- Свет как электромагнитная волна
- Когерентность и суммирование колебаний
- Интерференция волн света
- Оптическая длина пути
Свет являет собой электромагнитные волны определенного спектра частоты, который виден человеческому глазу и представлен длиной волны в промежутке 0,4 - 0,76 мкм. Каждому цвету световой волны соответствует определенное значение длины. При изменении длины волны изменяется окраска света. С увеличением длины волны цвет изменяется в следующем порядке:
- фиолетовый;
- синий;
- голубой;
- зеленый;
- желтый;
- оранжевый;
- красный.
Свет фиолетового цвета, соответствующий минимальной длине видимого спектра электромагнитной волны, называется фиолетовой границей спектра. Красный цвет, соответствующий максимальной длине видимой волны, - это красная граница. У естественного света нет цвета, он являет собой совокупность электромагнитных волн всего видимого спектра.
Источником естественного света есть атомы, которые в возбужденном состоянии испускают электромагнитные волны. Причины такого состояния атомов бывают самыми разными: электромагнитное, тепловое, химическое и прочее воздействие. После данного воздействия в возбужденном состоянии атомы испускают волны приблизительно 8-10 секунд. Так как излучаемый диапазон электромагнитных волн атомов достаточно обширен, они излучают весь спектр видимых волн. При этом начальная фаза, поляризация и направление совершенно случайны. По этой причине естественный свет не является поляризованным.
![banner]()
Не нашли то, что искали?
Попробуйте обратиться за помощью к преподавателям
Так как свет имеет природу электромагнитной волны, то оптическая физика базируется на уравнениях Максвелла и всех выражениях, вытекающих из них. Согласно теории Максвелла:
\({C \over V} = \sqrt{ξμ}=n,\)
где \(C\) и \(V\) - скорость света соответственно в магнитной и электрической среде;
\(ξ\) и \(μ\) - диэлектрическая и магнитная проницаемость вакуума.
Данное выражение показывает зависимость между магнитными, электрическими и оптическими постоянными среды. Согласно теории Максвелла \(ξ\) и \(μ\) не зависимы от длины волн света, по этой причине теория электромагнитных волн не в состоянии разъяснить явление дисперсии, а именно связь между преломлением и длиной волны света.
От величины показателя преломления зависит оптическая плотность вещества.
Взаимосвязь длины волны и показателя n показана следующим выражением:
\(λ= {λ_0 \over n}.\)
где \(λ_0\) - длина волны в вакууме.
Когерентностью называют коррелированность двух и более волновых процессов во времени, что имеет место при их суммировании. Когерентными считаются такие колебания, у которых разность фаз является постоянной величиной и результатом суммирования которых является колебание с той же частотой.
В классической волновой оптике исследуются линейные среды, то есть диэлектрическая и магнитная проницаемости которых не зависимы от интенсивности света. По этой причине в волновой оптике будет действовать принцип суперпозиции. Поведение световых волн в нелинейных средах исследует нелинейная оптика.
Нелинейные оптические явления значительно выражены при высокой интенсивности света, излучаемого, к примеру, лазерами. Если рассмотреть две волны с равной частотой, что наложены одна на другую и возбуждают колебания в одном направления, то амплитуда суммарного колебания определится таким образом:
\(A^2=A_1^2+A_2^2+2A_1 A_2 cosσ,\)
где \(σ=α_2-α_1\) – разность фаз волновых колебаний;
\( A_1 cosωt+α_1\) – параметры одной волны;
\( A_2 cosωt+α_2\) – параметры другой волны.
Когерентными есть волны, разность фаз колебаний которых σ постоянна.
Интерференция света состоит в том, что при наложении световых волн одна на другую отсутствует суммирование их интенсивности. Обязательным условием интерференции является когерентность волн света. Такому условию соответствуют монохроматические волны с одинаковой частотой и распространяются в закрытом объеме.
![banner]()
Сложно разобраться самому?
Попробуйте обратиться за помощью к преподавателям
Так как на практике источники света не вырабатывают монохроматические волны, то все волны в природе некогерентные. Так как электромагнитные волны поперечные, то для получения интерферентной картины недостаточно, чтобы они были когерентными. Как говорилось выше, длительность излучения волны атомом, находится в возбужденном состоянии, составляет 8-10 секунд, за это время атом использует лишнюю энергию на процесс излучения, после чего излучение заканчивается, так как атом становится в свое нормальное состояние. Через какое-то время атом опять возбуждается по причине какого-либо воздействия на него, и снова излучает волны. Такое периодически прерываемое испускание света свойственно всем источникам света, вне зависимости от их характеристик и возбудителей атомов.
Допустим, разделение света на две когерентные волны осуществляется в заданной точке \(O\). К точке \(M\), в которой наблюдается картина интерференции, одна волна преодолела путь \(S_1\) в среде \(n_1\), а другая волна – путь \(S_2\) в среде \(n_2\). Фаза колебаний в начальной точке \(O\) будет равняться \(ωt\), а в точке \(M\) одна волна возбудит колебание:
\(A_1 cosω(t{S_1\over V_1}+α_1),\)
а другая волна:
\(A_2cosω(t{S_2\over V_2}+α_2), \)
где \(V_1= {c \over n_1}\) и \(V_2= {c \over n_2}\) - фазовая скорость одной и другой волны.
Оптической длиной волны \(L\) есть произведение геометрического расстояния пути волны света S на величину преломления среды.
Оптической разностью хода есть разность оптических длин \(δ=L_2-L_1.\)
Когда оптическая разность хода равняется целому числу волн в вакууме \(δ=mλ_0 \)\((m=0,1,2…),\) тогда \(σ=2mπ,\) а колебания в точке \(M\) осуществляются в одной фазе. Это является максимумом. Если же оптическая разность хода будет\(δ = (2m+1){λ_0 \over 2},\) то \(σ=(2m+1)π,\) а колебания будут осуществляться в противофазе.
Стоит отметить, что электромагнитная природа света доказана экспериментально и не подлежит сомнению. В 2009 году исследователями были разработаны методы, позволяющие с высокой точностью определить колебания магнитной части световой волны. Первым, кто доказал электромагнитную природу света, был Максвелл. Он вывел уравнение волн и смог определить скорость этих волн, которая оказалась равной величине скорости света. Это дало подтверждение того, что свет являет собой электромагнитную волну, от частоты которой зависят ее характеристики, например, цвет.
Электромагнитные волны, будь то рентгеновское излучение и радиоволна, являются суммой магнитного и электрического полей, что превращаются одно в другое, тем самым распространяясь в пространстве и времени. При этом магнитные и электрические векторы перпендикулярны между собой и к направлению перемещения данной волны.
Мы ВКонтакте 
Трейлер о сайте 
