Физика для поступающих в вузы - Бутиков Е.И.
Скачать (прямая ссылка):
Система расходящихся волн, дающая мнимое изображение, неотличима от волн, исходивших от самого объекта. Благодаря этому голограмма полностью восстанавливает объемную структуру объекта и передает не только видимое пространственное расположение предметов, но и эффект параллакса, заключающийся в изменении видимого взаимного расположения предметов при перемещении точки наблюдения.
В отличие от обычной фотографии, голограмма содержит информацию об объекте в закодированной форме. Внешне голограмма ничем не напоминает этот объект. На глаз фотопластинка с голограммой представляется равномерно серой, и лишь в микроскоп можно увидеть сложный интерференционный узор. Еще одно отличие от обычной фотографии состоит в том, что для восстановления можно с равным успехом использовать и позитив, и негатив голограммы. Это легко понять, вспомнив, что в зонной пластинке, представляющей собой голограмму точечного источника, мож-
§7. СВЕТОВЫЕ ЛУЧИ. ПРИНЦИП ФЕРМА
461
но сделать непрозрачными или четные, или нечетные зоны Френеля.
Любой участок голограммы содержит информацию обо всем объекте, в то время как различные участки обычной фотографии передают информацию только об отдельных его частях. Действительно, при записи голограммы на любую часть пластинки падают волны, рассеянные всеми частями объекта.
Объем информации, содержащейся на голограмме, значительно больше, чем на фотографии того же объекта. Если объект состоит из нескольких предметов, находящихся на разных расстояниях, то при фотографировании можно получить четкое изображение, строго говоря, только для одного из них. При восстановлении голограммы такого объекта все предметы будут наблюдаться вполне четкими при соответствующей аккомодации глаза.
ГЕОМЕТРИЧЕСКАЯ ОПТИКА
§ 7. Световые лучи. Принцип Ферма
Принцип Гюйгенса позволяет легко установить законы, описывающие поведение плоской волны на плоской границе раздела двух прозрачных сред. С его помощью по заданной волновой поверхности падающей волны можно построить волновые поверхности отраженной и преломленной волн. Волновые поверхности этих волн остаются плоскими. Для задания положения волновых поверхностей плоской волны удобно ввести лучи — линии, перпендикулярные к волновым поверхностям, которые одновременно указывают и направление распространения волны. Вытекающие из принципа Гюйгенса правила нахождения лучей для отраженной и преломленной волн — это хорошо известные законы отражения и преломления.
Плоская волна характеризуется тем свойством, что ее волновые поверхности представляют собой неограниченные плоскости, а направление ее распространения и амплитуда везде одинаковы. Часто электромагнитные волны, не являющиеся плоскими, можно приближенно рассматривать как плоские на небольшом участке пространства. Для этого необходимо, чтобы амплитуда и направление распро-
462
ГЕОМЕТРИЧЕСКАЯ ОПТИКА
странения волны почти не менялись на протяжении расстояний порядка длины волны. Тогда также можно ввести понятие лучей, т. е. линий, касательная к которым в каждой точке совпадает с направлением распространения волны. Если при этом граница раздела двух сред, например поверхность линзы, может считаться приблизительно плоской на расстояниях порядка длины волны, то поведение лучей света на такой границе будет описываться теми же законами отражения и преломления.
Изучение законов распространения световых волн в этом случае составляет предмет геометрической оптики, поскольку в этом приближении оптические законы можно сформулировать на языке геометрии. Многие оптические явления, такие, как, например, прохождение света через оптические системы, формирующие изображение, можно рассматривать, исходя из представления о световых лучах, совершенно отвлекаясь от их волновой природы. Поэтому представления геометрической оптики справедливы лишь в той степени, в какой можно пренебречь явлениями дифракции световых волн. Дифракция сказывается тем слабее, чем меньше длина волны. Это значит, что геометрическая оптика соответствует предельному случаю малых длин волн: Я-»-0.
Физическую модель пучка световых лучей можно получить, если пропустить свет от источника пренебрежимо малого размера через небольшое отверстие в непрозрачном экране. Выходящий из отверстия свет заполняет некоторую область, и если длина волны пренебрежимо мала по сравнению с размерами отверстия, то на небольшом расстоянии от него можно говорить о пучке световых лучей с резкой границей.
Основные законы геометрической оптики — закон прямолинейного распространения света в однородной среде, законы отражения и преломления света на границе раздела двух сред — могут быть получены с помощью принципа Ферма. Согласно этому принципу действительный путь распространения монохроматического луча света есть путь, для прохождения которого свету требуется экстремальное (как правило, минимальное) время по сравнению с любым другим мыслимым путем между теми же точками. Такая формулировка принципа Ферма на самом деле не вполне верна. Согласно принципу Ферма оптический путь должен сравниваться не с любым другим, а с ближайшим. Иначе
