Оптика
 
а б в г д е ж з и й к л м н о п р с т у ф х ц ч ш щ ъ ы ь э ю я
 

Оптика

Оптика (греч. optikē — наука про зорові сприйняття, від optós — видимий, зримий), розділ фізики, в якому вивчаються природа оптичного випромінювання (світла), його поширення і явища, спостережувані при взаємодії світла і речовини. Оптичне випромінювання є електромагнітні хвилі, і тому О. — частина загального учення про електромагнітному полі . Оптичний діапазон довжин хвиль охоплює близько 20 октав і обмежений, з одного боку, рентгенівськими променями, а з іншої — мікрохвильовим діапазоном радіовипромінювання. Таке обмеження умовне і в значній мірі визначається спільністю технічних засобів і методів дослідження явищ у вказаному діапазоні. Для цих засобів і методів характерні засновані на хвилевих властивостях випромінювання формування зображень оптичних предметів за допомогою приладів, лінійні розміри яких багато більше довжини хвилі l випромінювання, а також використання приймачів світла, дія яких заснована на його квантових властивостях.

загрузка...

  За традицією О. прийнято підрозділяти на геометричну, фізичну і фізіологічну. Геометрична оптика залишає осторонь питання про природу світла, виходить з емпіричних законів його поширення і використовує уявлення про світлових променях, середовищ, що заломлюються і відбиваються на кордонах, з різними оптичними властивостями і прямолінійних в оптично однорідному середовищі. Її завдання — математично досліджувати хід світлових променів в середовищі з відомою залежністю заломлення показника n від координат або, навпаки, знайти оптичні властивості і форму прозорих середовищ, при яких промені проходят по заданій дорозі, що відображають. Методи геометричною О. дозволяють вивчити умови формування оптичного зображення об'єкту як сукупності зображень отд.(окремий) його крапок і пояснити багато явищ, пов'язаних з проходженням оптичного випромінювання в різних середовищах (наприклад, викривлення променів в земній атмосфері унаслідок непостійності її показника заломлення, утворення міражів, веселок і т.п.). Найбільше значення геометрична О. (з частковим залученням хвилевої О., див.(дивися) нижчий) має для розрахунку і конструювання оптичних приладів — від очкових лінз до складних об'єктивів і величезних астрономічних інструментів. Завдяки розвитку і вживанню обчислювальної математики методи таких розрахунків досягли високої досконалості і сформувався окремий напрям назва, що повчила обчислювальною О.

  По суті відволікається від фізичної природи світла і фотометрія, присвячена головним чином виміру світлових величин, Фотометрія є методичною основою дослідження процесів випускання, поширення і поглинання випромінювання за результатами його дії на приймачі випромінювання. Ряд завдань фотометрії вирішується з врахуванням закономірностей сприйняття людським оком світла і його окремих колірних складових. Вивченням цих закономірностей займається фізіологічна О., така, що змикається з біофізикою і психологією і досліджує зоровий аналізатор (від ока до кори головного мозку) і механізми зір .

  Фізична О. розглядає проблеми, пов'язані з природою світла і світлових явищ. Твердження, що світло є поперечні електромагнітні хвилі, грунтується на результатах величезного числа експериментальних досліджень дифракція світла, інтерференції світла, поляризації світла і поширення світла в анізотропних середовищах (див. Крісталлооптіка, Оптична анізотропія ). Сукупність явищ, в яких виявляється хвилева природа світла, вивчається в крупному розділі фізичної О. — хвилевий О. Єє математичною підставою служать загальні рівняння класичної електродинаміки — Максвелла рівняння . Властивості середовища при цьому характеризуються макроскопічними матеріальними константами — діелектричною проникністю e і магнітною проникністю m, входящимів рівняння Максвелла у вигляді коефіцієнтів. Ці константи однозначно визначають показник заломлення середовища: n = .

  Феноменологічна хвилева О., така, що залишає осторонь питання про зв'язок величин e і m (зазвичай відомих з досвіду) із структурою речовини, дозволяє пояснити всі емпіричні закони геометричною О. і встановити кордони її застосовності. На відміну від геометричної, хвилева О. дає можливість розглядати процеси поширення світла не лише при розмірах тих, що формують або розсіюючих світлові пучки систем >>l(довжини хвилі світла) але і при будь-якому співвідношенні між ними. У багатьох випадках вирішення конкретних завдань методами хвилевий О. виявляється надзвичайно складним. Тому отримала розвиток квазіоптика (особливо стосовно найбільш довгохвильової ділянки спектру оптичного випромінювання і суміжному з ним т.з. субміліметровому піддіапазону радіовипромінювання) в якій процеси поширення, заломлення і віддзеркалення описуються геометрооптічеськи але в якій при цьому не можна нехтувати і хвилевою природою випромінювання. Геометричний і хвилевий підходи формально об'єднуються в геометричній теорії дифракції, в якій додатково до падаючих, відбитих і заломлених променів геометричною О. постуліруєтся існування різного типа дифрагованих променів.

  Величезну роль в розвитку хвилевий О. зіграло встановлення зв'язку величин e і m з молекулярною і кристалічною структурою речовини (див. Крісталлооптіка, Металооптика, Молекулярна оптика ). Воно дозволило вийти далеко за рамки феноменологічного опису оптичних явищ і пояснити всі процеси, супроводжуючі поширення світла в розсіюючих і анізотропні середовищах і поблизу кордонів розділів середовищ з різними оптичними характеристиками, а також залежність від l оптичних властивостей середовищ — їх дисперсію, вплив на світлові явища в середовищах тиску, температури, звуку, електричного і магнітного полів і багато що ін.

  В класичній хвилевій О. параметри середовища вважаються не залежними від інтенсивності світла; відповідно, оптичні процеси описуються лінійними (диференціальними) рівняннями. З'ясувалося проте, що у багатьох випадках, особливо при великих інтенсивностях світлових потоків, це припущення несправедливе; при цьому виявилися абсолютно нові явища і закономірності. Зокрема, залежність показника заломлення від напруженості поля світлової хвилі (нелінійна полярізуємость речовини) приводить до зміни кута заломлення світлового пучка на кордоні двох середовищ при зміні його інтенсивності, до стискування і розширення світлових пучків ( самофокусировка світла і його самодефокусування), до зміни спектрального складу світла, що проходить через таке (нелінійну) середовище (генерація оптичних гармонік), до взаємодії світлових пучків і появи у випромінюванні т.з. комбінаційних частот, виділених напрямів переважного поширення світла (параметричні явища, див.(дивися) Параметричні генератори світла ) і т.д. Ці явища розглядаються нелінійною оптикою, що отримала розвиток у зв'язку із створенням лазерів .

  Добре описуючи поширення світла в матеріальних середовищах, хвилева О. не змогла задовільно пояснити процеси його випускання і поглинання. Дослідження цих процесів ( фотоефекту, фотохімічних перетворень молекул, закономірностей спектрів оптичних і пр.) і загальні термодинамічні міркування про взаємодію електромагнітного поля з речовиною привели до виводу, що елементарна система (атом, молекула) може віддавати енергію електромагнітному полю (або, навпаки, отримувати її його) лише дискретними порціями (квантами), пропорційними частоті випромінювання n (див. Випромінювання ). Тому світловому електромагнітному необхідно зіставити потік квантів світла — фотонів, що поширюються у вакуумі з швидкістю світла з = 2,99·10 9 см / сік . Фотони володіють енергією h n, імпульсом з абсолютною величиною h n/ з і масою h n/ з 2 (їх маса спокою дорівнює нулю, див.(дивися) Маса ), а також спином h /2p; тут h = 6,65·10 27 ерг / сік Планка постійна . У простому випадку енергія, що втрачається або набуває ізольованою квантовою системою при взаємодії з оптичним випромінюванням, дорівнює енергії фотона, а в складнішому — сумі або різниці енергій декількох фотонів (див. Багатофотонні процеси ). Явища, в яких при взаємодії світла і речовини істотні квантові властивості елементарних систем розглядаються квантовою О. методами, розвиненими в квантовій механіці і квантовій електродинаміці, а оптичні явища, не пов'язані із зміною власних станів квантових систем (наприклад, тиск світла, Доплера ефект ), можуть трактуватися в рамках як класичних хвилевих, так і фотонних вистав.

  Подвійність природи світла (наявність одночасна характерних меж, властивих і хвилям, і часткам) — приватний прояв корпускулярно-хвильового дуалізму, властивого, згідно з квантовою теорією, всіма об'єктами мікросвіту (наприклад, електронам протонам, атомам). Історично концепція корпускулярно-хвильового дуалізму, вперше сформульована саме для оптичного випромінювання, остаточно затвердилася після виявлення хвилевих властивостей в матеріальних часток (див. Дифракція часток ) і лише деякий час опісля була експериментально підтверджена для сусіднього з оптичним діапазону електромагнітного випромінювання — радіовипромінювання ( квантова електроніка, квантова радіофізика). Відкриття квантових явищ в радіодіапазоні багато в чому стерло різкий кордон між радіофізикою і О. Сначала в радіофізиці, а потім у фізичній О. сформувався новий напрям, пов'язаний з генеруванням вимушеного випромінювання і створенням квантових підсилювачів і квантових генераторів випромінювання ( мазеров і лазерів). На відміну від неврегульованого світлового поля звичайних (теплових і люмінесцентних) джерел, випромінювання лазерів в результаті управління полемо актами випускання вхідних в них елементарних систем характеризується впорядкованістю ( когерентністю ). Воно відрізняється високою монохроматичністю (Dn/n ~ 10 –13 , див.(дивися) Монохроматичне світло ), гранично малою (аж до дифракційної) расходімостью пучка і при фокусуванні дозволяє отримувати недосяжні ні для яких інших джерел щільності випромінювання (~10 18 Вт · см –2 · стер –1 ). Поява лазерів стимулювала той, що передивляється і розвиток традиційних і виникнення нових напрямів фізичної О. Большую роль стали грати дослідження статистики випромінювання (статистична О.), були відкриті нові нелінійні і нестаціонарні явища, отримали розвиток методи створення вузьконаправлених когерентних пучків світла і управління ними (когерентна О.) і т.д. Особливу важливість придбало вивчення круга явищ, пов'язаних з дією світла на речовину (до появи лазерів найбільшу увагу привертала дія речовини на світло). Розвиток лазерної техніки привів до нового підходу при створенні оптичних елементів і систем і, зокрема, зажадав розробки нових оптичних матеріалів, які пропускають інтенсивні світлові потоки, самі не ушкоджуючись (силова О.).

  Всі розділи О. мали і мають багаточисельні практичні вживання. Завдання раціонального освітлення вулиць, приміщень робочих місць на виробництві, видовищ, історичних і архітектурних пам'ятників і пр. вирішуються світлотехнікою на основі геометричної О. і фотометрії, що враховує закони фізіологічної О.; при цьому використовуються досягнення фізичною О. (наприклад, для створення люмінесцентних джерел світла ) і оптичні технології (виготовлення дзеркал, світлофільтрів, екранів і т.д.). Одне з найважливіших традиційних завдань О. — здобуття зображень, відповідних оригіналам як по геометричній формі, так і по розподілу яскравості (іконика), вирішується головним чином геометричною О. із залученням фізичної О. (для встановлення роздільній здатності приладів і систем обліку залежності показника заломлення від l- дисперсії світла і ін.). Геометрична О. дає відповідь на питання, як слід побудувати оптичну систему для того, щоб кожна точка об'єкту зображалася б також у вигляді крапки при збереженні геометричної подібності зображення об'єкту. Вона вказує на джерела спотворень зображення і їх рівень в реальних оптичних системах (див. Аберація оптичних систем ). Для побудови оптичних систем істотна технологія виготовлення оптичних матеріалів (стекол, кристалів, оптичної кераміки і пр.) з необхідними властивостями, а також технологія обробки оптичних елементів. З технологічних міркувань найчастіше застосовують лінзи і дзеркала з сферичними поверхнями, але для спрощення оптичних систем і підвищення якості зображень при високій світлосилі використовують і асферичні оптичні елементи.

  Нові можливості здобуття оптичних образів без вживання фокусуючих систем дає голографія, заснована на однозначному зв'язку форми тіла з просторовим розподілом амплітуд і фаз світлових хвиль, що поширюються від нього. Для реєстрації поля з врахуванням розподілу фаз хвиль в голографії на реєстроване поле накладають доповнить. когерентне поле і фіксують (на фоточутливому шарі або ін. методами) інтерференційну картину, що виникає при цьому. При розгляді отриманою т.ч. голограми в когерентному (монохроматичному) світлі виходить об'ємне зображення предмету.

  Поява джерел інтенсивних когерентних світлових полів (лазерів) дала поштовх широкому розвитку голографії. Вона знаходить вживання при рішенні багатьох наукових і технічних проблем. За допомогою голографії отримують просторові зображення предметів, реєструють (при імпульсному освітленні) бистропротекающие процеси, досліджують зрушення і напругу в тілах і т.д.

  Оптичні явища і методи, розроблені в О., широко застосовуються для аналітичні цілей і контролю в самих різних областях науки і техніки. Особливо велике значення мають методи спектрального аналізу і люмінесцентного аналізу, засновані на зв'язку структури атомів і молекул з характером їх спектрів випускання і поглинання, а також спектрів комбінаційного розсіяння світла . По вигляду спектрів і їх зміні з часом або під дією на речовину зовнішніх чинників можна встановити молекулярний і атомний склад, агрегатний стан, температуру речовини, досліджувати кінетику тих, що протікають в нім фізичних і хімічних процесів. Вживання в спектроскопії лазерів зумовив бурхливий розвиток нового її напряму — лазерної спектроскопії. Спектральний і люмінесцентний аналіз використовують в різних галузях фізики, астрофізику, геофізику і фізиці морить, хімії, біології, медицині, техніці, у ряді гуманітарних наук — мистецтвознавстві, криміналістиці і пр.

  Надзвичайно висока точність вимірювальних методів, засноване на інтерференції світла, зумовила їх велике практичне значення. Інтерферометри широко застосовують для вимірів довжин хвиль і вивчення структури спектральних ліній, визначення показників заломлення прозорих середовищ, абсолютних і відносних вимірів довжин, вимірів кутових розмірів зірок і ін. космічних об'єктів (див. Зоряний інтерферометр ). У промисловості інтерферометри використовують для контролю якості і форми поверхонь, реєстрації невеликих зсувів, виявлення по малих змінах показника заломлення непостійності температури, тиску або складу речовини і т.д. Створені лазерні інтерферометри з унікальними характеристиками, можливості інтерференційних методів, що різко розширили, за рахунок великої потужності і високої монохроматичності випромінювання лазерів.

  Явище поляризації світла лежить в основі ряду методів дослідження структури речовини за допомогою багаточисельних поляризаційних приладів . По зміні мірі поляризації (деполяризації) світла при розсіянні і люмінесценції можна судити про теплових і структурних флуктуаціях в речовині, флуктуаціях концентрації розчинів, про внутрі- і міжмолекулярну передачу енергії, структурі і розташуванні випромінюючих центрів і т.д. Широко застосовується поляризаційно-оптичний метод дослідження напруги в об'ємах і на поверхнях твердих тіл, в якому ця (механічні) напруга визначається по зміні поляризації відбитого або такого, що пройшов через тіло світла. У крісталлооптіке поляризаційні методи використовуються для вивчення структури кристалів, в хімічній промисловості — як контрольні при виробництві оптично-активних речовин (див. також Цукрометрія ), в мінералогії і петрографії — для ідентифікації мінералів, в оптичному приладобудуванні — для підвищення точності відліків приладів (наприклад, фотометрів ).

  Широкого поширення набули високочутливі спектральні прилади з дифракційними гратами як диспергуючий елемент ( монохроматори, спектрографи, спектрофотометри і ін.), дифракція світла, що використовує явище. Дифракція на ультразвукових хвилях в прозорих середовищах дозволяє визначати пружні константи речовини, а також створити акустооптичні модулятори світла (див. Модуляція світла ).

  Оптичні методи що полягають в аналізі розсіяння світла (особливо каламутними середовищами ), мають велике значення для молекулярної фізики і її застосувань. Так, нефелометрія дає можливість отримувати дані про міжмолекулярній взаємодії в розчинах, визначати розміри і молекулярну вагу макромолекул полімерів, а також часток в колоїдних системах, суспензіях і аерозолях . Останнє вельми важливе для атмосферної оптики, оптики фарб і порошків. Коштовні відомості про енергетичну структуру молекул і властивості тіл дають вивчення комбінаційного розсіяння світла, Мандельштама — Бріллюена розсіяння і вимушеного розсіяння світла, виявленого завдяки використанню лазерів.

  Дуже широка сфера практичного вживання приладів, заснованих на квантових оптичних явищах, — фотоелементів і фотоелектронних помножувачів, підсилювачів яскравості зображення ( електроннооптичних перетворювачів ), передавальних телевізійних трубок і т.д. Фотоелементи використовуються не лише для реєстрації випромінювання, але і як пристрої, що перетворюють променисту енергію Сонця в електроенергію для живлення електро-, радіо- і ін. апаратури (т.з. сонячні батареї). Фотохімічні процеси лежать в основі фотографії і вивчаються в спеціальній області, пограничній між хімією і О., — фотохімії . Окрім дослідження процесів внутрі- і міжмолекулярної передачі енергії, фотохімія приділяє велику увагу перетворенню і запасанню световій (наприклад, сонячною) енергії і зміні оптичних властивостей речовин під дією світла (фотохромія). На основі фотохромних матеріалів розробляються нові системи запису і зберігання інформації для потреб обчислювальної техніка і створені захисні світлофільтри з автоматичним збільшенням поглинання світла при зростанні його інтенсивності. Здобуття потужних потоків монохроматичного лазерного випромінювання з різними довжинами хвиль відкрило дороги до розробки оптичних методів розділення ізотопів і стимулювання направленого протікання хімічних реакцій, дозволило О. знайти нові, нетрадиційні вживання в біофізиці (дія лазерних світлових потоків на біологічні об'єкти на молекулярному рівні) і медицині (див. Лазерне випромінювання ). У техніці використання лазерів привело до появи оптичних методів обробки матеріалів (див. Лазерна технологія ) .Благодаря можливості за допомогою лазерів концентрувати на майданчиках з лінійними розмірами порядка десятки мікрон великі потужності випромінювання, інтенсивно розвивається оптичний метод здобуття високотемпературною плазми з метою здійснення керованого термоядерного синтезу .

  Успіхи О. стимулювали розвиток оптоелектроніки . Спочатку вона розумілася як заміна електронних елементів в рахунково-вирішальних і ін. пристроях оптичними. Потім (до кінця 60 — початки 70-х рр. 20 ст) стали розроблятися принципово нові підходи до вирішення завдань обчислювальної техніки і обробки інформації, витікаюча з принципів голографія, і пропонуватися нові технічні рішення, засновані на вживанні мікрооптичних пристроїв (інтегральна О.). З появою лазерів новий розвиток отримали оптична дальномерія> (див. Светодальномер, Електрооптичний далекомір ), оптична локація і оптичний зв'язок . У них широко використовуються моменти управління світловим променем електричними сигналами (див. Модуляція світла ). Принципи дії багато з цих елементів засновані на зміні характеру поляризації світла при його проходженні через електро- або магніто-актівні середовища (див. Магнітооптика, Керр ефект, Поккельса ефект, Фарадея ефект, Електрооптика ). Оптичні далекоміри застосовуються в геодезичній практиці, при будівельних роботах, як висотомірів і пр. Методами оптичної локації було уточнено відстань до Луни, ведеться стеження за штучними супутниками Землі по лініях лазерного оптичного зв'язку здійснюються телефонні переговори і передаються зображення. Створення світлопроводів з малим загасанням спричинило розробки систем кабельного оптичного відеозв'язку.

  Практично немає жодної галузі науки або техніки, в якій не використовувалися б оптичні методи, а в багатьох з них О. грає визначальну роль.

  Історичний нарис . О. — одна з прадавніх наук, тісно пов'язана з потребами практики на всіх етапах свого розвитку. Прямолінійність поширення світла була відома народам Месопотамії за 5 тис. років до н.е.(наша ера) і використовувалася в Давньому Єгипті при будівельних роботах. Піфагор в 6 ст до н.е.(наша ера) висловив близьку до сучасною точку зору, що тіла стають видимими завдяки часткам, що випускаються ними. Арістотель (4 ст до н.е.(наша ера)) вважав, що світло є збудження середовища, що знаходиться між об'єктом і оком. Він займався атмосферною О. і вважав причиною появи веселок віддзеркалення світла краплями води. У тому ж віку в школі Платона були сформульовані два найважливіших закону геометричної О. — прямолінійність променів світла і рівність кутів їх падіння і віддзеркалення. Евклід (3 ст до н.е.(наша ера)) в трактатах по О. розглядав виникнення зображень при віддзеркаленні від дзеркал. Головний вклад греків, що з'явився першим кроком в розвитку О. як науки, полягає не в їх гіпотезах про природу світла, а в тому, що вони знайшли закони його прямолінійного поширення і віддзеркалення (катоптрика) і уміли ними користуватися.

  Другий важливий крок полягав в розумінні законів заломлення світла ( діоптрика ) і був зроблений лише багато століть опісля. Діоптричні досліди описувалися Евклідом і Клеомедом (1 ст н.е.(наша ера)), про вживання скляних куль як запальних лінз згадували Арістофан (близько 400 до н.е.(наша ера)) і Пліній Старший (1 ст н.е.(наша ера)), а обширні відомості про заломлення були викладені Птолемеєм (130 н.е.(наша ера)); важливість цього питання тоді полягала головним чином в його безпосередньому зв'язку з точністю астрономічних спостережень. Проте закони заломлення не удалося встановити ні Птолемею, ні арабському ученому Ібн аль-Хайсаму, що написав в 11 ст знаменитий трактат по О., ні навіть Р. Галілею і І. Кеплеру . В той же час в середні віки вже добре були відомі емпіричні правила побудови зображень, що даються лінзами, і почало розвиватися мистецтво виготовлення лінз. У 13 ст з'явилися окуляри . За деякими даними, близько 1590 З. Янсен (Нідерланди) побудував перший двохлінзовий мікроскоп . Перші ж спостереження за допомогою телескопа, винайденого Галілеєм в 1609, принесли ряд чудових астрономічних відкриттів. Проте точні закони заломлення світла були експериментально встановлені лише близько 1620 В. Снелліусом (див. Снелля закон заломлення ) і Р. Декартом, що виклав їх в «Діоптриці» (1637). Цим (і подальшим формулюванням Ферма принципу ) був завершений фундамент побудови і практичного використання геометричною О.

  Подальший розвиток О. пов'язаний з відкриттями дифракції і інтерференції світла (Ф. Грімальді ; публікація 1665) і подвійного променезаломлення (данський учений Е. Бартолін, 1669), непіддатливих тлумаченню в рамках геометричної О., і з іменами І. Ньютона, Р. Гуку і Х. Гюйгенса . Ньютон звертав велику увагу на періодичність світлових явищ і допускав можливість хвилевої їх інтерпретації, але віддавав перевагу корпускулярній концепції світла, вважаючи його потоком часток, що діють на ефір (цей термін для позначення наділеною механічними властивостями середовища — переносника світла ввів Декарт) і викликають в нім коливання. Рухом світлових часток через ефір змінної (унаслідок коливань) щільності і їх взаємодією з матеріальними тілами, по Ньютону, обумовлено заломлення і віддзеркалення світла, кольори тонких плівок, дифракцію світла і його дисперсію (Ньютоном же вперше детально вивчена). Ньютон