Волновая оптика. Введение

4.1 ВВЕДЕНИЕ

Свет как физическое явление имеет двойственную природу. В явлениях излучения, поглощения и взаимодействия с веществом он проявляет себя как поток частиц. Однако распространяется свет как волна. На примере видимого света рассмотрим явления, которые находят объяснение исходя из волновой природы электромагнитных волн.

Источником излучения оптического диапазона являются свободные атомы или атомы в составе молекул, а также быстрые заряженные частицы. Каждая отдельная световая волна рождается при переходе одного из электронов атома с более высокого энергетического уровня на уровень с меньшей энергией. За время перехода (порядка 10^-8 с) в пространстве, образуется поперечная электромагнитная волна (цуг) протяжённостью около 3 м. Поперечность электромагнитных волн означает, что оптические свойства материалов должны обладать асимметрией относительно направления распространения. Однако в естественных условиях этого не обнаруживается. Объясняется это тем, что переходы электронов с уровня на уровень происходят одновременно во множестве атомов, повторяясь через произвольные промежутки времени в каждом атоме вновь и вновь. Векторы и каждого отдельного цуга при этом ориентированы в пространстве совершенно случайным образом. Поэтому в результирующей волне, с которой имеет дело наблюдатель, образованной всей совокупностью одновременно испускаемых цугов, все направления колебаний и равновероятны. Такой свет называется естественным.

Сделаем небольшое замечание: т.к. фотохимическое, фотоэлектрическое, физиологическое и другие действия света связаны в основном с воздействием на вещество электрической составляющей электромагнитного поля, то в дальнейшем, при изучении оптических явлений, мы будем пользоваться уравнениями и формулами, описывающими изменения напряженности электрического поля волны. Этот вектор будем называть световым. Конечно все, что мы скажем о векторе справедливо и для напряженности магнитного поля .

4.2 ИНТЕРФЕРЕНЦИЯ СВЕТА

Рассмотрим случай наложения друг на друга двух волн одинаковой частоты, которые возбуждают в некоторой точке пространства колебания одинакового направления:

Е₁ = Е₀₁соs(ωt + φ₀₁)

Е₂ = Е₀₂соs(ωt + φ₀₂). (9)

Сложение этих двух колебаний, согласно принципу суперпозиции, даст результирующее колебание с амплитудой:

. (10)

Как видно из (10), амплитуда результирующего колебания зависит от разности фаз δφ = φ₀₂ - φ₀₁. Если разность фаз δφпроизвольно и хаотично изменяется, то средняя по времени величина соs(φ₀₂ - φ₀ )= 0. Тогда . Принимая во внимание, что интенсивность волны I ~ E² получим I_р= I₁ + I₂, т.е. количество энергии переносимое результирующей волной за единицу времени, через единицу площади в данной точке пространства равно сумме интенсивностей (энергий), складываемых волн.

Если разность фаз δφ = φ₀₂ - φ₀₁ колебаний, возбуждаемых волнами в данной точке пространства с течением времени не изменяется, а вектора и параллельны друг другу, то такие волны называются когерентными. Для когерентных волн результат наложения зависит от значения δφ в данной точке.

В случае – соs δφ > 0, I_р > I₁+ I₂.

Еслисоsδφ = 1, и Е₁ = Е₂ = Е, то Е_р = Е₁² + Е₂² + 2Е₁ Е₂ = (2Е)² и I_р= 4I₁.

Если со s δφ < 0,то I_р < I₁ + I₂.

При соs δφ = -1,и Е₁ = Е₂ = Е – Е₂ = Е₁² + Е₂² - 2Е₁ Е₂ = 0 и I_р = 0.

Таким образом, при наложении когерентных волн происходит перераспределение энергии световых волн, в результате чего в одних местах наблюдается прирост энергии, зато в других уменьшение.

Это явление перераспределения энергии в пространстве, которое происходит при наложении когерентных волн, получило название интерференции.