Калитеевский Н.И. - Волновая оптика (1070655), страница 7

Просмтор этого файла доступен только зарегистрированным пользователям. Но у нас супер быстрая регистрация: достаточно только электронной почты!

Текст из файла (страница 7)

Часто такую свободно распространяющуюся волну называют бегущей, чтобы отличить ее от стоячей волны (см. 5 1.6), где синфазность векторов Е и Н не имеет места. Итак, используя уравнения Максвелла для однородной непроводящей среды, мы получили ряд фундаментальных результатов, которые имеет смысл перечислить: 1. Доказано существование электромагнитных полей, распространяющихся в пространстве в виде волн. 2.

Установлены поперечность свободной электромагнитной волны и ортогональность векторов Е и Н. 3. Указаны возможные виды поляризации электромагнитной волны. 4. Получены выражения для скорости распространения электромагнитной волны и = сф е)ь (формула Максвелла) и количественное соотношение между векторами Е и Н для каждой точки пространства и в каждый момент времени. Заметим, что полученные результаты справедливы для любого значения ш, что и выявляет универсальность использованного метода.

Теперь необходимо более подробно исследовать найденные выше свойства плоских электромагнитных волн, с которыми и придется главным образом иметь дело в последующем изложении. Этими основными характеристиками служат наличие плоского фронта, монохроматичность и существование определенной поляризации излучения. Разберем их последовательно, уделяя особое внимание вопросу о том, в какой степени такую абстракцию можно реализовать на опыте. 1. Плоский фронт волны относительно просто создается системой зеркал, что нетрудно продемонстрировать как в области УКВ, так и в оптическом диапазоне. При этом получается более нли менее направленная (т.

е. мало расходящаяся) волна, хотя детальный анализ степени направленности излучения часто оказывается далеко не простым. Фронт волны, создаваемой локальным источником на достаточно большом расстоянии от него, можно считать плоским. Амплитуда колебаний для расходящейся волны уменьшается с увеличением расстояния от источника. В оптической области можно использовать следующую, в принципе простую, систему: малая диафрагма (или щель, ограниченная по высоте) помещается перед линзой (объективом) в ее фокусе.

Тогда на выходе этого устройства (рис. 1.6), называющегося коллиматором, получается параллельный пучок света, соответствующий плоской волне. Но если излучение источника содержит широкий интервал длин волн (т. е. не монохроматично), то создание такой системы становится затруднительным, так как условия фокусировки для радиации разных длин волн различны.Мы замечаем, что свойства плоской волны (в данном случае наличие плоского фронта и монохроматичность) оказываются зависимыми.

Укажем, что излучение лазера (оптического квантового генератора) в наибольшей степени отвечает сформулированным требованиям — расходимость пучка очень малая и излучается обычно строго определенная длина волны (рис. 1.7). ь Наименьшую расходвмость имеют газоеые лазеры. Она составляет для ннх примерно 1О . Использоаанвем относнтельво простой телескопической насадкв монгво еше уменьшить расходвмость взлучення газоеого лазера (до 10- 20'1. Ы 2.

Более серьезен вопрос о возможности создания монохроматичгспого излучения. Конечно, понятие монохроматической волны вида (1.23) несколько идеализировано. Монохроматическая волна рождается гармоническим колебанием, которое длится вечно, тогда как любое реальное колебание не может продолжаться сколь угодно долго. Очевидно, что колебание, график которого представлен на рис. 1.8, не является гармоническим, но чем больше т = 1,— 1, по сравнению с периодом колебаний Т, тем в большей степени этот импульс походит на монохромах англ юм*, что чем больше т, тем меньше ина) тервал частот Лу, соответствующий данному излучению (Лу ° 1/т, см. (5.19)).

Рис. !.б. Схемы получения плоского фронта волны при помощи зеркала (а) и линзы (б) Рис. 1.7. Схематическое изображение газового лазера: 6 10' — угол, характеризующие рас. хнлимнсть излучения. Указана поляризация волны Значение принятой идеализации (т = оо) велико именно потому, что любой импульс можно представить в виде суммы (конечной или бесконечной) гармонических функций вида Езг соя (ау11 — 1р1) Существуют серьезные основания, в силу которых разложение по гармоническим функциям представляется с точки зрения физика наибо- г =с,-г, ) Рис.

1.8. Пример негармонического колебания лее целесообразным по сравнению с любой другой возможной математической операцией. Мы еще вернемся к вопросу о разложении излучения в спектр (см. 5 6.7), а сейчас имеет смысл выяснить степень монохроматичности излучения тех или иных источников электромагнитных волн и указать основные способы монохроматизации радиации (т.

е. уменьшения интервала частот Ьр). Как уже упоминалось, для любой радиации следует различать сплошной и линейчатый спектры. В диапазоне УКВ переход от вибратора Герца к современным источникам (клнстрон, магнетрон) оз- пачает переход от сплошного спектра к линейчатому.

Клистрои излучает волну строго определенной длины (например, 3~ ж 3 см). Измерить эту длину нетрудно (см. 2 1.6), но определение степени монохроматичности такого источника требует достаточно тонких опытов, рассмотрение которых увело бы нас далеко за рамки нашего курса. В оптическом диапазоне тоже приходится иметь дело как со сплошным, так и с линейчатым спектром. Естественный свет (так называемый «белый») с содержит все частоты — можно считать, что в изменяется от 0 до оо. Такие сплошные спектры (но с различным распределением энергии по частотам) дают раскаленные тела и некоторые другие источники. Выделение какой-то узкой области частот из сплошного спектра представляет собой трудную и неблагодарную задачу — чемуже область, тем меньше энергии в ней остается.

Поэтому использование линейчатого спектра удобнее, но здесь также возникают затруднения, особенно если иметь дело с многолинейчатым спектром. Для монохроматиза» ции излучения используют различные приборы (будем условно называть их монохроматорами). Я Использование каждого из этих устройств связано с потерей части энергии, но эффективность такой методики несравненно больше, чем в случае сплошного спектра. Так, например, относительно легко выделить из ртутного спектра какую-либо линию (чаще всего выделяют зеленую линию с Х = = 5460 Л). Но следует иметь в виду, что каждая 044 спектральная линия имеет определенную ширину («естественная» ширина ж 10-' А, и, .кроме того, линия обычно уширяется до 0,1 — 0,01 А в силу различных причин, см.

25.2). Для того чтобы оценить условность рассматриваемой операции монохроматизации излучения (выделение отдельной линии из спектра реального источника света), на рис.1.9 приведена структура упоминавшейся зеленой линии ртути (см. 25.9). Наличие множества различных компонент этой линии связано со сложным изотопическим составом ртути и взаимодействием ядра атома ртути с его электронной оболочкой.

Если попытаться выделить один из таких пиков, т. е. в еще большей степени монохроматизировать излучение, что бывает необходимо при интерференционном определении длины и в других задачах, то придется значительно усложнить методику эксперимента. Эти примеры показывают, что при любой монохроматизации излучения реального источника всегда используют определенный интервал частот, который обычно лишь в грубом приближении может считаться бесконечно малым.

26 Излучение лазера представляется наиболее близким к идеальной монохроматической волне. Эффективная ширина каждой из компонент линии газового лазера в результате ряда причин оказывается даже меньше указанного выше предела (она равна 10-' — 1О-' А, тогда как «естественная» ширина линии составляет 10 4 А), а мощность, излучаемая в столь узком интервале длин волн, относительно велика. Так, неон-гелиевый лазер, генерирующий излучение, с длиной волны 6328 А, обычно имеет мощность порядка нескольких мнлливатт. В некоторых других газовых лазерах (например, в ионном аргоновом) излучается мощность порядка нескольких ватт, а инфракрасный лазер на СО» (Л ж 10 мкм) излучает громадную мощность (несколько киловатт). Укажем также, что существуют лазеры, излучающие энергию импульсами, длительность и частота повторений которых можно варьировать.

В частности, очень распространены импульсные лазеры на рубине (Л ж 0,69 мкм) н неодимовом стекле (Л т 1,06 мкм), мощность которых может достигать нескольких мегаватт, а в специальном режиме «гигантских импульсо⻠— значений т 10' Вт и более. 3. Поляризация излучения является третьей основной характеристикой плоской монохроматической волны. Наиболее простой случай линейной поляризации имеет место в УКВ-области, и его можно искусственно создать и в оптическом диапазоне. Существует множество различных типов оптических поляризаторов — устройств, на выходе которых получается линейно поляризованный свет (кристаллы исландского шпата или кварца, призма Николя и различные другие приспособления).

С помощью таких устройств можно не только поляризовать излучение, но и проверить, характеризуется ли неизвестная радиация линейной поляризацией. Методика подобных исследований ясна из рис. 1.10, где показаны две взаимные ориентации поляризатора и анализатора, при которых свет или проходит целиком, или нацело задерживается. Более сложный метод исследования эллиптически поляризованного света (который можно спутать со случаем частичной поляризации в какой-либо плоскости) будет приведен в гл.

1П, посвященной прохождению света в кристаллах. При общем изучении явления поляризации необходимо объяснить, как возникает характеризующийся осевой симметрией обычный не- поляризованный свет. Как уже упоминалось, решением уравнений Максвелла служит строго монохроматическая волна, и поэтому она обязательно должна быть поляризована (в общем случае эллиптически).

Характеристики

Список файлов книги