Некоторые основные явления оптики изучались очень давно. Так, например, явление преломления света было уже известно Аристотелю. Пытался описать количественно это явление Птолемей. Он измерял углы падения и преломления малых углов, что привело его к неверному заключению о пропорциональности этих углов. Верная формулировка закона преломления принадлежит Снеллию и Декарту. Декарт дал современную формулировку закона. Но следует отметить, что точка зрения на законы оптики изменялась со временем.
Прямолинейное распространение света дало И. Ньютону предпосылку придерживаться корпускулярной теории света. Например, отражение световых лучей рассматривалось как отражение упругого шарика при ударе о плоскую поверхность.
Явление преломления Ньютон трактовал как притяжение световых корпускул преломляющей средой, он считал, что в результате этого притяжения изменяется их скорость движения при переходе в иное вещество.
Параллельно с работами Ньютона, была написана работа Гюйгенса «Трактат о свете». В этой книге ученый выдвинул принципиально другую теорию света. Он основывался на схожести акустических и оптических явлений и полагал, что свет необходимо рассматривать как упругие импульсы, которые распространяются в эфире (особой среде). Гюйгенс говорил в своей книге о том, что проводит параллель между распространением света и волнами на поверхности воды.
Гюйгенс, говоря о свете, как о волне, не вкладывал в это понятие того содержания, которое мы имеем в виду в настоящее время. Он напрямую указывал на отсутствие периодичности в оптических явлениях. Поэтому представление о том, что Гюйгенс - создатель волновой теории света, противопоставляемой теории Ньютона, является неточным.
Явление преломления света и принцип Гюйгенса
Самой ценной идеей Гюйгенса был его принцип о том, что любая точка, до которой дошло световое возбуждение, становится источником вторичных волн. Поверхность, которая огибает в любой фиксированный момент времени эти вторичные волны, показывает фронт волны на этот момент.
Принцип Гюйгенса и его теория объясняет закон преломления света:
$\frac{\sin{\alpha{}}}{sin\ \beta{}}=\frac{v_1}{v_2}=n\ \left(1\right),$, где:
- $\alpha{}$ – угол падения;
- $\beta{}$ – угол преломления;
- $v_1$ – скорость распространения света в первом веществе;
- $ v_2$ – скорость распространения света во втором веществе;
- $n$ – коэффициент преломления (относительный показатель преломления).
Теоретическая система волновой оптики начала складываться в начале XIX века. Теоретические исследования Максвелла доказали, что свет – это электромагнитная волна, обладающая всеми соответствующими волновыми свойствами.
Основные явления, которые рассматривает волновая оптика:
- Отражение, преломление света.
- Интерференция.
- Дифракция.
- Поляризация.
- Диффузное отражение света.
- Рефракция и др.
Интерференция
Явление интерференции световых волн возникает у когерентных источников света. Состоит оно в том, что при наложении этих электромагнитных волн происходит перераспределение светового потока и в некоторых пространственных точках возникают максимумы, а в других минимумы интенсивности.
Когерентными называют волны (источники волн), если разность фаз их постоянна во времени.
Дифракция света
Дифракция – это комплекс явлений, которые происходят при распространении волн света в веществе, в котором встречаются неоднородности (препятствия) на пути этих волн, при этом законы геометрической оптики нарушаются.
Распространенным примером дифракции является процесс огибания препятствий световыми волнами и проникновение волны в область геометрической тени.
Поляризация
Электромагнитные волны являются поперечными. Их свойства зависят от ориентации векторов напряженности электрического и магнитного полей.
Световая волна складывается из большого числа цугов волн, которые испускаются отдельными атомами. Плоскость, в которой происходят колебания каждого цуга, ориентируется случайно. В световой волне колебания в разных направлениях равновероятны. В обычном свете разные направления колебаний быстро сменяют друг друга.
Свет, в котором колебания каким-либо образом упорядочены, называют поляризованным.
Часто встречающиеся виды поляризации света:
- Плоская (линейная) поляризация. Колебания светового вектора (вектора напряженности электрического поля) происходят в одной плоскости.
- Эллиптическая и круговая поляризация.
- Поляризация при отражении и преломлении. При падении неполяризованного света на границу раздела двух изотропных диэлектриков, отраженная и преломленная волны будут частично поляризованными. Если угол падения луча удовлетворяют условию:
${tg\ \alpha{}}_b=n_{21}\left(2\right),$
гд е ${\alpha{}}_b$ – угол падения (угол Брюстера); $n_{21}$ – относительный коэффициент преломления,
то отраженный свет будет полностью поляризованным в плоскости падения. При выполнении условия (2) отраженный и преломленный лучи будут перпендикулярны.
Степень поляризации может быть существенно увеличена при многократном отражении и преломлении, например, в стопке плоскопараллельных пластинок.
Диффузное отражение света
Диффузным (или рассеянным) отражением света называют отражение, которое происходит во множестве разных направлений.
Такое отражение можно наблюдать, если граница раздела сред очень шероховатая.
Границу раздела сред называют абсолютно матовой, если отражение света происходит равномерно во всех направлениях.
Рефракция света
Рефракция света – это искривление лучей света, как следствие преломления в оптически неоднородном веществе при непрерывно изменяющемся в пространстве показателе преломления света.
В качестве примера рефракции можно привести искривление лучей света приходящих от небесных тел при следовании их через Земную атмосферу. Это явление происходит в результате уменьшения плотности атмосферы (следовательно, показателя преломления) при удалении от поверхности нашей планеты.
Искривление световых лучей от далеких источников на Земле, которое происходит в атмосферном слое, который прилегает к поверхности, называют земной рефракцией. Следствием земной рефракции могут возникать миражи.
