§ 10.4. Волны и передача информации

Информацию об окружающем мире мы получаем с помощью своих органов чувств: слуха, зрения, осязания и т.д. Волны механические в определенном диапазоне частот мы осязаем и слышим, электромагнитные видим. Приборы позволяют очень сильно расширить диапазон частот регистрируемых волн. Каждая монохроматическая волна сообщает приемнику информацию о частоте (высоте звука или цвете света) и об амплитуде (энергии, т.е. интенсивности сигнала). Для передачи конкретной информации волну модулируют, изменяя по определенному закону ее амплитуду, частоту или фазу. В § 1.3, рассматривая биения, мы получили пример амплитудной модуляции волны. Если складывать не две волны, а группу волн с разными частотами, то можно получить так называемый волновой пакет. Он представляет собой распространяющееся в пространстве волновое поле малого объема, переносящее энергию от источника к приемнику в виде импульса малой длительности Δt. Волновой пакет используется как целое и не несет «внутри себя» никакой информации. Его можно считать единицей информации. Варьируя длительность пакетов или пауз между ними, можно передавать большой объем информации. Именно так работает азбука Морзе. Современные способы передачи информации основаны на «уплотнении» ее во времени и соответственном повышении скорости передачи. Для этого длительность «точек» и «тире» должна быть как можно меньше, а так как она не может быть меньше периода колебаний, то «несущая» частота должна быть как можно выше. Поэтому от радиоволн (10⁸ Гц) переходят к оптическому диапазону (10¹⁵ Гц), при этом существенно возрастает емкость телевизионных и телефонных каналов и быстродействие ЭВМ. Резюмируя, отметим, что волны – универсальный и главный способ передачи информации.

Глава 11. Волновая оптика

§ 11.1.Световая волна

Э лектромагнитные волны в диапазоне частот ν=(0,38…0,75)10¹⁵ Гц нормальный человеческий глаз воспринимает как свет. Его длина волны в вакууме λ=(0,4…0,76)10^-6 м. На рис. 49 представлена шкала электромагнитных волн.

Рис.49. Шкала электромагнитных волн

Источником света являются электроны атомов вещества. Электрон при переходе с верхнего энергетического уровня на нижний испускает квант энергии за время τ ≈ 10^-9с. Его можно считать отрезком гармонической волны (см. рис. 48) в виде последовательности горбов и впадин, именуемый цугом. Длина цуга L=cτ ≈ 3 м. Видимый свет представляет собой сумму цугов, испущенных разными атомами вещества. Излучение искусственного источника света – лазера состоит из строго согласованных друг с другом цугов, образующих гармоническую волну. Такая волна называется монохроматической (одноцветной), она имеет строго определенную частоту. Излучение естественных источников света (солнце, раскаленные тела) состоит из цугов, испущенных разными атомами независимо друг от друга, и содержит колебания разных частот. Например, радуга, иногда возникающая на небе после дождя, есть результат разложения белого (сложного) цвета в сплошной спектр, представленный на рис.3.1. Он образован пространственно разделенными монохроматическими составляющими.

Свет, как всякая электромагнитная волна, представляет собой распространяющееся в пространстве электромагнитное поле (см. § 10.2). В вакууме скорость света с=3^.10⁸ м/с, в веществе его скорость υ= . В прозрачных средах μ=1 (они являются диа- или парамагнетиками), скорость света уменьшается в n= раз, где n- показатель преломления среды. Таким образом, показатель преломления указывает, во сколько раз уменьшается скорость света в веществе по сравнению с вакуумом:

n= (11.1.1)

В электромагнитной волне ее составляющие E и H однозначно связаны друг с другом. Поэтому в дальнейшем при теоретическом анализе мы будем рассматривать только одну составляющую – электрическое поле, описываемое формулой (10.2.3-а). Частота колебаний энергии в световой волне столь велика, что глаз и измерительные приборы регистрируют не мгновенное, а среднее значение плотности потока энергии. Его называют измеряемой интенсивностью I:

I= (11.1.2)