Волновая оптика

1.

ФИЗИКА, ч. III
ОПТИКА,
КВАНТОВАЯ И
ЯДЕРНАЯ ФИЗИКА

2.

Оптика – это наука о
природе света.
Свет имеет
двойственную природу
– волновую и
корпускулярную.

3.

Раздел оптики, описывающий
явления, в которых свет проявляет
волновую природу, называют
волновой оптикой.
Если свет проявляет
корпускулярную природу, то такие
явления описываются с позиций
квантовой оптики.

4.

ВОЛНОВАЯ
ОПТИКА

5.

ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫЕ
ВОЛНЫ

6.

Уравнения Максвелла в интегральной форме
1
S
2
D dS dV
V
B dS = 0
S
3
L
4
L
dB
E d
dS
dt
S
dD
H d j
dS
dt
S

7.

Изменяющееся магнитное
поле порождает
электрическое поле,
которое порождает
изменяющееся магнитное
поле, которое порождает …
7

8.

В результате образуются
сцеплённые между собой
электрическое и магнитное
поля, составляющие
электромагнитную волну.

9.

Электромагнитная волна
представляет собой
распространяющиеся в
пространстве колебания
электрического и
магнитного полей.

10.

Е
напряженность электрического поля
Н
напряженность магнитного поля
На вещество гораздо
большее влияние оказывает
электрическое поле.
Е световой вектор

11.

Уравнение и график
электромагнитной волны
E E0 cos( t k r )
H H 0 cos( t k r )

12.

E0 , H 0 амплитуды волны
циклическая частота
колебаний
2
2
T
частота колебаний

13.

k волновой вектор
k v
v - фазовая скорость волны
k
волновое число
2
k
v

14.

Длина волны равна
расстоянию, которое
проходит волна за период
колебаний.
vT
Тогда v =

15.

16.

Свойства электромагнитных волн
1. Поперечны.
Векторы Е и Н лежат в плоскости,
перпендикулярной скорости
волны v .
Е
v
Н

17.

2. В вакууме ЭМ волны распространяются со скоростью света
с 3 10
c
8
м/с
1
0 0
0 электрическая постоянная
0 магнитная постоянная

18.

В средах ЭМ волны распространяются с меньшей скоростью
с
v
n
n абсолютный показатель
преломления среды

19.

n характеризует
оптическую плотность среды.
n
и диэлектрическая и магнитная
проницаемости среды

20.

Прозрачные среды обычно
немагнитны (
тогда
),
n .

21.

В вакууме и в
воздухе n=1.

22.

Длина волны в среде в n раз
меньше, чем в вакууме:
0
0
n
длина волны в вакууме

23.

Энергия ЭМ волн
Плотность энергии электрического поля:
wE
0 E
2
2
Плотность энергии магнитного поля:
wH
0 H
2
2

24.

Эти энергии равны:
wH wЕ
0 E 0 H
2
2

25.

Плотность энергии ЭМ поля:
w w E w H 2w E 0 E
2
Плотность потока энергии - это
энергия, переносимая волной в
1 с через единичную площадку,
перпендикулярную скорости
волны.

26.

Плотность потока энергии
выражается вектором Пойтинга
S wv
S E , H

27.

Так как
E E0 cos( t k r ),
то плотность потока
энергии изменяется со
временем.

28.

S wv =
= 0 E cos ( t - kr ).
2
0
2
Среднее по времени значение S –
это интенсивность волны.
I S

29.

1
cos (...)
2
2
I
0 E
2
0
2
v
Интенсивность волны пропорциональна квадрату амплитуды:
I
E
2
0

30.

Излучение ЭМ волн
Простейший излучатель ЭМ волн
– это электрический диполь.
p электрический
дипольный
момент
p p0 cos t
диаграмма
направленности
I
В направлении своей оси
диполь не излучает.

31. Шкала электромагнитных волн

Вид Источник
, Гц
Радиоволны
Переменные токи,
генераторы
10 4 10
ИК
Тепловое
излучение
(4 8) 10
400 – 700 нм
Видимый
свет
Тепловое излучение,
лампы, лазеры
до 3 10
От 1 до 400 нм
УФ
Солнце
до 5 10
От 6 пм до 1 нм
Рентген
Рентгеновские
трубки
-излучение
Радиоктивный
распад
10 10
3
12
12
От 1 мм до 10000 км
14 От 1 мкм до 1 мм
14
17
19
выше
Меньше 6 пм

32.

Четких границ между
диапазонами нет.
Видимый свет занимает узкую
область:
0, 40 0, 76 мкм
400 760 нм

33.

34. Законы геометрической оптики

Световым лучом называют направление, вдоль которого распространяется
энергия световой волны.
34

35.

1. Закон независимости световых
лучей: лучи при пересечении
не возмущают друг друга
(при больших интенсивностях не соблюдается).

36.

2. Закон прямолинейного
распространения:
в однородной среде свет
распространяется
прямолинейно.

37.

Если среда неоднородна,
т.е. показатель
преломления n
изменяется от точки к
точке, то свет может
отклоняться от прямого
пути.

38.

Так возникают миражи.

39.

3. Принцип Ферма:
в неоднородной среде свет
распространяется по такому
пути, для прохождения
которого ему требуется
наименьшее время.

40.

ds
1
2
На прохождение
участка dS свет
тратит время d .
ds ds n
d
v
c
Полное время:
2
1
L
ds n
c1
c

41.

Величину L ds n
называют
оптическим путем
света.

42.

Если n=const., то L n ds ns ,
и оптический путь равен
произведению геометрического
пути на показатель преломления
среды.
L ns

43. 4. Законы отражения и преломления

• на границе раздела двух сред происходит отражение и преломление
светового луча. Отраженный и преломленный лучи лежат в одной
плоскости с падающим лучом и
перпендикуляром, восстановленным к
границе раздела в точке падения.
• Угол падения равен углу отражения.

44.

45.

Закон Снеллиуса: отношение синуса угла
падения к синусу угла преломления равно
отношению показателя преломления
второй среды к показателю преломления
первой.
sin n2
sin n1

46.

Чем больше n, тем сильнее луч
“жмется” к нормали, опущенной на
границу раздела сред.

47.

n2
Величину n21
называют
n1
относительным показателем
преломления
второй среды относительно
первой.

48.

49.

Полное внутреннее отражение
может наблюдаться при переходе
света из среды с большим n в
среду с меньшим n.

50.

Закон полного
внутреннего отражения:
sin кр n21
n2
n1
кр

51. Распространение света в волоконном световоде. При сильном изгибе волокна закон полного внутреннего отражения нарушается, и свет

частично выходит из
волокна через
боковую
поверхность.