Оптическое излучение

Оптический диапазон длин волн λ ограничен с одной стороны рентгеновскими лучами, а с другой – микроволновым диапазоном радиоизлучения.
Такое ограничение условно и в значительной степени определяется общностью технических средств и методов исследования явлении в указанном диапазоне.

Геометрическая оптика, не рассматривая вопрос о природе света, исходит из эмпирических законов его распространения и использует представление о световых лучах, отражающихся и преломляющихся на границах сред с разными оптическими свойствами и прямолинейных в оптически однородной среде.

Физическая оптика
рассматривает проблемы, связанные с процессами испускания света, природой света и световых явлений.

Устройство лазера

Сознание человека преобразует информацию
80% - через зрение

Результаты физиологической оптики используются в медицине, физиологии, технике при разработке разнообразных устройств – от осветительных приборов и очков до цветного кино и телевидения.

Развитие взглядов на природу света
Основные законы геометрической оптики известны ещё с древних времен. Но ни Платон ни Евклид ни Аристотель и Птолемей не смогли дать точных формулировок этих законов.

В конце XVII века, на основе многовекового опыта и развития представлений о свете возникли две мощные теории света – корпускулярная (Ньютон-Декарт) и волновая (Гук-Гюйгенс).

постоянная равная отношению скорости света в среде
Из представлений корпускулярной теории Ньютон легко вывел законы отражения и преломления:
; (угол падения равен углу отражения);
(отношение синуса угла падения к синусу угла преломления – величина
к скорости света в вакууме с).
Таким образом, Ньютон ошибочно утверждал, что скорость света в веществе больше скорости света в вакууме.

Начало XIX в. характеризуется интенсивным развитием математической теории колебаний и волн и ее приложением к объяснению ряда оптических явлений. В связи с работами Т. Юнга и О. Френеля, победа временно перешла к волновой оптике:
1801 г. Т. Юнг сформулировал принцип интерференции и объяснил цвета таких пленок;
1818 г. О. Френель получает премию Парижской Академии за объяснение дифракции;
1840 г. О. Френель и Д. Арго исследуют интерференцию поляризованного света и доказывают поперечность световых колебаний;

1841 г. О. Френель строит теорию кристаллооптических колебаний;
1849 г. А. Физо измерил скорость света и рассчитал по волновой теории коэффициент преломления воды
, что совпало с
экспериментом;
1848 г. М. Фарадей открыл вращение плоскости поляризации света в магнитном поле (эффект Фарадея);
1860 г. Дж. Максвелл основываясь на открытии Фарадея пришел к выводу, что свет есть электромагнитные, а не упругие волны;

1900 г. Макс Планк показал, что излучение абсолютно черного тела можно объяснить, если предложить, что свет излучается не непрерывно, а порциями, квантами с энергией
ν – частота, h – постоянная Планка.
, где
1888 г. Г. Герц экспериментально исследовал электромагнитное поле и подтвердил, что электромагнитные волны распространяются со скоростью света с = 3*108 м/с
1899 г. П.Н. Лебедев измерил давление света.

В 1905 г. Альберт Эйнштейн объяснил закономерности фотоэффекта на основе представления о световых частицах – «квантах» света, «фотонах», масса которых
Это соотношение связывает корпускулярные характеристики излучения – массу и энергию кванта – с волновыми – частотой и длиной волны.
Работы Планка и Эйнштейна явились началом развития квантовой физики.

Корпускулярно – волновой дуализм

Экспериментальное обнаружение методов генерации вынужденного излучения атомов и молекул – создание оптического квантового генератора (лазера) - наиболее важное событие в современной оптике (А.М. Прохоров, Н.Г. Басов и Ч. Таунс 1954 г.).

Оптический квантовый генератор (лазер)

В современной физической оптике квантовые представления не противоречат волновым, а сочетаются на основе квантовой механики и квантовой электродинамики.

Основные характеристики световых волн
Корпускулярно-волновой дуализм:
свет в некоторых явлениях обладает свойствами, присущими частицам (корпускулярная теория),
в других явлениях свойствами, присущими волнам (волновая теория).
В данном разделе будем рассматривать свет как электромагнитные волны.

Световые волны:
Плоская волна:
Сферическая волна:
- вектор напряженности электрического поля;
Е0 – амплитуда;
r – расстояние до источника ;
k – волновое число;
φ – начальная фаза.
Световой вектор - вектор напряженности электрического поля.
Его колебаниями обусловлено физиологическое, фотохимическое и т.д. действие света.

- для большинства прозрачных сред (μ ≈ 1)

С П Е К Т Р
spectrum (лат.) - вúдение.

Видимый свет (в вакууме): λ = [400 (фиолетовый);
760 нм (красный)]
Шкала электромагнитных волн

Согласно теории цветового зрения Юнга - Гельмгольца ощущение любого цвета можно получить смешиванием спектрально чистых излучений красного, зеленого и синего цветов

максимальная чувствительность глаза при дневном свете –
на длине волны 555 нм,
при сумеречном свете - на длине волны 510 нм.
Кривая видности -
относительная спектральная чувствительность глаза к излучениям различных длин волн

Спектр оптического пропускания синтетического кварцевого стекла Suprasil 300, оптического стекла BK 7 и обычного стекла.
(кварцевое стекло вследствие малого количества примесей обладает чрезвычайно широким спектром пропускания и малым поглощением света (обычное оконное стекло поглощает столько же света, сколько и кварцевое стекло толщиной в 100 метров)).

Интенсивность света – модуль среднего по времени значения плотности потока энергии, переносимой световой волной:
– вектор Пойнтинга
В случае однородной среды (n = const) интенсивность пропорциональна квадрату амплитуды световой волны

Луч – линия, вдоль которой распространяется световая волна.
В изотропных средах лучи перпендикулярны к волновым поверхностям
В анизотропных средах лучи не ортогональны волновым поверхностям

В естественном свете колебания светового вектора совершаются во всех направлениях, перпендикулярных к лучу.
Излучение тела обусловлено волнами, испускаемыми его атомами:
длительность излучения атома ~ 10–8 с, за это время образуется цуг волн (набор горбов и впадин) длиной ~ 3м.
Плоскость колебаний каждого цуга ориентирована случайным образом.
В результирующей волне (суперпозиции цугов от разных атомов) все направления равновероятны.

Световые, или фотометрические величины
Энергия, переносимая световыми лучами в единицу времени, называется потоком энергии (лучистым потоком), проходящим через площадку dS в телесный угол dΩ.
Если нормаль к площадке dS образует с направлением излучения угол α, то необходимо рассматривать ее проекцию – видимую величину площадки, если ее рассматривать под углом α к нормали:

Силой света источника I в заданном направлении называется световой поток, посылаемый им в этом направлении и отнесенный к единице телесного угла. Единицы измерения: [I] = кд (кандела)
Световой поток для точечного источника
1 люмен – это световой поток, посылаемый источником с силой света в 1 канделу внутрь телесного угла в 1 стерадиан:
1 лм = 1 кд · 1 ср

Освещенностью Е некоторой поверхности называется световой поток, падающий на единицу площади освещаемой поверхности:
[E] = лк (люкс):
Для точечного источника
- освещенность, создаваемая точечным источником, обратно пропорциональна квадрату расстояния до него и прямо пропорциональна косинусу угла между направлением падающих лучей и нормалью к освещаемой поверхности.
- закон обратных квадратов:

Для протяженных источников вводятся следующие понятия:
Яркостью L называется световой поток, исходящий из площадки dS в заданном направлении, отнесенный к единице телесного угла и к единице ее видимой величины:
Источники, яркость которых одинакова по всем направлениям, называются ламбертовскими (косинусными):
dI ~ cos α
где
- сила света площадки dS в том же направлении