Волновая оптика представляет собой раздел оптики в физике, объясняющий определенные оптические явления на основании волновой природы света. Она описывает такие оптические явления, как:
- интерференция света;
- его дисперсия и поляризация.
Интерференция света
Интерференция света представляет собой интерференцию электромагнитных волн (первоочечредно, видимого света), которая заключается в перераспределении интенсивности света вследствие суперпозиции (наложения) нескольких световых волн.
Данное явление зачастую характеризуется чередующимися в пространстве минимальными и максимальными показателями интенсивности света. Конкретный вид подобного распределения в пространстве интенсивности света называют в физике интерференционной картиной.
Поскольку такое явление, как интерференция, напрямую зависит от длины волны, свет содержит различные спектральные составляющие, то происходит разделение таких спектральных составляющих, видимых глазом как радужные полосы. Получить для света устойчивую интерференционную картину от двух разделенных в пространстве и независимых друг от друга источников света не так просто, как для источников волн на воде.
Атомы способны испускать свет цугами довольно малой продолжительности, и когерентность при этом будет нарушаться. Сравнительно просто такая картина может быть получена при интерференции волн одного и того же цуга.
Интерференция появляется при условии разделения первоначального луча света на два в момент его прохождения сквозь тонкую пленку (например, нанесенную на поверхность линзы у просветленных объективов).
Луч света определенной длины волны в момент падения перпендикулярно к поверхности пленки, отразится дважды (от ее наружной и внутренней поверхностей). Если пленка будет достаточно тонкой (настолько, что ее толщина не превышает длину цуга волн падающего света), тогда отраженные лучи на верхней границе раздела сред будут когерентными, что позволяет им интерферировать.
Изменение фазы луча, проходящего сквозь пленку, зависит от показателя ее преломления и окружающих сред. Важно при этом учитывать, что при отражении от оптически более плотной среды свет начнет менять свою фазу на половину периода.
Интерференция будет конструктивна, если итоговая разница между путями, пройденными данными лучами на поверхности пленки, составит полуцелое число длин волн в пленке:
Рисунок 1. Формула. Автор24 — интернет-биржа студенческих работ
Рисунок 2. Формула. Автор24 — интернет-биржа студенческих работ
Дифракция
Дифракция волн представляет явление, выраженное в отклонении от законов геометрической оптики в момент распространения волн. Она считается универсальным волновым явлением и характеризуется одинаковыми законами при наблюдении волновых полей различной природы.
Дифракция неразрывным образом связана с явлением интерференции. Само явление дифракции зачастую трактуется как явление интерференции волн, ограниченных в пространстве (вторичные волны). В качестве общего свойства всех эффектов дифракции выступает зависимость степени ее проявления от:
- соотношения длины волны к размеру ширины волнового фронта;
- неоднородной структуры самой волны;
- непрозрачного экрана на пути его распространения.
Дифракционные методы представляют комплекс методов изучения атомного строения веществ, задействующих дифракцию пучка нейтронов, фотонов, электронов, который рассеивается исследуемым объектом.
В дифракционных методах измеряется зависимость интенсивности рассеиваемого излучения от направления. При этом длина волн после такого рассеяния не будет изменяться. Существует такой вид рассеяния, как упругое. В основу дифракционных методов положено простое соотношение длины волны к расстоянию между рассеивающими атомами. Дифракционные методы это:
- Рентгеноструктурный анализ проводится с целью определения координат атомов в трехмерном пространстве кристаллических веществ (от простых соединений до сложных белков).
- Дифракция электрона.
- Дифракция медленных и быстрых электронов.
- Газовая электронография позволяет определять геометрию в газах свободных молекул, которые не подвержены воздействию соседних молекул, как это происходит в кристаллах.
- Дифракция отраженных электронов представляет кристаллографический способ, используемый в растровом электронном микроскопе.
- Нейтронография, в основе которой заложено рассеяние на ядрах атомов нейтронов, в отличие от вышеприведенных методов.
Поляризация
Поляризация представляет собой определенные состояния и процессы, которые связаны с разделением объектов, преимущественно в пространстве.
Поляризация вакуума представляет комплекс виртуальных процессов зарождения и аннигиляции в вакууме пар частиц, которые обусловлены квантовыми флуктуациями. Данные процессы формируют вакуумное нижнее состояние систем взаимодействующих двух с другом квантовых полей.
Поляризация волн выступает характеристикой поперечных волн, описывая поведение вектора колеблющейся величины в плоскости, которая перпендикулярна направлению распространения волны. Причина возникновения явления поляризации волн может заключаться в:
- несимметричной генерации волн в источнике возмущения;
- анизотропности среды распространения волн;
- преломлении и отражении на границе двух сред.
Дисперсия
Дисперсия означает разложение света. Она представляет собой комплекс явлений, которые обусловлены зависимостью:
- абсолютного показателя преломления вещества от длины волны (частотная дисперсия);
- фазовой скорости света в веществе от длины волны (частоты).
Экспериментально дисперсия открыта в 1672 г. И. Ньютоном. При этом ее более детальное теоретическое объяснение было получено позднее. Дисперсия объясняет факт возникновения радуги после дождя и ее разноцветность.
Дисперсия – это причина хроматических аберраций оптических систем. Огюстен Коши предложил формулу, выражающую аппроксимацию зависимости показателя преломления среды от длины волны:
Рисунок 3. Формула. Автор24 — интернет-биржа студенческих работ
