Свет – это видимый участок спектра электромагнитной волны, длина которого находится в диапазоне от 0,4 мкм до 0,76 мкм. Определенный свет может быть поставлен в соответствие с каждой спектральной составляющей оптического излучения. Окраска спектральных составляющих зависит от длины волны. По мере уменьшения ее длины меняется цвет излучения. Изменение цвета происходит в таком порядке:
- красный;
- оранжевый;
- желтый;
- зеленый;
- голубой;
- синий;
- фиолетовый.
Красный свет, который соответствует наибольшей длине волны, определяет красную границу спектра. Фиолетовой границе соответствует фиолетовый свет. Естественный свет не имеет цвета, он представлен в виде суперпозиции электромагнитных волн всего видимого спектра.
Электромагнитная природа света
Естественный свет возникает в результате испускания электромагнитных волн при помощи возбужденных атомов. Характер данного возбуждения может быть различным: химический, тепловой, электромагнитный. В результате данного возбуждения атомы излучают электромагнитные волны в течение 10-8 секунд. Энергетический спектр атома достаточно широкий, поэтому электромагнитные волны излучаются из всего видимого спектра. Начальная фаза, поляризация и направление имеют случайный характер. Именно поэтому естественный свет не поляризован.
Поскольку свет представляет собой электромагнитные волны, в основу оптической физики положены уравнения Максвелла и все соотношения электромагнитных волн, что вытекают из них. В соответствии с электромагнитной теорией Максвелла $ \frac{C}{V} = \sqrt{\xi \mu} = n$, где $C$ и $V$ - скорости распространения света в среде с магнитной $\mu $ и диэлектрической $\xi $ проницаемостью в вакууме.
Это соотношение связывает электрические, оптические и магнитные постоянные вещества. В соответствии с теорией Максвелла, $\mu $ и $\xi$ - это величины, которые не зависят от длины световой волны, поэтому электромагнитная не теория не может объяснить явление дисперсии, то есть зависимость показателей преломления от длины световой волны.
Значения показателей преломления могут охарактеризовать оптическую плотность среды, а также оптические плотные среды. Длина световой волны с показателем $n$ напрямую связана с длиной волны в вакууме:
$\lambda = \frac{\lambda_0}{n} $
Понятие о когерентности и сложение колебаний
Когерентность – это коррелированность нескольких волновых или колебательных процессов во времени, которая проявляются при их сложении. Колебания когерентные в том случае, если разность их фаз во времени постоянна, а при сложении колебаний возникает колебание такой же частоты.
Классическая волновая оптика рассматривает среды, которые линейны по своим оптическим свойствам, иными словами, магнитная и диэлектрическая проницаемость которых не зависит от интенсивности света. Поэтому принцип суперпозиции волн справедлив в волновой оптике. Явления, что наблюдаются при распространении света в нелинейных средах, изучаются в нелинейной оптике.
Оптические нелинейные эффекты существенны при больших интенсивностях света, что излучается при помощи мощных лазеров. Две волны, что имеют одинаковую частоту, накладываются друг на друга и возбуждают в определенной точке колебания одинакового направления:
$A_1 cos {\omega t + \alpha 1}, A_2 cos {\omega t + \alpha 2}$
В данной точке амплитуда результирующего колебания будет выглядеть следующим образом:
$A^2 = A_{1}^{2} + A_{2}^{2} + 2A_1 a_2 cos {\sigma}$, где $\sigma = \alpha_2 - \alpha_1$
Если разность фаз $\sigma$ колебаний, что возбуждаются волнами, во времени остается постоянной, то такие волны называются когерентными.
Интерференция световых волн
Явление интерференции света заключается в отсутствии суммирования интенсивности световых волн при их наложении друг на друга, иными словами, при взаимном усилении данных волн в одних точках и ослаблении в других точках пространства. Когерентность – это необходимое условие интерференции. Монохроматические волны одинаковой частоты, которые не ограничены в пространстве волны, удовлетворяют данное условие.
Поскольку ни один реальный источник не дает монохроматического света, то волны, что излучаются источниками света, всегда некогерентные. Но из-за поперечности электромагнитных волн, когерентности недостаточно для того, чтобы получить интерференционную картину. Как было сказано ранее, положительность процесса излучения примерно равна 10-8 секунд. За этот период возбужденный атом растрачивает свою избыточную энергию на излучение, после чего возвращается в нормальное состояние и процесс излучения света прекращается. Спустя некоторое время атом вновь может возбудиться и начать процесс излучения. Данное прерывистое излучение света характерно для любого светового источника, независимо от особенностей тех процессов, которые протекают в источнике и вызывают возбуждение атомов.
Оптическая длина пути
Пусть разделение на две когерентные волны происходит в конкретной точке $O$. До точки $M$, где можно наблюдать интерференционную картину, в результате преломления $n_1$ одна волна прошла путь $S_1$, а вторая волна в среде $n_2$ прошла путь $S_2$. В точке $O$ фаза колебаний равна $\omega t $, а в точке $M$ первая волна возбуждает колебание $A_1 cos{\omega \left(t) \frac{S_1}{V_1}+ \alpha_1 \right) }$.
Вторая волна создает колебание: $A_2 cos{\omega \left(t) \frac{S_2}{V_2}+ \alpha_2 \right) }$, где
- $V_1 = \frac{c}{n_1} $
- $V_2 = \frac{c}{n_2} $ - это фазовая скорость первой и второй волны.
Произведение геометрической длины пути световой волны, которая обозначается символом $S$, на показатель преломления данной среды называется оптической длиной волны $L$. А $\delta –L_2 – L_1$, что является разностью оптических длин, называется оптической разностью хода.
Если оптическая разность хода равна целому числу волн в вакууме $\delta = m \lambda_0 (m_0 = 0,1,2…)$, то $\sigma = 2m \pi $ и колебания, что возбуждаются в точке $М$, происходят в одинаковой фазе. Следовательно, это максимум. Поэтому, если оптическая разность хода $\delta = (2m +1)\frac {\lambda_0 }{2}$, то $\sigma = (2m+1) \pi$ и колебания, что возбуждаются в точке $М$, происходят в противофазе.
В завершении хочется сказать, что электромагнитная природа света подтверждена окончательно. В 2009 году ученые-физики разработали методику, которая способна с точностью измерить колебания магнитной составляющей света. Уже давно стало ясно, что свет – это электромагнитная волна. Первым это открыл Максвелл. Он получил волнообразное решение своих уравнений и вычислил скорость данных волн. В результате этого получилось значение, которое было очень близким к скорости света. Ученый тут же предположил, что свет является электромагнитной волной, а частота ее колебаний определяет некоторые свойства (в первую очередь, это цвет света).
Электромагнитная волна (радиоволна или рентгеновское излучение) представлена в виде пары магнитного и электрического полей, которые постоянно превращаются друг в друга, поддерживая ее распространение. Магнитный и электрический векторы направляются перпендикулярно друг к другу и направлению распространения волны.
