Оптические основы: природа света и оптические элементы

Введение

Оптика — это раздел физики, изучающий поведение и свойства света. Эта статья направлена на то, чтобы дать всестороннее понимание основных основ оптики, включая природу света (включая длину волны, электромагнитный спектр, фазу и амплитуду, корпускулярно-волновой дуализм света, отражение, преломление, двулучепреломление и интерференцию) и принцип работы оптических элементов. Эта статья представляет собой быстрое и простое руководство для начинающих, погружающихся в увлекательный мир оптики и основных оптических концепций с графическими иллюстрациями. Если вы ничего не знаете об оптике, эта статья для вас. Освоение этих базовых понятий может быть очень полезным для новичков в оптической области, поскольку основы оптики являются фундаментом множества технологий в области оптики. 

Трейлер: В этой статье вы узнаете:

• Длина волны
• Ультрафиолетовый спектр
• Видимый спектр
• Инфракрасный спектр
• Фаза и амплитуда
• Корпускулярно-волновой дуализм света
• Отражение
• Преломление
• Двулучепреломление
• Дифракция
• Интерференция
• Оптические элементы

Вы также можете узнать больше об основах оптики из нашей серии материалов:

Основы оптики: Сферические аберрации и кома

Хроматическая аберрация, кривизна поля, дисторсия, астигматизм

Основы оптики: Что такое поле зрения (FOV)

В будущем мы будем освещать больше тем по основам оптики, добавьте эту статью в закладки, чтобы следить за нашими обновлениями.

Длина волны

Свет рассматривается как форма электромагнитного излучения (которое, согласно теории Максвелла, представляет собой поперечные волны, состоящие из колеблющихся электрических и магнитных полей. Электромагнитное излучение также можно определить как волны, распространяющиеся в пространстве со скоростью 3x10^8 м/с). Длина волны является фундаментальной характеристикой световых волн и представляет собой расстояние между двумя последовательными точками в волновом цикле. Обычно она обозначается греческой буквой λ. Длина волны определяет цвет света: чем короче длина волны, тем выше энергия, и наоборот. Различные длины волн составляют электромагнитный спектр. От самых коротких до самых длинных длин волн различают гамма-лучи (<0,01 нм), рентгеновские лучи (0,01-10 нм), ультрафиолетовое излучение (10-400 нм), видимое излучение (400-700 нм), инфракрасное излучение (700 нм — миллиметры), микроволны (миллиметры — сантиметры), радиоволны (миллиметры — километры). Применение различается в зависимости от спектральной области: например, гамма-лучи и рентгеновские лучи часто используются в медицине, в то время как инфракрасный свет применяется в тепловизионных устройствах, а УФ-излучение — в стерилизации. Спектральные области, наиболее актуальные для оптики, — это ультрафиолет, видимый и инфракрасный диапазоны.

Ультрафиолетовый спектр

Ультрафиолетовый свет образуется, когда внешние электроны атомов возбуждаются. Ультрафиолетовый (УФ) спектр имеет более короткие длины волн, чем видимый свет, и находится в диапазоне от 10 до 400 нанометров. УФ-излучение вызывает такие эффекты, как солнечные ожоги, и широко используется в стерилизационных процессах и люминесцентном освещении. Сам ультрафиолетовый свет можно разделить на различные диапазоны, такие как вакуумный ультрафиолет (VUV, 100-200 нм), сверхультрафиолет (10-150 нм) и т.д.

Видимый спектр

Видимый свет — это часть электромагнитного спектра, которая видима человеческому глазу, в диапазоне от 400 до 700 нанометров. Видимый спектр включает семь цветов: фиолетовый, индиго, синий, зелёный, жёлтый, оранжевый и красный.

Инфракрасный спектр

Инфракрасное (ИК) излучение имеет более длинные длины волн, чем видимый свет, — примерно от 700 нанометров до 1 миллиметра. ИК-спектр находится между видимым светом и микроволнами. В физике любое тело с температурой выше абсолютного нуля (0K, что равно -273,15°C) испускает инфракрасное излучение. Оно невидимо для человеческого глаза, но используется в приборах ночного видения, связи и различных промышленных процессах. Фактически, тепло от солнца передается на Землю в основном в виде инфракрасного излучения. Сам инфракрасный спектр можно разделить на различные диапазоны, такие как ближний ИК (NIR, 0,9-1,7 мкм), коротковолновой ИК (SWIR, 0,9-2,5 мкм), средневолновой ИК (MWIR, 3-5 мкм), длинноволновой ИК (LWIR, 8-12 мкм) и др.

Рисунок 1. Электромагнитный спектр

Фаза и амплитуда

Фаза — это положение точки в волновом цикле. Это величина, описывающая изменение формы волны сигнала или стадию периодического движения объекта. Единица измерения — градус, форма сигнала изменяется периодически, и при завершении одного полного цикла фаза равна 360°. Фаза также может быть выражена в радианах, где 2π соответствует полному циклу.

Предположим, что период движения равен T, тогда фаза в произвольный момент времени t может быть вычислена как:

F(t)=2π[(t-t0)/T]

Фаза также является важным понятием в случаях, когда существует несколько световых сигналов. Различия в фазах световых сигналов могут привести к конструктивной или деструктивной интерференции, что вызывает усиление или ослабление сигналов.

Амплитуда представляет собой максимальное смещение волны от её положения равновесия. Квадрат амплитуды пропорционален интенсивности световой энергии: чем больше амплитуда, тем интенсивнее световая энергия. Это соотношение иллюстрируется уравнением:

I=kA^2

Регулируя фазу и амплитуду, можно осуществлять модуляцию света, лазеров и т.д. Например, фазовая модуляция широко используется в различных системах связи, включая передачу цифровых данных.

Рисунок 2. Фаза и амплитуда

Дуализм волна-частица света

Дуализм волна-частица света — это фундаментальная концепция квантовой механики, предполагающая, что свет может проявлять как волновые, так и корпускулярные свойства. Этот дуализм иллюстрируется такими явлениями, как фотоэлектрический эффект и дифракция. В 1801 году эксперимент с двойной щелью Томаса Юнга продемонстрировал волновую природу света. В этом эксперименте Томас Юнг направил световой пучок на две щели. Если бы пучок состоял из частиц, на экране обнаружения должна была бы наблюдаться сумма двух узоров, соответствующих отдельным щелям. Однако этого не произошло. На экране детектора появляется серия чередующихся светлых и тёмных полос, что подтверждает волновое поведение света.  

Рисунок 3. Эксперимент с двойной щелью Томаса Юнга

Физики, такие как Макс Планк и Эйнштейн, доказали корпускулярную природу света. Макс Планк вывел формулу, предположив, что гипотетический осциллятор, заряженный в полости, содержащей излучение абсолютно чёрного тела (идеализированный объект, который поглощает всё падающее излучение и испускает излучение в термодинамическом равновесии), может изменять свою энергию только на минимальный квант E, пропорциональный частоте связанной с ним электромагнитной волны. В 1905 году Эйнштейн предложил, что свет состоит из дискретных порций энергии — фотонов — через фотоэлектрический эффект. Каждый фотон несёт энергию, пропорциональную своей частоте (E = hν, где E — энергия, h — постоянная Планка, а ν — частота света). В процессе фотоэмиссии, когда электрон внутри материала поглощает энергию фотона и приобретает энергию, превышающую энергию связи (так называемую работу выхода), электрон может покинуть материал. 

Рисунок 4. Фотоэлектрический эффект

Отражение:

Отражение — это изменение направления фронта волны на границе между двумя различными средами так, что волна возвращается в среду, из которой она исходила. Закон отражения гласит, что падающий луч, отражённый луч и нормаль (линия, перпендикулярная поверхности в точке падения) лежат в одной плоскости, а угол падения света равен углу отражения от поверхности. Также существует важное понятие — полное внутреннее отражение. Полное внутреннее отражение происходит, когда свет переходит из среды с более высоким показателем преломления в среду с более низким показателем преломления под углом падения, превышающим некоторый критический угол θ, в этом случае весь падающий свет отражается обратно. Полное внутреннее отражение света используется в волоконной связи.

Рисунок 5. Отражение света

Преломление:

Преломление — это изгиб волны при переходе из одной среды в другую, вызванный изменением скорости волны. Когда световая волна переходит из одной среды в другую (например, из воздуха в стекло или из воздуха в воду), её скорость меняется, и это изменение скорости вызывает изгиб волны. Степень изгиба зависит от разницы показателей преломления между двумя средами. Закон Снеллиуса описывает связь между углами падения и преломления:

n₁Sin(θ₁) = n₂Sin(θ₂)

где n₁ и n₂ — показатели преломления двух сред, а θ₁ и θ₂ — углы падения и преломления. Закон можно упростить так: чем больше скорость распространения света в среде, тем больше угол.

Рисунок 6. Преломление света

Двойное лучепреломление:

Двойное лучепреломление — это явление, при котором световой луч, падающий на анизотропный кристалл, расщепляется на два луча и преломляется в разных направлениях. Когда световые волны падают на анизотропное тело, за исключением случая, когда свет распространяется вдоль оптической оси, возникает двойное лучепреломление. Свет разлагается на два поляризованных луча с взаимно перпендикулярными направлениями колебаний, разными скоростями распространения и неодинаковыми показателями преломления. Это явление называется двойным лучепреломлением.

Из двух преломлённых лучей один подчиняется законам преломления и называется обыкновенным лучом; другой не подчиняется законам преломления и называется необыкновенным лучом. Скорость распространения обыкновенного света постоянна и не зависит от направления распространения; скорость необыкновенного света варьируется в зависимости от направления распространения.

Кристаллы с некубической кристаллической структурой часто обладают двойным лучепреломлением, как и пластмассы под механическим напряжением.

Двойное лучепреломление материалов можно классифицировать на униаксиальные и биаксиальные в зависимости от числа оптических осей. Униаксиальные материалы имеют одну оптическую ось — направление, вдоль которого показатель преломления одинаков независимо от поляризации света, и вращение материала вокруг этой оси не меняет его оптические свойства. Биаксиальные материалы имеют две различные оптические оси.

Двойное лучепреломление кристаллов часто используется для изготовления поляризационной оптики, такой как пластинки сдвига или задержки, поляризаторы и призмы. Например, призма Волластана разделяет падающий свет на две линейные поляризации, используя призмы из двойного лучепреломляющего материала, такого как кальцит, а пластинка сдвига, состоящая из кварцевых пластин, разделяет падающий неполяризованный свет на параллельные и ортогональные компоненты.

Рисунок 7. Двойное лучепреломление света

Дифракция:

Дифракция — это изгиб или распространение волн, когда они сталкиваются с препятствием или проходят через узкое отверстие. Когда волна встречает препятствие или щель, сравнимые по размеру с её длиной волны, происходит дифракция. Степень дифракции более заметна для длинных волн. Дифракционные картины можно наблюдать, когда волны, включая световые волны, сталкиваются с препятствиями или отверстиями. Дифракция света сыграла важную роль в экспериментах, подтверждающих волновую природу света.

Явление дифракции лучше всего объясняется с помощью принципа Гюйгенса-Френеля, который утверждает, что каждая точка волнового фронта сама является источником сферических волн, и вторичные волны от различных точек взаимно интерферируют.

Рисунок 8. Дифракция

Интерференция:

Интерференция — это взаимодействие, или, другими словами, наложение волн, в результате которого происходит усиление или ослабление их амплитуд. Интерференция возникает, когда две или более волны встречаются в одной точке пространства. Для возникновения интерференции должны выполняться определённые условия: источники света должны иметь одинаковую частоту (и, следовательно, одинаковую длину волны), постоянную разность фаз и совпадающие направления колебаний. Если волны совпадают по фазе (гряда встречается с грядой или впадина с впадиной), они усиливают друг друга, вызывая конструктивную интерференцию и увеличение амплитуды. Если волны не совпадают по фазе (гряда встречается с впадиной), они могут взаимно уничтожаться, вызывая деструктивную интерференцию и уменьшение амплитуды. Интерференция — характерное поведение волн и часто наблюдается в оптических системах, например, в интерференционных картинах при опытах с двойной щелью.

.

Рисунок 9. Интерференция

Оптические элементы

Оптические элементы — это компоненты, используемые в оптических системах для управления и контроля поведения света. Эти элементы играют ключевую роль в различных устройствах, таких как камеры, телескопы, микроскопы и другие оптические приборы. Конструкция и расположение оптических элементов определяют характеристики и функциональность этих систем. Существует множество важных определений, которые необходимо понимать в контексте оптических элементов, таких как фокусное расстояние, апертура, оптическая ось и др.

Фокусное расстояние оптического элемента, обычно линзы или зеркала, — это расстояние между линзой (или зеркалом) и её фокусной точкой, которая является точкой, где параллельные лучи света либо сходятся (в случае собирающих линз или вогнутых зеркал), либо кажутся расходящимися (в случае рассеивающих линз или выпуклых зеркал). Обозначается символом «f». Для собирающих линз и вогнутых зеркал фокусное расстояние положительное, что указывает на сходящиеся параллельные лучи в фокусной точке. Для рассеивающих линз и выпуклых зеркал фокусное расстояние отрицательное, что означает, что параллельные лучи кажутся расходящимися из виртуальной фокусной точки.

Апертура оптической системы — это диаметр отверстия, через которое проходит свет. В контексте линз апертура часто связана с механизмом диафрагмы или ириса, который контролирует количество света, проходящего через линзу. Размер апертуры выражается в виде числа f (f-число, или f-стоп), где меньшее значение f соответствует большей апертуре, и наоборот. Апертура регулирует не только количество света, но и влияет на глубину резкости — большая апертура (меньшее f-число) даёт меньшую глубину резкости.

Оптическая ось — это воображаемая линия, проходящая через центр оптического элемента, такого как линза или зеркало. Это главная ось, вдоль которой предполагается распространение света. Оптическая ось важна для понимания поведения света при прохождении через оптические компоненты или отражении от них.

Возьмём пример с выпуклой линзой: когда два параллельных луча света входят на её оптическую поверхность, происходит следующее: лучи света преломляются на каждой поверхности линзы — то есть, как было объяснено выше, свет меняет направление при переходе из одной среды (например, воздуха) в другую с другим показателем преломления (например, стекло). Выпуклая форма линзы заставляет параллельные лучи сходиться. Параллельные лучи, проходящие через линзу, сближаются, и точка их встречи называется фокусной точкой. Если объект находится дальше фокусного расстояния от линзы, на противоположной стороне образуется реальное и перевёрнутое изображение. Если объект находится ближе фокусного расстояния, изображение будет виртуальным, прямым и с той же стороны, что и падающий свет.

Рисунок 10. Как выпуклая линза фокусирует свет

Уравнение линзы, связывающее расстояние до объекта (обозначается «u»), расстояние до изображения («v») и фокусное расстояние («f»), записывается так:

1/f = 1/u + 1/v

Заключение

Эти фундаментальные оптические понятия являются основой для понимания поведения света и его применения в различных технологиях. Независимо от того, изучаете ли вы природу различных типов света или углубляетесь в сложные принципы, такие как двойное лучепреломление, прочное понимание этих концепций необходимо для всех, кто интересуется увлекательным миром оптики.

Related Articles

Tags: Оптические основы: природа света и оптические элементы

---