Калитеевский Н.И. - Волновая оптика (1070655), страница 21
Текст из файла (страница 21)
Следовательно, произведение М на И = 1с будет соответствовать импульсу поля, сосредоточенному в объеме, численно равном с см', Поэтому средняя плотность импульса электромагнитного поля (2.39) й= 8/ел= — (ЕН). 4лс Значение этого утверждения в полной мере проявляется в фотонной теории (см. 9 8.5). На данном этапе изложения материала представляется важным подчеркнуть, что существование светового давления н связанного с ним понятия импульса электромагнитного поля может быть доказано в рамках электромагнитной теории света. В последнее время световое давление снова привлекло внимание исследователей.
Для экспериментов в этой области оказались весьма удобными некоторые свойства лазеров, а именно монохроматичность излучения и эквивалентность лазера точечному источнику света. В силу этих свойств лазерное излучение может быть сфокусировано с высокой точностью*. При использовании хороших оптических систем (см.
5 6.8) можно сфокусировать лазерное излучение в пятно с радиусом того же порядка величины, что и длина волны генерации, Простые оценки показывают, что, если в фокусе лазерного излучения мощностью 1 Вт (такая мощность легко реализуется, например, в аргоновом лазере, генерирующем в зеленой области спектра) оказывается малая частица с массой ж10-зз г, полностью отражающая излучение, то под действием светового давления она должна получить ускорение, в миллион раз превышающее ускорение свободного падения. е В гл. Ч! будет подробно рассмотрена нространственная когерентность лазера, онределяюшая его зквнвалентность точечному нсточннку, н указаны особенйостн фокусировки лазерного излучения.
При экспериментальном осуществлении этой идеи, конечно, возникает ряд трудностей. Так, например, исключена возможность использования высокоотражающих металлических частиц, так как даже при коэффициенте отражения Я = 98% оставшихся двух процентов поглощенной энергии достаточно для сильного нагрева и даже плавления исследуемых объектов. Опыт удалось осуществитье, используя малые сферические прозрачные диэлектрические частицы, помещенные в дистиллированную воду. Хотя в этом случае коэффициент отражения мал Я 1Ап)'! см.
9 2.21, силы, действующие на частицы, будут достаточно велики, и удается чисто доказать, что их природа непосредственно связана со световым давлением, а не с вторичными процессами. Другой очень эффектный вариант подобных опытов представлен на рис. 2.24. В этом случае,'прозрачная стеклянная сфера диаметром 20 мкм при воздействии на нее лазерного пучка мощностью 250МВт висит в воздухе над стеклянной пластиной. Хотя частица очень мала и еле заметна невооруженным Рис.
2.24. Частица, полдерлгнваемаи глазом, в опытеона легко обна- в еозиуке световым лавлением веРтиружнвается по яркому сиянию, кального лазерного пучка связанному с рассеянием на ней света лазера. Дополнительной трудностью этого опыта явилось прнлипание таких частиц к поверхности пластины за счет снл Ван-дер-Ваальса, величина которых была примерно 10' д. Для разрыва этих сил использовались акустические колебания пластины. Как только частица освобождается от молекулярных сил притяжения, начинается ее движение вверх под действием сил светового давления. В равновесии сила тяжести уравновешивает силу светового давления.
В описываемом эксперименте ярко сияющая частица была взвешена на высоте около 1 см над поверхностью стеклянной пластины. Эти опыты доказывают принципиальную возможность использования давления лазерного излучения для решения многих актуальных задач атомной физики, например для ускорения в высоком вакууме малых тел до очень больших скоростей, разделения газов разной массы и в том числе, разных изотопов. ч Смл УФН, 1973, 11О, вып.
1, с. 10!. ГЛАВА ГП ЭЛЕМЕНТЫ ОПТИКИ КРИСТАЛЛОВ В предыдущем наложения предполагалась нзотропность среды, в которой распространяются электромагнитные волны. Однако в природе существуют тела, не удовлетворяющие етому требованню. Прохождение света в таких средах сопровождается дополнительными эффектами, рассмотрению которых к посвящена настоящая глава. Физическая природа наблюдаемых явлений обусловлена взаимодействием световой волны я вещества, анвзотропня которого может быть связана с особенностямя строения его молекул нлн, что чаше нмеет место, с особенностями кристаллической решетки, в узлах которой находятся атомы нли ионы весле.
дуемого вещества. Взаимодействие света с веществом для большинства ар сталлов уже не может быть моделнровано колебаниями одного днполя (см. $ 1.7), так как в крнстзллах осцнлляруюшнй электрон связан не только с одним положительным зарядом, но н находится в электрическом поле, создаваемом всеми зарядами крнсталлнческой решетки. Лля опнсання таких анизотропных сред необходимо ввести три различных взаимно перпенднкулярнмх осцяллятора и харзктернзовать трн взанмно перпендикулярных направления в кристалле различнымн значениями показателя преломления.
Ниже будет показано, что для широкого класса тзх называемых однооспых кристаллов можно свести описание н колебаниям двух осцилляторов. Тахне модельные представления подтверждаются огромным экспериментальным материалом. Так, например, прн исследования крнсталлов, обладающих высокоснмметрячной кубической решеткой, отсутствуют оптнческне эффекты, связанные с раалнчной ориентацией кристалла относнтельно возбуждающего пучка света. Однако прн внедрении в решетку кубического кристалла ионов какого-либо элемента могут образоваться локальные аннзотропные центры. Прн этом крнсталл будет оставаться макроскопнчегкя нзотропным, но такая сокрытая анизотропня» может быть обнаружена прн том нлн ином аннзотропном воздействии (светом, электрическим нлн магнитным полем, деформацией). Лаже полностью нзотропное вещество (например, жядкость) может стать аннзотропным под воздействием внешних механнческнх нлн алектрнческнх воздействий.
Таким образом, оптика кристаллов является весьма спецвфнческнм разделом учення о свете, очень важным как по значенню, так н по многочнсленным приложениям.Подробное опнсанне оптики крнсталлов имеется в специальных руководствах. Изберем следующий план нзложення материала: после краткого рассмотрення осйовных экспернментальных фактов исследуется возможносгь нх описания с помощью электромагннтной теории. Изложение строгой теорни связано с нспользованнем сложных н громоздких математических построеннй, н поэтому можно ограннчнться формулировкой нсходных положений н провести подробное качественное рассмотрение, объясняющее фундаментальные свойства световых волн, распространяющихся в кристалле, а именно: двойное лучепреломленне, линейную поляризацию обыкновенного и необыкновенного лучей в двух эзаймно перпендикулярных направлениях н возннкновенне зллнптнческой поляркзацнк световой волны пря определенной орнентацян кристалла относительно падающей нз него линейно полярнзованцой волны.
Затем будет кратко охарактернзована методика построения волнового фронта по Гюйгенсу, позволяющая наиболее простым способом определнть направление обыкновенного н необыкновенного лучей (см. й 3,3). В заключение будет обсужден вопрос о вра~пенин плосностн полярязацян крнсталлнческнмн н аморфнымн теламя. й ЗЛ. ОПИСАНИЕ ОСНОВНЫХ ЭКСПЕРИМЕНТОВ Фундаментальным свойством световых лучей при их прохождении в кристаллах является двойное лучепреломление, открытое в 1670 г.
Бартолином и подробно исследованное Гюйгенсом, опубликовавшим в 1690 г. свой знаменитый «Трактат о свете, в котором изложены причины того, что происходит при отражении и преломлении и, в частности, при необыкновенном преломлении в кристаллах из Исландииы Двойное лучепреломление в УКВ-диапазоне было открыто лишь в ХХ в. П. Н. Лебедевым. Это явление играет меньшую роль в различных приложениях, поэтому ограничимся разбором опти- Е ческих явлений. нгьбььнньбенный В качестве основного объекта Луч Гбь lбу бб Е бр « ьбьиньбгнньм исследования разумно и по сей день выбирать упомянутый выРис.
3.1. Разделение луча иеполяризоваише исландский шйат, хотя почти ного света иа два поляризованных луча все кристаллы в той или иной припрохоисдевиичерезкристаллислаидстепени обладают этим свойст- ского шпата вом. Опыт показывает, что при освещении кристалла исландского шпата узким пучком света в ием возникают два луча, которые со времен Гюйгенса называют обыкновенным и необыкновенным (рис. 3.1). Этот эффект наблюдается и при нормальном падении света на естественную грань кристалла.
Для необыкновенного луча показатель преломления пе зависит от направления луча в кристалле, тогда как па†показатель преломления обыкновенного луча остается постоянным при любом угле падения световой волны на кристалл. В частности, для исландского шпата (для света с длиной волны )ь = 5893А — желтый дублет натрия) пв = 1,658, а 1,486 я.. пе ( 1,658. Следовательно, в данном случае и,. Такие кристаллы называют отрицательными. Вместе с тем существует широкий класс веществ (например, кристаллический кварц), для которых пь ) п„Такие кристаллы называют лоложитглвными.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
