении света от соприкасающихся друг с другом плоскопараллельной стеклянной пластинки и плосковыпуклой линзы с большим радиусом кривизны R (рис.11).

Рис.11 – Кольца Ньютона

Роль тонкой пленки выполняет воздушный зазор между пластинкой и линзой. Места равной толщины воздушной пластинки d представляют собой окружности радиуса r c центром в месте соприкосновения линзы и пластинки О. Поэтому при нормальном падении света полосы равной толщины представляют собой концентрические окружности, при наклонном – эллипсы.

Так возникли обе знаменитые оптические концепции, авторы которых связывали их с допущением или недопущением действия на расстоянии. Этот вопрос был тесно связан с актуальнейшей проблемой того времени,— проблемой тяготения.

2.3.Проблемы и перспективы развития волновой оптики

Современная теория света сформировалась в ходе очень сложного и противоречивого исторического развития и трудоемких исследований ученых всего мира. В результате этих работ сегодня, очевидно, что свет обладает одновременно как волновыми, так и корпускулярными свойствами.

Двойственность теоретических представлений о природе света в прошлом уступила в современной теории света место их единству. Современный период характеризуется интенсивным, ускоренным развитием всех направлений науки. Успехи в области физической оптики стали возможными благодаря развитию, как квантовой электроники, так и волновой оптики.

Смыкание радио­физики и оптики привело к появлению лазеров, в которых используются квантовые свойства излучения. Лазеры — качественно новые источники света, основанные на явлении индуцированного излучения. Создание лазеров явилось крупным событием в истории оптики и определило революционный путь развития лазерной техники.

Комплексное изучение длинноволнового инфракрасного и короткого ра­диочастотного излучения представляет исключительно большой интерес для исследования свойств молекул. Особое принципиальное значение имеет исследование процессов, происходящих при переходах между так называемыми сверхтонкими уровнями атомов или уровнями, которые появля­ются при воздействии на атомы внешнего магнитного или электрического поля.

Глава 3. Экспе риментальное определение длины световой волны при помощи спектрометра

На основании изучения теоретического материала по теории интерференции и дифракции электромагнитных волн, мною был проведен эксперимент по определению длины световой волны в спектре длин световых волн соответствующих фиолетовому и оранжевому цветам спектра излучения ртутной лампы. Для этих целей использовались ртутная лампа, спектрометр и дифракционная решетка для которой предварительно была вычислена ее постоянная.

Ртутный спектр состоит из чередующихся линий трех цветов: фиолетового, зеленого и оранжевого. Достаточно четко наблюдаются спектры первого (k=1) и второго (k=2) порядков. Каждой линии каждого порядка соответствует свой угол дифракции.

Как видно из формулы (1), для определения постоянной решетки и длин волн необходимо знать углы дифракции. Необходимо определить углы дифракции для линий каждого цвета и каждого порядка.

Для этого выполняем следующие действия.

1. Определяем цену деления шкалы спектрометра и включаем ртутную лампу.

2. Устанавливаем ртутную лампу и решетку так, чтобы световые лучи проходили через щель коллиматора и попадали на решетку. При этом решетка должна быть установлена в зажим параллельно к пучку света. Наводим зрительную трубу на щель коллиматора в направлении не отклоненного пучка (белого цвета). Производим фокусировку линии. Совмещаем указатель с серединой линии белого цвета.

3. Проводим отсчет угла по шкале. Повторяем измерения 3 раза, рассчитать среднее значение угла α₀ (этот угол является «точкой отсчета» всех углов φ дифракции).

4. Поворачиваем зрительную трубу, например, влево, до тех пор, пока не появится линия фиолетового цвета спектра ртути. Производим фокусировку линии. Совмещаем указатель с серединой фиолетовой линии в спектре первого порядка (k=1), провести отсчет угла α_ф по шкале. Помещая трубу далее, совместить указатель с линией зеленого цвета и провести отсчет угла α_зел. И далее аналогично проводим отсчет угла α_ор для линии оранжевого цвета.

5. Поворачиваем трубу далее и наводим ее на спектр второго порядка (k=2). Снова для линий фиолетового, зеленого и оранжевого цветов проводим отсчет углов α_ф, α_зел и α_ор.

6. Поворачиваем зрительную трубу в другую сторону от нулевого максимума белого цвета. Аналогично проводим отсчет соответствующих углов α_ф, α_зел и α_ор для каждой линии первого (k=1) и второго (k=2).

7. Вычисляем углы дифракции φ для линий каждого цвета ( по 2 угла каждого порядка) по формуле:

8. Для каждого порядка (k=±1, ±2) вычисляем среднее значение углов φ_ф1 φ_ф2 – для линий фиолетового цвета, φ_зел1 φ_зел2 – для линий зеленого цвета, φ_ор1 φ_ор2 – для линий оранжевого цвета.

9. Результаты измерений представлены в таблице 1.

Источник