Оптика. Физическая оптика – раздел физики изучающий свойства и физическую природу света, а также его взаимодействие с веществом. Под светом понимают не только видимый свет но и примыкающие к нему широкие области спектра электромагнитного излучения инфракрасного и ультрафиолетового излучения.
Электромагнитная природа света На основании своих исследований в 1865 г. Джеймс Клерк Максвелл сформулировал заключение, что свет есть электромагнитная волна. В соответствии с опытными данными было показано, что направления электрического и магнитного векторов оказываются взаимно перпендикулярными и перпендикулярны к направлению распространения электромагнитной волны. В простейшем случае плоской волны, когда направление осей таково, что электрическое поле направлено вдоль оси z а магнитное вдоль оси y, уравнения имею вид :
- волновой вектор - период волны - круговая частота
Интерференция света Рассмотрим два источника света, которые испускают световые волны одинаковой частоты : L 1 - расстояние от первого L 2 - расстояние от второго
На практике удобно работать не с напряженностью светового поля,с его интенсивностью : E 1 E 2 E x φ 2 φ 1
Рассмотрим 2 совершенно различных случая : 1. Световые волны 1 и 2 никак не были согласованы, в этом случае. 2. Световые волны 1 и 2 были согласованы, в этом случае и разность фаз постоянна. Световые волны, которые имеют одинаковые частоты и постоянную разность фаз называют когерентными
1. Пусть в выбранной точке φ 2 - φ 1 = ±2 k π,в этом случае : 2. Пусть в выбранной точке φ 2 - φ 1 = ± ( 2 k+1) π,в этом случае : Будет наблюдаться максимум освещенности Будет наблюдаться минимум освещенности Если источники света когерентны, то при Сложении когерентных волн в пространстве Возникают места с максимумами и минимумами освещенности поверхности. Такая картина Называется интерференционной, а само явление Перераспределения световой энергии при сложении Волн называется интерференцией.
Условие максимума и минимума в интерференционной картине света. Пусть пучок света распространяется Из точки О в точку P двумя путями. В первом случае он проходит путь s 1 в среде с показателем преломления n 1 во втором случае проходит путь S 2 с показателем преломления n 2 - напряженность в т. О напряженности в т. P В точке P колебания встречаются С некоторой разностью фаз
- Оптический путь луча Оптическая разность хода лучей. Связь между оптической разностью хода лучей и разностью фаз. Max: Min:
Способы получения когерентных источников света в оптике. Опыт Юнга
Зеркала Френеля Бипризма Френеля
Интерференция в тонких пленках. Просветление оптики. Разность хода в проходящих лучах Разность хода в отраженных лучах
Дифракция света. Принцип Гюйгенса -Френеля. Каждая точка волновой поверхности, которой достигла в данный момент волна, является центром элементарных вторичных волн, их внешняя огибающая будет волновой поверхностью в последующий момент времени.
Дифракция на щели.
условие минимума интенсивности дифракционной картины условие максимума интенсивности дифракционной картины
Дифракционная решетка. условие главного минимума. условие главного максимума
условие дополнительных минимумов.
Устройства на основе интерференции и дифракции. Интерферометр Майкельсона где Позволяет определять длину волны света, очень малые перемещения зеркала.
Применение интерферометров для исследования качества поверхностей
Измерение показателя преломления жидкостей и газов (Интерферометр Релея) Данный метод позволяет определить изменение n с точностью до 10 -7
Дифракционные решетки и устройства на их основе
Спектрограф с дифракционной решеткой
Монохроматор, как главная часть спектрометра
Свет естественный и поляризованный. Закон Малюса. Из электромагнитной теории Максвелла следует, что световые волны поперечны. Если задано направление распространения и направление одного из векторов E или H, то направление другого определяется однозначно. Однако крест векторов E, H, v может быть произвольно ориентирован относительно направления распространения. В каждом случае существует та или иная ориентация, следовательно луч не является осью симметрии электромагнитных волн. Такая асимметрия характерна для поперечных волн.
Прохождение света через кристалл турмалина Интенсивность света оказывается наибольшей, если оси обеих пластинок параллельны ; она равна нулю, если оси пластинок перпендикулярны и пропорциональна cos 2 φ, если промежуточный угол между осями.
Если вектор E колеблется в одной плоскости, то такой свет называют поляризованным (линейно поляризованным)
Естественный свет – свет, испускаемый обычными источниками (солнце, пламя,эл. лампочка и т д.) - плоскость наблюдения
Типы поляризации световой волны Круговая (циркулярная ) поляризация : вектор E за один период волны делает полный оборот вокруг направления распространения волны. При этом его длина остается постоянной. Эллиптическая поляризация : вектор E за один период волны делает полный оборот вокруг направления распространения волны. Но при этом его длина изменяется таким образом, что конец вектора описывает в плоскости наблюдения эллипс.
Закон Малюса.
Оптическая активность веществ Jg E 0 E 0 α Оптически активная среда L ( для растворов ) ( для тв. образцов ) - постоянная вращения (удельное вращение) Оптическая активность – это явление поворота плоскости поляризации линейно поляризованного света при его прохождении через вещество. Многие соединения являются оптически активными, например : сахар, турмалин, исладский шпат, некоторые аминокислоты и т.д.
Геометрическая оптика как предельный случай волновой. Явления интерференции и дифракции показывают, что свет распространяется по законам волновой теории. Однако в очень большом круге вопросов, имеющих важное практическое значение, в частности в вопросе формирования светового пучка (светотехника) и в вопросах об образовании изображения (оптотехника) решение может быть получено более простым путем, с помощью представлений геометрической оптики. При λ → 0 можем говорить о луче света. - угол дифракции размер щели (размер объекта)
Линзы. Линзой называют прозрачное тело, ограниченное двумя сферическими (или плоской и сферической) поверхностями и отличающееся от окружающей среды показателем преломления. Линза называется тонкой, если её толщина во много раз меньше радиуса кривизны. главная оптическая ось Двояко-выпуклая ( собирающая ) Двояко-вогнутая ( рассеивающая)
М – действительный фокус М 1 – мнимый фокус F – фокусное расстояние R 1 – радиус кривизны первой поверхности R 2 – радиус кривизны второй поверхности n – показатель преломления линзы “ + ” – для выпуклой поверхности “ - ” – для вогнутой поверхности
Увеличение лупы (линзы). d 0 – расстояние наилучшего зрения ( ≈ 25 см ) ψ - угол зрения Увеличение лупы
Физические основы человеческого зрения. Хрусталик - линза с фокусным расстоянием ≈ 24 мм и диаметром 8 -10 мм. Сетчатка - палочки (темно-белые тона) и колбочки (цветное зрение) Стекловидное тело – прозрачная студенистая масса.
Некоторые характеристики человеческого глаза Диаметр глазного яблока 23.4 – 23.6 мм. Толщина роговицы 0.6 – 1 мм. Диаметр хрусталика 8 – 10 мм. Показатель преломления вещества хрусталика ≈1.4 Число колбочек на сетчатке глаза ≈ 7 млн. Число палочек на сетчатке глаза ≈130 млн. Спектральная чувствительность глаза 380 – 760 nm.
Оптика в медицине. Микроскопы
Ход лучей в микроскопе. 1. Вблизи фокуса линзы O 1 помещается объект размером h 2. Рассмотрим три луча. Первый проходит через центр линзы O 1, без преломления, второй луч, параллельный главной оптической оси, после преломления проходит через фокус F 1, третий, проходящий через фокус после преломления будет параллелен главной оптической оси. 3. Все три луча пересекутся в точке, получим увеличенное изображение h 1 4. Все три луча после преломления линзой О 2, пойдут параллельным пучком, объект будет виден под углом φ.
Увеличение микроскопа. D – расстояние наилучшего зрения ( 25 – 40 см ) φ - угол зрения Если рассматривать предмет через лупу, то он будет виден под углом φ / Увеличение лупы можно определить так : f – фокусное расстояние лупы Если мы имеем объектив и окуляр, то фокусное расстояние такой системы ∆ – расстояние между фокусами
Разрешающая сила микроскопа. Метод Аббе Свет, освещающий объект, попадает на линзу микр-па, претерпев дифракцию на его деталях. Пусть освещение производится параллельным пучком, объект – правильная решетка. Дифракция пар-го пучка дает в фокальной пл-ти F объектива ряд главных максимумов. Положение которых определяется : d sin φ = m λ Так как все диф-е максимумы соответствуют когерентным лучам, то за фокальной плоскостью объектива эти лучи интерферируют между собой, давая изображение в плоскости P 2. Для получения правильного изображения, необходимо, чтобы через объектив микроскопа и далее проникали диф-е пучки всех направлений.
Чем меньше предмет, или его деталь, тем большие углы дифракции он обуславливает и тем шире должно быть отверстие объектива. Отверстие объектива определяется углом 2 u между крайними лучами, идущими от объектива. (условие, необходимо для разрешения деталей d ) Если между предметом и объективом находится среда с показателем преломления n, то условие разрешения будет Более строгие рассуждения показывают, что в конечном итоге :
Методы исследования в поляризованном свете 1. Оптическая поляриметрия Оптическая поляриметрия – это совокупность физических методов исследования, основанных на определении угла поворота плоскости поляризации света. Спектрополяриметрия – определение зависимости удельного вращения От длины волны падающего света.
2. Поляризационная микроскопия
Люминесцентный микроскоп
Лазеры Активное вещество – газ, твердое тело, жидкость. Источник накачки – лампа, вспышки, разряд (для газа).
Лазеры) Лазерное лечение шрамов отбеливание зубов Лазерная терапия Лазерное облучение крови (ЛОК)
