Ландсберг Г.С. - Оптика (1070727), страница 53

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

Текст из файла (страница 53)

Для бегутцей ультраакустической волны изменение частоты легче всего представить как результат отражения света от движущихся поверхностей, которыми являются поверхности фронта бегущей волны, т.е. как результат явления Доплера (см. з 127). В волне, бегущей в одну сторону, изменение частоты дифрагировавшего света будет соответствовать увеличению частоты (и + Х), а в волне, бегущей навстречу, — уменыпению (и — %). Стоячая волна, как совокупность двух бегущих навстречу, обусловливает изменение частоты, выражаемое формулой и+ Л'.

Несложный расчет показывает, что как по методу стоячих во.лн (модуляция), так и по методу бегущих волн (явление Доплера) мы получаем, конечно, одно и то же значение (Х) изменения частоты падающего света. Изучение дифракции света на ультраакустических волнах стало важным методом исследования законов распространения этих волн в веществе и служит для исследования вопросов молекулярной физики; для некоторых технических применений используется ультраакустическая дефектоскопия.

Глава Х1 ГОЛОГРАФИЯ 8 57. Введение Период электромагнитных колебаний, относящихся к оптической области спектра, чрезвычайно мал, вследствие чего приемники излучения, обладающие болыпей или меньшей инерционностью, способны регистрировать лишь величину световой энергии, среднюю за период колебаний,но не мгновенное ее знт~ение. В результате такого усреднения мы имеем возможность судить об амплитудах колебаний, но полностью теряем сведения об их фазах. Вместе с тем, именно фазы волн содержат в себе информацию о взаимном расположении частей источника света, о его удалении от приемни- г ка и т.д. Таким образом, результаты измерений, из которых выпали сведения о фазах колебаний, несомых волнами, не позволяют, вообще говоря, составить полное представление о свойствах источника этих волн. Н Пусть, например, на поверхность фотопластинки Б (рис.

11.1) падает сферическая волна, испущенная точеч- Рис. 11.1. К вопросу о регистным источником Яг. Падающий свет рации фазы волны вызовет равномерное почернение открытой части светочувствительного слоя. К тому же результату приведет и волна, пришедшая от любого другого точечного источника, ДИФРАКцИЯ СВЕТА например, от 5~. Разумеется, распределение фаз колебаний на поверхности приемника, определяемое изменяющимся расстоянием от волнового фронта до плоскости пластинки Н (см. рис. 11.1), однозначно связано с положением источника. Однако незнание фазы, обусловленное указанными выше фундаментальными причинами, лишает нас возможности делать какие-либо заключения о локализации источника волн.

Мы можем использовать линзу или какой-либо более сложный оптический прибор и совместить фотопластинку с изображением Я~ источника Я~ (рис. 11.2). Благодаря таутохронизму оптических систем Рис. 11.2. К вопросу о регистрации волн в оптических системах (см. ~ 20) все части световой волны, проходящие через различные части линзы, приходят в изображение Я~ с равными фазовыми сдвигами, и сведения о положении источника света определяются локализацией его изображения; измерив положение изображения и зная свойства оптического прибора, можно вычислением определить координаты источника. Сказанное относится, очевидно, к любой точке поверхности, которая отображается на плоскость приемника Н.

Изложенный принцип лежит в основе большого числа разнообразных оптических приборов, которые будут детально рассмотрены в главах ХП -ХУ. Применение указанного принципа не может, однако, обеспечить сохранение всех интересующих нас сведений об источнике света на одной фотографии. Например, изображение Я,' источника Я~ (см. рис. 11.2), находящееся вне поверхности приемника Н, вызовет по- чернение участка пластинки С', т.е. приведет к такому же зффекту, как и отображение предмета С. Рассматривая 5~~ как источник сферической волны, падаюгцей на Н, и вспоминая обсуждение рис.

11.1, легко заключить, что как при использовании оптической системы, так и без нее мы имеем дело с общей физической причиной неполноты знания свойств источников — утратой данных о фазах колебаний при их регистрации приемником. Таким образом, и разобранные простые примеры, и общие соображения приводят к выводу, что для получения полного представления о локализации источников волн нужно уметь измерять и распределение амплитуд, и распределение фаз волн.

Измерение распределения фаз можно осуществить с помощью интерференционных явлений (см. главы 1У УП). Сущность интерференции заключается в том, что при сложении когерентных колебаний разность их фаз обусловливает изменение амплитуды суммарного колебания, иными словами, происходит преобразование Фазовых соот- 217 ГЛ. Х1. ГОЛОГ!~АФИЯ ношений волн в амплитудную структпуру интерференционной картины. Следователы1о, если на приемник излучения, помимо интересую1цей нас волны, послать другую, «пробную» волну с относительно простой формой фронта, например, плоскую или сферическую, то возник1пая интерференционная картина полностью охарактеризует закон изменения разности фаз этих двух волн на поверхности приемника. Таким способом мы получим возможность составить представление о фазовой структуре изучаемой волны.

Разумеется, следует выполнить необходимые условия когерентности интерферирую1цих колебаний и принять ряд других мер технического характера, о чем будет сказано в своем месте. Сейчас же мы иллюстрируем высказанный общий принцип рассмотрением простейших примеров. й 58. Голографирование плоской волны Пусть на экран Н падает плоская волна 1 (рис, 11.3 а). В ка гестве пробной или, как ее называют, опорно11 волны выберем также плоскую волну О. Схема рис. 11.3 а обеспечивает, очевидно, когерентность Рис. 11.3. Регистрация интерференционной картины от двух плоских волн О и 1 (а) (справа от Н показано распределение освещенности) и восстановление волны 1 с помощью просвечивающей волны (б) волн 1 и О, если исходная плоская волна, падающая на бипризму, в достаточной степени когерентна.

На экране Н образуется интерференционная картина, имеюп1ая вид параллельных периодических полос (см. ~ 15); расстояние между полосами Я равно отношению длины волны к углу 2р между направлениями распространения волн 1 и О (см. (15.5)), т.е. Я = Л/2~р. Пусть экран Н представляет собой фо- ДИФРАКЦИЯ СВЕТА топластинку; сфотографировав полосы и измерив расстояние между ними, мы можем вычислить угол 2у: Л 7 Таким образом, мы определили ориентацию волны 1 относительно опорной, т.е.

извлекли информацию о волне, которая содержалась в распределении фаз по поверхности приемника. Мы можем и не ограничиться измерениями распределения почернений на фотопластинке, но с ее помощью вновь воспроиавестви интерферировавшие волны. В самом деле, поместим фотопластинку в то же место и в той же ориентации, в каких она экспонировалась, и направим на нее просвечивающую волну, идентичную опорной О, прикрыв волну 1 диафрагмой Е (см. рис. 11.3 б). Поскольку почернение пластинки изменяется периодически, она представляет собой дифракционную решетку с периодом,Я. Справа от пластинки мы обнаружим набор плоских дифрагировавших волн; направления их распространения (утлы дифракции) определяются соотношением (см.

~ 17) Л О = у+т,— = у+т2р, т = О, ~1,~2,..., причем, ради простоты, угол падения д и угол дифракции 0 предполагзлотся малыми. Нулевой порядок (т = 0), как обычно, соответствует распространению падающей волны (см. рис. 11.3б). Для ги = — 1 имеем д = — у, т.е. эта волна распространяется точно в том же направлении,как и волна 1 во время образования интерференционной картины, полученной по схеме рис. 11.3 а. Последнее обстоятельство отражено на рис. 11.3 б штриховыми, линиями, которые являются продолжением лучей 1 в направлении, противоположном их распространению. Остальные значения ш = 1, ~:2,... отвечают дополнительным волнам, которых не было среди исходных волн (см. рис. 11.3а).

Как известно, отношение интенсивности дифрагировавших волн, отвечающих различным значениям порядка тп, определяется законом, по которому изменяется коэффициент пропускания решетки на протяжении ее периода (см. ~ 46, 48). Если пропускание подчиняется синусоидальному закону, то образуются волны и» = О, ~1 (решетка Рэлея; см. ~ 51).

В нашем случае распределение освещенности фотопластинки было синусоидальным, однако пропускание проявленной пластинки не вполне синусоидальное, и дополнительные волны поэтому существуют, хотя, как правило, они сравнительно мало интенсивны. Исключение составляет волна т = 1, у которой интенсивность такая же как у волны т = — 1. Итак, описанный опыт показывает, что можно не только регистрировать сведения о распределении фаз волны на поверхности приемника, что само по себе более или менее очевидно заранее, но при желании и восстановить волну, участвовавшую в образовании интерференционной картины.

Метод регистрации фазы волны и ее восстановления, разобранный вьппе на примере плоской волны, называется голографией. В переводе с греческого «голография» означает «полная запись», т.е. в назва- ГЛ. ХЬ ГОЛОГ1~АФИЯ нии подчеркнута возможность регистрации исчерпывающих сведений о волновом поле на поверхности приемника света. Фотопластинка, на которой зафиксирована интерференционная картина (в виде почернений), называется голограммой. Разумеется, с этой же целью применяются и иные приемники света, однако фотографический способ технически наиболее разработан и поэтому используется чаще других.

$ 59. Голографирование сферической волны На рис. 11А изображена схема опыта по голографированию сферической волны, испускаемой точечным источником Я. В качестве опорной служит когерентная сферической плоская волна, отклоняемая пластинкой Р так, что она падает на экран Н перпенднкулярно к его поверхности. В плоскости Н можно наблюдать интерференционную картину, имеющую вид концентрических колец, центр которых находится в точке О пересечения плоскости Н с перпендикуляром, опущенным Рнс. 11.4. Схема голографировання сферической волны: а -- регистрация интерференционной картины; б просвечивание голограммы; в форьпгрованне изображений 5', Я" частью голограммы, показанной справа на пее из Я. Аналогичная картина описана в ~ 26, где также обсуждалась интерференция плоской и сферической волн (кольца Ньютона), Расстояние между соседними кольцами убывает по мере роста их радиуса.

Характеристики

Список файлов книги