Волновая оптика — это раздел оптики, в котором свет рассматривается как электромагнитная волна.

Как и любая электромагнитная волна, свет обладает конечной скоростью распространения. Впервые скорость света приблизительно измерил О. Ремер, отметив запаздывание светового сигнала от спутника Юпитера. Более точно скорость света определил А. Майкельсон.
скорость света в вакууме приблизительно равна 300 000 км/с, причем в веществе она уменьшается. Отношение скорости света в двух средах определяет относительный показатель преломления двух сред, который, как установил И. Ньютон, зависит от цвета. Цвет определяется частотой колебаний (или длиной световой волны).

Первоначально полагали, что световые волны — упругие волны в некоторой среде (мировом эфире), которая будто бы заполняет все мировое пространство. В 1864 г. Дж. Максвелл создал электромагнитную теорию света, согласно которой волны света — это поперечные электромагнитные волны. Видимый свет — электромагнитные волны с длиной волны примерно от 4•10-7 до 8•10-7 м. Излучение с длиной волны, превышающей 8• 10-7 м, называют инфракрасным, а с длиной волны меньшей 4•10 -7 м — ультрафиолетовым. Экспериментальное доказательство поперечности световых волн явилось подтверждением электромагнитной теории света.

Дисперсия
Зависимость показателя преломления света от частоты колебаний (или длины волн) называют дисперсией.
дисперсия приводит к тому, что с помощью призмы можно разложить белый свет в спектр.

На границе 2-х сред

Основные формулы

Предположение о волновом характере света впервые высказал в ХYII в. Х.Гюйгенс. В начале ХIХ в. О. Френель и Т. Юнг блестяще развили его теорию. На волновые свойства света указывали такие явления, как интерференция и дифракция.

Интерференция
Интерференцией света называют явление наложения когерентных световых волн, в результате которого волны усиливают или ослабляют друг друга.

• Интерференция возможна лишь в случае когерентных волн. Источники когерентны при двух условиях: частоты испускаемых ими волн одинаковы; разность фаз между ними не изменяется во времени.
• Реальные источники света всегда некогерентные. Для образования когерентных волн световую волну, испускаемую одним источником, разделяют некоторой оптической системой на две.

Результат интерференции

Дифракция
дифракция света — это отклонение световых лучей от прямолинейного распространения. Дифракция имеет место при прохождении очень узких щелей, малых отверстий, вблизи границы экранирующих тел при огибании препятствий, соизмеримых с длиной волны.
• Дифракцию света, имеющего длину волны порядка 10 м, в обычных условиях заметить трудно.

Дифракционная решетка
• Простейшая дифракционная решетка представляет собой правильно чередующиеся прозрачные и непрозрачные полосы, поперечные размеры которых сравнимы с длиной волны.
Ширина прозрачной части -а, непрозрачной - b. Величину (а + b) называют постоянной решетки или ее периодом.

Неожиданным образом обычный компакт-диск можно использовать как дифракционную решётку. На фотографии слева изображена свеча и отражении её пламени от поверхности компакт-диска. На фотографии справа - компакт-диски, на которых стоят свечки разной формы. Отражаясь от компакт-диска как от дифракционной решётки, свет свечек раскладывается на спектральные составляющие.

В максимуме дифракционной решётки волны от соседних штрихов складываются синфазно. Тоже самое можно наблюдать, если сделать прозрачными концентрические кольца, фазы волн от которых в некоторой точке на их общей оси складываются синфазно, и закрыть те кольцевые зоны, колебания от которых находятся в противофазе (см. рисунок слева). В этом случае в точке наблюдения интенсивность света усилится пропорциональное количеству открытых кольцевых зон. Такая структура называется зонной пластинкой Френеля. Она действует подобно линзе, собирая свет в фокусе.

В отличие от линзы зонная пластинка имеет несколько фокусов. Этого недостатка лишена синусоидальная фазовая решётка, так называемая голограмма Габора. При её построении используется запись интерференционной картины от точечного источника и плоской волны. Освещая такую пластинку плоской монохроматической волной, в соответствии с принципами голографии свет соберётся точно в том же месте, где находился источник при записи голограммы, т.е. в фокусе пластинки. Симметрично пластинке находится мнимое изображение точки. Свойства фазовых пластинок фокусировать свет используются там, где обычная линза не может быть применена - в УФ и ИК диапазонах длин волн, а также в рентгенографии. Зонные пластинки можно также использовать в обычной фотографии вместо объектива. При этом получаются мягкие, слегка размытые изображения.
Фотография, сделанная при помощи зонной пластинки с одной открытой зоной Френеля.

Дифракционная решетка

Важно
• Преломление наблюдается лишь на границе раздела двух сред, дифракция происходит в однородной среде, лишь бы волна «задевала» препятствие. При преломлении изменяются скорость света и длина волны, при дифракции и скорость и длина волны не изменяются.

Примеры и задачи
Зеленый луч переходит из воздуха в воду. Меняются ли при этом частота, длина волны, цвет луча?
Отклонение луча света от первоначального направления наблюдается как в явлении дифракции, так и при преломлении. В чем состоит отличие этих двух явлений?

Примеры и задачи
3. Будет ли наблюдаться видимое пространственное разделение луча белого света, если он падает из воздуха: а) наклон- но; б) перпендикулярно к стеклянной пластинке?

Примеры и задачи
5. Монохроматический свет с длиной волны 500 нм падает перпендикулярно (нормально) к плоскости дифракционной решетки. дифракционная решетка имеет 500 штрихов на миллиметр. Определите наибольший порядок спектра, который можно наблюдать при падении лучей на решетку.
6. Как объяснить происхождение цвета: синего неба; синего стекла; синей бумаги?

Задача 7
I (x) – распределение интенсивности дифрагированного на узкой щели излучения, где x – координата в плоскости экрана, перпендикулярная длинной стороне щели. Найдите расстояние от щели до экрана, если λ = 570 нм, a = 13,2 мм, ширина щели – 0,06 мм.