Факторы возникновения световой волны. Фотометрические величины и единицы их измерения

1. Факторы возникновения световой волны. Фотометрические величины и единицы их измерения.

2. Световая волна

Это электромагнитная волна в оптическом диапазоне с частотами от
3*10^10 до 3*10^19 Гц и длинами волн от 1*10^-11 до 1*10^-2 м.
Электромагнитная волна – это распространение колебаний векторов Е
и Н в пространстве и по времени.
Оптический диапазон: Ультрафиолетовый (УФ: 10нм – 400нм),
Видимый (360нм – 780нм) и Инфракрасный (ИК: 780нм – 1мм).

3. Явления, возникающие при распространении и взаимодействии со средой световой волны.

Интерференция;
Дифракция;
Рассеяние;
Дисперсия;
Полное внутреннее отражение
Отражение, преломление, поглощение.

4. Отражение

Взаимодействия световых волн с
поверхностью, изменение направления
волнового фронта на границе двух сред с
разными
свойствами,
в
котором
волновой фронт возвращается в среду,
из которой он пришёл.
Закон отражения:
Преломление
Изменение
направления
распространения волн, возникающее на
границе раздела двух прозрачных сред.
Закон преломления:
n1 sin n2 sin

5. Поглощение

Поглощение света - уменьшение его интенсивности при прохождении через
вещество вследствие превращения световой энергии в другие виды энергии.
Закон Бугера-Ламберта-Бера
где I0 - интенсивность падающего света;
I - интенсивность света после
прохождения слоя вещества толщины l.
k-показатель поглощения.

6. Интерференция

Прямым подтверждением волновой природы света может служить
интерференция — явление наложения нескольких волн, при котором
в одних местах происходит усиление, а в других ослабление
амплитуды результирующей волны.
Интерференция - сложение двух когерентных волн, вследствие
которого наблюдается усиление или ослабление результирующих
световых колебаний в различных точках пространства.
Условия интерференции: Волны должны быть когерентны (или волны,
имеющие одинаковую частоту и разность фаз между ними
постоянная)
Условие интерференционного максимума:
разность хода равна целому числу длин
волн:
Условие интерференционного минимума:
разность хода равна нечетному целому
числу полудлин волн:
m.
(2m 1)
2
m 0,1, 2,....

7.

Схема интерферометра Юнга
Явление интерференции света впервые было объяснено на основе
волновых представлений Т. Юнгом в 1802 г.

8.

9. Дифракция

Наряду с интерференцией другим примером общего для всех волновых
процессов явления может служить дифракция — огибание волнами препятствий.
Для световых волн дифракция проявляется в отклонении от прямолинейного
распространения и загибании света в область геометрической тени. Характерной
особенностью дифракционных явлений в оптике оказывается то, что здесь, как
правило, длина волны света почти всегда много меньше размеров преград на
пути световых волн. Поэтому наблюдать дифракцию света можно только на
достаточно больших расстояниях от преграды. Проявление дифракции состоит в
том, что распределение освещенности отличается от простой картины,
предсказываемой геометрической оптикой на основе прямолинейного
распространения света.
В результате дифрации мы можем наблюдать в частности появление светлых и
темных участков – дифракционных полос.

10.

Дифракция на круглом отверстии

11.

Дифракция на щели

12. Дифракционные решетки

1
2
Дифракционные решетки
Наиболее часто в спектральных приборах в
качестве
диспергирующего
элемента
используются дифракционные решетки.
Лучшие
дифракционные
решетки
представляют
собой
полированные
стеклянные или металлические пластины,
на которых алмазным резцом нанесены
при помощи специальной делительной
машины
параллельные
одинаковые
штрихи,
расположенные
на
строго
одинаковых расстояниях друг от друга.
Сумма а + Ъ является периодом этой
структуры и называется постоянной
решетки d.

13. Рассеяние света

1
3
Рассеяние света
Рассеяние света — рассеяние электромагнитных волн видимого диапазона при
их взаимодействии с веществом. При этом происходит изменение
пространственного
распределения,
частоты,
поляризации
оптического
излучения, хотя часто под рассеянием понимается только преобразование
углового распределения светового потока.
Виды рассеяния, свойственные для света:
1. Рассеяние Рэлея — упругое рассеяние на малых частицах, размером много
меньше длины волны.
2. Рассеяние Ми — упругое рассеяние на крупных частицах.
3. Рассеяние Мандельштама — Бриллюэна — неупругое рассеяние на колебаниях
решётки.
4. Комбинационное (рамановское) рассеяние — неупругое рассеяние на атомных
колебаниях в молекуле.
5. Рассеяние Тиндаля — упругое рассеяние света неоднородными средами.

14.

1
4
Рэлееевское рассеяние — когерентное рассеяние света без изменения длины
волны (называемое также упругим рассеянием) на частицах, неоднородностях
или других объектах, когда частота рассеиваемого света существенно меньше
собственной частоты рассеивающего объекта или системы. Эквивалентная
формулировка: рассеяние света на объектах, размеры которых меньше его
длины волны.
Рассеяние света сферической частицей (рассеяние крупными частицами)—
классическая задача электродинамики, решённая в 1908 году Густавом Ми для
сферической частицы произвольного размера. Рассеяние
зависит
от
соотношения размеров частицы и длины волны, которая падает на частицу. В
случае, когда частица намного меньше длины волны, рассеяние является
частным случаем релеевского.
Рассееянием Мандельштама — Бриллюэна называют рассеяние оптического
излучения конденсированными средами (твердыми телами и жидкостями) в
результате его взаимодействия с собственными упругими колебаниями этих
сред. Оно сопровождается изменением набора частот (длин волн),
характеризующих излучение, — его спектрального состава. Например,
рассеяние Мандельштама — Бриллюэна монохроматического света приводит
к появлению шести частотных компонент рассеянного света, в жидкостях —

15.

1
5
Комбинационное рассеяние света (эффект Рамана) — неупругое рассеяние
оптического излучения на молекулах вещества (твёрдого, жидкого или
газообразного), сопровождающееся заметным изменением частоты
излучения. В отличие от рэлеевского рассеяния, в случае комбинационного
рассеяния света в спектре рассеянного излучения появляются спектральные
линии, которых нет в спектре первичного (возбуждающего) света. Число и
расположение появившихся линий определяется молекулярным строением
вещества.
Эффект Тиндаля, рассеяние Тиндаля — оптический эффект, рассеивание света
при прохождении светового пучка через оптически неоднородную среду.
Обычно наблюдается в виде светящегося конуса (конус Тиндаля), видимого на
тёмном фоне.

16. Дисперсия света

1
6
Дисперсия света
Дисперсия света (разложение света) — это
совокупность
явлений,
обусловленных
зависимостью
абсолютного
показателя
преломления вещества от частоты (или длины
волны) света (частотная дисперсия), или, то же
самое, зависимостью фазовой скорости света в
веществе от частоты (или длины волны).
Один из самых наглядных примеров дисперсии — разложение белого света при
прохождении его через призму (опыт Ньютона). Сущностью явления дисперсии
является различие фазовых скоростей распространения лучей света c различной
длиной волны в прозрачном веществе — оптической среде (тогда как в вакууме
скорость света всегда одинакова, независимо от длины волны и следовательно
цвета). Обычно, чем больше частота световой волны, тем больше показатель
преломления среды для неё и тем меньше фазовая скорость волны в среде
(нормальная дисперсия):
• у света красного цвета фазовая скорость распространения в среде
максимальна, а степень преломления — минимальна,
• у света фиолетового цвета фазовая скорость распространения в среде
минимальна, а степень преломления — максимальна.

17.

1
7
Аномальная дисперсия – вид дисперсии света, при которой показатель
преломления среды уменьшается с увеличением частоты световых колебаний
dn/dw<0, где n(w) – показатель преломления среды, w- частота волны.
Согласно современным представлениям и нормальная, и аномальная
дисперсии представляют собой явления единой природы. Эта точка зрения
основывается на электромагнитной теории света, с одной стороны, и на
электронной теории вещества, — с другой. Термин «аномальная дисперсия»
сохраняет сегодня лишь исторический смысл, поскольку «нормальная
дисперсия» — это дисперсия вдали от длин волн, при которых происходит
поглощение света данным веществом, а «аномальная дисперсия» — это
дисперсия в области полос поглощения света веществом. Аномальная
дисперсия обусловлена взаимодействием света с заряженными частицами,
входящими в состав вещества и совершающими вынужденные колебания в
переменном электромагнитном поле волны.

18. Полное внутреннее отражение

Полное внутреннее отражение — явление, при котором падающая волна
отражается полностью при условии, что угол падения превосходит некоторый
критический угол.
(1)
Предельный угол ПВО в случае n1<n2 можно найти, полагая θ1 = π/2 в (1). Тогда
находим известную формулу.
θc = arcsin(n1/n2)

19. Параметры оптического излучения

1
9
Параметры оптического излучения
Основными параметрами оптического излучения, испускаемого
различными источниками, с точки зрения возможности их использования
в аппаратуре различного целевого назначения, а также предъявления
требований к устройствам пространственного управления оптическим
(световым) лучом являются:
1. Длина волны;
2. Частота;
3. Монохроматичность;
4. Поляризация;
5. Когерентность;
6. энергия излучения;
7. Поток;
8. Направленность;
9. сила излучения.

20. Длина волны.

2
0
Длина волны.
Длина волны — расстояние между
двумя ближайшими друг к другу
точками в пространстве, в которых
колебания происходят в одинаково
фазе. Измеряется в оптике в
нанометрах.
Частота — физическая величина,
характеристика
периодического
процесса,
равна
количеству
повторений или возникновения
событий (процессов) в единицу
времени.
λ=c/f,
где λ – длина волны, с – скорость света, f
– частота.

21. Монохроматичность

2
1
Монохроматичность
Монохроматичность определяет степень близости электромагнитных
колебаний идеальным колебаниям Е=Еmaxсоs (ωt+ Ф), где амплитуда Еmax, частота
ω и фаза Ф не зависят от времени t.
Чем выше монохроматичность, тем в меньшем интервале частот (длин волн)
группируются частоты его монохроматических составляющих.
Чрезвычайно высокая монохроматичность характерна для лазерного излучения,
для которых она может быть порядка 10-14—10-16 м.

22. Поляризация

Свойство света, связанное с поперечностью
электромагнитных
волн
и
описывающее
пространственное
поведение
векторов
электрического и магнитного полей.
Виды поляризации:
1. Линейная (или плоская): колебания вектора Е
происходят только в одной плоскости.
2. Эллиптическая: конец вектора Е описывает
эллипс.
3. Круглая: конец вектора Е описывает окружность.
Естественный свет не поляризован.

23.

24.

Закон Малюса:
Закон Малюса — физический закон,
выражающий
зависимость
интенсивности
линейнополяризованного света после его
прохождения через поляризатор от
угла
фи
между
плоскостями
поляризации падающего света и
поляризатора.
Где
I0
интенсивность
падающего
на
поляризатор света,
I - интенсивность
света, выходящего
из поляризатора, k коэффициент
пропускания
поляризатора.

25.

Степень поляризации:
0 1
Значение 1 соответствует линейно поляризованному свету.
Значение 0- естественному свету
Значения 0 1 - частично-поляризованному свету.
I max I min
I max I min

26.

2
6
Линейная поляризация
Круговая поляризация
Эллиптическая поляризация

27. Когерентность

2
7
Когерентность
Когерентность указывает на согласованность протекания во
времени нескольких колебательных или волновых процессов. При
сложении двух монохроматических колебаний с одинаковой частотой,
но разными амплитудами и фазами образуется монохроматическое
колебание той же частоты. Амплитуда результирующего колебания
зависит от амплитуд и разности фаз складываемых колебаний.
Колебания в этом случае являются когерентными. Различают
временную и пространственную когерентность.
Временная когерентность.
Временная когерентность волны характеризует сохранение взаимной
когерентности при временном отставании одного из таких лучей по отношению к
другому.

28. Интерферометр Майкельсона

2
8
Интерферометр Майкельсона
При
этом
мерой
временной
когерентности
служит
время
когерентности
–
максимально
возможное время отставания одного
луча по отношению к другому, при
котором их взаимная когерентность ещё
сохраняется. Временная когерентность
определяется
степенью
монохроматичности.
Измеряется
в
секундах.

29. Пространственная когерентность

2
9
Пространственная когерентность
Когерентность колебаний, которые совершаются в один и тот же момент
времени в разных точках плоскости, перпендикулярной направлению
распространения волны.
Пространственная когерентность показывает максимальное расстояние на
котором лучи все еще когерентны. Зная временную когерентность и умножив
ее на скорость света мы получим значение для пространственной
когерентности. Измеряется в метрах.
Длина когерентности есть расстояние, при прохождении которого две или
несколько волн утрачивают когерентность.
Опыт Юнга

30. Энергия излучения

3
0
Энергия излучения
Энергия излучения характеризуется энергией, переносимой
электромагнитными волнами. Измеряется в джоулях.
Поток излучения
Поток излучения представляет собой отношение энергии излучения,
переносимой сквозь заданную поверхность, ко времени. Измеряется в
ваттах. Для лазеров непрерывного действия поток излучения может
достигать 103 — 104 Вт, для импульсных 1011— 1012 Вт.
Плотность потока излучения
Плотность
потока
излучения
(интенсивность)
определяется
отношением потока излучения к площади нормально расположенной
поверхности: I=4Ф/πD2, где Ф – поток излучения, D — диаметр (линейная
апертура) светового пучка круглого сечения. Измеряется в Вт/м2.

31. Направленность излучения

3
1
Направленность излучения
Направленность излучения характеризуется телесным углом Ω, в
котором распространяется большая часть излучения. В предельном
случае угловая расходимость светового пучка ограничивается только
дифракцией. Обычно угловую расходимость характеризуют плоским
углом Θ. Связь между величинами Θ и Ω выражается зависимостью
Ω=2π[1-cos Θ]
Сила излучения
Сила излучения I определяет концентрацию потока излучения в
пространстве. Она равна отношению потока излучения источника к
телесному углу Ω, в пределах которого излучение распространяется.
Измеряется в Вт/ср.

32. Фотометрические величины и единицы их измерения

3
2
Фотометрические величины и единицы их
измерения
Существует энергическая система фотометрических величин и световая,
ориентированная на глаз человека.
1. Поток излучения
Полная мощность, переносимая электро-магнитным излучением. Измеряется в
энергетической системе фот. величин в Вт. Мощность оптического излучения,
оцениваемая по зрительному ощущению, называется световым потоком Ф.
Световой поток измеряется в Лм(люменах). Световым потоком в 1 лм называется
световой поток от источника силой света 1 кандела, распространяющийся в
телесном угле 1 стерадиан.
2. Сила света.
Сила излучения I определяет концентрацию потока излучения в пространстве.
Она равна отношению потока излучения источника к телесному углу Ω, в
пределах которого излучение распространяется. В энергетической системе фот.
вел. измеряется в Вт/ср. В световой системе – в Кд(канделах). Сила света в 1 Кд
это сила света определенного источника, принимаемого за эталон
международным соглашением.

33.

3
3
3. Освещенностью Е поверхности называется отношение светового
потока Ф, падающего на некоторый участок поверхности, к площади S
этого участка: Е = Ф/S.
В световой системе единицей измерения служит Лк(люкс). Освещенность
равна одному люксу, если на один квадратный метр равномерно
освещенной поверхности приходится поток один люмен.
В энергетической системе
единица измерения – Вт/м^2.
4. Светимость.
Светимость — это световая
величина, представляющая
собой
световой
поток
излучения, испускаемого с
малого участка светящейся
поверхности
единичной
площади.
Измеряется
в
лм/м^2. В энергетической
системе величин в Вт/м^2.

34.

3
4
5. Яркость.
Величина показывающая отношение силы света, излучаемого
поверхностью, к площади её проекции на плоскость, перпендикулярную
оси наблюдения.
Яркость L —величина, равная отношению потока d2Ф к геометрическому
фактору dФdAcos(альфа)
Яркость, излучаемая поверхностью dS под углом

35.

3
5
5. Яркость.
Величина показывающая отношение силы света, излучаемого поверхностью, к
площади её проекции на плоскость, перпендикулярную оси наблюдения.
Яркость L —величина, равная отношению потока d2Ф к геометрическому фактору
dФdAcos(альфа)
Здесь
— заполненный излучением телесный угол
— площадь участка, испускающего или принимающего излучение,
— угол между перпендикуляром к этому участку и направлением излучения.
Из общего определения яркости следуют два практически наиболее
интересных частных определения:
Яркость, излучаемая поверхностью dS под углом альфа к нормали этой
поверхности, равняется отношению силы света I, излучаемого в данном
направлении, к площади проекции излучающей поверхности на плоскость,
перпендикулярную данному направлению.

36.

3
6
Яркость — отношение освещённости E в точке плоскости, перпендикулярной
направлению на источник, к элементарному телесному углу, в котором заключён
поток, создающий эту освещённость:
Яркость измеряется в кд/м2. В системе энергетических фотометрических величин
измеряется в Вт/(ср·м2).

37. Связь энергетических и световых фотометрических величин

3
7
Связь энергетических и световых фотометрических
величин
Функция видности
- это относительная спектральная кривая
эффективности монохроматического излучения. Она показывает, как глаз
воспринимает излучение различного спектрального состава.
Определить некую световую величину
(поток, сила света, яркость, и т.д.), по спектральной плотности соответствующей
ей энергетической величины
можно по общей формуле:
где
– функция видности глаза
680 – экспериментально
установленный коэффициент
(поток излучения мощностью
с длиной волны
светового потока).
соответствует

38. Некоторые понятия теории поля.

3
8
Некоторые понятия теории поля.
1. Градиент
Операт́ ор на́бла (оператор Гамильтона) — векторный дифференциальный
оператор, компоненты которого являются частными производными по
координатам.
Градиент- вектор, своим направлением указывающий направление наибольшего
возрастания некоторой величины фи , значение которой меняется от одной точки
пространства к другой (скалярного поля), а по величине (модулю) равный быстроте
роста этой величины в этом направлении.

39.

3
9
2. Дивергенция
Дивергенция (от лат. divergere — обнаруживать расхождение) —
дифференциальный оператор, отображающий векторное поле на скалярное (то
есть, в результате применения к векторному полю операции дифференцирования
получается скалярное поле), который определяет (для каждой точки), «насколько
расходится входящее и исходящее из малой окрестности данной точки поле»,
точнее, насколько расходятся входящий и исходящий потоки.
3. Ротор
То же, что вихрь векторного поля, то есть вектор, характеризующий вращательное
движение в данной точке векторного поля. Векторный дифференциальный
оператор над векторным полем.