Геометрична та фізична оптика

Зміст

1. Оптика

2. Геометрична оптика

3. Фізична оптика

Список літератури

1. Оптика

Оптика - це розділ фізики, в якому вивчають властивості світла, його фізичну природу і взаємодію з речовиною. До видимого світла відносять електромагнітні хвилі з частотою від 1,5 * 10 ¹¹ до 3 * 10 ¹⁶ Гц. Видиме світло розташовується між інфрачервоним та ультрафіолетовим ділянками спектру електромагнітних випромінювань. Цю область спектру зазвичай називають оптичною областю. Їй відповідають довжини хвиль λ, від 2 * 10 ^-3 до 10 ^-8 м.

2. Геометрична оптика

Основним завданням всієї геометричної оптики є отримання зображень точкових джерел світла, а також протяжних предметів.

Зображенням точкового джерела світла S називається така точка S ', яка є точкою перетину й розбіжності світлових променів з джерела світла S і яка сприймається як джерело світла. На відміну від реального джерела світла, з якого промені світла розходяться у всі сторони, із зображення промені розходяться під певним кутом, тому його можна бачити не з будь-якого становища.

Оптика відноситься до одного з найдавніших розділів фізики. Перші відкриття в оптиці були зроблені ще у давнину. Тоді були відкриті два закони геометричної оптики: закон прямолінійного поширення світла і закон відбиття світла.

До пізнання цих законів стародавні мислителі прийшли, ймовірно, дуже давно. Досвід повсякденного життя: спостереження тіні, перспективи, астрономічні спостереження - призвів до виникнення поняття променя світла, а також до поняття прямолінійного поширення світла. Спостерігаючи потім явище відбиття світла, зокрема в металевих дзеркалах, які були поширені в той час, древні прийшли до розуміння закону відбиття світла.

Ці два закони були описані знаменитим грецьким вченим Евклідом, що жив у III столітті до нашої ери. За допомогою цих законів Евклід пояснив безліч спостережуваних явищ - наприклад, явище відбиття світла від плоских і навіть сферичних дзеркал. Він геометрично вивів закони перспективи з чотирнадцяти вихідних положень, які були результатом оптичних спостережень. Наприклад:

-Промені, які виходять з очей, поширюються прямолінійно і розходяться в нескінченність;

-Видимі ті предмети, на які падають зорові промені, і невидимі ті, на які зорові промені не падають;

-Предмети, видимі під великими кутами, здаються більше, видимі під меншими кутами, здаються менше, а видимі під рівними кутами, здаються однаковими;

-Все, що мабуть, мабуть в прямолінійному напрямку і т.д.

Дослідженням відображення світла плоскими та сферичними дзеркалами займався ще один знаменитий вчений стародавності - Архімед. Він знав властивість увігнутого сферичного дзеркала збирати світлові промені у фокусі. Згідно з легендою, він навіть зміг спалити ворожий флот, використовуючи щити воїнів як дзеркала. Крім того, Архімед в концепцію «променів зору» ввів поправки, засновані на впливі величини зіниці на результат вимірювання.

Крім закону прямолінійного поширення і віддзеркалення світла вчені давнини мали уявлення про заломлення світла і навіть намагалися встановити закон заломлення.

При поширенні в однорідному середовищі світло рухається прямолінійно. Пряма, яка вказує напрям поширення світла, називається світловим променем. Однак необхідно завжди пам'ятати про те, що поняття світлового променя є геометричним поняттям. На межі розділу двох середовищ світло може частково відбитися і поширюватися в першій середовищі по новому напрямку, а також частково пройти через межу розділу і поширитися у другій середовищі.

Закон відображення. Промінь падаючий, промінь відбитий і перпендикуляр до межі поділу двох середовищ, відновлений в точці падіння променя, лежать в одній площині, причому кут відбиття β дорівнює куту падіння α.

При падінні променів світла на ідеальну плоску границю розділу двох середовищ спостерігається так зване дзеркальне відображення. При дзеркальному відображенні відбиває світло поверхню невидима, видно тільки джерела світлових променів. При падінні паралельного пучка світла на шорстку поверхню спостерігається дифузне, або розсіяне, відображення. Кожен окремий падаючий промінь при дифузному відображенні підпорядковується законам відбиття світла. Промені, відбиті від ділянок такої поверхні, орієнтованих різним чином по відношенню до падаючих променів, не утворюють паралельного пучка після відбиття. У результаті цього відбиває поверхня стає видимою.

У геометричній оптиці важливе місце відводиться знаходженню зображень при віддзеркаленні світла від різних типів дзеркал. Плоске дзеркало являє собою гладку поверхню. Воно створює уявне (здається) зображення. Джерело світла S і його зображення S 'розташовані симетрично відносно поверхні дзеркала.

Сферичне дзеркало являє собою гладку сферичну поверхню. Її оптичної віссю називається будь-яка пряма, що проходить через центр кривизни сферичної поверхні. Головна оптична вісь проходить через центр кривизни і полюс дзеркала - точку, рівновіддаленість від кордонів дзеркала.

Промені, паралельні головній оптичній осі, після відбиття від сферичного дзеркала збираються в одній точці F, званої фокусом дзеркала. Відстань від полюса дзеркала до фокуса називається фокусною відстанню f:

f = ,

де R - радіус кривизни дзеркала.

При побудові зображення в дзеркалі необхідно враховувати три правила. По-перше, промінь, паралельний головній оптичній осі, після відображення в дзеркалі проходить через фокус. По-друге, промінь, що пройшов через фокус, після відбиття йде паралельно головній оптичній осі. По-третє, промінь, що проходить через центр кривизни дзеркала, при відображенні поєднується з самим собою. Ці три промені, випущені з даної точки предмета (джерела), після їх відображення в дзеркалі перетинаються в одній точці, що є зображенням джерела.

При переході з одного середовища в іншу відбувається заломлення світла - тобто зміна напрямку його поширення. Уперше дослідження заломлення світла було здійснено Клавдієм Птолемеєм майже дві тисячі років тому, в його роботі «Оптика» були описані результати експериментування з заломлення світла у склі й воді, представлені у вигляді таблиць, дуже точних для того часу. Вчений прагнув виявити причину того, чому при відображенні кути падіння та відображення рівні, а при ламанні кути падіння не рівні кутах заломлення. Птолемей вважав кут заломлення пропорційним куту падіння. У правильній формі закон заломлення був відкритий в XVII столітті голландським фізиком Віллебрордом Снеліусом (1591-1626) і, незалежно від нього, французьким фізиком Рене Декартом (1596-1650).

Поняття «фокус» і «оптична вісь» вперше ввів в ужиток великий німецький астроном Йоганн Кеплер (1571-1630), розробивши теорію побудови зображення в оптичних приладах. Ці поняття застосовуються в оптиці аж до теперішнього часу.

Закон заломлення. Падаючий промінь, заломлений промінь і перпендикуляр до межі поділу двох середовищ, відновлений в точці падіння променя, лежать в одній площині. Кут падіння α і кут заломлення γ пов'язані співвідношенням:

= N,

де n - постійна величина для двох даних середовищ, звана відносним показником заломлення другого середовища відносно першого. Показник заломлення n середовища щодо вакууму називається а бсолютним показником заломлення цього середовища. Для двох середовищ з абсолютними показниками заломлення n ₁ і n ₂ відносний показник заломлення n дорівнює відношенню абсолютного показника заломлення другого середовища до абсолютному показнику заломлення першу середовища:

n = .

З двох середовищ те середовище, що володіє меншим значенням абсолютного показника заломлення, називається оптично менш щільної середовищем. Якщо світло переходить з оптично менш густого середовища в оптично більш щільну, то кут заломлення γ менше кута падіння α.

При переході з оптично більш густого середовища в оптично менш щільне середовище кут заломлення γ виявляється більше кута падіння α. Спостерігаючи заломлення світла, можна побачити, що крім заломлення відбувається і відображення світла від межі поділу двох середовищ. При збільшенні кута падіння інтенсивність відбитого променя збільшується. При переході світла з оптично більш густого середовища в оптично менш щільну (наприклад, зі скла в повітря) при поступовому збільшенні кута падіння може бути досягнута така його значення α _о, при якому кут заломлення повинен стати рівним γ ₀ = 90 °:

a ₀ = .

При досягненні такого значення кута падіння інтенсивність переломленого променя стає рівною нулю: світло, що падає на границю розділу двох середовищ, повністю відбивається від неї.

Кут падіння α _0, при якому настає повне відображення світла, називається граничним кутом повного відображення. При всіх кутах падіння, великих і рівних α _о, відбувається повне відображення світла.

При відображенні і при ламанні світло може проходити один і той же шлях у двох цих протилежних один одному напрямках. Це властивість світла називається оборотністю світлових променів. Основним принципом геометричної оптики, з якого можна вивести всі її закони, є принцип Ферма.

Принцип Ферма. Світло поширюється з однієї точки середовища в іншу по шляху, для проходження якого витрачається найменше час.

Для практичного застосування велике значення має заломлення світла на сферичній межі розділу середовищ. Прозоре тіло, обмежене двома сферичними поверхнями, називається лінзою. Лінзи зазвичай виготовляються зі скла, хоча можуть бути і кварцовими, і слюдяними і т.д.

Тонкою називається така лінза, товщина якої значно менше радіусів обмежують її сферичних поверхонь. Лінза, яка в середині товщі, ніж у країв, називається опуклою лінзою. Лінза, яка у країв товщі, ніж у середині, називається увігнутою лінзою. Пряма, через центри сферичних поверхонь лінзи, називається головною оптичною віссю лінзи. Точка перетину головної оптичної осі з тонкою лінзою називається оптичним центром лінзи. Прямі, що проходять через оптичний центр лінзи і не збігаються з її головною оптичною віссю, називають побічними оптичними осями.

Одним із властивостей лінзи є те, що промінь світла, що йде уздовж головної оптичної осі, проходить через лінзу без зміни напрямку поширення. У повітрі або у вакуумі всі промені, паралельні головній оптичній осі опуклої лінзи, після проходження лінзи відхиляються до осі і проходять через одну точку F на головній оптичній осі. Тому опуклі лінзи ще називають збирають лінзами. Точка F називається головним фокусом лінзи. Площина, що проходить через головний фокус лінзи перпендикулярно до головної оптичної осі, називається фокальній площиною.

У лінзи два головних фокуса в однорідному середовищі розташовані на однакових відстанях від її оптичного центру. Відстань від оптичного центра лінзи до головного фокуса називається фокусною відстанню F лінзи. Всі промені, що проходять через один з її головних фокусів, виходять з лінзи паралельно до головної оптичної осі.

У увігнутою лінзі всі промені (у повітрі або у вакуумі), паралельні головній оптичній осі, відхиляються від оптичної осі, тому увігнуті лінзи називаються розсіюючими лінзами. Продовження променів у протилежний бік сходяться в одній точці F на головній оптичній осі перед лінзою. Ця точка називається головним фокусом розсіює лінзи. Головний фокус розсіює лінзи уявний, так як промені світла в ньому не збираються.

Відстань f від збиральної лінзи до зображення пов'язано з відстанню d від предмета до лінзи і фокусною відстанню Fлінзи:

= .

Це рівняння називається формулою лінзи і застосовується для знаходження відстані до зображення при будь-якому розташуванні предмета щодо лінзи. Наприклад, якщо значення відстані f виходить при розрахунку негативним, то це значить, що зображення предмета уявне і знаходиться по той же бік від лінзи, що і предмет.

Величина, зворотна фокусною відстанню F, називається оптичною силою лінзи D:

D = .

Оптична сила виявляється у діоптріях (дптр). Лінза з фокусною відстанню 1 м має оптичною силою в 1 дптр. Оптична сила збирає лінзи позитивна, оптична сила розсіює лінзи негативна.

У залежності від положення предмета щодо лінзи лінійні розміри зображення можуть змінюватися. Ставлення лінійних розмірів Н зображення до лінійними розмірами h предмета називається лінійним збільшенням Г:

Г = .

Також в практиці дуже часто застосовується така оптична система, як призма. Призма являє собою прозоре тіло, обмежене з двох сторін плоскими поверхнями, утворюють між собою кут φ, званий заломлюючим кутом призми. У призмі світловий промінь двічі відчуває переломлення на заломлюючих гранях і змінює своє напрям. Кут δ відхилення променя призмою визначається формулою:

δ = α + β - φ,

де α - кут падіння на першу межу, β - кут заломлення на другий межі, φ - заломлює кут призми.

У реальних умовах ідеальних систем не може бути. Точно так само не буває ідеальних і оптичних систем - у будь-якій системі існують свої похибки. Одним із завдань геометричної оптики і є знаходження способів усунення або компенсації подібних погрішностей.

Похибки оптичних систем називаються абераціями. Вони виникають в результаті використання широких світлових пучків, що застосовується для одержання більшої освітленості предметів, а також при отриманні зображень предметів, значно віддалених від головної оптичної осі оптичного приладу (наприклад, при фотографуванні). При відсутності аберації кожній точці зображення однозначно відповідає точка предмета. Це може бути досягнуто в тому випадку, коли зображення утворюється вузькими світловими пучками, що падають на оптичну систему під малими кутами до її головної оптичної осі. У реальних оптичних системах ці умови виконуються дуже рідко. Наприклад, сферичні лінзи тільки наближено задовольняють цим вимогам. У результаті зображення виходить недостатньо різким, дрібні деталі стають невиразними. Для зменшення аберації застосовують системи лінз.

Існує два основних види аберації - сферична і хроматична. Сферична аберація виникає в результаті того, що периферія лінзи переломлює промені світла сильніше, ніж центральна її частина. Приміром, лінза великого діаметра дає зображення точкового джерела не у вигляді точки, а у вигляді розпливчастого світлої плями. Це явище обумовлене використанням широких пучків світлових променів. Отримані за допомогою зображення є нечіткими, розпливчастими. Для підвищення різкості зображення оптичну систему постачають вузьким отвором (діафрагмою), через яке пропускають пучок світла. Сферичну аберацію також компенсують шляхом комбінації збирає і розсіює лінз, підібраних відповідним чином.

Хроматична аберація пов'язана з залежністю показника заломлення оптичних стекол від довжини хвилі падаючого на них світла. Лінзи з таких стекол заломлюють синій світло сильніше, ніж червоний. У результаті краю зображення, отриманого за допомогою білого світла, набувають кольорову облямівку. Для ослаблення хроматичної аберації застосовують систему з опуклої й увігнутої лінз з особливих матеріалів (так звана ахроматична пара лінз). Повна компенсація хроматичної аберації можлива лише для двох значень довжин хвиль.

Крім того, існують і інші види аберації, до яких відносять дисторсію, астигматизм і кому. Дисторсия представляє собою похибка оптичної системи, в результаті якої зображення прямокутної сітки набуває подушкоподібної або бочкоподібну форму. Прямі лінії викривляються назовні або всередину, особливо у краї зображення. Астигматизм виникає тоді, коли світлові пучки (навіть вузькі) становлять значний кут з головною оптичною віссю системи. Кома є похибка оптичної системи, що виникає при проходженні через неї широких пучків світла від точки предмета , що знаходиться на побічної оптичної осі. Зображення цієї точки має вигляд витягнутого і нерівномірно освітленого плями у формі комети. Для корекції цих видів аберації використовуються складні оптичні системи, елементи яких підібрані так, що вони взаємно компенсують виникають похибки.

У процесі дослідження навколишнього світу у людини з'явилася потреба у приладах, що дозволяють одержувати зображення різних об'єктів і збільшувати кут зору. Так виникли оптичні прилади. Наприклад, для отримання зображення людина придумала проектор, фотоапарат і т.д., а для збільшення кута зору - мікроскоп, телескоп, лупу, бінокль, підзорну трубу і багато іншого.

У процесі еволюції сформувався найдавніший оптичний прилад, подарований нам природою, - око. Цей орган протягом всієї людської історії є основним інструментом для пізнання навколишнього світу.

Розглянемо оптичну систему ока.

Рогова оболонка (рогівка). Прозора і має в середній частині сферичну форму. На її межі з повітрям відбувається заломлення світла, що грає основну роль при побудові зображень предметів на сітківці ока.

Зіниця ока. Здатний змінювати свій діаметр в залежності від освітлення від 2 до 8 міліметрів.

Райдужна оболонка. Практично непроникна для променів світла.

Кришталик. Має форму двоопуклої лінзи, здійснює додаткове заломлення світла. Радіус кривизни кришталика змінюється під дією спеціальної м'язи. Цей процес називається акомодацією. Шляхом акомодації змінюється фокусна відстань оптичної системи ока і виходить чітке зображення предмета на сітківці.

Тверда білкова оболонка. Покриває очей і виконує захисну функцію.

Судинна оболонка. Містить мережу кровоносних судин, що живлять очей.

Сітчаста оболонка. Є світлочутливим шаром, що містить розгалуження зорового нерва. Световоспрінімающіх елементами сітківки є закінчення волокон зорового нерва, що діляться на два види - колбочки і палички. Колбочки мають більшу роздільну здатність і чутливістю до кольору. Їх чутливість до світла невелика. Палички, володіючи незначною роздільною здатністю і нечутливістю до кольору, навпаки, дуже чутливі до світла.

Жовта пляма. Являє собою поглиблення в середній частині сітківки. Це найбільш світлочутливий місце очі, що містить лише колбочки.

Сліпа пляма. Невідчутно до світла; є місцем входу зорового нерва в очне яблуко.

Простір між роговою оболонкою й кришталиком називається передньою камерою. Воно заповнене камерної вологою. Простір між кришталиком і сітківкою заповнено склоподібним тілом - прозорим драглистою речовиною. Центр обертання очного яблука знаходиться всередині очі приблизно на відстані 13 міліметрів від вершини рогової оболонки. Лінія, що з'єднує головну точку кришталика з центральним поглибленням жовтої плями, називається зоровою віссю очі або лінією найкращого бачення.

Промені світла, заломлюючись на межі поділу системи «рогівка - повітря», а потім у кришталику, створюють на сітківці перевернуті зображення предметів. У нормальному здоровому оці вони завжди чіткі завдяки здатності кришталика до акомодації. Подальша обробка зображення відбувається вже в головному мозку. Крім того, око має здатність пристосовуватися до різних рівнів яскравості, що називається адаптацією.

Існує кілька видів порушень нормального функціонування оптичної системи ока. Якщо оптична система ока дає зображення далеких предметів за сітківкою, то людина страждає далекозорістю (гіперметропія). При короткозорості очі (міопії) зображення виходить перед сітківкою.

Одним з перших оптичних приладів, поряд з лупою і окулярами, є зорова труба, що згодом стала основою для створення більш досконалого оптичного приладу - телескопа. Історія називає три імені можливих авторів винаходу підзорної труби одночасно - Ліспергея, Меціуса, Янсена. Однак вирішальний крок в її винахід був зроблений Галілеєм в 1609 році, коли він побудував діючу зорову трубу. Свій винахід Галілей використовував як телескоп для спостереження небесних тіл і зробив при цьому цілий ряд найважливіших астрономічних відкриттів.

Підзорна труба складається з двох лінзових систем - об'єктиву і окуляра. Підзорна труба з збирав окуляром називається трубою Кеплера, труба з розсіює окуляром - трубою Галілея. Предмет знаходиться на дуже великій відстані від об'єктива. У трубі Кеплера за фокусом об'єктива виникає проміжне зображення В '. Воно розташоване на відстані від окуляра, меншому його фокусної відстані. Перед окуляром виникає збільшене уявне і перевернуте остаточне зображення В. Збільшення, що дається трубою Кеплера, дорівнює:

N =

де f ₁ - фокусна відстань об'єктива, f ₂ - фокусна відстань окуляра. Довжина даної підзорної труби буде дорівнює:

l = f ₁ + f _2.

Наявність проміжного зображення В 'у трубі Кеплера дозволяє постачати її вимірювальною шкалою або фотопластинкою, вміщеній у площину розташування проміжного зображення В'. Тому труба Кеплера знаходить широке застосування в астрономії. У трубі Галілея між об'єктивом і окуляром не створюється проміжне зображення. Ця труба створює уявне збільшене пряме зображення В. Труба Галілея дає несильне збільшення віддаленого предмета. Тому її використовують в театральних біноклях.

Крім телескопів, побудованих за типом підзорних труб - рефракторів, широке застосування отримали дзеркальні, або відбивні, телескопи - рефлектори.

Іншим прикладом оптичного приладу є фотоапарат. У ньому використовується одна з властивостей лінзи, що полягає в тому, що при розташуванні предмета на відстані, більшій подвійного фокусної відстані, лінза дає його дійсне зменшене зображення. Фотоапарат складається з об'єктива, зазвичай складається з декількох лінз, світлонепроникного корпусу, видошукача, діафрагми і затвора. У світлонепроникних корпус фотоапарата поміщають фотоплівку, чутливу до дії світла. На ній об'єктив фотоапарата створює дійсне зменшене зображення фотографованого предмета. Для отримання чіткого зображення предмета, який може бути розташований на різних відстанях від фотоапарата, об'єктив переміщують щодо фотоплівки, результат наведення на різкість зазвичай контролюється через видошукач. У залежності від умов освітленості і чутливості фотоплівки шлях світлу від об'єктива до фотоплівці відкривається за допомогою затвора на певний інтервал часу, зазвичай на соті частки секунди. Світловий потік регулюється і кільцевих отвором в діафрагмі за об'єктивом, діаметр якого можна плавно змінювати.

Попередницею фотоапарата можна вважати пристосування, відоме з давніх часів, - так звану камеру-обскуру. Явище, яке використовується в камері-обскура, було відомо ще в стародавньому Китаї. Якщо в темне приміщення через невеликий отвір або щілину проникає промінь світла, то на стінці виникає досить чітка картина. Хтось здогадався просвердлити в ящику маленький отвір і на протилежній стінці, на вставленому в неї матовому склі, спостерігати зображення пейзажів і людей. Так з'явилася камера-обскура (по-латині obscurus - темний).

А коли замість отвори, що виконує роль об'єктива, застосували збільшувальне скло, зображення стало настільки чітким, що людині захотілося обвести його олівцем і розфарбувати. Правда, картинка виходила «догори ногами», тому для усунення цієї похибки до задньої стінки ящика приставили похило дзеркало. Воно проектувати зображення на матове скло, вправлені в кришку, в результаті чого верх і низ розташовувалися як годиться (правда, при цьому мінялися місцями права і ліва сторона). А оскільки за допомогою камери-обскури малюнки робилися головним чином для гравірування, то більше нічого виправляти не треба було - відбитки з гравюри повністю відповідали оригіналу. Для роботи на яскравому сонці застосовувалися невеликі темні намети. Художник з камерою сидів всередині, а назовні висовувався тільки об'єктив - трубка з лінзою.

У двадцятих роках XIX століття був відкритий спосіб хімічного закріплення зображення на світлочутливої ​​платівці, вставленої у камеру-обскуру замість матового скла. Найпершу фотографію вдалося отримати французу Жозефу Нісефор Ньєпс (1765-1833). З тієї пори камера-обскура перетворилася на відомий всім нам фотоапарат.

Як ми бачимо, для вирішення більшості завдань практичної оптики цілком достатньо коштів геометричної оптики. Однак існує ряд проблем, пов'язаних з хвильовою природою світла. Рішенням цих проблем, що відносяться головним чином до питань взаємодії світла і речовини, а також до питань роздільної сили оптичних приладів, займається фізична оптика.

3. Фізична оптика

Перші уявлення про те, що таке світло, відносяться до старовини. Переважна більшість древніх мислителів розглядало світло як якісь промені, що з'єднують світиться тіло і людське око. При цьому одні з них вважали, що промені виходять з очей людини, вони ніби обмацують розглянутий предмет. Однак пізніше, до початку XVII століття, таке уявлення про природу світла втрачає своє значення.

Насолоджуючись виглядом безхмарного неба, ми навряд чи схильні міркувати про те, що небесна блакить - це один із проявів розсіювання світла. Виявляється, сині промені, що падають на Землю від Сонця, розсіюються молекулами повітря приблизно в 6 разів сильніше червоних, тому небо виглядає блакитним, а сонце тим красно, чим воно ближче до горизонту. Подібним чином пояснив блакитний колір неба в 1871 році знаменитий англійський математик і фізик Джон Уїльям Страт (по батькові - лорд Релей). З тих пір розсіювання світла на окремих атомах або молекулах і взагалі на маленьких частинках - з розмірами, набагато меншими довжини світлової хвилі, називають релєєвськоє розсіюванням.

Інша точка зору полягала в тому, що промені випускаються світиться тілом і, досягаючи людського ока, несуть на собі відбиток світиться предмета. Такої точки зору дотримувалися атомісти Демокріт, Епікур, Лукрецій. Пізніше, в XVII столітті, ця точка зору оформилася в корпускулярну теорію світла, згідно якої світло є потоком якихось часток, що випускаються світиться тілом.

Третя точка зору на природу світла була висловлена ​​Аристотелем. Він розглядав світ як розповсюджується в просторі дію або рух. Надалі його погляди на природу світла поклали початок хвильової теорії світла. Необхідно відзначити, що величезну роль у розвитку оптики зіграло визначення швидкості світла. Вперше швидкість світла була визначена датським астрономом Олаф Ремер (1644-1710) у 70-х роках XVII століття. Провівши спостереження над затемненням супутників Юпітера й вимірявши час їх затемнення, він зміг з отриманих даних підрахувати швидкість поширення світла. За його підрахунками, швидкість світла вийшла рівною 300870 км / с.

У XVII столітті відбувається остаточне формування двох протилежних теорій світла: корпускулярної та хвильової.

З точки зору нової теорії добре пояснювалося прямолінійне поширення світла і закон відбиття світла. Крім того, закон заломлення також не суперечив цієї теорії. Не було протиріч і з загальними уявленнями про будову речовини. Але, незважаючи на переважання поглядів про корпускулярну природу світла, починають розвиватися і уявлення про його хвильову природу.

Родоначальником хвильової теорії світла є Декарт. Згідно з його поглядами, світло - це щось на зразок тиску, що передається через тонку середовище від світиться тіла у всі сторони. Якщо тіло підігрітий і світиться, то це означає, що його частки знаходяться в русі і чинять тиск на частки того середовища, яке заповнює весь простір (ефір). Тиск поширюється на всі боки і, доходячи до ока, викликає в ньому відчуття світла. Однак необхідно відзначити те, що погляди Декарта носили суто умоглядний характер.

Перше відкриття, яке свідчить про хвильову природу світла, було зроблено італійським вченим Франческо Грімальді (1618-1663), який зауважив, що якщо на шляху вузького пучка світлових променів поставити предмет, то на екрані, поставленому ззаду, не виходить різкій тіні. Краї тіні розмиті, крім того, вздовж тіні з'являються кольорові смуги. Відкрите ним явище учений назвав дифракцією. Грімальді пояснював це явище тим, що світло - це флюїд (тонка невідчутна рідина) і при зустрічі з перешкодою виникають хвилі цього флюїду.

Дифракцією світла називається явище огибания світловими хвилями малих перешкод, що зустрічаються на шляху їх поширення. Наприклад, при проходженні світла через мале круглий отвір на екрані навколо центрального світлої плями спостерігаються чергуються темні і світлі кільця. Чим менше розміри екрану або отвори, тим сильніше дифракція світла.

Другим важливим відкриттям, що належать до фізичної оптики, було відкриття інтерференції світла. Важлива роль у дослідженні інтерференції належить англійському фізику Роберту Гуку (1635-1703). Гук вважав, що світло - це коливальні рухи, що поширюються в ефірі. Він навіть висловлював припущення, що ці коливання є поперечними. При вивченні кольору мильних плівок і тонких пластинок з слюди він виявив, що ці кольори залежать від товщини мильної плівки або слюдяної платівки. Явище інтерференції світла в тонких плівках Гук пояснював тим, що від верхньої і нижньої поверхні тонкої (наприклад, мильної) плівки відбувається віддзеркалення світлових хвиль, які, потрапляючи в око, виробляють відчуття різних кольорів.

Світлові хвилі частково відбиваються від поверхні тонкої плівки, частково проходять в неї. На другий кордоні плівки знову відбувається часткове відображення хвиль. Світлові хвилі, відбиті двома поверхнями тонкої плівки, поширюються в одному напрямку, але проходять різні шляхи. При різниці ходу Δ 1, кратній цілому числу довжин хвиль λ:

Δ 1 = 2k ,

спостерігається інтерференційний максимум. При різниці Δ 1, кратної непарному числу півхвиль:

Δ 1 = (2k +1) ,

спостерігається інтерференційний мінімум. Коли виконується умова максимуму для однієї довжини світлової хвилі, то воно не виконується для інших довжин хвиль. Тому освітлювана білим світлом тонка безбарвна прозора плівка здається забарвленою. При зміні товщини плівки або кута падіння світлових хвиль різниця ходу змінюється і умова максимуму виконується для світла з іншого довжиною хвилі.

Дифракція світла використовується в так званої дифракційної решітці, що представляє собою прозору пластинку з нанесеною на неї системою паралельних непрозорих смуг, розташованих на однакових відстанях d один від одного.

При падінні на грати монохроматичної хвилі з плоским хвильовим фронтом в результаті дифракції з кожної щілини світло буде поширюватися не тільки в первісному напрямку, але і по всіх інших напрямках.

Якщо за гратами поставити збиральну лінзу, то на екрані в фокальній площині паралельні промені від усіх щілин зберуться в одну смужку. Паралельні промені, що йдуть від країв двох сусідніх щілин, мають різницю ходу:

Δ 1 = d ,

де d - відстань між відповідними краями сусідніх щілин, зване періодом решітки, φ - кут відхилення світлових променів від перпендикуляра до площини грат. При рівності різниці ходу Δ 1 цілому числу довжин хвиль:

d λ,

де λ - довжина хвилі падаючого світла, спостерігається інтерференційний максимум світла. Лінза не вносить різниці ходу. Таким чином, умова інтерференційного максимуму для кожної довжини світлової хвилі виконується при своєму значенні кута дифракції φ. У результаті при проходженні через дифракційну решітку пучок білого світла розкладається в спектр.

Третє важливе відкриття, що відноситься до хвильової оптики, було зроблено в 1669 році датським вченим Бартоліні. Він відкрив явище подвійного променезаломлення в кристалі ісландського шпату. Бартолін виявив, що якщо дивитися на який-небудь предмет через кристал ісландського шпату, то видно не одне, а два зображення, зміщені один щодо одного. Це явище потім досліджував Гюйгенс і спробував дати йому пояснення з точки зору хвильової теорії світла.

Гюйгенс вважав, що все світове простір заповнений тонкої невідчутною середовищем - ефіром, який складається з дуже маленьких пружних кульок. Ефір заповнює також простір між атомами, що утворюють звичайні тіла. На його думку, поширення світла - це процес передачі руху від кульки до кульки. Для того щоб показати здатність хвильової теорії пояснити прямолінійне поширення світла, Гюйгенс висуває свій, вже відомий нам, принцип. Грунтуючись на цьому принципі, він дав пояснення закону прямолінійного поширення світла, законам відбиття і заломлення. Але, як відомо, принцип Гюйгенса не міг пояснити явища дифракції й інтерференції. Крім того, теорія Гюйгенса була теорією безбарвного світла.

Першим, хто зміг розібратися в явищі розкладання білого світла призмою в спектр, був Ісаак Ньютон. У 60-і роки XVII століття він відкрив явище дисперсії світла і простих квітів. Вивчаючи явище розкладання білого світла в спектр, Ньютон прийшов до висновку, що біле світло є складним світлом. Він являє собою суму простих кольорових променів. Для того щоб підтвердити висновок про те, що біле світло складається з простих кольорових променів і розкладається на них при проходженні через призму, Ньютон провів наступний досвід.

На екрані, на якому спостерігався спектр, робилося також малий отвір. Через отвір пропускали вже не білий світ, а монохроматичне пучок світла, тобто світло, що має певне забарвлення. На шляху цього пучка Ньютон ставив нову призму, а за нею новий екран. Цей пучок світла відхилявся призмою як одне ціле, під певним кутом. При цьому світло не змінював свого забарвлення. Повертаючи першу призму, Ньютон пропускав через отвір екрана кольорові промені різних ділянок спектра. У всіх випадках вони не розкладалися друге призмою, а лише відхилялися на певний кут, різний для променів різного кольору.

Після цього Ньютон прийшов до висновку, що біле світло розкладається на кольорові промені, які є простими і призмою не розкладаються. Для кожного кольору показник заломлення має своє певне значення. Відкриття дисперсії підтверджувало, на думку Ньютона, корпускулярну теорію світла.

Дисперсією світла називається явище залежності швидкості світла від довжини хвилі або частоти. При проходженні через призму білого світла на екрані, встановленому за призмою, спостерігається райдужна смуга, що складається з семи монохроматичних складових та їх півтонів. Ця смуга називається дисперсійним спектром. Цей спектр умовно ділиться на сім кольорів: червоний, оранжевий, жовтий, зелений, блакитний, синій, фіолетовий. Зміна кольору відбувається безперервно, причому суміш всіх семи кольорів дає білий колір. Якщо з повного спектру виключити один з квітів, то комбінація залишилися кольорів дає кольору, які називаються додатковими.

Пояснюється розкладання білого світла тим, що біле світло складається з електромагнітних хвиль з різною довжиною хвилі і показник заломлення світла залежить від його довжини хвилі. Найбільше значення він має для світла з найкоротшою довжиною хвилі - фіолетового світла. Найменшим показником заломлення має самий довгохвильовий світло - червоний. Абсолютний показник заломлення світла визначається відношенням швидкості світла С у вакуумі до швидкості світла V в середовищі:

n = .

Дослідження показали, що у вакуумі швидкість світла однакова для світла з будь-якою довжиною хвилі. Таким чином, розкладання світла у скляній призмі обумовлено залежністю швидкості поширення світла в середовищі від довжини світлової хвилі.

Для того щоб запам'ятати чергування кольорів в спектрі, зазвичай пропонують запам'ятати наступну фразу: "Кожен Мисливець Бажає Знати Де Ховається Фазан», де великі літери кожного слова є першими літерами в назві відповідного кольору - червоний, оранжевий, жовтий, зелений, блакитний, синій, фіолетовий.

Корпускулярна теорія, як уже зазначалося, не в змозі була пояснити явище інтерференції і дифракції світла. Тоді Ньютон сам зайнявся дослідженням інтерференції. Він взяв лінзу, поклав її на скляну пластинку і поспостерігав темні і світлі кільця, які видно при висвітленні лінзи і платівки монохроматичним світлом. Це були так звані кільця Ньютона.

В кінці XVIII столітті англійський учений Томас Юнг (1773-1829) прийшов до висновку, що кільця Ньютона можна пояснити з точки зору хвильової теорії світла, спираючись на принцип інтерференції. Саме він вперше і ввів назву «інтерференція» (від латинських слів «inter» - «взаємно» і «ferio» - «ударяю»).

На думку Юнга, кільця Ньютона у відбитому світлі виникають в результаті інтерференції двох променів світла, відбитих від верхньої і нижньої поверхонь повітряного прошарку, утвореної лінзою і скляною пластинкою. Від товщини цього прошарку буде залежати різниця ходу між зазначеними променями. Зокрема, вони можуть посилювати чи гасити один одного. У першому випадку ми бачимо світле кільце, в другому - темне. Якщо світло, що висвітлює установку, білий, то будуть спостерігатися кольорові кільця. За розташуванням кілець для різних квітів можна підрахувати довжину хвилі відповідних кольорових променів. Юнг проробив цей розрахунок і визначив довжину хвилі для різних ділянок спектра.

Істотний вплив на розвиток хвильової теорії надав французький інженер Огюстен Френель (1788-1827). Він дав пояснення прямолінійним поширенню світла, показавши, що промені, поляризовані перпендикулярно один до одного, не інтерферують. У дослідах по дифракції світла він встановив, що дифракційні смуги з'являються внаслідок інтерференції променів. Принцип інтерференції дозволив Френелю закони відбиття і заломлення пояснити взаємним погашенням світлових коливань у всіх напрямках, за винятком тих, які задовольняють закону відображення. Йому вдалося експериментально довести, що світлові промені можуть впливати один на одного, послаблюватися і навіть майже повністю погашатися у випадках приголосних коливань, що і дозволило йому дати пояснення явищу дифракції. Основна увага Френель приділяв дослідам по дифракції світла, для якої розробив спеціальну теорію. Ця теорія виходила на вдосконаленому принципі Гюйгенса, який ми вже розглядали вище як принцип Гюйгенса - Френеля. Використовуючи цей принцип, Френель досліджував різні випадки дифракції і розрахував розташування смуг для цих випадків.

У XVII столітті велика увага приділялася дослідженню явища подвійного променезаломлення. Датський фізик Бартолін спостерігав, що коли на кристал ісландського шпату падає промінь світла, то він при ламанні роздвоюється. Якщо дивитися на точкове джерело світла через цей кристал, то можна побачити не один, а два таких джерела. Це явище залежить від орієнтації кристала щодо променя. У кристалі є напрям, за яким раздваіваніе променя не відбувається. Цей напрямок називається оптичною віссю кристала.

Досліджуючи явище подвійного променезаломлення на початку XIX століття, французький інженер Малюс виявив, що якщо дивитися через кристал ісландського шпату на зображення сонця у склі, то при одних положеннях цього кристала видно два сонця, а при певному положенні скла і кристала одне із зображень пропадає, навіть якщо світлові промені спрямовані не вздовж оптичної осі. Так було відкрито явище поляризації світла.

Інтенсивність світлового пучка, що проходить через деякі прозорі кристали, залежить від взаємної орієнтації двох кристалів. При однаковій орієнтації кристалів світло проходить через другий кристал без ослаблення. Якщо ж другий кристал повернутий на 90 ° від початкового положення, то світло через нього не проходить. При проходженні через перший кристал відбувається поляризація світла, тобто кристал пропускає тільки такі хвилі, в яких коливання вектора Е напруженості електричного поля відбуваються в одній площині. Ця площина називається площиною поляризації. Якщо площину, в якій пропускаються коливання другий кристалом, збігається з площиною поляризації, поляризоване світло проходить через другий кристал без ослаблення. При повороті кристалу на 90 ° поляризоване світло не проходить через кристал.

Аналізуючи явища поляризації та подвійного променезаломлення, Юнг та Френель зробили висновок про поперечности світлових хвиль. За допомогою цієї гіпотези Френель досліджував зазначені явища і розробив теорію проходження поперечних хвиль через двоякопреломляющих тіло. Нові дослідження інтерференції та дифракції світла, зокрема винахід дифракційної решітки, все більше і більше підтверджували хвильову теорію світла. До 40-х років XIX століття ця теорія стала загальновизнаною.

Одним з найбільш важких для хвильової теорії світла було питання про те, що ж коливається при поширенні світлових хвиль, в якому середовищі вони поширюються.

На питання про природу світла і механізм його поширення давала відповідь гіпотеза Максвелла. На підставі збігу експериментально виміряного значення швидкості світла у вакуумі зі значенням швидкості розповсюдження електромагнітних хвиль Максвел висловив припущення, що світло - це електромагнітні хвилі. Його гіпотеза підтверджується багатьма експериментальними фактами. Уявленням електромагнітної теорії світла повністю відповідають експериментально відкриті закони відбиття і заломлення світла, явища інтерференції, дифракції і поляризація світла.

Однак електромагнітна теорія світла не в змозі пояснити закони фотоефекту, явища взаємодії світла з речовиною, в яких виявляються корпускулярні властивості світла.

Фотоелектричним ефектом або фотоефектом називається явище випускання електронів речовиною під дією світла, відкрите в 1887 році Генріхом Герцом. Фотоефект підкоряється ряду закономірностей:

- Енергія звільнених електронів, які називаються фотоелектронами, абсолютно не залежить від інтенсивності світла;

- Підвищення інтенсивності призводить до збільшення числа фотоелектронів, але не їх швидкості;

- Число фотоелектронів пропорційно інтенсивності світла;

- Швидкість електронів залежить тільки від частоти падаючого світла: зі збільшенням частоти енергія фотоелектронів зростає лінійно.

Всі тіла, крім теплового випромінювання, в результаті різних зовнішніх впливів дають надмірне випромінювання, яке не визначається температурою тіла. Люмінесценцією називають всі види світінь, порушуваних за рахунок будь-якого зовнішнього джерела енергії. Тривалість люмінесценції після припинення зовнішнього впливу значно перевищує період світлових коливань, що дозволяє відрізняти її від відображення і розсіювання світла і ін

Люмінесценція обумовлена ​​коливаннями невеликої кількості атомів або молекул речовини, які під дією джерела енергії переходять в збуджений стан. Випромінювання виникає в результаті переходів атомів або молекул з цих станів у збудженому-менш збуджений стан, в результаті чого вивільняється певна енергія. Короткочасна люмінесценція називається флуоресценцією.

Завдяки розвитку хвильової оптики людина відкрила явище голографії. Фізична ідея голографії полягає в тому, що при накладенні двох світлових пучків, за певних умов, може виникати інтерференційна картина, тобто в просторі виникають максимуми і мінімуми інтенсивності світла. Для того щоб ця інтерференційна картина була стійкою якийсь час і її можна було записати, ці два пучки повинні мати певні властивості - вони повинні бути взаємно когерентним (тобто в них повинна бути одна і та ж довжина хвилі) і, крім цього, за час реєстрації має бути одна фаза коливань, тобто коливання світлового поля повинні бути синхронними. Практично це досягається тим, що два пучки утворюються розподілом пучка одного джерела випромінювання, випромінює суворо одну довжину хвилі (лазер зі спеціальними параметрами випромінювання). Так як довжина хвилі світла досить мала, то відстань між інтерференційними максимумами і мінімумами теж мало - близько 1 мкм, тому для реєстрації застосовуються спеціальні дрібнозернисті фотоемульсії.

Термін «голографія» (Holography) утворений поєднанням слів «повний, весь» і «малювати, записувати», так що декілька вільний переклад терміну може звучати як «найбільш повний запис образу об'єкта». У найбільш загальному вигляді ідея голографії може бути сформульована так - якщо якимось способом точно зафіксувати структуру світлового поля, що виходить від об'єкта, записати її на який-небудь носій, а потім відновити це поле з достатньою точністю, то спостерігач не зможе розрізнити, спостерігає Чи він сам об'єкт або ж його імітацію. У більш вузькому сенсі термін «голографія» позначає технологію (точніше, пакет технологій, об'єднаних спільною ідеєю) такий «повної» записи хвильового поля.

Лазерний промінь розщеплюється на два пучки, розширюється оптикою, щоб освітити весь об'єкт цілком. Один пучок, званий «об'єктним", направляється на об'єкт, висвітлюючи його так, щоб відбите від нього випромінювання потрапляло на фотопластинку. Другий пучок, який називають «опорним", направляється прямо на фотопластинку. Ці два пучки будуть інтерферувати на поверхні фотопластинки, і при розгляді під мікроскопом поверхню пластинки буде покрита безліччю інтерференційних ліній, кілець. Це і є запис структури хвильового поля, відбитого об'єктом.

Отримана голограма носить назву пропускає голограми. Якщо тепер цю голограму висвітлити пучком лазерного світла (на просвіт, звідси й назва - пропускає), то можна буде побачити відновлене зображення, розташоване точно в тому місці, де раніше, при зйомці, знаходився об'єкт. Відбувається це в результаті того, що лазерний світло, проходячи через фотопластинку із записаною раніше структурою світлового поля, набуває всіх властивостей світлового потоку, який раніше, під час запису, відбивався об'єктом.