Волновая оптика. Дисперсия, интерференция и дифракция света. Поляризация
Волновая природа света. Дисперсия света: зависимость показателя преломления n от частоты волны. Опыт Ньютона со стеклянной призмой. Когерентность источников. Интерференция света: разность хода лучей, условия максимумов (Δ = k λ) и минимумов (Δ = (2k + 1) λ/2). Дифракция света. Дифракционная решетка: d sin φ = k λ. Поляризация.
Дисперсия света — физическое явление зависимости абсолютного показателя преломления n вещества от частоты ν (или длины волны λ в вакууме) проходящего света:
В 1666 году Исаак Ньютон провел знаменитый опыт: узкий пучок солнечного белого света пропустили через трехгранную стеклянную призму. На противоположной стене возникла непрерывная цветная радужная полоса — сплошной спектр оптического излучения.
Закономерности нормальной дисперсии:
1. Белый солнечный свет является сложным (полихроматическим), состоящим из смеси электромагнитных волн различных частот и длин волн;
2. Показатель преломления стекла монотонно возрастает с увеличением частоты колебаний (уменьшением длины волны): nфиол > nсин > ... > nкрасн;
3. Призма отклоняет лучи к своему основанию тем сильнее, чем больше показатель преломления n. Поэтому красные лучи (наибольшая длина волны λ ≈ 780 нм) преломляются слабее всего, а фиолетовые лучи (наименьшая длина волны λ ≈ 380 нм) — сильнее всего;
4. Скорость распространения света в среде v = c / n зависит от частоты: красный свет распространяется в стекле быстрее фиолетового!
Природное проявление дисперсии: образование радуги при преломлении и внутреннем отражении солнечных лучей в каплях дождя.
Белый свет сложен
Дисперсия капель
Интерференция света — явление наложения двух или нескольких когерентных световых волн, в результате которого происходит пространственное перераспределение энергии света с образованием устойчивой системы чередующихся светлых и темных полос (максимумов и минимумов освещенности).
Когерентные волны — волны, имеющие строго одинаковую частоту (длину волны) и постоянную разность фаз во времени (Δφ = const).
Оптическая разность хода волн (Δ):
Δ = d₂ · n₂ - d₁ · n₁ = l₂ - l₁ (в воздухе при n = 1 разность хода равна геометрической разности расстояний от источников до точки наблюдения: Δ = d₂ - d₁).
Условия интерференции:
1. Условие интерференционного максимума (светлая полоса):
В точке пространства возникает максимальное усиление света, если оптическая разность хода волн равна целому числу длин волн (четному числу полуволн):
Δ = k · λ = 2k · (λ / 2), где k = 0, ±1, ±2... — порядок интерференционного максимума;
2. Условие интерференционного минимума (темная полоса):
В точке пространства волны полностью гасят друг друга, если оптическая разность хода равна нечетному числу полуволн:
Δ = (2k + 1) · (λ / 2).
Опыт Томаса Юнга (1801 г.): солнечный свет пропускался через узкую щель, а затем через две близкие щели, создавая когерентные источники. На экране впервые в истории наблюдались интерференционные полосы, доказавшие волновую природу света.
Просветление оптики: нанесение на поверхность линзы тонкой диэлектрической пленки толщиной d = λ / (4nпл). Волны, отраженные от внешней и внутренней поверхностей пленки, приходят в противофазе (разность хода λ/2) и полностью гасят отражение, увеличивая светопропускание объектива до 99.5%!
Анимированная модель: Волновая интерференция света (опыт Юнга)
Δ = k · λ
Δ = (2k+1) λ/2
Найти геометрические расстояния d₁ и d₂
Рассчитать разность хода Δ = |d₂ - d₁|
Сопоставить Δ с длиной волны λ
Дифракция света — явление отклонения световых волн от прямолинейного распространения при прохождении мимо препятствий или через малые отверстия (огибание препятствий светом и проникновение в область геометрической тени).
Условие наблюдения дифракции: размеры препятствия или отверстия d должны быть соизмеримы с длиной световой волны (d ~ λ) либо расстояние до экрана L должно быть достаточно велико.
Принцип Гюйгенса — Френеля:
1. Каждая точка волнового фронта, до которой доходит световое возмущение, становится вторичным источником когерентных сферических волн;
2. Волновой фронт в любой последующий момент времени представляет собой результат взаимной интерференции всех этих вторичных волн.
Метод зон Френеля:
Для расчета дифракционной картины Огюстен Френель предложил разбивать фронт волны на кольцевые зоны, расстояния от краев которых до точки наблюдения отличаются на полуволну λ/2. Колебания от соседних зон приходят в противофазе и взаимно гасят друг друга.
Пятно Пуассона:
В 1818 году математик Симеон Пуассон пытался опровергнуть волновую теорию Френеля, доказав, что из нее абсурдно следует наличие яркого светлого пятна в самом центре круглой тени непрозрачного диска. Физик Франсуа Араго провел опыт и действительно обнаружил яркое светлое пятно в центре тени («пятно Пуассона — Араго»), что стало триумфом волновой оптики!
Дифракция света
Триумф волновой оптики
Дифракционная решетка — оптический прибор, представляющий собой совокупность большого числа параллельных микроскопических щелей равной ширины, разделенных одинаковыми непрозрачными промежутками.
Период (постоянная) решетки (d):
где a — ширина прозрачной щели, b — ширина непрозрачного промежутка, L — ширина всей решетки, N — полное число штрихов.
В современных решетках наносят от 600 до 2400 штрихов на 1 мм (d ~ 0.5–1.5 мкм).
Формула главных максимумов дифракционной решетки:
При падении параллельного пучка света нормали волны от соседних щелей имеют разность хода Δ = d · sin φ. Главные максимумы возникают под углами дифракции φ, удовлетворяющими условию:
d · sin φ = k · λ,
где d — период решетки (м), φ — угол дифракции, k = 0, ±1, ±2... — порядок дифракционного максимума (спектра), λ — длина волны (м).
Особенности спектра решетки:
• Нулевой максимум (k = 0): sin φ = 0 для всех длин волн, в центре экрана всегда наблюдается белая полоса без разложения;
• Максимумы порядков k = 1, 2... образуют дифракционные спектры. Поскольку sin φ = kλ / d, угол дифракции прямо пропорционален длине волны: фиолетовые лучи (коротковолновые) отклоняются меньше всего и лежат ближе к центру, а красные лучи (длинноволновые) отклоняются сильнее всего (в противоположность призме!);
• Максимальный порядок спектра: так как sin φ ≤ 1, то kmax ≤ d / λ.
Главные максимумы
Число порядков
Явления интерференции и дифракции доказывают, что свет есть волна, но не отвечают на вопрос: продольная она или поперечная. Решающим доказательством поперечности световых волн стало открытие поляризации света.
1. Естественный свет: излучается огромным числом хаотически высвечивающихся атомов источника. Колебания вектора напряженности электрического поля E совершаются по всем возможным направлениям, перпендикулярным лучу, с равной вероятностью;
2. Плоскополяризованный (линейно поляризованный) свет: вектор E совершает колебания строго в одной плоскости (плоскости поляризации).
Поляризатор и анализатор:
Устройства, пропускающие только колебания вектора E, параллельные оптической оси кристалла (поляроида). При прохождении естественного света через первый поляризатор свет становится поляризованным, а его интенсивность уменьшается ровно в 2 раза: I₁ = 1/2 · Iест.
Закон Этьена Луи Малюса (1809 г.):
Интенсивность I света, вышедшего из анализатора, прямо пропорциональна произведению интенсивности поляризованного света I₀ на квадрат косинуса угла α между плоскостями пропускания поляризатора и анализатора:
• Если оси параллельны (α = 0°, cos 0° = 1): свет проходит полностью I = I₀;
• Если оси скрещены под прямым углом (α = 90°, cos 90° = 0): свет полностью гасится анализатором I = 0 (полная темнота).
Закон Брюстера:
При падении света на диэлектрик под углом Брюстера iБр отраженный луч полностью поляризован в плоскости, перпендикулярной плоскости падения:
tg iБр = n.
Ориентация E
Жидкие кристаллы
- 1. Дисперсия света и спектральный состав белого света (опыт Ньютона)~5 мин
- 2. Интерференция света и условия максимумов и минимумов (опыт Юнга)~5 мин
- 3. Дифракция света. Принцип Гюйгенса — Френеля и зоны Френеля~5 мин
- 4. Дифракционная решетка как спектральный прибор~5 мин
- 5. Поляризация света и закон Малюса~5 мин
