Тема 15. Волновая оптика (стр. 6 )

Оптическая схема установки для получения голографического изображения приведена на рис. 15.14. Лазерный луч света, расширенный с помощью системы линз, делится на два пучка. Один из них, называемый

Рис. 15.14

опорным пучком, попадает на фотопластинку после отражения от зеркала. Второй пучок, который называется предметным, попадает на эту же фотопластинку после отражения от фотографируемого предмета. Поскольку опорный и предметный пучки когерентны, на фотопластинке регистрируется интерференционная картина, которая и представляет собой голограмму предмета. В отличие от негатива, который получается при обычном фотографировании, голограмма не имеет никакого внешнего сходства с самим предметом. Для получения его изображения голограмму располагают относительно источника света так же, как она располагалась при фотографировании, и освещают опорным пучком (рис. 15.15). Он

Рис. 15.15

дифрагирует на голограмме, в результате чего возникает световая волна с точно такой же структурой волнового фронта, как у волны, отраженной от предмета. Эта волна дает мнимое объемное изображение предмета, которое видит наблюдатель. Согласно принципу Гюйгенса-Френеля, интерференционная картина в любой точке голограммы при ее записи представляет собой результат интерференции волн, отраженных от всех точек предмета. Поэтому любая малая часть голограммы (осколок) в принципе позволяет получить изображение всего предмета, однако яркость и четкость изображения будут тем меньше, чем меньше размеры осколка.

15.9. Поляризация света

В естественном свете, излучаемом тепловыми источниками, направление колебаний светового вектора в любой точке луча меняется хаотично, поэтому такой свет называется неполяризованным. Свет, у которого колебания вектора напряженности электрического поля упорядочены, называется поляризованным. Если световой вектор расположен только в одной плоскости, проходящей через луч волны, свет называется плоскополяризованным (линейно поляризованным), соответствующая плоскость – плоскостью поляризации. Упорядоченность световых колебаний может заключаться и в том, что вектор напряженности в процессе распространения волны поворачивается вокруг луча. Если при этом конец вектора описывает эллипс или окружность, свет называется эллиптически поляризованным или поляризованным по кругу (циркулярно поляризованным).

Нетрудно показать, что любой свет (поляризованный и неполяризованный) можно представить как суперпозицию двух плоскополяризованных волн. Для этого рассмотрим два взаимно перпендикулярные световые колебания вдоль осей и , отличающиеся по фазе на (рис. 15.16,а): . Легко видеть, что

Рис. 15.16

суммарная напряженность , угол определяется следующим равенством:

.

Если в процессе распространения световой волны разность фаз претерпевает случайные изменения, то угол , т. е. направление вектора напряженности также будет изменяться хаотично. Следовательно, естественный (не поляризованный) свет можно представить в виде суперпозиции двух некогерентных волн, поляризованных во взаимно перпендикулярных направлениях. Если же эти две волны когерентны, их суперпозиция при определенной разности фаз дает поляризованный свет с любым направлением плоскости поляризации. Пусть, например, значение равно нулю либо . В этом случае

.

Следовательно, суммарное световое колебание совершается в строго определенной плоскости, т. е. свет имеет линейную поляризацию. Если же , то . Это означает, что в данном случае плоскость световых колебаний поворачивается вокруг направления луча с частотой волны, т. е. свет имеет циркулярную поляризацию.

Поляризация света как процесс заключается в получении поляризованного света из естественного (не поляризованного). Для этой цели используются специальные устройства, называемые поляризаторами. Они свободно пропускают световую волну, поляризованную в плоскости, характерной для данного прибора (она называется плоскостью поляризатора), и не пропускают волну с ортогональным направлением поляризации. Поляризаторы используются также для исследования поляризации света (в этом случае они называются анализаторами).

Световые колебания с амплитудой , совершающиеся в плоскости, которая составляет с плоскостью поляризатора угол , можно представить как сумму двух колебаний с амплитудой и (рис. 15.16,б). Понятно, что световая волна с амплитудой пройдет через

поляризатор, волна с амплитудой будет задержана. Поскольку интенсивность света пропорциональна квадрату амплитуды световых колебаний, интенсивность прошедшей через анализатор составляющей пропорциональна : . Это равенство выражает закон Малюса.

Поляризация света происходит при его отражении и преломлении, в явлениях двойного лучепреломления и дихроизма поглощения. Световую волну, падающую на границу раздела двух прозрачных диэлектриков, можно представить как суперпозицию двух волн: одна из них поляризована в плоскости падения (-волна), другая – перпендикулярно плоскости падения (-волна). Из формул Френеля следует, что для всех углов падения, кроме , коэффициент отражения -волны больше, чем -волны. Поэтому в отличие от падающего света отраженный и преломленный свет частично поляризован: в отраженном свете преобладает -волна, в преломленном – -волна. Если же угол падения удовлетворяет условию

,

в отраженном свете присутствует только -волна, т. е. отраженный свет полностью поляризован (такой угол называется углом Брюстера). Поскольку коэффициент отражения -волны для угла Брюстера мал (около 0,2), преломленный свет лишь частично поляризован. Степень поляризации его можно повысить, если использовать поляризационную стопу – пакет из нескольких пластинок. Они должны быть сложены так, чтобы луч света, вышедший из предыдущей пластинки, падал на поверхность следующей пластинки также под углом Брюстера. Если количество пластинок в стопе достаточно велико, выходящий из нее свет будет полностью поляризован.

Далее рассмотрим поляризацию света в явлении двойного лучепреломления. Оно состоит в том, что луч света, падающий на поверхность некоторых кристаллов, вообще говоря, расщепляется на два преломленных луча (рис. 15.17). Вместе с тем в двулучепреломляющих

Рис. 13.17

кристаллах есть направления (они называются оптическими осями), вдоль

которых свет распространяется как в обычном кристалле, т. е. не расщепляясь на два луча.

Двулучепреломляющие кристаллы в зависимости от их химического состава и симметрии бывают одноосными и двухосными, т. е. имеют одну или две оптические оси. Примером одноосных кристаллов является исландский шпат, кварц, турмалин. К числу двухосных кристаллов относится гипс, слюда, топаз. В одноосном кристалле (далее речь пойдет только о них) один из лучей, образующихся при двойном лучепреломлении, лежит в плоскости падения и подчиняется закону Синеллиуса; его называют обыкновенным лучом и обозначают буквой «О». Поскольку второй луч не лежит в плоскости падение и не подчиняется закону Синеллиуса, его называют необыкновенным и обозначают буквой «е». Даже при нормальном падении светового пучка на поверхность кристалла необыкновенный луч, вообще говоря, преломляется. Этого не происходит лишь в том случае, когда падающий луч перпендикулярен поверхности кристалла, которая в свою очередь перпендикулярна либо параллельна его оптической оси. Обыкновенный и необыкновенный лучи линейно поляризованы во взаимно перпендикулярных направлениях. Световой вектор обыкновенной волны перпендикулярен главному сечению кристалла (плоскость, проходящая через световой луч и пересекающую его оптическую ось), световой вектор необыкновенной волны расположен в главном сечении (рис. 15.18).