Ausbreitung elektromagnetischer Wellen in verschiedene Umgebungen gehorcht den Gesetzen der Reflexion und Brechung. Aus diesen Gesetzen folgt unter bestimmten Voraussetzungen ein interessanter Effekt, der in der Physik als vollständig bezeichnet wird innere Reflexion Sweta. Schauen wir uns diesen Effekt genauer an.

Reflexion und Brechung

Bevor wir direkt mit der Betrachtung des Inneren fortfahren Totalreflexion Licht ist es notwendig, die Prozesse der Reflexion und Brechung zu erklären.

Unter Reflexion versteht man die Änderung der Bewegungsrichtung eines Lichtstrahls im selben Medium, wenn er auf eine Grenzfläche trifft. Wenn Sie beispielsweise einen Laserpointer auf einen Spiegel richten, können Sie den beschriebenen Effekt beobachten.

Brechung ist ebenso wie Reflexion eine Änderung der Bewegungsrichtung des Lichts, allerdings nicht im ersten, sondern im zweiten Medium. Die Folge dieses Phänomens wird eine Verzerrung der Umrisse von Objekten und ihrer räumlichen Anordnung sein. Ein häufiges Beispiel für Brechung ist, wenn ein Bleistift oder Kugelschreiber zerbricht, wenn er in ein Glas Wasser gelegt wird.

Brechung und Reflexion hängen miteinander zusammen. Sie liegen fast immer gemeinsam vor: Ein Teil der Energie des Strahls wird reflektiert, der andere Teil gebrochen.

Beide Phänomene sind das Ergebnis der Anwendung des Fermatschen Prinzips. Er gibt an, dass sich Licht auf dem Weg zwischen zwei Punkten bewegt, der am wenigsten Zeit in Anspruch nimmt.

Da es sich bei der Reflexion um einen Effekt handelt, der in einem Medium auftritt, und bei der Brechung in zwei Medien, ist es für letztere wichtig, dass beide Medien für elektromagnetische Wellen transparent sind.

Das Konzept des Brechungsindex

Der Brechungsindex ist eine wichtige Größe zur mathematischen Beschreibung der betrachteten Phänomene. Der Brechungsindex eines bestimmten Mediums wird wie folgt bestimmt:

Dabei sind c und v die Lichtgeschwindigkeiten im Vakuum bzw. in der Materie. Der Wert von v ist immer kleiner als c, daher ist der Exponent n größer als eins. Der dimensionslose Koeffizient n gibt an, wie viel Licht in einer Substanz (Medium) dem Licht im Vakuum hinterherhinkt. Der Unterschied zwischen diesen Geschwindigkeiten führt zum Auftreten des Brechungsphänomens.

Die Lichtgeschwindigkeit in Materie korreliert mit deren Dichte. Je dichter das Medium, desto schwieriger ist es für Licht, es zu durchdringen. Beispielsweise gilt für Luft n = 1,00029, also fast wie für Vakuum, für Wasser n = 1,333.

Reflexionen, Brechung und ihre Gesetze

Ein Paradebeispiel für das Ergebnis der Totalreflexion ist die glänzende Oberfläche eines Diamanten. Der Brechungsindex eines Diamanten beträgt 2,43, sodass viele Lichtstrahlen, die in einen Edelstein eindringen, mehrere Totalreflexionen erfahren, bevor sie ihn verlassen.

Problem der Bestimmung des kritischen Winkels θc für Diamant

Lassen Sie uns überlegen einfache Aufgabe, wo wir zeigen, wie man die angegebenen Formeln verwendet. Es muss berechnet werden, um wie viel sich der kritische Winkel der Totalreflexion ändert, wenn ein Diamant aus der Luft ins Wasser gebracht wird.

Nachdem wir uns die Werte für die Brechungsindizes der angegebenen Medien in der Tabelle angesehen haben, schreiben wir sie auf:

  • für Luft: n 1 = 1,00029;
  • für Wasser: n 2 = 1,333;
  • für Diamant: n 3 = 2,43.

Der kritische Winkel für das Diamant-Luft-Paar beträgt:

θ c1 = arcsin(n 1 /n 3) = arcsin(1,00029/2,43) ≈ 24,31 o.

Wie Sie sehen können, ist der kritische Winkel für dieses Medienpaar recht klein, das heißt, nur diejenigen Strahlen können den Diamanten in die Luft verlassen, die näher am Normalen als 24,31 ° liegen.

Für Diamant in Wasser erhalten wir:

θ c2 = arcsin(n 2 /n 3) = arcsin(1,333/2,43) ≈ 33,27 o.

Die Vergrößerung des kritischen Winkels betrug:

Δθ c = θ c2 - θ c1 ≈ 33,27 o - 24,31 o = 8,96 o.

Diese leichte Vergrößerung des kritischen Winkels für die vollständige Lichtreflexion in einem Diamanten führt dazu, dass er in Wasser fast genauso leuchtet wie in Luft.

Wir haben in § 81 darauf hingewiesen, dass beim Lichteinfall auf die Grenzfläche zwischen zwei Medien die Lichtenergie in zwei Teile geteilt wird: Ein Teil wird reflektiert, der andere Teil dringt durch die Grenzfläche in das zweite Medium ein. Am Beispiel des Übergangs des Lichts von Luft zu Glas, also von einem optisch weniger dichten Medium zu einem optisch dichteren Medium, haben wir gesehen, dass der Anteil der reflektierten Energie vom Einfallswinkel abhängt. In diesem Fall nimmt der Anteil der reflektierten Energie mit zunehmendem Einfallswinkel stark zu; Selbst bei sehr großen Einfallswinkeln nahe , wenn der Lichtstrahl fast an der Grenzfläche entlang gleitet, gelangt jedoch immer noch ein Teil der Lichtenergie in das zweite Medium (siehe §81, Tabellen 4 und 5).

Ein neues interessantes Phänomen entsteht, wenn Licht, das sich in einem beliebigen Medium ausbreitet, auf die Grenzfläche zwischen diesem Medium und einem Medium fällt, das optisch weniger dicht ist, also eine kleinere hat absoluter Indikator Brechung. Auch hier nimmt der Anteil der reflektierten Energie mit zunehmendem Einfallswinkel zu, allerdings folgt der Anstieg einem anderen Gesetz: Ab einem bestimmten Einfallswinkel wird die gesamte Lichtenergie von der Grenzfläche reflektiert. Dieses Phänomen wird Totalreflexion genannt.

Betrachten wir noch einmal, wie in §81, den Lichteinfall an der Grenzfläche zwischen Glas und Luft. Lassen Sie einen Lichtstrahl unter verschiedenen Einfallswinkeln vom Glas auf die Grenzfläche fallen (Abb. 186). Wenn wir den Anteil der reflektierten Lichtenergie und den Anteil der durch die Grenzfläche gelangenden Lichtenergie messen, erhalten wir die in der Tabelle angegebenen Werte. 7 (Glas hatte wie in Tabelle 4 einen Brechungsindex).

Reis. 186. Totale innere Reflexion: Die Dicke der Strahlen entspricht dem Anteil der geladenen oder durch die Grenzfläche geleiteten Lichtenergie

Der Einfallswinkel, unter dem die gesamte Lichtenergie von der Grenzfläche reflektiert wird, wird als Grenzwinkel der Totalreflexion bezeichnet. Für das Glas, für das die Tabelle zusammengestellt wurde. 7 (), Grenzwinkel gleich ungefähr .

Tabelle 7. Anteile der reflektierten Energie für verschiedene Einfallswinkel, wenn Licht vom Glas in die Luft gelangt

Einfallswinkel

Brechungswinkel

Prozentsatz der reflektierten Energie (%)

Beachten wir, dass, wenn Licht in einem Grenzwinkel auf die Grenzfläche einfällt, der Brechungswinkel gleich ist, d. h. in der Formel, die das Brechungsgesetz für diesen Fall ausdrückt,

wenn wir setzen müssen oder . Von hier aus finden wir

Bei größeren Einfallswinkeln gibt es keinen gebrochenen Strahl. Formal folgt dies aus der Tatsache, dass bei Einfallswinkeln, die vom Brechungsgesetz her groß sind, Werte größer als eins erhalten werden, was offensichtlich unmöglich ist.

In der Tabelle Tabelle 8 zeigt die Grenzwinkel der Totalreflexion für einige Stoffe, deren Brechungsindizes in der Tabelle angegeben sind. 6. Es ist leicht, die Gültigkeit der Beziehung (84.1) zu überprüfen.

Tabelle 8. Grenzwinkel der Totalreflexion an der Grenze zu Luft

Substanz

Schwefelkohlenstoff

Glas (schwerer Feuerstein)

Glycerin

An der Grenze von Luftblasen im Wasser kann eine Totalreflexion beobachtet werden. Sie leuchten, weil das, was auf sie fällt Sonnenlicht wird vollständig reflektiert, ohne in die Blasen zu gelangen. Dies macht sich vor allem an jenen Luftblasen bemerkbar, die an Stängeln und Blättern von Unterwasserpflanzen immer vorhanden sind und in der Sonne aus Silber zu bestehen scheinen, also aus einem Material, das Licht sehr gut reflektiert.

Die Totalreflexion findet Anwendung bei der Konstruktion rotierender und sich drehender Glasprismen, deren Wirkung aus Abb. deutlich wird. 187. Der Grenzwinkel für ein Prisma hängt vom Brechungsindex einer bestimmten Glasart ab; Daher bereitet der Einsatz solcher Prismen keine Schwierigkeiten hinsichtlich der Wahl der Ein- und Austrittswinkel der Lichtstrahlen. Rotierende Prismen erfüllen erfolgreich die Funktion von Spiegeln und haben den Vorteil, dass ihre Reflexionseigenschaften unverändert bleiben, während Metallspiegel mit der Zeit aufgrund der Oxidation des Metalls verblassen. Es ist zu beachten, dass das Umhüllungsprisma einfacher aufgebaut ist als das entsprechende rotierende Spiegelsystem. Rotierende Prismen werden insbesondere in Periskopen eingesetzt.

Reis. 187. Strahlengang in einem rotierenden Glasprisma (a), einem Umhüllungsprisma (b) und in einem gebogenen Kunststoffrohr - Lichtleiter (c)

Der Grenzwinkel der Totalreflexion ist der Einfallswinkel des Lichts an der Grenzfläche zwischen zwei Medien, entsprechend einem Brechungswinkel von 90 Grad.

Faseroptik ist der Zweig der Optik, der studiert physikalische Phänomene, die in optischen Fasern entstehen und auftreten.

4. Wellenausbreitung in einem optisch inhomogenen Medium. Erklärung der Strahlbiegung. Fata Morgana. Astronomische Brechung. Inhomogenes Medium für Radiowellen.

Fata Morgana optisches Phänomen in der Atmosphäre: Lichtreflexion an der Grenze zwischen Luftschichten mit stark unterschiedlicher Dichte. Für einen Beobachter bedeutet eine solche Reflexion, dass zusammen mit einem entfernten Objekt (oder einem Teil des Himmels) dessen virtuelles Bild relativ zum Objekt verschoben sichtbar ist. Fata Morganas werden in untere, unter dem Objekt sichtbare, obere, über dem Objekt sichtbare und seitliche Fata Morgana unterteilt.

Minderwertige Fata Morgana

Es wird bei einem sehr großen vertikalen Temperaturgradienten (der mit der Höhe abnimmt) über einer überhitzten ebenen Fläche, oft einer Wüste oder einer Asphaltstraße, beobachtet. Das virtuelle Bild des Himmels erzeugt die Illusion von Wasser auf der Oberfläche. So scheint die Straße, die sich an einem heißen Sommertag in die Ferne erstreckt, nass zu sein.

Überlegenes Mirage

Über der Kälte beobachtet Erdoberfläche mit umgekehrter Temperaturverteilung (steigt mit der Höhe).

Fata Morgana

Komplexe Fata Morgana-Phänomene mit einer starken Verzerrung des Erscheinungsbildes von Objekten werden Fata Morgana genannt.

Volumentrugbild

In den Bergen kann man unter bestimmten Bedingungen sehr selten und für längere Zeit ein „verzerrtes Selbst“ sehen. kurze Reichweite. Dieses Phänomen wird durch das Vorhandensein von „stehendem“ Wasserdampf in der Luft erklärt.

Astronomische Brechung ist das Phänomen der Brechung von Lichtstrahlen himmlische Körper beim Durchgang durch die Atmosphäre / Da die Dichte der Planetenatmosphären mit der Höhe immer abnimmt, erfolgt die Lichtbrechung so, dass der gekrümmte Strahl mit seiner Konvexität in jedem Fall dem Zenit zugewandt ist. In dieser Hinsicht „hebt“ die Brechung die Bilder von Himmelskörpern immer über ihre wahre Position

Brechung verursacht eine Reihe optisch-atmosphärischer Effekte auf der Erde: Vergrößerung Tageslänge aufgrund der Tatsache, dass die Sonnenscheibe aufgrund der Brechung mehrere Minuten früher über den Horizont steigt, als die Sonne aufgrund geometrischer Überlegungen hätte aufgehen sollen; die Abflachung der sichtbaren Scheiben des Mondes und der Sonne in der Nähe des Horizonts aufgrund der Tatsache, dass der untere Rand der Scheiben durch Brechung höher ansteigt als der obere; Funkeln von Sternen usw. Aufgrund der unterschiedlichen Brechung von Lichtstrahlen unterschiedlicher Wellenlänge (blaue und violette Strahlen weichen stärker ab als rote) kommt es in der Nähe des Horizonts zu einer scheinbaren Färbung von Himmelskörpern.

5. Das Konzept einer linear polarisierten Welle. Polarisation von natürlichem Licht. Unpolarisierte Strahlung. Dichroitische Polarisatoren. Polarisator und Lichtanalysator. Malus-Gesetz.

Wellenpolarisation- das Phänomen des Aufbrechens der Symmetrie der Störungsverteilung quer Welle (zum Beispiel elektrische und magnetische Feldstärken in Elektromagnetische Wellen) relativ zur Richtung seiner Ausbreitung. IN längs Polarisation kann in einer Welle nicht auftreten, da Störungen bei dieser Art von Welle immer mit der Ausbreitungsrichtung zusammenfallen.

linear - Störschwingungen treten in einer Ebene auf. In diesem Fall sprechen sie von „ planpolarisiert Welle";

kreisförmig – das Ende des Amplitudenvektors beschreibt einen Kreis in der Schwingungsebene. Abhängig von der Drehrichtung des Vektors kann dies der Fall sein Rechts oder links.

Bei der Lichtpolarisation handelt es sich um den Prozess der Ordnung der Schwingungen des elektrischen Feldstärkevektors einer Lichtwelle, wenn Licht bestimmte Substanzen durchdringt (bei der Brechung) oder wenn der Lichtfluss reflektiert wird.

Ein dichroitischer Polarisator enthält einen Film, der mindestens eine dichroitische organische Substanz enthält, deren Moleküle oder Molekülfragmente eine flache Struktur aufweisen. Zumindest ein Teil der Folie weist eine kristalline Struktur auf. Eine dichroitische Substanz weist mindestens ein Maximum der spektralen Absorptionskurve in den Spektralbereichen 400 – 700 nm bzw. 200 – 400 nm und 0,7 – 13 μm auf. Bei der Herstellung eines Polarisators wird ein Film, der eine dichroitische organische Substanz enthält, auf das Substrat aufgetragen, mit einem Orientierungseffekt versehen und getrocknet. Dabei werden die Bedingungen zum Aufbringen der Folie sowie Art und Größe des orientierenden Einflusses so gewählt, dass der Ordnungsparameter der Folie, entsprechend mindestens einem Maximum auf der spektralen Absorptionskurve im Spektralbereich 0,7 - 13 µm, hat einen Wert von mindestens 0,8. Die Kristallstruktur zumindest eines Teils der Folie ist ein dreidimensionales Kristallgitter, das aus dichroitischen Molekülen gebildet wird organische Substanz. Der Spektralbereich des Polarisators wird erweitert und gleichzeitig seine Polarisationseigenschaften verbessert.

Malus-Gesetz - physikalisches Gesetz, was die Abhängigkeit der Intensität linear polarisierten Lichts nach dem Durchgang durch den Polarisator vom Winkel zwischen den Polarisationsebenen des einfallenden Lichts und dem Polarisator ausdrückt.

Wo ICH 0 - Intensität des auf den Polarisator einfallenden Lichts, ICH- Intensität des aus dem Polarisator austretenden Lichts, k a- Transparenzkoeffizient des Polarisators.

6. Brewster-Phänomen. Fresnel-Formeln für den Reflexionskoeffizienten für Wellen, elektrischer Vektor die in der Einfallsebene liegt, und für Wellen, deren elektrischer Vektor senkrecht zur Einfallsebene steht. Abhängigkeit der Reflexionskoeffizienten vom Einfallswinkel. Der Polarisationsgrad reflektierter Wellen.

Das Brewstersche Gesetz ist ein Gesetz der Optik, das die Beziehung zwischen dem Brechungsindex und dem Winkel ausdrückt, bei dem von der Grenzfläche reflektiertes Licht in einer Ebene senkrecht zur Einfallsebene vollständig polarisiert ist und der gebrochene Strahl in der Ebene teilweise polarisiert ist Einfall und die Polarisation des gebrochenen Strahls erreicht Höchster Wert. Es lässt sich leicht feststellen, dass in diesem Fall die reflektierten und gebrochenen Strahlen senkrecht zueinander stehen. Der entsprechende Winkel wird Brewster-Winkel genannt. Brewster-Gesetz: , wo N 21 – Brechungsindex des zweiten Mediums relativ zum ersten, θ Br- Einfallswinkel (Brewster-Winkel). Die Amplituden der einfallenden (U inc) und reflektierten (U ref) Wellen in der KBB-Linie hängen durch die Beziehung zusammen:

K bv = (U pad - U neg) / (U pad + U neg)

Durch den Spannungsreflexionskoeffizienten (K U) wird der KVV wie folgt ausgedrückt:

K bv = (1 - K U) / (1 + K U) Bei einer rein aktiven Last ist der BV gleich:

K bv = R / ρ bei R< ρ или

K bv = ρ / R für R ≥ ρ

Dabei ist R der aktive Lastwiderstand und ρ die charakteristische Impedanz der Leitung

7. Das Konzept der Lichtinterferenz. Die Addition zweier inkohärenter und kohärenter Wellen, deren Polarisationslinien zusammenfallen. Abhängigkeit der Intensität der resultierenden Welle bei Addition zweier kohärenter Wellen von der Differenz ihrer Phasen. Das Konzept des geometrischen und optischen Unterschieds in Wellenwegen. Allgemeine Geschäftsbedingungen Interferenzmaxima und -minima zu beobachten.

Lichtinterferenz ist die nichtlineare Addition der Intensitäten zweier oder mehrerer Lichtwellen. Dieses Phänomen wird von abwechselnden Maxima und Minima der Intensität im Raum begleitet. Seine Verteilung wird als Interferenzmuster bezeichnet. Wenn Licht interferiert, wird die Energie im Raum neu verteilt.

Wellen und die Quellen, die sie anregen, werden als kohärent bezeichnet, wenn die Phasendifferenz zwischen den Wellen nicht von der Zeit abhängt. Wellen und die Quellen, die sie anregen, werden als inkohärent bezeichnet, wenn sich die Phasendifferenz zwischen den Wellen im Laufe der Zeit ändert. Formel für die Differenz:

, Wo , ,

8. Labormethoden Beobachtungen von Lichtinterferenzen: Youngs Experiment, Fresnel-Biprisma, Fresnel-Spiegel. Berechnung der Lage von Interferenzmaxima und -minima.

Youngs Experiment – ​​Bei dem Experiment wird ein Lichtstrahl auf eine undurchsichtige Leinwand mit zwei parallelen Schlitzen gerichtet, hinter der eine Projektionswand installiert ist. Dieses Experiment demonstriert die Interferenz von Licht, was ein Beweis für die Wellentheorie ist. Die Besonderheit der Schlitze besteht darin, dass ihre Breite ungefähr der Wellenlänge des emittierten Lichts entspricht. Die Auswirkung der Schlitzbreite auf die Interferenz wird unten diskutiert.

Wenn wir annehmen, dass Licht aus Teilchen besteht ( Korpuskulartheorie des Lichts), dann konnte man auf der Projektionsfläche nur zwei parallele Lichtstreifen sehen, die durch die Schlitze der Leinwand hindurchgingen. Zwischen ihnen bliebe die Projektionsfläche praktisch unbeleuchtet.

Fresnel-Biprisma – in der Physik ein Doppelprisma mit sehr kleinen Winkeln an den Spitzen.
Ein Fresnel-Biprisma ist ein optisches Gerät, das die Bildung zweier kohärenter Wellen aus einer Lichtquelle ermöglicht, die es ermöglichen, ein stabiles Interferenzmuster auf dem Bildschirm zu beobachten.
Das Frenkel-Biprisma dient als Mittel zum experimentellen Nachweis der Wellennatur des Lichts.

Fresnel-Spiegel sind ein optisches Gerät, das 1816 von O. J. Fresnel vorgeschlagen wurde, um das Phänomen der Interferenz kohärenter Lichtstrahlen zu beobachten. Das Gerät besteht aus zwei flache Spiegel I und II bilden einen Diederwinkel, der nur wenige Winkelminuten von 180° abweicht (siehe Abb. 1 im Artikel Interferenz von Licht). Wenn Spiegel von einer Quelle S beleuchtet werden, kann davon ausgegangen werden, dass die von den Spiegeln reflektierten Strahlenbündel von kohärenten Quellen S1 und S2 ausgehen, die virtuelle Bilder von S sind. In dem Raum, in dem sich die Strahlen überlappen, kommt es zu Interferenzen. Wenn die Quelle S linear (Schlitz) und parallel zum Rand der Photonen ist, wird bei Beleuchtung mit monochromatischem Licht auf dem Bildschirm M ein Interferenzmuster in Form von gleichmäßig beabstandeten dunklen und hellen Streifen parallel zum Spalt beobachtet kann überall im Bereich der Balkenüberlappung installiert werden. Aus dem Abstand zwischen den Streifen lässt sich die Wellenlänge des Lichts bestimmen. Experimente mit Photonen waren einer der entscheidenden Beweise für die Wellennatur des Lichts.

9. Lichtinterferenz in dünnen Filmen. Bedingungen für die Bildung heller und dunkler Streifen im Auf- und Durchlicht.

10. Streifen gleicher Neigung und Streifen gleicher Dicke. Newtons Interferenzringe. Radien dunkler und heller Ringe.

11. Lichtinterferenz in dünnen Filmen bei normalem Lichteinfall. Beschichtung optischer Instrumente.

12. Optische Interferometer von Michelson und Jamin. Bestimmung des Brechungsindex einer Substanz mittels Zweistrahlinterferometern.

13. Das Konzept der Mehrstrahlinterferenz von Licht. Fabry-Perot-Interferometer. Die Addition einer endlichen Anzahl von Wellen gleicher Amplitude, deren Phasen eine arithmetische Folge bilden. Abhängigkeit der Intensität der resultierenden Welle von der Phasendifferenz der interferierenden Wellen. Die Bedingung für die Bildung der Hauptmaxima und -minima der Interferenz. Die Art des Mehrstrahl-Interferenzmusters.

14. Das Konzept der Wellenbeugung. Wellenparameter und Grenzen der Anwendbarkeit der Gesetze der geometrischen Optik. Huygens-Fresnel-Prinzip.

15. Fresnel-Zonen-Methode und Nachweis der geradlinigen Lichtausbreitung.

16. Fresnel-Beugung an einem runden Loch. Radien von Fresnel-Zonen für eine sphärische und ebene Wellenfront.

17. Lichtbeugung an einer undurchsichtigen Scheibe. Berechnung der Fläche von Fresnel-Zonen.

18. Das Problem der Vergrößerung der Amplitude einer Welle beim Durchgang durch ein rundes Loch. Amplituden- und Phasenzonenplatten. Fokussier- und Zonenplatten. Fokussierlinse als Grenzfall einer gestuften Phasenzonenplatte. Linsenzonierung.

Geometrische und Wellenoptik. Bedingungen für die Verwendung dieser Ansätze (basierend auf der Beziehung zwischen Wellenlänge und Objektgröße). Wellenkohärenz. Das Konzept der räumlichen und zeitlichen Kohärenz. Stimulierte Emission. Besonderheiten Laserstrahlung. Aufbau und Funktionsprinzip des Lasers.

Da es sich bei Licht um ein Wellenphänomen handelt, kommt es zu Interferenzen begrenzt Der Lichtstrahl breitet sich nicht in eine Richtung aus, sondern hat eine endliche Winkelverteilung, d. h. es kommt zu einer Beugung. Wenn jedoch die charakteristischen Querabmessungen von Lichtstrahlen im Vergleich zur Wellenlänge groß genug sind, können wir die Divergenz des Lichtstrahls vernachlässigen und annehmen, dass er sich in einer einzigen Richtung ausbreitet: entlang des Lichtstrahls.

Wellenoptik ist ein Teilgebiet der Optik, das die Ausbreitung von Licht unter Berücksichtigung seiner Wellennatur beschreibt. Wellenoptische Phänomene – Interferenz, Beugung, Polarisation usw.

Unter Welleninterferenz versteht man die gegenseitige Verstärkung oder Abschwächung der Amplitude zweier oder mehrerer kohärenter Wellen, die sich gleichzeitig im Raum ausbreiten.

Wellenbeugung ist ein Phänomen, das sich als Abweichung von den Gesetzen der geometrischen Optik bei der Wellenausbreitung äußert.

Polarisation – Prozesse und Zustände, die mit der Trennung beliebiger Objekte, hauptsächlich im Raum, verbunden sind.

Unter Kohärenz versteht man in der Physik die zeitliche Korrelation (Konsistenz) mehrerer Schwingungs- oder Wellenvorgänge, die sich bei deren Addition bemerkbar macht. Schwingungen sind kohärent, wenn ihre Phasendifferenz über die Zeit konstant ist und man durch Addition der Schwingungen eine Schwingung gleicher Frequenz erhält.

Ändert sich die Phasendifferenz zwischen zwei Schwingungen sehr langsam, dann bleiben die Schwingungen für einige Zeit kohärent. Diese Zeit wird Kohärenzzeit genannt.

Unter räumlicher Kohärenz versteht man die Kohärenz von Schwingungen, die zum gleichen Zeitpunkt auftreten verschiedene Punkte Ebene senkrecht zur Wellenausbreitungsrichtung.

Stimulierte Emission ist die Erzeugung eines neuen Photons beim Übergang eines Quantensystems (Atom, Molekül, Kern usw.) von einem angeregten in einen stabilen Zustand (kleiner). Energielevel) unter dem Einfluss eines induzierenden Photons, dessen Energie gleich der Energiedifferenz zwischen den Niveaus war. Das erzeugte Photon hat die gleiche Energie, den gleichen Impuls, die gleiche Phase und Polarisation wie das induzierende Photon (das nicht absorbiert wird).


Laserstrahlung kann kontinuierlich mit konstanter Leistung oder gepulst erfolgen und extrem hohe Spitzenleistungen erreichen. In einigen Systemen wird das Laserarbeitselement als optischer Verstärker für Strahlung von einer anderen Quelle verwendet.

Physische Basis Der Laser arbeitet mit dem Phänomen der stimulierten Emission. Der Kern des Phänomens besteht darin, dass ein angeregtes Atom in der Lage ist, unter dem Einfluss eines anderen Photons ein Photon ohne dessen Absorption zu emittieren, wenn die Energie des letzteren gleich der Differenz der Energieniveaus des Atoms vor und nach dem ist Strahlung. In diesem Fall ist das emittierte Photon mit dem Photon kohärent, das die Strahlung verursacht hat (ist sein „ eine exakte Kopie"). Dadurch wird das Licht verstärkt. Dieses Phänomen unterscheidet sich von spontaner Strahlung, bei der die emittierten Photonen zufällige Ausbreitungsrichtungen, Polarisation und Phase haben

Alle Laser bestehen aus drei Hauptteilen:

aktives (Arbeits-)Umfeld;

Pumpsysteme (Energiequelle);

optischer Resonator (kann fehlen, wenn der Laser im Verstärkermodus arbeitet).

Jeder von ihnen sorgt dafür, dass der Laser seine spezifischen Funktionen erfüllt.

Geometrische Optik. Das Phänomen der Totalreflexion. Grenzwinkel der Totalreflexion. Der Verlauf der Strahlen. Glasfaseroptik.

Die geometrische Optik ist ein Zweig der Optik, der die Gesetze der Lichtausbreitung in transparenten Medien und die Prinzipien der Bildkonstruktion beim Durchgang von Licht untersucht optische Systeme ohne Berücksichtigung seiner Welleneigenschaften.

Totalreflexion ist innere Reflexion, sofern der Einfallswinkel einen bestimmten kritischen Winkel überschreitet. In diesem Fall wird die einfallende Welle vollständig reflektiert und der Wert des Reflexionskoeffizienten überschreitet sein Maximum große Werte für polierte Oberflächen. Der Reflexionsgrad der Totalreflexion ist unabhängig von der Wellenlänge.

Grenzwinkel der Totalreflexion

Einfallswinkel, bei dem ein gebrochener Strahl beginnt, entlang der Grenzfläche zwischen zwei Medien zu gleiten, ohne in ein optisch dichteres Medium überzugehen

Strahlengang in Spiegeln, Prismen und Linsen

Lichtstrahlen einer Punktquelle breiten sich in alle Richtungen aus. In optischen Systemen, die an den Grenzflächen zwischen Medien zurückgelenkt und reflektiert werden, können sich einige Strahlen irgendwann wieder kreuzen. Ein Punkt wird Punktbild genannt. Wenn ein Strahl von Spiegeln reflektiert wird, ist das Gesetz erfüllt: „Der reflektierte Strahl liegt immer in derselben Ebene wie der einfallende Strahl und die Normale zur Auftrefffläche, die durch den Einfallspunkt verläuft, und der Einfallswinkel wird davon abgezogen.“ diese Normale ist gleich dem Aufprallwinkel.“

Glasfaser – dieser Begriff bedeutet

ein Zweig der Optik, der physikalische Phänomene untersucht, die in optischen Fasern entstehen und auftreten, oder

Produkte aus der Feinmechanikindustrie, die Komponenten auf Basis optischer Fasern enthalten.

Zu den Glasfasergeräten gehören Laser, Verstärker, Multiplexer, Demultiplexer und viele andere. Zu den faseroptischen Komponenten gehören Isolatoren, Spiegel, Steckverbinder, Splitter usw. Die Basis eines faseroptischen Geräts ist sein optischer Schaltkreis – ein Satz faseroptischer Komponenten, die in einer bestimmten Reihenfolge verbunden sind. Optische Schaltkreise können geschlossen oder offen sein Rückmeldung oder ohne.

Bei einem bestimmten Lichteinfallswinkel $(\alpha )_(pad)=(\alpha )_(pred)$, der heißt Grenzwinkel, der Brechungswinkel ist gleich $\frac(\pi )(2),\ $In diesem Fall gleitet der gebrochene Strahl entlang der Grenzfläche zwischen den Medien, daher gibt es keinen gebrochenen Strahl. Aus dem Brechungsgesetz können wir dann Folgendes schreiben:

Bild 1.

Im Falle der Totalreflexion lautet die Gleichung:

hat keine Lösung im Bereich der reellen Werte des Brechungswinkels ($(\alpha )_(pr)$). In diesem Fall ist $cos((\alpha )_(pr))$ eine rein imaginäre Größe. Wenn wir uns den Fresnel-Formeln zuwenden, ist es zweckmäßig, sie in der Form darzustellen:

wobei der Einfallswinkel (der Kürze halber) mit $\alpha $ bezeichnet wird und $n$ der Brechungsindex des Mediums ist, in dem sich das Licht ausbreitet.

Aus den Fresnel-Formeln ist klar, dass die Module $\left|E_(otr\bot )\right|=\left|E_(otr\bot )\right|$, $\left|E_(otr//)\right sind |=\ left|E_(otr//)\right|$, was bedeutet, dass die Reflexion „voll“ ist.

Anmerkung 1

Es ist zu beachten, dass die inhomogene Welle im zweiten Medium nicht verschwindet. Wenn also $\alpha =(\alpha )_0=(arcsin \left(n\right),\ then\ )$ $E_(pr\bot )=2E_(pr\bot ).$ Verstöße gegen das Erhaltungsgesetz Energie im Einzelfall Nr. Denn Fresnels Formeln gelten für ein monochromatisches Feld, also für einen stationären Prozess. In diesem Fall verlangt der Energieerhaltungssatz, dass die durchschnittliche Energieänderung über den Zeitraum im zweiten Medium gleich Null ist. Die Welle und der entsprechende Energieanteil dringen durch die Grenzfläche bis zu einer geringen Tiefe in der Größenordnung der Wellenlänge in das zweite Medium ein und bewegen sich darin parallel zur Grenzfläche mit einer Phasengeschwindigkeit, die geringer ist als die Phasengeschwindigkeit der Welle im zweites Medium. Es kehrt an einem Punkt zum ersten Medium zurück, der relativ zum Eintrittspunkt versetzt ist.

Das Eindringen der Welle in das zweite Medium kann experimentell beobachtet werden. Die Intensität der Lichtwelle im zweiten Medium macht sich erst bei Entfernungen bemerkbar, die kürzer als die Wellenlänge sind. Nahe der Grenzfläche, auf die die Lichtwelle fällt und Totalreflexion erfährt, ist auf der Seite des zweiten Mediums das Leuchten einer dünnen Schicht zu sehen, wenn sich im zweiten Medium ein fluoreszierender Stoff befindet.

Totalreflexion verursacht Fata Morgana, wenn die Erdoberfläche dies tut hohe Temperatur. So erweckt die vollständige Reflexion des von Wolken ausgehenden Lichts den Eindruck, dass sich Pfützen auf der Oberfläche des erhitzten Asphalts befinden.

Unter gewöhnlicher Reflexion sind die Beziehungen $\frac(E_(otr\bot ))(E_(pad\bot ))$ und $\frac(E_(otr//))(E_(pad//))$ immer reell . Bei voller Reflexion sind sie komplex. Das bedeutet, dass in diesem Fall die Phase der Welle einen Sprung erfährt, während sie von Null oder $\pi $ verschieden ist. Wenn die Welle senkrecht zur Einfallsebene polarisiert ist, können wir schreiben:

wobei $(\delta )_(\bot )$ der gewünschte Phasensprung ist. Setzen wir den Real- und den Imaginärteil gleich, wir haben:

Aus den Ausdrücken (5) erhalten wir:

Dementsprechend kann man für eine Welle, die in der Einfallsebene polarisiert ist, erhalten:

Die Phasensprünge $(\delta )_(//)$ und $(\delta )_(\bot )$ sind nicht gleich. Die reflektierte Welle wird elliptisch polarisiert sein.

Anwendung der Totalreflexion

Nehmen wir an, dass zwei identische Medien durch einen dünnen Luftspalt getrennt sind. Eine Lichtwelle fällt in einem Winkel darauf, der größer als der Grenzwinkel ist. Es kann vorkommen, dass es als ungleichmäßige Welle in den Luftspalt eindringt. Wenn die Dicke des Spalts gering ist, erreicht diese Welle die zweite Grenze der Substanz und wird nicht sehr abgeschwächt. Nach dem Übergang vom Luftspalt in die Substanz wird die Welle wieder homogen. Ein solches Experiment wurde von Newton durchgeführt. Der Wissenschaftler drückte ein weiteres sphärisch geschliffenes Prisma auf die Hypotenusenfläche des rechteckigen Prismas. In diesem Fall gelangte das Licht nicht nur dort, wo sie sich berühren, in das zweite Prisma, sondern auch in einem kleinen Ring um den Kontakt herum, an einer Stelle, an der die Dicke des Spalts mit der Wellenlänge vergleichbar ist. Wenn Beobachtungen bei weißem Licht durchgeführt wurden, hatte der Rand des Rings eine rötliche Farbe. Das ist auch so, denn die Eindringtiefe ist proportional zur Wellenlänge (bei roten Strahlen ist sie größer als bei blauen). Durch Ändern der Spaltdicke können Sie die Intensität des durchgelassenen Lichts ändern. Dieses Phänomen bildete die Grundlage für das von Zeiss patentierte Lichttelefon. In diesem Gerät ist eines der Medien eine transparente Membran, die unter dem Einfluss von Schall, der auf sie fällt, vibriert. Licht, das durch einen Luftspalt dringt, ändert seine Intensität im Laufe der Zeit mit Änderungen der Schallintensität. Wenn es auf eine Fotozelle trifft, erzeugt es Wechselstrom, der sich entsprechend der Änderung der Schallintensität ändert. Der dabei entstehende Strom wird verstärkt und weiterverwendet.

Das Phänomen der Wellendurchdringung durch dünne Spalten ist nicht spezifisch für die Optik. Dies ist für eine Welle jeglicher Art möglich, wenn die Phasengeschwindigkeit im Spalt höher ist als die Phasengeschwindigkeit im Spalt Umfeld. Wichtig Dieses Phänomen tritt in der Kern- und Atomphysik auf.

Das Phänomen der Totalreflexion wird genutzt, um die Richtung der Lichtausbreitung zu ändern. Zu diesem Zweck werden Prismen verwendet.

Beispiel 1

Übung: Nennen Sie ein Beispiel für das Phänomen der Totalreflexion, das häufig auftritt.

Lösung:

Wir können das folgende Beispiel geben. Wenn es auf der Autobahn sehr heiß ist, ist die Lufttemperatur in der Nähe der Asphaltoberfläche am höchsten und nimmt mit zunehmender Entfernung von der Straße ab. Das bedeutet, dass der Brechungsindex der Luft an der Oberfläche minimal ist und mit zunehmender Entfernung zunimmt. Dadurch werden Strahlen, die einen kleinen Winkel zur Fahrbahnoberfläche haben, vollständig reflektiert. Wenn Sie Ihre Aufmerksamkeit während der Fahrt mit einem Auto auf einen geeigneten Abschnitt der Autobahnoberfläche richten, können Sie sehen, dass ein Auto ziemlich weit voraus kopfüber fährt.

Beispiel 2

Übung: Wie groß ist der Brewster-Winkel für einen Lichtstrahl, der auf die Oberfläche eines Kristalls fällt, wenn der Grenzwinkel der Totalreflexion für einen bestimmten Strahl an der Luft-Kristall-Grenzfläche 40° beträgt?

Lösung:

\[(tg(\alpha )_b)=\frac(n)(n_v)=n\left(2.2\right).\]

Aus Ausdruck (2.1) haben wir:

Ersetzen wir die rechte Seite des Ausdrucks (2.3) in Formel (2.2) und drücken den gewünschten Winkel aus:

\[(\alpha )_b=arctg\left(\frac(1)((sin \left((\alpha )_(pred)\right)\ ))\right).\]

Führen wir die Berechnungen durch:

\[(\alpha )_b=arctg\left(\frac(1)((sin \left(40()^\circ \right)\ ))\right)\ approx 57()^\circ .\]

Antwort:$(\alpha )_b=57()^\circ .$