Калитеевский Н.И. - Волновая оптика (1070655), страница 2
Текст из файла (страница 2)
И. Калитеевский ь См. Л а н дс 6 е р г Г. С. Оптика. М, Гостехичдат, 19671 Ф р и ш С. Э, Т н м о р е в а А В. Курс общей физики. Т. 3. М,, Физматгнз, 1962 Введение д, сгс юь са' б Ю' бам Са б. 'и Я. /ли с»«ание Корит илыпроггиие иие короткие Инара пыра рентгенобкраснь к итоне ские у -лучи лучи рл тобьге лучи л чо Робооболии Злектроческие колебание боброторпб Молекулярно -атомные иалебаиоо Рис. 1. Шкала электромагнитных волн предложенного Максвеллом 100 лет"назад, позволяет построить единую теорию распространения электромагнитных воли и пряменить ее для описания основных свойств света. Такое феноменологическое рассмотрение подкупает своей общностью, но, конечно, оказывается приближенным и становится недостаточным в целом ряде случаев.
Поэтому изложению подобной строгой, но формальной схемы, в значительной степени игнорирующей механизм протекающих микропроцессов, предпослана качественная характеристика электромагнитшьх волн разных частот и способов их возбуждения и регистрации. Это полезно для выявления границ применимости теории, и вместе с тем открываются богатейшие возможности для экспериментальной проверки и иллюстрапнитеорсьичсских вмводов с использованием наиболее удобного вида излучения. Методы возбуждения и регистрации радиоволн приведены в курсах влек.
тро- и радиотехники и имеют лишь косвенное отношение к проблеме распростра- Оптикой обычно называют учение о физических явлениях, связанных с Распространением коротких электромагнитных волн. Как известно, длина любой волны 1», ее частота ч, скорость в среде и и период колебаний Т связаны соответственно соотношением и = иlч = иТ. Для волн, которые будут рассматриваться нами, в вакууме и = с = 3 . 10»ь см/с. Прежде всего надо найти диапазон возможного изменения длины волны (или частоты), т. е.
изучить шкалу электромагнитных волн (рис. 1), определив более точно расплывчатое понятие «короткие электромагнитные волны». Однако для одних хараитернстик радиации (например, поляризации) значктельное изменение длины волны не приводит к качественным нарушениям, тогда как для других физических явлений (дифракция и интерференция) выбор исследуемой области длин волн часто бывает критичен.
Таким образом, выделение узкой области (от 0,4 до 0,7 мкм), характеризующейся специфическим воздействием иа органы чувств («видимый свет»), не имеет особого смысла. На данном этапе также иеоправдано практикуемое выделение «оптического диапазона», включающего в себя инфракрасные, видимые и ультрафиолетовые лучи, тем более что все указанные на чертеже границы довольно условны. Несмотря на очевидное различие в способах генерирования и регистрации электромагнитных волн разного типа, можно показать, что законы распространения воли всех типов задаются одними и теми же дифференциальными уравнениями.
Речь здесь идет об уравнениях Максвелла, в которых свойства среды учитываются введением соответствующих констант„ а переход нзлучения из одной сРеды в другую определяется с помощью граничных условий для вектоРов напряженности электрического и магнитного полей. Использование метода, пенна коротких электромзгнитных волн. Важно лишь, подчеркнуть, что для частот т> 1Оз Гц (ь ( 30 см) электронная лампа', типа триода, на использовании которой основана классическая радиотехника, уже становится непригодной. Действительно, в этой области частот время пролета электрона от катода до анода сравнимо с периодом изменения электрического поля и сетка уже не может управлять анодным током.
Уменьшая размеры электронной лампы, можно повысить частоту генерируемого ею излучения, ио, как остроумно замечает Пирс", естественным концом такого процесса должно служить исчезновение самой лампы. Вместе с тем автор указывает, что в радиорелейных линиях США широко применяют сверхмнниатюрные радиолампы, в которых расстояние между катодом и сеткой незначительно превышает 10 мкм, что позволяет ксползовать нх для усиления колебаний с Х 7,5 см. Мы приводим зти данные лишь для того, чтобы подчеркнуть значительную условность разделения различных видов электромагнитного излучения.
Ультракороткие волны (УКВ) представляют чрезвычайный интерес для решения многих важнейших технических задач. Это связано с тем, что для передачи энергии и получения направленного излучения выгодно увеличивать частоту колебаний (см. 4 1.7). Революция в технике УКВ произошла в 1930— !940 гг., н теперь устройства, на которых были проведены знаменитые опыты Герца, Попова н др., представляют лишь исторяческий интерес. Основным недостатком передатчика Герца являются наличие затухающих колебаний и большая ширина спектра излучаемых частот.
В современных генераторах УКВ (клистронах и магнетронах) взаимодействие электронного пучха и волн, возникающих в резонаторе, происходит по-иному, что позволяет поднять верхнюю границу частот (ч 30 ГГц) и резко увеличить мощность сигнала, достигающего иногда десятков миллионов ватт в импульсе. Положительными свойствамн подобных излучателей являются высокая монохроматнчность электромагнитной волны (излучается строго определенная частота) и крутой фронт временных характеристик сигнала. В качестве приемника УКВ-излучения обычно используют вибратор или объемный резонатор с кристаллическим детектором, имеющим резко нелинейные свойства, с последующим усилением низкочастотного сигнала.
Для того чтобы более конкретно представить себе методику регистрации УКВ, рассмотрим следующую упрощенную картину. Улавливаемый вибратором импульс представляет собой амплитудно-модулированное колебание, котоРое можно записать в виде произвольной функпии р (/) = А (/) соз ю/. Здесь А (/) — медленно меняющаяся амплитуда (например, звуковаа частота ч' ~ 10а Гп), а ч = ю/2п — основная (несущая) частота в УКВ-диапазоне (и 10з Гц).
После демодуляции в нелинейной системе (высокочастотного выпрямления) и усреднения за период Т = 1/т имеем т т 1 1' А (/) Г 2 <у(/)>= — ) А(/) ) совы/) б/= — ) ) созе/) г/1= — А (1), — т,) — Т,) и а о Сигнал можно усилить и подать его на осциллограф или какой-либо другой индикатор звуковой частоты.
Законность такой операции доказывается в соответствующих разделах радиотехники. Простымн опытами иллюстрируются на. правленность излучения в УКВ-области и некоторые другие свойства такого излучателя. Оптический диапазон спектра (инфракрасные, видимые н ультрафиолетовые лучи) представляет большой интерес, но мы будем предельно кратки прн об.
щем описании методов возбуждения и регистрации спектра в этой области, так как в дальнейшем придется детально рассматривать многие вопросы, о которых ~десь лишь упоминается. ' Смл П н р с Д. Электроны, волны и сообщения. М., Физматтиз, 1961. 7 Для возбуждения оптического излучения в лабораторном эксперименте применяются следующие физические явления: 1) свечение раскаленных твердых тел (тепловое излучение), что во всех случаях обеспечивает непускание сплошного спектра и особенно эффективно в близкой инфракрасной области. Электрический дуговой разряд мехгду угольными электродамн часто оказывается наилучшим источником сплошного спектра в видимой и близкой ультрафиолетовой областях; 2) свечение возбужденных газов (квантованные переходы внешних элеи- тронов в атомах и молекулах приводят к возникновению атомных и молекулярных спектров).
Электрическая дуга между металлическими электродами нли угольными, пропитанными солямн металлов, дает яркое свечение с дискретным спектром. Ртутная дуга низкого давления — чрезвычайно удобный источник света, излучающий яркие линии, которые можно выделить нз спектра с цомощью фильтров или других оптических устройств. В последние годы широкое распространение получили беззлектродные лампы, возбуждаемые СВЧ-разрядом. Они изготовляются следующим образом. Внутри хорошо откачанного полого шарика (диаметром 1 — 2 см) из специального стекла распыляется какой-либо металл. После заполнения инертным газом лампа отпаивается от установки.
Основные (резонансные) линии металла возбуждаются с помощью миниатюрного СВЧ-генератора. Такая лампа дает резкие и интенсивные ляпин; 3) свечение различных тел под действием излучения (лгоминесцеиция) также широко применяется в разных экспериментах. Упомянем, что чрезвычайно большие возможности открываются при аспользовании в оптических экспериментах лазеров (кеантовых оптических генераторов), излучающих обычно одну спектральную линию большой яркости. Особые свойства таких источников света (когерентность) будут обсуждены ниже, а сейчас лишь укажем, что свм факт нх существования заставляет по-иному подходить к изучению многих оптических ввленнй.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
