Краткая теория

Отражение света наблюдается не только от границы раздела двух прозрачных веществ. В той или другой степени свет отражается от всякого тела. Полированные тела отражают свет с выполнением того же закона отражения, который имеет место при отражении от границы раздела двух прозрачных веществ: свет отражается в направлении угла i’ , равному углу падения i. Такое отражение называется зеркальным. При этом интенсивность отраженного луча, в зависимости от природы отражающей поверхности, может быть весьма разной: серебряное полированное зеркало способно отражать до 96% падающего света; черная полированная поверхность отражает менее 1% падающего света. Кроме того, в некоторых случаях интенсивность отраженного света зависит от угла падения.

Наряду с зеркальным отражением свет отражается более или менее равномерно во все стороны. Поверхность, которая вполне равномерно рассеивает падающий свет во все стороны, называется абсолютно матовой.

Р

аспределение интенсивности в диффузно отраженном свете в зависимости от угла отражения можно представить графически, отложив из точки падения света векторы , длина которых равна относительной интенсивности света в данном направлении. Огибающая концов таких векторов даст распределение интенсивности отраженного света. Такой график для некоторой отражающей поверхности представлен на рисунке 2. Максимум С в направлении зеркального отражения указывает, что данное тело не является абсолютно матовым: в определенном направлении оно “блестит”.

Свет при прохождении из вещества с меньшим коэффициентом преломления (оптически менее плотного) в вещество с большим коэффициентом преломления (оптически более плотного) приближается к нормали. Наоборот, при прохождении из вещества оптически более плотного в вещество оптически менее плотное луч отходит от нормали. В этом случае существует такой угол падения r_o меньший /2, при котором угол преломления i равен /2, то есть преломленный луч становится скользящим (Рис.3)Опыт показывает, что при углах падения r >r_o преломленного луча не существует: весь падающий свет полностью отражается. Это явление носит название полного внутреннего отражения. Угол r_o называется предельным углом внутреннего отражения. Предельный угол полного внутреннего отражения связан с относительным коэффициентом преломления сред

соотношением:

Полное внутреннее отражение возможно при прохождении света из стекла (оптически более плотная среда) в воздух ( оптически менее плотная среда) и невозможно при его прохождении из воздуха в стекло.

По мере приближения угла падения к предельному, интенсивность преломленного луча падает, а интенсивность отраженного луча возрастает.

Рис.3 Возникновение полного внутреннего отражения

Не следует думать, что при достижении предельного угла r_o интенсивность выходящих лучей скачком обращается в нуль. В действительности, по мере роста угла r интенсивность выходящего (преломленного) луча непрерывно убывает, а интенсивность отраженного луча непрерывно возрастает. При r >r_o интенсивность отраженного луча становится равной интенсивности падающего луча, а луч, выходящий из из среды, исчезает полностью.

Скорость распространения света в среде и, соответственно, коэффициент преломления света в среде зависит от длины волны падающего света. Поэтому, при прохождении немонохроматическим светом (светом, содержащим разные длины волн) границы раздела двух сред, свет преломляется под разными углами, в зависимости от длины волны. Это явление называется дисперсией света.

Д И С П Е Р С И Я

Нормальная – показатель преломления растет с уменьшением длины волны

Аномальная – показатель преломления уменьшается с уменьшением длины волны

Явление полного внутреннего отражения света в природе и медицине

Природной волоконнооптической системой является сетчатка глаза, поскольку светочувствительные элементы – палочки и колбочки – представляют весьма тонкие светопроводящие волоконца. В последние годы растет убеждение, что волоконнооптические элементы встречаются в природе значительно чаще, чем считали раньше.

Недавно выяснили, что полное внутреннее отражение существенно для роста растений. Элементом, чувствительным к свету у растений является пигмент фитохром. Красный свет с 660 нм переводит молекулу фитохрома в активное состояние, в результате чего запускаются биохимические реакции, приводящие к росту растения, его ориентировке и т.д. Естественно было искать молекулы фитохрома в наземной части растения. Однако у злаков, например, у овса, фасоли концентрация фитохрома в клетках, находящихся на 2-3 см ниже земли оказалась в 10 раз больше, чем в клетках находящихся под землей. Поэтому после скашивания эти растения активно растут. Как же свет попадает в эти клетки? Оказалось, что световодом служит стебель овса. Который проводит свет на 4-5 см.

Приборы, с помощью которых определяют показатель преломления света, называются рефрактометрами. В рефрактометрах используется зависимость предельного угла полного внутреннего отражения от показателя преломления вещества. Рефрактометры используются в медицине для определения концентрации растворенного вещества (концентрации белка в сыворотке крови, концентрации раствора сахара и т.д.)

Волоконная оптика – раздел оптики, в котором рассматривается передача и изображения по световодам и волноводам оптического диапазона, в частности по многожильным световодам и пучкам гибких волокон. Волоконная оптика возникла в 50-х годах ХХ века.

В волоконно-оптических деталях световые сигналы передаются с одной поверхности (торца световода) на другую (выходную) как совокупность элементов изображения, каждый из которых передается по своей световедущей жиле. В волоконных деталях обычно применяют стеклянное волокно, световедущая жила которого (сердцевина) окружена стеклом оболочкой из другого стекла с меньшим показателем преломления. Вследствие этого на поверхности раздела сердцевины и оболочки лучи, падающие под соответствующими углами, претерпевают полное внутреннее отражение и распространяются по световедущей жиле.

Световоды и другие волоконно-оптические детали широко применяются в медицине. Жесткие прямые или заранее изогнутые одножильные световоды и жгуты из волокон диаметром 15-50 мкм применяют в медицинских приборах для освещения внутренних полостей носоглотки, желудка, бронхов. В таких приборах свет от электрической лампы собирается конденсором на входном торце световода или жгута и по нему подается в освещаемую полость. Использование жгута с регулярной укладкой стеклянных волокон (гибкий эндоскоп) позволяет видеть изображение стенок внутренних полостей, диагностировать заболевания и с помощью гибких инструментов выполнять простейшие хирургические операции без вскрытия полости.