61. Фізіологічна оптика (Фізіологія зору. Око, як оптичний прилад)

Око людини являє собою своєрідну оптичну систему. Очне яблуко наближено має сферичну форму. Ззовні воно покрите непрозорою твердою оболонкою яка наз склера. Склера переходить у рогівку з n=1,38. Відділена від склери рогівка має сферичну форму діаметром 12 мм і радіусом кривизни 7-8 мм. Під склерою знаходиться судинна оболонка яка переходить у забарвлену оболонку з отвором і наз райдужною оболонкою. Отвір у райдужній оболонці являє собою зіницю ока. Залежно від інтенсивності світла діаметр зіниці може змінюватися. Райдужна оболонка-це апертурна діафрагма ока. За зіницею знаходиться кришталик, який за формою схожий на двоопуклу лінзу. За кришталиком очне яблуко заповнене драглистим скловидним тілом. Через задню стінку очного яблука входить зоровий нерв, який розгалужується на дні ока утворюючи сітківку. Оптичні елементи ока (рогівка, зіниця, кришталик) утворюють центровану оптичну систему. Пряма, на якій лежать їх центри, являє собою головну оптичну вісь. Найбільшу оптичну силу має рогівка(40 дптр). Оптична сила кришталика може змінюватись, завдяки чому зображення попадає на сітківку при різних відстанях предмета від ока. Зображення повинно лежати на сітківці для будь-яких відстаней від предмета до ока, при цьому відстань від кришталика до сітківки залишається постійною. Це забезпечується тим що м’язи стискують кришталик зменшуючи радіус кривизни поверхні і збільшуючи цим оптичну силу. Зміна оптичної сили завдяки зміні радіусів кривизни поверхонь кришталика наз акомодацією ока. На сітківці оптична система ока утворює дійсне обернене зображення.

Для світлового подразнення людського ока необхідно щоб на нього падало кілька десятків фотонів в секунду, яким відповідає довжина світлової хвилі l=0,55 мкм. Чутливість ока при зміні освітленості може змінюватися. Ця властивість ока наз адаптацією.

Однією з важливих характеристик ока є гострота зору, або роздільна здатність, під якою розуміють ту найменшу відстань між двома точками предмета, які воно здатне розрізняти окремо. Для ока притаманні всі аберації оптичних систем. Завдяки особливій його будові геометричні й хроматичні аберації мало помітні. Головними недоліками зору є: а) міопія, або короткозорість, за якої промені від нескінченно віддалених точкових джерел фокусується перед сітчастою оболонкою. Вона коректується за допомогою розсіювальної лінзи; б) гіперметропія, або далекозорість, за якої промені від нескінченно віддалених точкових джерел фокусуються за сітчастою оболонкою. Вона коректується за допомогою збиральною лінзи; в) астигматизм, при якому заломлююча здатність ока різна в різних площинах, що проходить через його оптичну вісь. Цей дефект коректується за допомогою циліндричної або тороїдальної лінз.

62. Оптичні прилади (лупа, мікроскоп, телескоп, проекційний апарат, фотоапарат)

63. Тиск світла. Дослід Лебедева

Так как свет это электромагнитна поперечная волна, то, падая на поверхность проводника (зеркального или поглощающего тела), он должен производить следующие действия: электрический вектор, лежащий в плоскости освещенной поверхности, вызывает ток в направлении этого вектора; магнитное поле световой волны действует на возникший ток по закону Ампера так, что направление действующей силы совпадает с направлением распространения света. Таким образом, пондеромоторное взаимодействие между светом и отражающим или поглощающим его телом приводит к возникновению давления на тело. Сила давления зависит от интенсивности света. Для случая, когда световые лучи образуют параллельный пучок, давление p по вычислению Максвелла равно плотности световой энергии u , тоесть енергии в еденице обьема. При этом предполагается что тело на которое падает свет абсолютно черное. Если же коэффициент отражения тела не равен нулю, а имеет значение R, то давление p=u(1+R), так что для идеального зеркала(R=1) имеем p=2u. Если количество энергии, падающей нормально на 1 см² за 1 с (освещенность), обозначить через Е, то плотность лучистой энергии будет равна Е/с, где с-скорость света. Таким образом, световое давление можно представить в виде

Световое давление было обнаружено на опыте и впервые измерено П.Н. Лебедевым. Прибор Лебедева состоял из легкого подвеса на тонкой нити, по краям которого были прикреплены тонкие и легкие крылышки, одно из которых было зачернено, а другое оставлено блестящим. Подвес R помещался в откачанном сосуде G , образуя весьма чувствительные крутильные весы. Свет от дуговой лампы B концентрировался при помощи системы линз и зеркал на одном из крылышек и вызывал закручивание подвеса , R которое наблюдалось при помощи трубы и зеркальца, прикрепленого к нити. Передвигая двойное зеркало S₁S₄ , можно было направить свет от дуги B на переднюю или заднюю поверхность крылышка и таким образом менять направление закручивания. Пластинка P₁ позволяла направить определенную часть пучка на термоэлемент Т, который служил для измерения велечины падающей энергии.

Главной трудностью в опытах Лебедева являеться действие конвекционных потоков газа и наличие радиометрического действия. Эти помехи могут быть в сотни тысяч раз больше светового давления. Радиометрическое действие уменьшаеться, если применять очень тонкие металлические крылышки для уменьшения разности температур и увеличить разрежение газа в баллоне.

Измерения Лебедева дали величину, согласующуюся с теорией с точностью до 20%.

64. Механізми уширення спектральної лінії.

Ширина́ спектральної лі́нії — кількісна характеристика розмитості лінії в спектрі.

Зазвичай за ширину лінії вибирається повна ширина на половині максимуму інтенсивності.

Уширення ліній у спектрах будь-якої природи виникає завдяки різним чинникам. Одним із чинників є недосконалість вимірювальних приладів, можливості яких обмежені роздільною здатністю. Проте часто лінія набагато ширша, ніж характерний масштаб похибки вимірювального приладу. В такому випадку вивчення форми лінії дає додаткову інформацію про об'єкт дослідження.

Природня ширина лінії є її нижньою границею, проте лінії реальних спектрів розмиті додатково завдяки різним іншим чинникам. Енергетичні рівні квантовомеханічних систем зміщуються при взаємодії із сусідніми тілами, розташування яких часто випадкове. Така взаємодія призводить до ще більшої невизначеності частоти квантовомеханічного переходу, проте ретельне вивчення ширини та форми лінії в залежності від температури чи інших чинників, дозволяє робити висновки про взаємодію атомів і молекул у тілах.

4.Одна из причин поглощения света состоит в том, что атомы, внутри которых происходят колебания, совершая тепловое движение, претерпевают столкновения друг с другом. При каждом столкновении резко и неправильно меняются амплитуды н фізи гармонических колебаний, происходит переход в тепло энергии регулярных колебаний, т. е.поглощение света. Исходя из этих представлений. Г А Лорентц развил теорию уширения спектральных линий, обусловлен ного столкновениями между атомами (молекулами) газа. Такое ушнренне называется ударным уширснием. Лорентц показал, что в газах столкновения между молекулами при тепловом движении статистически приводят также к экспоненциальному закону затухания интенсивности волны и к форме спектральных линий такого же вида, что и при естественном

Эффект Допплера является основной причиной уширения спектральных линий в разреженных газах при высоких температурах.

Естественное уширениеОдной из причин, вызывающих однородное уширение спектральной линии взаимодействия, является естественное уширение. Оно определяется собственным временем жизни частицы на возбужденном энергетическом уровне, которое ограничено только спонтанными переходами. В соответствии с принципом неопределенности в квантовой механике время пребывания частицы в возбужденном энергетическом состоянии (t и точность определения ее энергии (Е в этом состоянии связаны соотношением:Естественное уширение не связано непосредственно с воздействием ни внешнего излучения, ни других внешних факторов на систему, а определяется только внутренними свойствами системы, т.е. обусловлено только спонтанными переходами. Естественное уширение наблюдается только в веществе с малой плотностью и составляет десятки кГц.

Однородное уширениеС увеличением плотности вещества среднее время пребывания частиц в определенном энергетическом состоянии уменьшается за счет их взаимного влияния друг на друга. Это ведет к дополнительному уширению спектральной линии, которое также называется однородным. При определении формы спектральной линии учитываются все виды релаксационных процессов и уширение как верхнего, так и нижнего энергетических уровней. Однородное уширение больше всего оказывается в твердых телах и достигает сотен - тысяч МГц.

Однородное уширение больше всего оказывается в твердых телах и достигает сотен - тысяч МГц.

65. Стоячі світлові хвилі. Дослід Вінера.

66. Зонна платівка.

-Що таке зонна платівка? Що таке амплітудна і фазова зонні платівки?

(7.5) (7.6)

Зоннаплатівка – цевиготовленийекраніздеякогочислакілець (їхкількістьвсучаснихзоннихплатівкахможедосягати 250), радіусякихвизначаютьізформули (7.5) дляпевнихзначень ,λ,a,bікільцязнепарнимиіндексамизробленінепрозорими.

Якщо розмістити зонну платівку у відповідному місці сферичної хвилі (обрати значення та в формулі (7.5), то для світла довжиною хвилі така платівка закриває непарні зони Френеля. Через таку зонну платівку пройдуть когерентні коливання, які в точці матимуть однакову фазу. Результуюча амплітуда при закритих парних зонах буде дорівнювати A(P)=A1+A3+A5+...

Таким чином, амплітуда і, отже, інтенсивність світла будуть значно більші, ніж при повністю відкритому фронті. Зонна платівка діє подібно до лінзи.

Побудовану на цих фізичних принципах зонну платівку ще називають амплітудною зонною платівкою. Крім амплітудних зонних платівок ще є фазові зонні платівки.

Збиральна здатність зонної платівки можна збільшити, якщо не затримувати коливання, які приходять в точку від парних зон, а змінити їх фазу на Пі. Такі платівки називають фазовими зонними платівками. Їх виготовляють таким чином, що оптична товщина (d*n) непарних (або парних) зон відрізнялась від оптичної товщини парних (або непарних) зон на величину λ/2. Таким способом інтенсивність світла в фокусі фазової зонної пластинки збільшується в 4 рази порівняно з інтенсивністю хвиль, що поширюються від всіх зон Френеля. (Ідея фазової зонної пластинки належить Релею, перше експериментальне виготовлення шляхом травлення скляної пластинки- Вуду).

За допомогою зонної платівки можна отримувати оптичні зображення, але досить низької якості. Для зонних пластинок властива хроматична аберація.

-Якими методами виготовляють зонні платівки?

Фазову зонну платівку можна виготовити на склі з протравленими ортофосфорною кислотою рівчаками або навпаки – нарощеними за допомогою лакового покриття підвищеннями. Заглиблення або підвищення при цьому повинні мати величину λ/2(2m+1).

Для виготовлення зонної платівки спочатку виготовляють рисунок у великому масштабі на аркуші креслярського паперу, розміри зон Френеля на якому відповідають розрахункам за відомими формулами (7.5) або (7.6). Потім з цього рисунка знімають фотографічну копію зменшених розмірів, яка може служити зонною платівки.

Крім цих методів виготовлення зонних платівок застосовують також методи штамповки, голографії тощо.

67. Дифракційна гратка у вигляді сходинок (ешелон Майкельсона і Майкельсона-Вильямса).

Эшалон Майкельсона состоит из нескольких(30-50) пластин из очень однородного стекла, толщиной h порядка 1-3 см.

Дисперсия показателя преломления увеличивает угловую дисперсию эшелона ,но уменьшает его дисперсионную область. Майкельсону также принадлежит идея использовать эшелон как отражательной решетки. Такой эшелон был построен Вильямсом в 1933г из пластин плавленого кварца. Тщательно очищенные пластины кварца сажались на оптический контакт и нагревались до температуры,меньшей температуры плавления кварца. В результате пластины весьма прочно прилипали друг к другу. Отражающие ступеньки покрывались алюминием,напыленном в вакууме.

68. Роздільна здатність мікроскопу.

Критерій Релея для мікроскопа:

Де -відстань між центрами кругів Ейрі(центральний дифракціоний круг) для розглядаємих 2-ох точок(де β-апертурний кут. Доволі малий). Що б перейти до лінійних розмірів об*єкта ,скористаємося умовою синусів Аббе,яка повинна виконуватися для будь-якого мікроскопа: , де n-показник заломлення простору предметів,а α-апертурний кут збоку цього простору

Виключаючи β та маємо: .

Для збільшення роздільної здатності необхідно:

1) зменшувати довжину хвилі

2)збільшувати апертурний кут

3)ввести імерсійну рідину.

69. Оптична пірометрія

70. Досліди Вавилова по візуальному спостереженню потоку фотонів, що флуктуює.

Переривчастість фізичних процесів призводить до — флуктуацій фіз. величин. Потужність дуже слабкого світлового потоку повинна проявляти безперервні відхилення від середнього значення в результаті того, що світловий потік утворюється окремими світловими частками — фотонами.

Адаптовані до сутінкового зору очі мають постійний поріг зорового відчуття. В області найбільшої чутливості ока ,. що становить 100 фотонів в секунду — число фотонів, що падають на рогівку ока. Через відбиття і поглинання в оці число фотонів, що досягають сітківки ока, ще менше. Порогу зорового відчуття відповідає відносно невелике число фотонів, яке повинно бути піддано значним флуктуацій. <100 фотонів очі не сприймають світла. Поблизу порогу зорового відчуття повинні спостерігатися "мигання", викликані флуктуаціями світлового потоку.

Для уникнення помилок, викликаних здатністю очі затримувати зорове відчуття, Вавилов спостерігав не безперервний потік, а окремі світлові спалахи. Внаслідок флуктуації числа фотонів поблизу порогу зорового відчуття сприймаються не всі спалахи, а лише частина з них. Сутінковий зір є периферичним. Тому око O фіксувався на слабкому джерелі S, світло від якого відбивався за допомогою дзеркала G. Світло від лампи L падло на периферичну частину сітківки ока. На шляху пучка LO розташовувався диск АВ з отвором, який робив 1 об/с. Розміри отвору такі, що світло проходло протягом 0,1 с і затрим. протягом 0,9 с. За доп. фільтра F виділялася досліджувана (зелена) область спектру. Клин K дозволяв послаблювати потоки, що потрапляють в око. Спостерігач в момент, коли він бачив спалах, натискав на кнопку, в результаті чого на рухомій стрічці наносилася відмітка. На тій же стрічці відзначався кожен оберт диска. Завдяки цьому можна було встановити, чи відмітив спостерігач спалах. При не надто малому потоці, що потрапляє в око, спостерігач відмічає кожен спалах. При введенні клина K спостерігач відмічає не всі спалахи. Це викликано флуктуаціями числа фотонів в окремих спалахах. Наявність світлових флуктуації встановлюється безпосередньо.

Кількісна обробка великої кількості спостережень знаходиться в прекрасному злагоді зі статистичними розрахунком флуктуації.

71. Люмінесценція.

Світіння під впливом випромінювання від зовнішнього джерела, незалежно від його тривалості, — люмінесценція.

Світло люмінесценції має іншу довжину хвилі, ніж світло, що його збудило.Люмінесценція має кінцевий час загасання, тобто вона пропадає не відразу після припинення дії збудливого світла (за час більше, ніж період світлових коливань ). Яскравість світіння люмінесценції більше яскравості АЧТ при тій температурі, при якій знаходиться тіло. Така яскравість можлива завдяки тому, що люмінесцентне свічення є нерівноважним. При цьому втрачається поняття про темп. тіла, оскільки розподіл електронів по енерг. рівням нерівноважний. Люмінесценція є "холодним" світінням.

Метод спостереження люмінесценції рідких і твердих тіл в принципі той же, що і спостереження люмінесценції газів: світло від джерела S направляється на досліджуване тіло А; світіння спостерігається в напрямку Ab, фільтри F і F` виділяють певні спектральні ділянки збуджуючого світла і світла люмінесценції.

На відміну від газів, тверді і рідкі тіла при люмінесценції випромінюють світло, що складається не з окремих спектр. ліній, а з суцільних смуг. При цьому змінюється спектр. склад випроміненого світла в порівнянні з поглиненим. У більш. вип. викон. правило Стоксеа — світло люмін. характ. більшою довж. хвилі, ніж світло, що викликає люмін. Смуга виппром. L (рис. а) зміщ. відносно смуги поглин. А в бік більших довж. хвиль. Смуги поглинання і випускання можуть перекривати ода одну (рис. а).

Якщо тіло поглинає фотон частоти , то ця енергія частково віддається назад у вигляді фотона з , частково перетвор. всередині тіла в інші види енергії; позначивши цю частину енергії через А, маємо: , оскільки , то . Довж. хвилі світла люмінесценції дорівнює або більше довж. хвилі збудж. світла.

На рис. смуги поглин. і виппром. частково перекрив. одна одну. Нехай збудж. люмін. провод. вузькою смугою, густо заштрихованої на рис. При викон. закону Стокса в спектрі люмін. буде присутня не вся смуга випром., а тільки частина, довжина хвилі якої більше довжини хвилі збуджуючої смуги (заштрих. на рис. б). Іноді поруш. правило Стокса: вузькою смугою в спектрі люмін. частково присутні хвилі меншої довжини, ніж довж. хвилі збуджуючого світла (рис. в). Поява антистоксової області люмінесценції можливе, якщо , тобто. якщо при люмін. до енергії збуджуючих фотонів додається енергія за рах. внутрішніх джерел люмін. тіла

За Вавиловим, люмін. світіння підходить під один з типів: 1) самостійне випромін., 2) вимушене випромін., 3) випромін. при рекомбін. У 1) електрон збудж. атома повністю не відокремл. від нього і через деякий час самостійно поверт. в початк. стан, випускаючи світло. Приклад — резонансне світіння одноатомних парів.Час затух. порядку часу життя атома в збудж. стані . 2) відбув. при наявн. метастаб. стану; електрон не відділ. від збудженої частки, але може повернутися в вихідний стан лише під впливом навкол. частинок. 3) відбувається, коли електрон повністю відрив. від збудж. част. У двох ост. вип. час загасання від часток секунди до багатьох годин.

72. Ромб Френеля.

Для скла (n=1.5) можна підібрати таці значення , щоб зсув фаз був 45 градусів (при або маємо ). Подвійне внутрішнє відбиття під вказаним кутом у склі дає зміну фази на , оскільки діє як чвертьхвильова платівка. Френель виготовив паралелепіпед зі скла, який діє так, як показано на рис. Якщо , то при повному внутрішньому відбитті , і оскільки , то світло буде поляризованим по колу. Очевидно, що для цього потрібно на паралелепіпед направити плоскополяризоване світло так, щоб площина поляризації складала кут з площиною падіння. Різниця фаз, яка утворюється цією пластинкою, менше залежить від довжини хвилі, ніж у слюдяних пластинках. Для цбого потрібно вибрати скло з малою дисперсією (легкий крон), де мало залежить від .

73. Ефект Доплера в оптиці.

74. Оптичні явища, зумовлені розсіюванням світла в атмосфері (денне світло, райдуга, гало,вінця)

75. Якими методами можна виміряти коливні частоти молекул? (Блок-схема установки).

//не придумывал велосипед– спионерил схемы реальных приборов с интернета

// нужные частоты лежат в инфракрасном диапазоне(не знаю как оценить)

Википедия: Колебательные спектры могут быть получены либо в результате непосредственного поглощения веществом инфракрасного излучения, либо при поглощении видимого и ультрафиолетового излучения, когда часть поглощённой энергии расходуется на возбуждение молекул, а большая часть реэмиттируется веществом. Соответственно колебательная спектроскопия подразделяется на инфракрасную спектроскопию и спектроскопию комбинационного рассеяния (рамановскую). 1) Инфракрасная спектроскопия

//Про болометр связаный с прерывателем, который связан с пером лучше не писать(просто написать про сравнение двух интенсивностей) 2) Спектроскопия комбинационного рассеяния

Суть: определенная разница между частотой падающей волны и комбинационной равна определенной частоте колебательного спектра.Падающую задаем мы(лазер), комбинационную меряем.

//Рисовать без микроскопа, просто с поворотной призмой, диф решетку можна заменить другим спектральным прибором

76. Якими методами можна одержати циркулярно поляризоване світло? Як змінити напрям циркулярної поляризації? (Схеми).

1 метод. Платівка λ/4. Розглянемо приклад кварцової платівки, кварц – додатній кристал n_е> n₀, а фазова швидкість звичайного променя більша ніж незвичайного. Якщо в падаючій на платівку лінійно поляризованій хвилі орієнтувати вектор Е під кутом 45° до осі X, як показано на рисунку нижче, а оптичну вісь ОО платівки направити вздовж осі У, то на виході отримаємо світло, циркулярно поляризоване по лівому колу. Це так, через те, що звичайна хвиля (орієнтована по осі X) випередить незвичайну (з напрямком коливань по осі У ) на π/2, тому напрямок руху вектора Е буде від осі X до осі У (рис а).

Коли вектор Е падаючої хвилі утворює кут а =135° з віссю X, напрямок циркуляції буде протилежним (світло буде поляризоване по правому колу) (рис б). Для платівки, виготовленої з від'ємного кристала, аналогічні міркування призведуть до протилежного результату.

2 метод Ромб Френеля. Вирізається із оптичного скла. При близькому до нормального падіння променя світла, лінійно поляризованого під кутом 45° до площини падіння, лінійні складові променя, поляризовані паралельно и перпендикулярно цій площині, при кожному з двох повних внутрішніх відбивань набувають різницю фаз в 1/8 періоду хвилі світла. Сумарна різниця фаз в 1/4 періоду (90°) дає промінь, поляризований по колу (циркулярно).

Для зміни напрямку циркулярної поляризації необхідно поставити λ/2 платівку.

77. Якими методами можна розрахувати і виміряти коефіцієнти відбиття і пропускання світла на межі двох діелектриків? (Блок-схеми установок).

Відношення відбитої енергії до енергії падаючої називається коефіцієнтом відбиття.

коефіцієнти відбиття для відповідних складових падаючої хвилі.

Коефіцієнт відбиття при нормальному паданні R називається відбиваючою здатністю:

Відношення енергії, що пройшла до енергії падаючої називається коефіцієнтом пропускання. Коефіцієнт пропускання можна також визначити як відношення нормальних компонент усередненого за часом вектора Пойнтінга хвилі, що пройшла і падаючої.

коефіцієнти пропускання відповідних складових падаючої хвилі. .

Схема.

Джерелом світла служить гелій-неоновий лазер 1, який дає, як відомо, лінійно поляризоване світло. Повертаючи лазер в обоймі, можна змінювати орієнтацію площини поляризації світла відносно скляної пластинки 3, яка встановлюється на столику гоніометра 4. Відбите від пластинки світло попадає в зорову трубу 6,7 і спостерігається оком, або реєструється фотодіодом 8. Електрична схема, крім фотодіода, має джерело струму 9, потенціометр 10 та реєструючий прилад 11. Столик гоніометра та зорова труба можуть повертатися на будь-який кут, який вимірюється з великою точністю. Для зменшення інтенсивності відбитого лазерного променя служить поляроїд 5, поворотом якого можна встановити необхідну інтенсивність світла. Для зменшення ширини лазерного променя служить щілина змінної ширини 2. Гоніометр повинен бути ретельно встановлений як оптичний вимірювач кутів. Для цього зорову трубу слід встановити на нескінченність, а її вісь – перпендикулярно до осі обертання столика гоніометра.

Аналізуючи дані фотоприймача (потік відбітого світла ,попередньо вимірявши падаючий потік ) можна знайти коефіцієнт відбиття, а з нього коефіцієнт пропускання.

78. Якими методами можна виміряти параметри просторової та часової когерентності світла? (Блок-схеми установок).

Величину радіуса когерентності монохроматичного світла, яке випромінює протяжне джерело, можна виміряти, користуючись схемою досліду Юнга. Максимальна відстань між щілинами , при якій, використовуючи протяжне джерело світла, ще можна спостерігати інтерференційну картину, буде пов’язане з радіусом когерентності співвідношення .

Величину довжину когерентності квазімонохроматичного світла, яке випромінює точкове джерело, можна виміряти, користуючись інтерферометром Майкельсона

В інтерферометрі Майкельсона спочатку виставляють оптичні довжини плечей 1 та 2 однаковими: . При цьому видність інтерферометричної картини максимальна: . Потім починають рухати одним із дзеркал (наприклад, дзеркалом ) незалежно в який бік. При русі дзеркала видність інтерферометричної картини погіршується і при деякому значені довжини плеча інтерферометрична картина зникає. Це відбувається, коли .Час когерентності пов'язаний з довжиною через швидкість світла.

79. Якими методами можна виміряти довжину хвилі світла? (Схеми).

Для визначення довжини хвилілазерного випромінення нам необхідновиміряти відстані aі l і ширину інтерференційної смуги. Тоді довжина хвилі розраховується по формулі (де величини і n вважаються відомими).

Дифракційна гратка

Визначають кутове положення нульового дифракційного максимуму, заміряють кути дифракції для різних порядків дифракції. Далі будують графік залежності і за відомим значенням періоду дифракційної гратки можна визначити довжину хвилі світла.

І – випромінювач,П – приймач, Н – гратка, G – гоніометричний столик.

Кільця Ньютона

За допомогою вимірювального мікроскопа визначають радіуси світлих і темних кілець. Будують графіки залежностей для світлих і темних кілець

Де

З відповідних графіків за відомим значенням кривини лінзи Rвизначають довжину хвилі світла.

Інтерферометр Майкельсона

В інтерферометрі Майкельсона спочатку виставляють оптичні довжини плечей 1 та 2 однаковими: . При цьому видність інтерференційної картини максимальна:

Рухаючи дзеркало 1 в будь-яку сторону на відстань,що відповідає проходженню через поле зору N інтерференційних смуг знаходимо Δx(відстань на яку здвинули дзеркало), тоді довжина хвилі визначається наступним чином:

80. Якими методами можна визначити тип поляризації світла та виміряти її параметри?

Аналіз типу поляризації світла виконується за схемою, яка наведена на рис.

При користуванні наведеною схемою треба виходити з того, що світло, поляризація якого аналізується, квазімонохроматичне. Якщо світло – біле, треба виділити його окремі монохроматичні компоненти і працювати з ними.

У разі, коли встановлено, що світло має еліптичну поляризацію, вимірюють її параметри: нахил великої осі еліпса та відношення його півосей, для цього використовують аналізатор, λ/4ФП або компенсатор.

У лінійно поляризованого світла вимірюють кут нахилу площини поляризації.

У світла, яке має змішану поляризацію, вимірюють співвідношення тих компонентів, з яких складається ця суміш – ступінь поляризації.

81. Якими методами можна одержати зображення об’єкта на темному фоні?

82. Якими методами можна покращити роздільну здатність мікроскопу? (Схеми).

Роздільна здатність мікроскопа

Таким чином, роздільна здатність мікроскопа тим вища, чим більше значення – числової апертури об’єктива

Також можна прийти до висновку, що зменшення довжини хвилі , збільшення показника заломлення середовища між об’єктивом і предметом, а також збільшення апертурного кута призводить до зменшення ,тобто покращує роздільну здатність мікроскопу. Всі три методи широко застосовуються у мікроскопії: наприклад, існують ( виробляються) УФ-мікроскопи «над роздільної здатності», застосовуються імерсійні рідини, використовується метод «косих променів».

83. Якими методами можна покращити роздільну здатність телескопу? (Схеми).

Відомо, що мінімальна кутова відстань між двома віддаленими предметами (наприклад, зірками), які можна розрізнити як окремі, визначається співвідношенням , де – робоча довжина хвилі, величину якої визначає фільтр на об’єктиві телескопа; – діаметр об’єктива телескопа.

Таким чином, роздільну здатність телескопу можна покращити використовуючи фільтр на об’єктиві телескопа, розрахований на пропускання короткохвильового (наприклад, фіолетового) світла, або/та збільшення діаметра об’єктива телескопа.

84. Порівняйте параметри різних типів спектральних приладів. В яких випадках краще застосовувати кожен з них?

84. Порівняйте параметри різних типів спектральних приладів. В яких випадках краще застосовувати кожен з них ?

Спектральними називаються оптичні прилади, в яких здійснюється розкладання електромагнітного випромінювання оптичного діапазону на монохроматичні складові. Такі прилади використовуються для якісного і кількісного дослідження спектрального складу світла, випромінюваного, що поглинається, відбиваного або розсіюється речовиною. Ці дослідження дозволяють судити про властивості речовини, його хімічний склад і характер фізичних процесів, пов'язаних з випромінюванням або взаємодією світла з речовиною. Спектральні прилади застосовуються також для отримання випромінювання заданого спектрального складу.

«Класичні» прилади можна розділити на дві групи: монохроматори і спектрографи.

Монохроматори

призначені для виділення випромінювання в межах заданого спектральногоінтервалу. Оптична система монохроматора включає в себе вхідну щілину, коліматорний об'єктив, дифракційну решітку, фокусуючий об'єктив і вихідну щілину, яка виділяє випромінювання, що належить вузькому інтервалу довжин хвиль. В монохроматорах завжди є можливість сканування спектра шляхом повороту дифракційної решітки вручну або за допомогою спеціального механізму.

Спектрографи

призначені для одночасної реєстрації щодо широкої області спектра. На відміну від монохроматоров, в фокальній площині фокусуючого об'єктива замість вихідний щілини встановлюється багатоелементний приймач (фотодіодная лінійка, ПЗС лінійка, ПЗС матриця та ін), що дозволяє реєструвати оптичне випромінювання в межах певного поля. Спектрографи використовуються переважно в ультрафіолетовій (УФ), видимій та ближній інфрачервоній (ІЧ) областях спектра, що зумовлено наявними в даний час багатоелементними приймачами випромінювання (190 - 2600 нм).

Основними характеристиками спектральних приладів, що визначають їх властивості та можливості, є:

• робочий спектральний діапазон, • світлосила і відносний отвір, • дисперсія і роздільна здатність, • рівень розсіяного світла, • компенсація астигматизму.

85. Запропонуйте схему і поясніть принцип роботи оптичного вентиля.

Розглянемо рис. Після поляризатора П₁лінійно поляризоване світло потрапляє в комірку з речовиною (наприклад,бензолом), яка в поздовжньому магнітному полі за рахунок магнітооптичного ефекту Фарадея обертає площину поляризації світла. Величина кута обертання залежить від величини напруженості (Н) або магнітної індукції (В) магнітного поля, довжини (L) комірки з робочою речовиною та властивостей самої речовини .

Величина магнітного поля в даному випадку визначається параметрами соленоїда і, у першу чергу, – величиною струму в ньому. Останній підбирається таким, що кут Ψ обертання площини поляризації світла дорівнює Ψ=45. Це означає, що лінійно поляризоване світло після проходження ним соленоїда буде збігатися за поляризацією з напрямком пропускання поляризатора П₂і пройде через нього без поглинання.

Як відомо, будь-яка оптична схема, яка складається, з оптичних елементів обов'язково має відбиваючі поверхні. Це призводить до того, що, окрім "прямого" променя, існує "зворотній" промінь, який потрібно знешкодити (погасити або хоча б зменшити його інтенсивність). (Його наявність може спричинити багато неприємностей, аж до зникнення генерації лазером). Відбитий промінь може бути частково поляризованим або навіть повністю неполяризованим. Але після проходження поляризатора П₂"справа наліво" він виходить з П₂і потрапляє в робочу речовину, яка міститься в соленоїді, поляризованим. З теорії ефекту Фарадея відомо, що напрямок обертання площини поляризації залежить від напрямку магнітного поля (а останній залежить від напрямку струму в соленоїді, який не змінився) і не залежить від напрямку поширення світла. Таким чином, площина поляризації відбитого ("зворотного") променя ще раз повернеться на кут Ψ=45 і на вхід поляризатора П₁він прийде з площиною поляризації, повернутою на кут 90⁰. Це співпадає з напрямком найменшого пропускання поляризатора П₁, і відбите світло через нього пройти не зможе. Ось чому пристрій, пропускання світла яким в одному (прямому) напрямку – максимальне, а у зворотному – мінімальне, називається оптичним вентилем.

86. Запропонуйте різні принципи роботи спектральних фільтрів.

Інтерференційні спектральні фільтри є, по суті справи, інтерферометрами Фабрі-Перро (ефект 501017) із дуже малим зазором між паралельними дзеркалами.

Схематичне зображення конструкції інтерференційного спектрального фільтра(зліва).

На скляну підкладку наносяться послідовно (зазвичай методом вакуумного розпилення): дзеркало R з великим коефіцієнтом відбиття; шар діелектрика з показником заломлення n малої товщини L (одне - дещо довжин хвиль випромінювання, для якого проектується даний фільтр), - і ще одне дзеркало R , аналогічне першому. У результаті виходить Фабрі-Перо з дуже малою товщиною діелектричного зазору.

Додатковий набіг фази випромінювання при двократному перевідбитті між дзеркалами дорівнює . Інтенсивність пройшовшої хвилі дорівнює:

. (1)

Залежність коефіцієнта пропускання від набігу фази для різних значень коефіцієнта пропускання дзеркал інтерферометра

Таким чином при великому значенні R можна з білого світла виділити кілька максимумів з малим розкидом (різкі). Потрібний максимум можна виділити з поміж інших за допомогою звичайного світлофільтра. Таким методом можна,наприклад, виділити з білого світла вузьку ділянку біля нм із нм.

Основою оптичних схем спектральних фільтрів є дисперсійний елемент(рис.3). До цих приладів, окрім еталона Фабрі-Перо, можна віднести дифракційну гратку, дисперсійні призми, єшелетт, єшелле.

ЭШЕЛЕТТ - оп-тич. элемент, плоская отражат. фазовая дифракционная решётка с треугольной формой штрихов. Используется как диспергирующий элемент в дифракц. спектральных приборах для разложения оптич. излучения в спектр. Э. изготовляется нарезанием на плоской металлич. поверхности (с помощью спец. делительной машины с алмазным резцом) строго параллельных штрихов, необходимая треугольная форма к-рых (рис. 1) определяется формой режущей грани резца. Э. изготовляются также спец. методами, такими, как полимерные копии-реплики с нарезных Э., покрытые тонким слоем металла. Голографич. методы изготовления дифракц. решёток не позволяют изготовлять Э. со строго треугольной несимметричной формой штрихов, а лишь с приближённой к ней формой и лишь для УФ-, видимой и ближней ИК-областей.

ЭШЕЛЛЕ (эшель) - спец. плоская отражательная дифракц. решётка с несимметричным треугольным профилем штриха, аналогичная эшелетту ,но используемая при больших углах дифракции и высоких порядках спектра.

Принцип роботи спектральних призм див.в шпорах по теорії.

87. Запропонуйте спосіб вимірювання температури вище 1000 К.

Для вимірювання температури більше 1000 К можна скористатися законами теплового випромінювання. Теплове випромінювання знаходиться у рівновазі з випромінюючим тілом: у цьому випадку тепловому випромінювання приписують ту ж саму температуру, що і нагрітому тілу. Проте переважна більшість тіл має здатність до поглинання , меншу за 1. Унаслідок цього виміряна температура не буде істинною і називається псевдотемпературою. Тому вимірюють яскравісну температуру за допомогою пірометра зі згасаючою ниткою. Порівнюючи яскравість невідомого тіла з цією згасаючою ниткою, ми знаходимо яскравісну температуру (вимірюючи струм в колі «згасаючої нитки», з таблиць знаходимо цю температуру), далі за формулою знаходимо реальну температуру тіла.

88. Як виміряти радіус когерентності? Як виміряти довжину когерентності? Як виміряти час когерентності?

Безымянный

Знаючи довжину когерентності, можна визначити час когерентності : , де с – швидкість світла.

89. Як виміряти комплексний показник заломлення металу або напівпровідника? (Схеми).

Якщо падаюче на межу розподілу світло поляризоване лінійно під кутом до площини падіння, то відбите світло матиме еліптичну поляризацію. Досліджуючи її можна визначити оптичні константи металу. На цьому заснований метод Друде(далі з Сивухіна)

Далі йдуть розрахунки, доволі громіздкі, виведення з формул Френеля і т.п., але задача якісна, по ідеї вони не потрібні J

В кінці кінців:

Безымянный2

90. Якими методами можна виміряти значення кута Брюстера на границі двох діелектриків? (Схеми).

Безымянный3

91. Якими методами можна виміряти значення граничного кута повного відбиття на границі двох діелектриків? (Схеми).

1) Граничний кут для ПВВ можна визначити експериментальним шляхом: вимірюючи кут падіння, при якому кут заломлення стає пі/2. Крім того, граничний кут для ПВВ можна розрахувати: ігр = arcsin (n2/n1).

2) Природна світлова хвиля, що падає на межу поділу двох діелектриків (наприклад, повітря – скло) з показниками заломлення n1 і n2, поділяється на відбиту та заломлену хвилі. Експерименти показують, що обидві хвилі є частково поляризовані, причому для відбитої хвилі переважаючим є напрям коливань вектора E1, який перпендикулярний до площини падіння, а для заломленої хвилі переважаючим є напрям коливань вектора E2, який лежить в площині падіння (мал. 4.1.6,а). Площиною падіння називають таку площину, в який лежить падаючий промінь, відбитий промінь, заломлений промінь та перпендикуляр, поставлений в точку падіння.

91_new

При певному куті падіння, визначеному тільки для даної пари діелектриків, відбита хвиля виявляється плоско поляризованою, площина поляризації якої перпендикулярна до площини падіння (мал. 4.1.6,б). Такий кут називають кутом Брюстера або кутом повної поляризації.

Цей експериментальний факт можна пояснити, виходячи із взаємодії електромагнітної хвилі з речовиною. Нехай світлова хвиля поширюється повітрям і падає під кутом Брюстера на поверхню скляної пластинки. Електричне поле хвилі змушує електрони скла коливатися в напрямку, який є перпендикулярним до напрямку поширення заломленої хвилі. Ці коливання збуджують на поверхні скла відбиту хвилю. Відомо, що електрони, які коливаються, не випромінюють хвилі в напрямку своїх коливань. Це означає, що у відбитій хвилі коливання вектора можуть відбуватися тільки в площині, яка є перпендикулярною до площини падіння. Тому відбита хвиля буде плоско поляризованою, але її інтенсивність є невеликою. Наприклад, для скла вона складає лише 15% від інтенсивності падаючої хвилі. Решта світлової енергії переноситься в напрямку заломленої хвилі, яка залишається частково поляризованою. Для збільшення ступеня поляризації заломленої хвилі її треба пропустити крізь стопу щільно притулених одна до одної скляних пластинок (стопа Столєтова). Якщо світлова хвиля падає під кутом Брюстера на стопу Столєтова з десяти скляних пластинок, то завдяки багаторазовому заломленню частково поляризована хвиля майже стовідсотково перетворюється на плоско поляризовану.

92. Якими методами можна виміряти значення радіусу головної (нульової) зони Френеля (зафіксувати той момент, коли в отвір ірисової діафрагми, що змінюється, вміщується одна зона Френеля)? Те ж саме – для першої зони Френеля. (Схеми).

За допомогою принципу Гюйгенса-Френеля можна обґрунтувати з хвильових властивостей світла закон прямолінійного поширення світла в однорідному середовищі. Френель розв’язав цю задачу, розглянувши взаємну інтерференцію вторинних хвиль, і застосував прийом, який отримав назву методу зон Френеля.

Знайдемо в довільній точці М амплітуду світлової хвилі, що поширюється в однорідному середовищі від точкового джерела .

Згідно з принципом Гюйгенса-Френеля замінимо дію джерела дією уявних джерел, які розміщені на допоміжній поверхні S, що є однією з хвильових поверхонь хвилі, яка поширюється від джерела (рис. 222).

Ця допоміжна поверхня є поверхнею сфери з центром в . Френель розбив хвильову поверхню S на кільцеві зони такого розміру, щоб відстані від країв зони до М відрізнялись на , тобто

Подібне розбивання хвильової поверхні S на зони можна виконати, провівши з точки М концентричні сфери радіусами

; ; ; ... .

Точки сфери S, що лежать від точки М на відстанях ; ; і т.д. утворюють межі 1-ї, 2-ї, 3-ї і т.д. зон Френеля.

Оскільки коливання від сусідніх зон проходять до точки М відстані, які відрізняються на , то в точку М вони надходять з протилежними фазами і при накладанні ці коливання будуть взаємно ослаблюватися. Тому амплітуда результуючого коливання в точці М

де , , … - амплітуди коливань, що збуджуються 1-ю, 2-ю,…, m-ю зонами. В цей вираз всі амплітуди коливань від непарних зон входять зі знаком „+”, а від
парних зон – зі знаком „–”.

Величина залежить від площі m-ї зони і кута між зовнішньою нормаллю до поверхні зони в якій-небудь її точці і прямою, яка напрямлена з цієї
точки в точку М. На рис. 223 точки В і відповідають зовнішній границі m-ї зони; – радіус зовнішньої границі m-ї зони, – висота кульового сегмента .

З трикутників і MBC видно, що

Звідси

Тоді

Оскільки , то при не дуже великих m доданком можна знехтувати і

Бічна поверхня кульового сегмента , яка є сумою площ усіх m зон, починаючи з першої, дорівнює

а площа m-ї зони Френеля

Цей вираз не залежить від m, отже, при не дуже великих m площі зон Френеля однакові. У такий спосіб побудова зон Френеля розбиває поверхню сферичної хвилі на рівні за площею зони.

Із збільшенням номера зони m зростають кут і відстань від зони до точки М. Згідно із принципом Гюйгенса-Френеля це приводить до монотонного зменшення інтенсивності випромінювання в напрямку точки M. Тому

Загальне число N зон Френеля, які вміщуються на частині сфери, яка повернена до точки М (рис. 224), дуже велике.

З рис. 224 видно, що

Звідси:

Якщо R=L=0,1 м і , то . Тому можна вважати, що в межах не дуже великих змін m залежність від m є лінійною, і амплітуда коливань, яка викликана якою-небудь m-ю зоною, дорівнює півсумі амплітуд коливань, що викликані -ю і -ю зонами. Тобто

Тоді амплітуда результуючого коливання в точці М матиме такий вигляд:

оскільки усі вирази, що стоять у дужках, дорівнюють нулю. Отже, амплітуда коливань, що створюється в довільній точці М сферичною хвильовою поверхнею, дорівнює половині амплітуди коливань, що створюється однією центральною зоною. Дія всієї хвильової поверхні на точку М зводиться до дії її малої ділянки, меншої, ніж центральна зона.

Якщо у виразі покладемо, що висота сегмента (при не дуже великих m), тоді . Радіус зовнішньої границі m-ї зони Френеля

При R=L=0,1м і =0,5мкм. Отже, поширення світла від до М відбувається так, немовби світловий потік поширюється всередині дуже вузького каналу вздовж M, тобто прямолінійно. У такий спосіб хвильовий принцип Гюйгенса-Френеля дозволяє пояснити прямолінійне поширення світла в однорідному середовищі.

Виразимо кількість зон Френеля m через радіус зовнішньої границі:

Кількість зон m симетричне відносно L і R. Це означає, що точкове джерело викликає в точці M таку дію, яку викликало б у точці , якщо його розмістити у точці M.

93. Якими методами можна виміряти довжину дифракції лазерного променя? (Схеми).

Довжина дифракції – я взагалі не розумію, про що тут може йти мова!!!

Але, якщо мова йде про довжину когерентності, то:

Поскольку газовые лазеры излучают наиболее высококогерентный свет, то в основном они и используются в голографии.

Но и среди газовых лазеров можно найти такие, характеристики которых наиболее высоки. Существенной характеристикой лазеров является расстояние, на котором частотная когерентность света, то есть длина когерентности, практически не меняется. Особенно важно знать длину когерентности, когда мы используем лазеры в голографии. Рассмотрим подробнее, что означает введенное нами понятие.

Как уже отмечалось раньше, интерференция двух наборов волн одинаковой частоты происходит даже тогда, когда один из наборов сдвинут относительно другого (влево или вправо) на целое число длин волн. Конечно, при этом мы предполагаем, что расстояние между гребнями волн не меняется и что все следующие друг за другом гребни (либо впадины) совершенно одинаковы. В действительности же если сдвигать один набор волн относительно другого на очень много длин волн, то в конце концов можно достигнуть такого положения, начиная с которого идеальной картины сложения и вычитания волн больше не будет.

Нетрудно заметить, что для световых волн это вполне реальная проблема. Когда два набора плоских когерентных волн фиолетового света сдвинуты относительно друг друга на 40,64 см, то на величине этого сдвига укладывается один миллион длин волн фиолетового света. Относительное изменение, частоты на одну миллионную часть привело бы к тому, что два «граничных» гребня из этих наборов волн (по одному из каждого) стали бы рассогласованными, образно говоря, двигались бы «не в ногу».

Расстояние, на котором лазерное излучение действительно остается однородным по форме (все гребни волн, как солдаты на параде, идут в ногу), и называется длиной когерентности. У некоторых газовых лазеров длина когерентности достигает нескольких метров. Использование лазеров с большой длиной когерентности позволяет получать голограммы какой-либо сцены, имеющей большую глубину, чего, конечно, нельзя сделать, применяя лазеры с малой длиной когерентности.

94. Якими методами можна змінювати фазу світлової хвилі? (Схеми).

Стрибком, на величину Δϕ = π фазу світлової хвилі можна змінити, примусив-

ши хвилю відбитись при нормальному падінні або під кутом i<i_Б від межі з опти-

чно більш густим діелектриком.

Плавно фазу світлової хвилі можна змінити, примусивши її проходити через

пластинку змінної товщини (клин).

95. Як можна визначити напруженість магнітної складової світлової хвилі? (Схеми).

96. Які схеми та принципи можна запропонувати для створення джерел із плавною перебудовою спектрального складу випромінювання?

а) Лазер — пристрій для генерування або підсилення монохроматичного світла, створення вузького пучка світла, здатного поширюватися на великі відстані без розсіювання і створювати винятково велику густину потужності випромінювання при фокусуванні. Головний елемент лазера – активне середовище, для утворення якого використовують: вплив світла, електричний розряд у газах, хімічні реакції, бомбардування електронним пучком та ін. методи «накачування». Активне середовище розташоване між дзеркалами, які утворюють оптичний резонатор. Якщо на оптичній довжині L резонатора укладається ціле (в сенсі «не дробове») число півхвиль n: 2L= n* λ, то такі хвилі, проходячи по резонатору не міняють своєї фази і внаслідок інтерференції підсилюють один одного. Всі інші, близько розташовані хвилі, поступово гасять один одного. Таким чином спектр власних частот оптичного резонатора визначається: , де с-шв. Світла у вакуумі. Інтервали між сусідніми частотами резонатора однакові і рівні: Лінії в спектрі випромінювання в силу різних причин (доплерівське розширення, зовнішні електричні і магнітне поля, квантовомеханічної ефекти тощо) завжди мають певну ширину. Тому можуть виникати ситуації, коли на ширину спектральної лінії укладається кілька власних частот резонатора. У цьому випадку випромінювання лазера буде багатомодовим. Синхронізація цих мод дозволяє добитися того, щоб випромінювання являло собою послідовність коротких і потужних імпульсів. Тому змінюючи довжину резонатора, можемо керувати плавною перебудовою спекрального складу випромінювання.

б)Монохроматор - прилад, призначений для отримання монохноматичних плоских хвиль. Оптичні монохроматори виділяють хвилі певної частоти із неперервного спектру. Для виділення монохроматичної хвилі світло розкладають у спектр за допомогою призми або дифракційної ґратки і пропускають через тонку щілину, яка відбирає промені певної частоти. Тому повертаючи, н-д, призму, можемо змінювати інтервал ΔƲ, відповідно і спекртальний склад випромінювання.

97. На яких принципах можна побудувати атенюатор (послаблювач) оптичного випромінювання? (Схеми).

Атенюа́тор (від франц. attenuer — послаблювати)— спеціальний пасивний пристрій, що зменшуєнапругу, струм або потужність електричних або електромагнітних коливань. Існують А. з фіксованим ослабленням у робочому діапазоні частот, східчастою або плавною зміною ослаблення в заданих межах. За принципом дії А. поділяються на поглинальні та граничні. Для роботи в діапазоні частот від сотень кГц до декількох МГц як А. використовують подільники напруги. До числа основних характеристик А. належать: величина внесеного ослаблення, межі регулювання ослаблення, допустима потужність розсіяння та діапазон робочих частот.

Використовуючи які фізичні принципи (ефекти), можна побудувати атенюатор (керований послаблювач) оптичного випромінювання?

Побудувати атенюатор (керований послаблювач) оптичного випромінювання можна, використовуючи такі фізичні ефекти:

- залежність коефіцієнта відбиття на границі двох прозорих діелектриків від кута падіння, яка випливає із формул Френеля;

- ефект залежності освітленості від оберненого квадрата

відстані до джерела світла;

- діафрагмування;

- закон Малюса для поляризованого світла (див. розділ ТТ)

- кутову залежність індикатрису інтенсивності розсіюваного світла (див. розділ ТТ);

- клиноподібні атенюатори [11, Гл.1, п.3];

- диск, що обертається, з секторними вирізами [11, Гл.1, п.3).

Безымянный.png

98. Як можна визначити напрямок оптичної осі анізотропного кристалу? (Схеми).

Практично усі кристалічні діелектрики оптично анізотропні: електрична поляризованість Р кристала залежить від напрямку і вона визначається електричною анізотропією (симетрією) молекул та сил взаємодії між ними (анізотропія кристалічного поля). Розповсюдження хвиль у цих кристалах як і в інших прозорих речовинах визначається інтерференцією первинної та вторинних хвиль, що випромінюються молекулами. Тільки кристали кубічної симетрії є ізотропними.

В оптично анізотропних кристалах спостерігається явище подвійного променезаломлення, яке полягає в тому, що падаючий промінь світла породжує два промені: звичайний (о) та незвичайний (е) Перший описується звичайним законом заломлення світла, а для другого закон заломлення не виконується тому, що відношення синусів кута падіння та кута заломлення залежить від кута падіння і не є сталою величиною. Звичайний промінь лінійно поляризований перпендикулярно площині падіння, а не звичайний - в площині падіння.

Звичайний промінь лежить у площині падіння світла  площині утвореній нормаллю до поверхні кристала та напрямком падаючого променя. Не звичайний промінь, навіть при нормальному падінні світла, не лежить у площині падіння.

Оптична вісь кристала  напрямок у кристалі, вздовж якого падаючий промінь породжує лише собі подібний без подвійного променезаломлення  звичайний та незвичайний промені не розділяються й мають однакові швидкості поширення.

Кристали можуть мати одну вісь (одноосьовий кристал) та дві осі (двоосьовий кристал).

Визначення напрямків звичайногоі незвичайного променів

Хід звичайного і незвичайного променів у кристалі можна визначити за допомогою принципу Гюйгенса. Нехай на поверхню кристала падає плоска хвиля з фронтом АВ (рис. 17.5). Доки промінь 2 дійде до точки В', промінь 1 пошириться у кристалі на деяку відстань.

На рисунку:

О'О' – оптична вісь кристала,

В'А" – фронт хвилі для незвичайного променя в кристалі,

В'А' – фронт хвиліі длязвичайного променя в кристалі

99. Як виміряти групову та визначити фазову швидкості розповсюдження світла у середовищі?

Мал. 1. Визначення швидкості світла методом «зубчастого колеса» (методом Фізо). S — джерело світла; W — зубчасте колесо, що обертається, із змінною швидкістю обертання і точно відомою шириною зубців і проміжків а між ними; N — напівпрозоре дзеркало; М-код — дзеркало, що відображає; MN — точно виміряна відстань (база); Е — окуляр. Спостерігач реєструє в Е світло найбільшої яскравості, коли час проходження світлом відстані NM і назад дорівнює часу повороту W на ціле число зубців (1, 2, 3 і т. д.). Пучок променів світла при цьому проходіт строго посередині між зубцями як на ділянці NM, так і при зворотному ході MN.

Це буде групова швидкість

А з

Vф*Vг=с^2 знайдемо групову швидкість

100. Є три фазових платівки, товщини кожної з яких кратніλ/4,λ/2 таλ. Якими методами можна їх розрізнити? (Схеми).

101. Є три платівки: із скла, із кварцу та із ісландського шпату. Якими методами можна їх розрізнити?

Особливості ісландського шпату:

Це прозорий крупнокристалічний різновид CaCO3. Це одноосний кристал. Найвідомішою та найвагомішою його особливістю є те, що він має ярко вироджений ефект подвійного заломлення. Промінь, що проходить через нього заломлюється і на виході отримуємо два: один – нормальний(звичайний), що підпорядковується законам заломлення, а інший – незвичайний. Отже, через платівку ісландського шпата можна побачити подвійне зображення.

Особливості кварцу:

Кварцове скло – однокомпонентне скло із оксиду кремнія. Кварцове скло має найнижчий показник заломлення, який притаманний склу. Також кварц – оптично активний, що означає його здатність викликати обертання площини поляризації оптичного променя, що проходить крізь нього.

На основі цього:

1) Поляризаційні властивості: Розміщаємо по черзі платівки між схрещеними поляризатором і аналізатором. Скляна на стан поляризації не впливає, не залежно від розміщення скляної платівки. Якщо розмістити ісландський шпат, вирізаний перпендикулярно до оптичної осі, світло не пройшло би. А кварц, завдяки описаній вище оптичній активності, повертає пл. поляризації на кут, що залежить від довжини хвилі, пройденого променя. Світло з різними довжинами хвиль буде проходити за будь-якої орієнтації аналізатора.

2) Заломлення: показник заломлення(також зазначено вище) менше у кварца, ніж у скла, а на виході з ісландського шмату взагалі отримуємо два променя. Вимірювання показника заломлення твердих тіл.Береться, як правило, оптично однорідний досліджуваний зразок.Поверхня, обернена до полірованої вимірювальної призми, повинна бутидобре відполірована, а протилежна, обернена до джерела світла – матовою.Досліджуваний зразок розміщується на вимірювальній призмі. Між їхнімиполірованими поверхнями повинна знаходиться рідина, показникзаломлення якої менший за n0 вимірювальної призми, але більший за nDтвердого тіла. Значення nD вимірюють по шкалі, аналог до лабораторної роботи.

102. Якими методами можна виміряти різницю фаз між двома світловими хвилями? (Схеми).

Різницю фаз можна виміряти, скориставшись інтерферометром Релея.

Кювети можна прибрати, або заповнити однаковою речовиною.

Змінюючи кут нахилу компенсатора 1 будемо змінювати різницю ходу доти, доки картина не співпаде. За допомогою проградуйованого мікрометра, яким ми і змінюємо кут нахилу, вимірюємо цю різницю ходу.

За формулою: визначаємо різницю фаз.

103. Які методи виготовлення дифракційних граток вам відомі? Які з них вам доступні?

Один – прорезать алмазным резаком канавки на оргстекле или каком другом материале. Они должны быть абсолютно параллельными и на точно одинаковом расстоянии! Это какой же надо резак!... Потому на практике используют голограммный метод. На нём и остановимся подробнее.

Для получения голограммных дифракционныхрешеток требуются материалы, способные после регистрации интерференционной структуры и последующей обработки материала создавать рельефное изображение зарегистрированной структуры. В наибольшей степени этому требованию удовлетворяли органические фоторезисты, которые использовались в фотолитографии и микроэлектронной промышленности. Были опробованы различные типы органических фоторезистов. Однако эти фоторезисты характеризовлись очень низкой светочувствительностью в видимой области спектра. фоторезист чувствителный к излучению лазера в синей области спектра. На этом фоторезисте были изготовлены первые промышленные образцы голограммных дифракционныхрешеток, которые нашли применение в различных спектральных приборах.

Дальнейшее развитие техпроцесса изготовлениядифракционныхрешетокголографическим способом стало возможным при использовании в качестве светочувствительного материала неорганического фоторезиста на основе халькогенидных стекол. Их основное преимущество при сравнении с органическим фоторезистом в том, что светочувствительные пленки неорганического фоторезиста наносятся на подложки решетокметодом термического испарения стекла в вакууме. Этот метод существенно упрощает процесс получения качественных пленок с минимальным количеством дефектов и позволяет получать светочувствительные слои на подложках с любой формой и кривизной поверхности.Основные типы голограммных дифракционныхрешеток, которые производятся в настоящее время на предприятии:

- плоские, вогнутые и выпуклые отражательные решётки с постоянным шагом штрихов;

- вогнутые решётки с коррекцией аберраций;

- решётки для лазеров, в том числе для компрессии лазерных импульсов;

- меры малой длины для метрологических измерений;

- дифракционные оптические элементы.

Ниже перечислены основные параметры изготовляемых решеток:

- размер заштрихованной поверхности до 380 х 220 мм²;

- частота штрихов от 100 л/мм до 3600 л/мм;

- относительное отверстие для вогнутых решёток с постоянным шагом штрихов до 1:1;

- относительное отверстие для вогнутых решёток с коррекцией аберраций до 1:2,5;

- спектральный диапазон от 1 нм до 7000 нм;

- разрешающая способность по отношению к теоретическому значению не менее 0,9;

- дифракционная эффективность эффективность на длине волны блеска для неполяризованного излучения более 70 %;

- дифракционная эффективность на длине волны блеска для поляризованного излучения более 90 %;

- относительная интенсивность рассеянного света на расстоянии 1 нм от спектральной линии менее 5 ×10 -7.

В последнее время широкое распространение получили голограммные дифракционные решетки для систем формирования и компрессии лазерных импульсов в ИК диапазоне спектра. К этим решеткам предъявляются повышенные требования как к дифракционной эффективности так и к лучевой стойкости. Высокий коэффициент отражения и лучевая стойкость решетки обеспечивается при использовании отражающего покрытия из золота. Наиболее высокие значения достигаются при использовании метода нанесении золотого покрытия с более плотной упаковкой атомов металла. Этот метод успешно использовался для получения дифракционныхразмером до 380 × 240 мм с эффективностью более 90% и стойких к импульсному излучению лазера с плотностью энергии не менее 1 дж/см² при длительности импульса 1 нс.

Дальнейшее увеличение лучевой стойкости решеток представляется возможным при использовании многослойных диэлектрических покрытий, стойких к лазерному излучению по аналогии с диэлектрическими зеркалами. Исследования, которые были проведены в этом направлении показали перспективность данного выбора, и на изготовленных экспериментальных образцах многослойных диэлектрических решеток достигнута лучевая стойкость не менее 5 дж/см².

доступные способыизготовления дифракционных решёток

Вот один способ – получение голограммы – но для этого надо сделать дифрешётку:С помощью компьютера рассчитывают распределение интенсивности. Это распределение фотографируется с экрана монитора компьютера на фотопленку, благодаря чему достигается уменьшение в необходимое число раз. Для восстановления голограмм и демонстрации дифракционных оптических элементов используется установка (смотри рисунок), состоящая из лазерной указки (длина волны 650нм), луч которой направляется в телескопирующую систему (в качестве такой может использоваться подзорная труба или бинокль). Телескопирующая система позволяет расширить параллельный пучок света до диаметра, достаточного для освещения всего фотографического кадра. На выходе телескопирующей системы ставится слайд дифракционного оптическогоэлемента а результат Демонстрационная установка дифракции наблюдается на экране.

Другой способ – взять уже готовую дифрешётку – компакт диск! Можно сделать даже дифракционный спектроскоп на его основе: берём картонную коробку, в неё кладём кусок диска и делаем тонкую прорезь сверху – а сбоку – трубку чтоб смотреть на спектр и спектроскоп готов.

104. Чи можна спостерігати дифракцію світла на кристалічній гратці? Чому? Як?

Для спостереження дифракції необхідно, щоб довжина хвилі де-Бройля дифрагуючих частинок була менше періоду кристалічної решітки. Цій умові задовольняють фотони при енергії Е = 5-20 кеВ (рентгенівське і гамма-випромінювання), електрони при Е = 10-100 еВ, і нейтрони при Е = 0,01 - 0,1 еВ (теплові нейтрони з енергією порядку).Саме ці три частинки найбільш часто використовуються в дифракційних дослідженнях кристалів. Найбільш просто здійсненна дифракція фотонів (рентгенівське випромінювання, гамма випромінювання), тому їх використовують частіше, ніж дифракцію електронів, для спостереження якої необхідний високий вакуум, або дифракцію нейтронів, для якої в якості джерела нейтронів потрібен громіздкий ядерний реактор.Дифракція нейтронів і електронів дуже схожа на дифракцію фотонів, тому дифракції фотонів застосовують для вивчення структури кристалічної решітки.Кристалічна решітка грає роль тривимірної дифракційної решітки для фотонів, електронів, нейтронів та інших частинок рухаються в кристалі. Закономірності дифракції фотонів - електромагнітних хвиль на кристалі як тривимірної решітки можна розрахувати за тією ж схемою, як розраховувалася дифракційна картина одномірної дифракційної решітки з N щілинами, а саме, спочатку розраховували картину від нескінченно вузьких щілин, а потім враховували кінцівку їх ширини.Виходила картина із серії найбільш яскравих максимумів, інтенсивність яких задавалася характером розподілу інтенсивності в межах однієї щілини.