Электромагнитные волны и оптика (1271691), страница 3
Текст из файла (страница 3)
На фотопленке записывается изображениеобъекта вследствие изменения коэффициента пропускания плен$ки пропорционально интенсивности световой волны, идущей отобъекта. При таком способе записи теряется информация о фазесветовой волны, приходящей от объекта. Поэтому на фотографииизображение объекта соответствует одному ракурсу, а именно видуобъекта в направлении, в котором его фотографируют. По фото$графии невозможно получить полное восприятие образа запечат$ленного объекта, которое мы имели бы, рассматривая объект подразличными углами зрения, когда у нас создается представление оего объемной форме.Этот недостаток фотографии был преодолен после изобрете$ния голографии Д. Габором в 1948 г. В переводе с греческого голо$графия означает «полная запись». Голография представляет собойспособ записи и воспроизведения волновых фронтов, перенося$щих изображение того или иного объекта или их совокупности.Изобретатель голографии Габор с помощью этого способа собирал$ся увеличить разрешающую способность электронных микроско$пов.
Однако практическая реализация голографии стала возмож$ной после появления лазеров — источников излучения монохрома$2647. ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫХВОЛН СО СРЕДОЙ РАСПРОСТРАНЕНИЯМатериальные среды, существующие в виде твердых тел, жид$костей и газов, состоят из заряженных частиц — электронов и ио$нов, связанных между собой кулоновскими силами. При проник$новении электромагнитной волны в материальную среду происхо$дит их взаимодействие.
С одной стороны, на заряженные частицысреды действуют дополнительные силы, зависящие от напряжен$ности электрического поля распространяющейся электромагнит$ной волны. С другой стороны, при ускоренном движении заряжен$ных частиц среды происходит излучение электромагнитных волн.Таким образом, взаимодействие электромагнитных волн с заря$женными частицами приводит к изменению как характеристикэлектромагнитных волн, распространяющихся в материальнойсреде (по сравнению с теми, которые они имели в вакууме), так изакона движения электронов и ионов, из которых состоит среда.В данной главе мы рассмотрим основные экспериментальныезакономерности процессов взаимодействия электромагнитныхволн с различными средами и дадим их теоретическое описание.7.1.
Дисперсия электромагнитных волн.Экспериментальные результатыВажной характеристикой среды является ее абсолютный пока$затель преломления n, который в дальнейшем мы будем называтьпоказателем преломления (в простейших случаях показатель пре$ломления является действительным числом n > 1). В соответствиис законом Снеллиуса (см. (3.35в)) показатель преломления опре$деляет соотношение между углами падения и преломления свето$вого луча на границе раздела вакуума и материальной среды. По$2978.
ПОЛЯРИЗАЦИЯ СВЕТОВЫХ ВОЛНКак было отмечено в гл. 1, основным свойством электромаг$нитных волн является их поперечность, т. е. колебания векторовнапряженности электрического и магнитного полей происходят вплоскости, перпендикулярной направлению распространения вол$ны. В природе существует широкий класс электромагнитных волн,колебания векторов напряженностей электрического и магнитногополей которых совершаются в строго определенных направлениях.Такое свойство определяет состояние поляризации электромаг$нитной волны. Если вектор напряженности электрического (маг$нитного) поля электромагнитной волны колеблется вдоль некото$рого направления, сохраняя свою ориентацию в пространстве, тоговорят о линейной поляризации электромагнитной волны, кото$рая в этом случае считается полностью поляризованной. Состоя$ние полной поляризации электромагнитной волны проявляется ипри изменении пространственной ориентации векторов напряжен$ностей электрического и магнитного полей в процессе распростра$нения волны.
Например, из уравнений Максвелла следует сущест$вование полностью поляризованных электромагнитных волн, прираспространении которых векторы напряженностей электрическо$го и магнитного полей колеблются таким образом, что их годогра$фы в плоскости, перпендикулярной направлению распростране$ния волны, представляют собой эллипсы или, в частном случае,окружности. В этом случае говорят соответственно об эллиптиче$ской или о круговой поляризации электромагнитной волны.Излучение естественных источников представляет собой при$мер электромагнитных волн с неопределенным состоянием поляри$зации: такие волны называют неполяризованными.
В плоскости,перпендикулярной направлению распространения неполяризован$ной волны, всегда можно найти направление, вдоль которого проис$ходят колебания одного из векторов напряженностей ее электричес$3309. НЕЛИНЕЙНАЯ ОПТИКАПри исследовании оптических эффектов, сопровождающихраспространение света в различных средах, были обнаружены фи$зические явления, имеющие место только при большой интенсив$ности светового пучка. Впервые на это обратили вниманиеС.И. Вавилов и В.Л.
Левшин в 1923 г. Они обнаружили увеличениепрозрачности уранового стекла с ростом интенсивности проходя$щего через него света. Объяснение этого явления основывалось наидее взаимодействия световой волны со стеклом, в результате ко$торого бËльшая часть атомов стекла переходила в возбужденноесостояние и не могла поглощать свет.Было доказано, что такие оптические свойства некоторых сред,как прозрачность, преломление, отражение и пропускание свето$вой волны при ее достаточно большой интенсивности зависят отнапряженностей ее электрического и магнитного полей.
В частно$сти, отсюда следовал вывод о том, что для мощных световых пуч$ков принцип суперпозиции волн, на котором ранее было основанообъяснение оптических явлений (дифракции и интерференции),нарушается. Принцип суперпозиции в оптике является справедли$вым в предположении о линейном характере взаимодействия све$товых волн.Оптические эффекты, сопровождающие распространение мощ$ных световых пучков в различных средах, относят к классу нели$нейных оптических явлений, и раздел оптики, в котором они изу$чаются, называют нелинейной оптикой. Бурное развитие нели$нейной оптики началось после изобретения лазера в 1960 г.Интенсивность световых пучков, генерируемых лазерными систе$2мами, может достигать значений 1011…1013 Вт/м , при которых зна$чения напряженности электрического поля световой волны стано$вятся сравнимыми со значениями напряженности внутриатомногополя и даже могут их превышать (в импульсных лазерах).375ЗАКЛЮЧЕНИЕИтак, мы рассмотрели совокупность свойств электромагнит$ных волн, следующих из системы уравнений Максвелла, котораясоставляет основу классической электродинамики.
В истории фи$зики классическая электродинамика имела большое значение дляоткрытия и объяснения многих оптических явлений, в том числеэффектов, сопровождающих взаимодействие электромагнитныхволн со средой распространения, например: эффекта Фарадея, яв$ления Зеемана, эффектов Керра, Коттона — Мутона, молекулярно$го рассеяния света.В значительной степени такому успешному приложению мето$дов классической электродинамики способствовали труды Х.
Ло$ренца, который ввел в классическую электродинамику атомисти$ческие представления. Благодаря этому оказалось возможнымне только истолковать используемые в классической электродина$мике электрофизические параметры среды (к которым можноотнести ее относительные диэлектрическую и магнитную прони$цаемости, а также удельную проводимость), но и рассчитать ихзначения.
В конце XIX — начале XX в. классическая электродина$мика — электромагнитная теория света — считалась венцом дости$жений теоретической физики.Идея А. Эйнштейна о постоянстве скорости света в инерциаль$ных системах отсчета, по словам известного американского физикаДж. Орира, привела к современному пониманию системы уравне$ний Максвелла как «необходимого релятивистского следствия за$кона Кулона (их можно вывести из этого закона)».
Невозможностьобъяснить с позиций классической электродинамики спектральныехарактеристики излучения нагретых тел, явление фотоэффектапривела к рождению квантовой физики, которая сделала понятны$ми физические явления, происходящие в масштабах атома.434Знание свойств электромагнитных волн и оптических явленийшироко используется при изучении таких важных разделов физи$ки, как основы квантовой теории атома и элементы физики твер$дого тела. Особенности спектра теплового излучения тел, вероят$ностное описание движения микрочастиц с помощью волновыхфункций, дуализм света, волновые свойства микрочастиц, законо$мерности спектров веществ, находящихся в возбужденном состоя$нии, зонная теория твердых тел, работа лазера — вот далеко не пол$ный перечень физических проблем, понимание которых возможнотолько после изучения электромагнитных волн и оптики.Содержание данного учебного пособия не только представляетсобой естественное продолжение материала, посвященного явлени$ям электростатики и магнитостатики, но и является своеобразным«мостом» между классической физикой и квантовой физикой.Авторы надеются, что данное учебное пособие вызовет у сту$дентов интерес к физике волновых процессов, стремление проник$нуть в сущность излагаемых явлений и будет способствовать твор$ческому применению физических методов при решении разнооб$разных практических задач.СПИСОК РЕКОМЕНДУЕМОЙ ЛИТЕРАТУРЫБорн М., Вольф Э.
Основы оптики: Пер. с англ. М.: Наука, 1971.Горелик Г.С. Колебания и волны. М.; Л.: Гостехтеоретиздат, 1950.Кингисеп А.С., Локшин Г.Р., Ольхов О.А. Основы физики. Курс общей фи зики: В 2 т. Т. 1: Механика, электричество и магнетизм, колебания иволны, волновая оптика. М.: Физматлит, 2001.Крауфорд Ф. Волны: Пер.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
