Е.М. Махов, А.И. Потапов, В.Е. Махов

Прикладная оптика

Учебное пособие

Санкт-Петербург

2004 г.

Е.М. Махов, А.И. Потапов, В.Е. Махов

Прикладная оптика

Учебное пособие

Санкт-Петербург

2004 г.

УДК 666.189.2.535.8

Прикладная оптика: Учеб. пособие. / Е.М. Махов, А.И. Потапов, В.Е. Махов. – СПб.: СЗТУ, 2003.– 230 с.

ISBN

В учебном пособии рассматриваются такие разделы прикладной оптики как геометрическая, волновая и квантовая оптика. Основное внимание уделяется изучению законов распространения света, дисперсии, интерференции, дифракции, поляризации и когерентности света, а также рассмотрены такие свойства оптических систем как фотометрические, видимое увеличение, светосила, потери света, диафрагмирование, виньетирование, освещенность, поле зрения, глубина резкости, абберации и др. Кроме того, рассмотрены теория микроскопов, теория телескопических систем и методы компьютерной оптики.

Учебное пособие предназначено для студентов, обучающихся по специальности 190100 - Приборостроение.

Рецензенты:

Засл. деятель науки РФ, д-р техн. наук, проф. Прокопенко В.Т.

д-р техн. наук, проф. Стафеев С.К.

ISBN

 Северо-Западный государственный заочный технический университет, 2004

Введение

Оптика - раздел физики, в котором изучается оптическое излучение (свет), его распространение и явления, наблюдаемые при взаимодействии света и вещества. Учение о свете принято делить на три части:

геометрическая или лучевая оптика;

волновая оптика;

квантовая оптика.

Оптическое излучение представляет собой электромагнитные волны, и поэтому, оптика - часть общего учения об электромагнитном поле. Оптический диапазон длин волн охватывает около 20 октав и ограничен с одной стороны рентгеновскими лучами, а с другой стороны - микроволновым диапазоном радиоизлучения.

Геометрическая оптика не рассматривает вопрос о природе света, она исходит из эмпирических законов его распространения и использует представление о световых лучах, которые преломляются и отражаются на границах сред с разными оптическими свойствами и которые распространяются прямолинейно в оптически однородной среде.

Волновая оптика - это раздел оптики, который рассматривает свет, как электромагнитную волну; в ней изучаются явления, в которых проявляются волновые свойства света (как поперечной электромагнитной волны).

Квантовая оптика, изучающая взаимодействие света с веществом, при котором проявляются корпускулярные свойства света.

Свет играет чрезвычайно важную роль в нашей жизни. Подавляющее количество информации об окружающем мире человек получает с помощью света. Однако, в оптике как разделе физике под светом понимают не только видимый свет, но и примыкающие к нему широкие диапазоны спектра электромагнитного излучения – инфракрасный ИК и ультрафиолетовый УФ. По своим физическим свойством свет принципиально неотличим от электромагнитного излучения других диапазонов – различные участки спектра отличаются друг от друга только длиной волны λ и частотой ν. Рис. 1. дает представление о шкале электромагнитных волн.

Рис. 1. Шкала электромагнитных волн

Для измерения длин волн в оптическом диапазоне используются единицы длины 1 нанометр (нм) и 1 микрометр (мкм):

1 нм = 10^–9 м = 10^–7 см = 10^–3 мкм.

Видимый свет занимает диапазон приблизительно от 400 нм до 780 нм или от 0,40 мкм до 0,78 мкм. Границы между различными диапазонами условны.

Электромагнитная теория света позволила объяснить многие оптические явления, такие как интерференция, дифракция, поляризация и т. д. Однако, эта теория не завершила понимание природы света. Уже в начале XX века выяснилось, что эта теория недостаточна для истолкования явлений атомного масштаба, возникающих при взаимодействии света с веществом. Для объяснения таких явлений, как излучение черного тела, фотоэффект, эффект Комптона и др. потребовалось введение квантовых представлений. Наука вновь вернулась к идее корпускул – световых квантов. Тот факт, что свет в одних опытах обнаруживает волновые свойства, а в других – корпускулярные, означает, что свет имеет сложную двойственную природу, которую принято характеризовать термином корпускулярно-волновой дуализм.

Глава 1. Теоретические основы прикладной оптики

1.1. Природа света. Волновой и квантовый характер световых явлений

Учение о свете, или как оно позднее стало называться оптика, возникло на заре развития человеческого общества. Человека всегда волновали и с философской точки зрения и с практической, вопросы, связанные с возможностью наблюдать окружающий мир, различные оптические и световые явления, происходящие в природе. Не останавливаясь на первых попытках объяснения различных оптических явлений, которые с нашей современной позиции кажутся весьма наивными, мы отметим, что основные закономерности распространения света, такие как закон прямолинейного распространения, закон независимости световых пучков, закон отражения и преломления света были известны еще в древности.

Однако, только в 1672 году Ньютоном была выдвинута первая научная теория света – корпускулярная, называемая им «теория истечения». Ньютон считал, что свет представляет собой поток особых частиц – корпускул, и что скорость движения этих частиц есть скорость света.

Главным аргументом в пользу своей теории Ньютон считал прямолинейность распространения света. С помощью этой теории удалось объяснить отражение и преломление света, для чего пришлось допустить, что скорость распространения световых корпускул в средах с различной оптической плотностью меняется только в направлении нормали к поверхности. Из этого допущения вытекало, что скорость света в оптически более плотных средах больше, чем в воздухе. Следует отметить, что некоторые оптические явления интерференции (кольца Ньютона) наводили Ньютона на мысль о более сложном характере света, он пытался объединить корпускулярную теорию с волновой. Ньютону пришлось допустить, что лучи могут быть в «приступах легкого отражения и приступах легкого прохождения». Он писал: «не могут ли в этом случае, когда луч света падает на поверхность какого-нибудь прозрачного тела и преломляется там или отражается возбуждаться в следствии этого волны или колебания…».

Современник Ньютона Гюйгенс, в свою очередь, выдвинул другую теорию. Он считал, что никаких корпускул не существует и что свет является волновым процессом. В оптике известен принцип, носящий имя Гюйгенса: Каждая точка, до которой доходит световое возбуждение, сама становится источником вторичных световых волн, огибающая которых в каждый данный момент времени и представляет фронт распространяющейся волны.

Используя волновую теорию и принцип Гюйгенса можно получить объяснение основных законов геометрической оптики, согласующиеся с опытными данными. Согласно волновой теории, скорость распространения света в оптически более плотных средах, чем воздух, получается меньше скорости света в воздухе. Это же подтвердили и опыты Физо, который определил скорость распространения света в воде.

В Х1Х веке работами Юнга и Френеля были объяснены на основании волновых представлений явления, интерференции и дифракции света. Наконец, окончательное подтверждение волновой теории последовало после работ Максвелла, который показал, что свет является электромагнитным колебанием.

Однако, некоторые опытные данные, в частности явления, связанные с взаимодействием света с веществом – фотоэлектрический эффект, поглощение и испускание света - не удавалось уложит в рамки волновой теории.

В 1900 году Планк выдвинул гипотезу (первоначально принимаемую им как удобный математический аппарат и не имеющий физической основы), что свет испускается отдельными порциями, квантами, энергия которых равна hν , где ν - частота света, h - постоянная Планка. Эта гипотеза позволила объяснить многие непонятные оптические явления и одновременно явилась как бы возвращением к старой корпускулярной теории, но на более высоком уровне. Для объяснения одних явлений, таких как интерференция, дифракция, поляризация света требуется предполагать, что свет является электромагнитным колебанием, то есть, использовать волновую теорию света; другие явления понятны только при условии принятия квантового характера света.

Отсюда следует естественное заключение, что свет одновременно обладает и корпускулярными и волновыми свойствами.