Физическая оптика

3.   Физическая оптика

 

Первые представления о том, что такое свет, относятся к древности. Подавляющее большинство древних мыслителей рассматривало свет как некие лучи, соединяющие светящееся тело и человеческий глаз. При этом одни из них полагали, что лучи исходят из глаз человека, они как бы ощупывают рассматриваемый предмет. Однако позже, к началу XVII века, такое представление о природе света теряет свое значение.

Наслаждаясь видом безоблачного неба, мы вряд ли склонны рассуждать о том, что небесная синева - это одно из проявлений рассеяния света. Оказывается, синие лучи, падающие на Землю от Солнца, рассеиваются молекулами воздуха примерно в 6 раз сильнее красных, поэтому небо выглядит голубым, а солнце тем краснее, чем оно ближе к горизонту. Подобным образом объяснил голубой цвет неба в 1871 году знаменитый английский математик и физик Джон Уильям Страт (по отцу - лорд Рэлей). С тех пор рассеяние света на отдельных атомах или молекулах и вообще на маленьких частицах - с размерами, намного меньшими длины световой волны, называют рэлеевским рассеянием.

Другая точка зрения заключалась в том, что лучи испускаются светящимся телом и, достигая человеческого глаза, несут на себе отпечаток светящегося предмета. Такой точки зрения придерживались атомисты Демокрит, Эпикур, Лукреций. Позже, в XVII веке, эта точка зрения оформилась в корпускулярную теорию света, согласно которой свет является потоком неких частиц, испускаемых светящимся телом.

Третья точка зрения на природу света была высказана Аристотелем. Он рассматривал свет как распространяющееся в пространстве действие или движение. В дальнейшем его взгляды на природу света положили начало волновой теории света. Необходимо отметить, что огромную роль в развитии оптики сыграло определение скорости света. Впервые скорость света была определена датским астрономом Олафом Ремером (1644—1710) в 70-х годах XVII века. Проведя наблюдения над затмением спутников Юпитера и измерив время их затмения, он смог из полученных данных подсчитать скорость распространения света. По его подсчетам, скорость света получилась равной 300870 км/с.

В XVII веке происходит окончательное формирование двух противоположных теорий света: корпускулярной и волновой.

С точки зрения корпускулярной теории хорошо объяснялось прямолинейное распространение света и закон отражения света. Кроме того, закон преломления также не противоречил этой теории. Не было противоречий и с общими представлениями о строении вещества. Но, несмотря на преобладание взглядов о корпускулярной природе света, начинают развиваться и представления о его волновой природе.

Родоначальником волновой теории света является Декарт. Согласно его взглядам, свет - это нечто вроде давления, передающегося через тонкую среду от светящегося тела во все стороны. Если тело нагрето и светится, то это значит, что его частицы находятся в движении и оказывают давление на частицы той среды, которая заполняет все пространство (эфир). Давление распространяется во все стороны и, доходя до глаза, вызывает в нем ощущение света. Однако необходимо отметить то, что взгляды Декарта носили чисто умозрительный характер.

Первое открытие, свидетельствующее о волновой природе света, было сделано итальянским ученым Франческо Гримальди (1618—1663), который заметил, что если на пути узкого пучка световых лучей поставить предмет, то на экране, поставленном сзади, не получается резкой тени. Края тени размыты, кроме того, вдоль тени появляются цветные полосы. Открытое им явление ученый назвал дифракцией. Гримальди объяснял это явление тем, что свет — это флюид (тонкая неощутимая жидкость) и при встрече с препятствием возникают волны этого флюида.

Дифракцией света называется явление огибания световыми волнами малых препятствий, встречающихся на пути их распространения. Например, при прохождении света через малое круглое отверстие на экране вокруг центрального светлого пятна наблюдаются чередующиеся темные и светлые кольца. Чем меньше размеры экрана или отверстия, тем сильнее дифракция света.

Вторым важным открытием, относящимся к физической оптике, было открытие интерференции света. Важная роль в исследовании интерференции принадлежит английскому физику Роберту Гуку (1635-1703). Гук считал, что свет - это колебательные движения, распространяющиеся в эфире. Он даже высказывал предположение, что эти колебания являются поперечными. При изучении цвета мыльных пленок и тонких пластинок из слюды он обнаружил, что эти цвета зависят от толщины мыльной пленки или слюдяной пластинки. Явление интерференции света в тонких пленках Гук объяснял тем, что от верхней и нижней поверхности тонкой (например, мыльной) пленки происходит отражение световых волн, которые, попадая в глаз, производят ощущение различных цветов.

Световые волны частично отражаются от поверхности тонкой пленки, частично проходят в нее. На второй границе пленки вновь происходит частичное отражение волн. Световые волны, отраженные двумя поверхностями тонкой пленки, распространяются в одном направлении, но проходят разные пути. При разности хода Δ1, кратной целому числу длин волн λ:

Δ1 = 2k ,

наблюдается интерференционный максимум. При разности Δ1, кратной нечетному числу полуволн:

Δ1 = (2k+1),

наблюдается интерференционный минимум. Когда выполняется условие максимума для одной длины световой волны, то оно не выполняется для других длин волн. Поэтому освещаемая белым светом тонкая бесцветная прозрачная пленка кажется окрашенной. При изменении толщины пленки или угла падения световых волн разность хода изменяется и условие максимума выполняется для света с другой длиной волны.

Дифракция света используется в так называемой дифракционной решетке, представляющей собой прозрачную пластинку с нанесенной на нее системой параллельных непрозрачных полос, расположенных на одинаковых расстояниях d друг от друга.

При падении на решетку монохроматической волны с плоским волновым фронтом в результате дифракции из каждой щели свет будет распространяться не только в первоначальном направления, но и по всем другим направлениям.

Если за решеткой поставить собирающую линзу, то на экране в фокальной плоскости параллельные лучи от всех щелей соберутся в одну полоску. Параллельные лучи, идущие от краев двух соседних щелей, имеют разность хода:

Δ1 = d,

где d — расстояние между соответствующими краями соседних щелей, называемое периодом решетки, φ- угол отклонения световых лучей от перпендикуляра к плоскости решетки. При равенстве разности хода Δ1 целому числу длин волн:

d λ,

где λ - длина волны падающего света, наблюдается интерференционный максимум света. Линза не вносит разности хода. Таким образом, условие интерференционного максимума для каждой длины световой волны выполняется при своем значении угла дифракции φ. В результате при прохождении через дифракционную решетку пучок белого света разлагается в спектр.

Третье важное открытие, относящееся к волновой оптике, было сделано в 1669 году датским ученым Бартолином. Он открыл явление двойного лучепреломления в кристалле исландского шпата. Бартолин обнаружил, что если смотреть на какой-либо предмет через кристалл исландского шпата, то видно не одно, а два изображения, смещенные друг относительно друга. Это явление затем исследовал Гюйгенс и попытался дать ему объяснение с точки зрения волновой теории света.

Гюйгенс полагал, что все мировое пространство заполнено тонкой неощутимой средой - эфиром, который состоит из очень маленьких упругих шариков. Эфир заполняет также пространство между атомами, образующими обычные тела. По его мнению, распространение света - это процесс передачи движения от шарика к шарику. Для того чтобы показать способность волновой теории объяснить прямолинейное распространение света, Гюйгенс выдвигает свой, уже известный нам, принцип. Основываясь на этом принципе, он дал объяснения закону прямолинейного распространения света, законам отражения и преломления. Но, как известно, принцип Гюйгенса не мог объяснить явления дифракции и интерференции. Кроме того, теория Гюйгенса была теорией бесцветного света.

Первым, кто смог разобраться в явлении разложения белого света призмой в спектр, был Исаак Ньютон. В 60-е годы XVII века он открыл явление дисперсии света и простых цветов. Изучая явление разложения белого света в спектр, Ньютон пришел к заключению, что белый свет является сложным светом. Он представляет собой сумму простых цветных лучей. Для того чтобы подтвердить вывод о том, что белый свет состоит из простых цветных лучей и разлагается на них при прохождении через призму, Ньютон провел следующий опыт.

В экране, на котором наблюдался спектр, делалось также малое отверстие. Через отверстие пропускали уже не белый свет, а монохроматический пучок света, т.е. свет, имеющий определенную окраску. На пути этого пучка Ньютон ставил новую призму, а за ней новый экран. Этот пучок света отклонялся призмой как одно целое, под определенным утлом. При этом свет не изменял своей окраски. Поворачивая первую призму, Ньютон пропускал через отверстие экрана цветные лучи различных участков спектра. Во всех случаях они не разлагались второй призмой, а лишь отклонялись на определенный угол, разный для лучей различного цвета.

 После этого Ньютон пришел к заключению, что белый свет разлагается на цветные лучи, которые являются простыми и призмой не разлагаются. Для каждого цвета показатель преломления имеет свое определенное значение. Открытие дисперсии подтверждало, по мнению Ньютона, корпускулярную теорию света.

Дисперсией света называется явление зависимости скорости света от длины волны или частоты. При прохождении через призму белого света на экране, установленном за призмой, наблюдается радужная полоса, состоящая из семи монохроматических составляющих и их полутонов. Эта полоса называется дисперсионным спектром. Этот спектр условно делится на семь цветов: красный, оранжевый, желтый, зеленый, голубой, синий, фиолетовый. Смена цвета происходит непрерывно, причем смесь всех семи цветов дает белый цвет. Если из полного спектра исключить один из цветов, то комбинация оставшихся цветов дает цвета, которые называются дополнительными.

Объясняется разложение белого света тем, что белый свет состоит из электромагнитных волн с разной длиной волны и показатель преломления света зависит от его длины волны. Наибольшее значение он имеет для света с самой короткой длиной волны - фиолетового света. Наименьшим показателем преломления обладает самый длинноволновый свет - красный. Абсолютный показатель преломления света определяется отношением скорости света С в вакууме к скорости света V в среде:

n = .

Исследования показали, что в вакууме скорость света одинакова для света с любой длиной волны. Таким образом, разложение света в стеклянной призме обусловлено зависимостью скорости распространения света в среде от длины световой волны.

Для того чтобы запомнить чередование цветов в спектре, обычно предлагают запомнить следующую фразу: «Каждый Охотник Желает Знать Где Скрывается Фазан», где заглавные буквы каждого слова являются первыми буквами в названии соответствующего цвета — красный, оранжевый, желтый, зеленый, голубой, синий, фиолетовый.

Корпускулярная теория, как уже указывалось, не в состоянии была объяснить явление интерференции и дифракции света. Тогда Ньютон сам занялся исследованием интерференции. Он взял линзу, положил ее на стеклянную пластинку и пронаблюдал темные и светлые кольца, которые видны при освещении линзы и пластинки монохроматическим светом. Это были так называемые кольца Ньютона.

В конце XVIII веке английский ученый Томас Юнг (1773—1829) пришел к выводу, что кольца Ньютона можно объяснить с точки зрения волновой теории света, опираясь на принцип интерференции. Именно он впервые и ввел название «интерференция» (от латинских слов «inter» — «взаимно» и «ferio» — «ударяю»).

По мнению Юнга, кольца Ньютона в отраженном свете возникают в результате интерференции двух лучей света, отраженных от верхней и нижней поверхностей воздушной прослойки, образованной линзой и стеклянной пластинкой. От толщины этой прослойки будет зависеть разность хода между указанными лучами. В частности, они могут усиливать или гасить друг друга. В первом случае мы видим светлое кольцо, во втором - темное. Если свет, освещающий установку, белый, то будут наблюдаться цветные кольца. По расположению колец для разных цветов можно подсчитать длину волны соответствующих цветных лучей. Юнг проделал этот расчет и определил длину волны для разных участков спектра.

Существенное влияние на развитие волновой теории оказал французский инженер Огюстен Френель (1788—1827). Он дал объяснение прямолинейному распространению света, показав, что лучи, поляризованные перпендикулярно друг к другу, не интерферируются. В опытах по дифракции света он установил, что дифракционные полосы появляются вследствие интерференции лучей. Принцип интерференции позволил Френелю законы отражения и преломления объяснить взаимным погашением световых колебаний во всех направлениях, за исключением тех, которые удовлетворяют закону отражения. Ему удалось экспериментально доказать, что световые лучи могут воздействовать друг на друга, ослабляться и даже почти полностью погашаться в случаях согласных колебаний, что и позволило ему дать объяснение явлению дифракции. Основное внимание Френель уделял опытам по дифракции света, для которой разработал специальную теорию. Эта теория основывалась на усовершенствованном принципе Гюйгенса, который мы уже рассматривали выше как принцип Гюйгенса - Френеля. Используя этот принцип, Френель исследовал разные случаи дифракции и рассчитал расположение полос для этих случаев.

В XVII веке большое внимание уделялось исследованию явления двойного лучепреломления. Датский физик Бартолин наблюдал, что когда на кристалл исландского шпата падает луч света, то он при преломлении раздваивается. Если смотреть на точечный источник света через этот кристалл, то можно увидеть не один, а два таких источника. Это явление зависит от ориентации кристалла относительно луча. В кристалле есть направление, по которому раздваивание луча не происходит. Это направление называется оптической осью кристалла.

Исследуя явление двойного лучепреломления в начале XIX века, французский инженер Малюс обнаружил, что если смотреть через кристалл исландского шпата на изображение солнца в стекле, то при одних положениях этого кристалла видно два солнца, а при определенном положении стекла и кристалла одно из изображений пропадает, даже если световые лучи направлены не вдоль оптической оси. Так было открыто явление поляризации света.

Интенсивность светового пучка, проходящего через некоторые прозрачные кристаллы, зависит от взаимной ориентации двух кристаллов. При одинаковой ориентации кристаллов свет проходит через второй кристалл без ослабления. Если же второй кристалл повернут на 90° от первоначального положения, то свет через него не проходит. При прохождении через первый кристалл происходит поляризация света, т.е. кристалл пропускает только такие волны, в которых колебания вектора Е напряженности электрического поля совершаются в одной плоскости. Эта плоскость называется плоскостью поляризации. Если плоскость, в которой пропускаются колебания вторым кристаллом, совпадает с плоскостью поляризации, поляризованный свет проходит через второй кристалл без ослабления. При повороте кристалла на 90° поляризованный свет не проходит через кристалл.

Анализируя явления поляризации и двойного лучепреломления, Юнг и Френель сделали вывод о поперечности световых волн. С помощью этой гипотезы Френель исследовал указанные явления и разработал теорию прохождения поперечных волн через двоякопреломляющее тело. Новые исследования интерференции и дифракции света, в частности изобретение дифракционной решетки, все больше и больше подтверждали волновую теорию света. К 40-м годам XIX века эта теория стала общепризнанной.

Одним из наиболее трудных для волновой теории света был вопрос о том, что же колеблется при распространении световых волн, в какой среде они распространяются.

На вопрос о природе света и механизме его распространения давала ответ гипотеза Максвелла. На основании совпадения экспериментально измеренного значения скорости света в вакууме со значением скорости распространения электромагнитных волн Максвелл высказал предположение, что свет - это электромагнитные волны. Его гипотеза подтверждается многими экспериментальными фактами. Представлениям электромагнитной теории света полностью соответствуют экспериментально открытые законы отражения и преломления света, явления интерференции, дифракции и поляризация света.

Однако электромагнитная теория света не в состоянии объяснить законы фотоэффекта, явления взаимодействия света с веществом, в которых проявляются корпускулярные свойства света.

Фотоэлектрическим эффектом или фотоэффектом называется явление испускания электронов веществом под действием света, открытое в 1887 году Генрихом Герцем. Фотоэффект подчиняется ряду закономерностей:

- энергия освобожденных электронов, называемых фотоэлектронами, абсолютно не зависит от интенсивности света;

- повышение интенсивности приводит к увеличению числа фотоэлектронов, но не их скорости;

- число фотоэлектронов пропорционально интенсивности света;

- скорость электронов зависит только от частоты падающего света: с увеличением частоты энергия фотоэлектронов возрастает линейно.

Все тела, кроме теплового излучения, в результате различных внешних воздействий дают избыточное излучение, которое не определяется температурой тела. Люминесценцией называют все виды свечений, возбуждаемых за счет любого внешнего источника энергии. Длительность люминесценции после прекращения внешнего воздействия значительно превышает период световых колебаний, что позволяет отличать ее от отражения и рассеяния света и пр.

Люминесценция обусловлена колебаниями небольшого количества атомов или молекул вещества, которые под действием источника энергии переходят в возбужденное состояние. Излучение возникает в результате переходов атомов или молекул из этих состояний в невозбужденное или менее возбужденное состояние, в результате чего высвобождается определенная энергия. Кратковременная люминесценция называется флюоресценцией.

Благодаря развитию волновой оптики человек открыл явление голографии. Физическая идея голографии состоит в том, что при наложении двух световых пучков, при определенных условиях, может возникать интерференционная картина, то есть в пространстве возникают максимумы и минимумы интенсивности света. Для того чтобы эта интерференционная картина была устойчивой какое-то время и ее можно было записать, эти два пучка должны обладать определенными свойствами - они должны быть взаимно когерентными (т.е. у них должна быть одна и та же длина волны) и, кроме этого, за время регистрации должна быть одна фаза колебаний, то есть колебания светового поля должны быть синхронными. Практически это достигается тем, что два пучка образуются делением пучка одного источника излучения, излучающего строго одну длину волны (лазер со специальными параметрами излучения). Так как длина волны света достаточно мала, то расстояние между интерференционными максимумами и минимумами тоже мало - порядка 1 мкм, поэтому для регистрации применяются специальные мелкозернистые фотоэмульсии.

Термин «голография» (Holography) образован сочетанием слов «полный, весь» и «рисовать, записывать», так что несколько свободный перевод термина может звучать как «наиболее полная запись образа объекта». В наиболее общем виде идея голографии может быть сформулирована так - если каким-то способом точно зафиксировать структуру светового поля, исходящего от объекта, записать ее на какой-либо носитель, а затем восстановить это поле с достаточной точностью, то наблюдатель не сможет различить, наблюдает ли он сам объект или же его имитацию. В более узком смысле термин «голография» обозначает технологию (точнее, пакет технологий, объединенных общей идеей) такой «полной» записи волнового поля.

Лазерный луч расщепляется на два пучка, расширяется оптикой, чтобы осветить весь объект целиком. Один пучок, называемый «объектным», направляется на объект, освещая его так, чтобы отраженное от него излучение попадало на фотопластинку. Второй пучок, который называют «опорным», направляется прямо на фотопластинку. Эти два пучка будут интерферировать на поверхности фотопластинки, и при рассмотрении под микроскопом поверхность пластинки будет покрыта множеством интерференционных линий, колец. Это и есть запись структуры волнового поля, отраженного объектом.

Полученная голограмма носит название пропускающей голограммы. Если теперь эту голограмму осветить пучком лазерного света (на просвет, отсюда и название - пропускающая), то можно будет увидеть восстановленное изображение, расположенное точно в том месте, где ранее, при съемке, находился объект. Происходит это в результате того, что лазерный свет, проходя через фотопластинку с записанной ранее структурой светового поля, приобретает все свойства светового потока, который ранее, при записи, отражался объектом.