Волновая оптика - Калитеевский Н.И.
ISBN 5-06-003083-0
Скачать (прямая ссылка):
Один из разделов этой главы посвящен вопросу о дифракции частично когерентного света. Понятие о степени когерентности исследуется в приложении к задаче
о дифракции квазимонохроматической волиы на двух отверстиях (опыт Юнга). При изложении основ дифракционной теории оптических инструментов рассмотрен новый метод получения объемного изображения - голография.
Завершает изложение основ электромагнитной теории света рассмотрение оптических экспериментов с движущимися телами. Здесь кратко охарактеризованы экспериментальные основания специальной теории относительности и проанализированы следствия постулатов Эйнштейна, позволяющие полностью истолковать все корректные опыты, как предшествовавшие созданию этой фундаментальной теории, так и выполненные во второй половине XX в. Подробно рассмотрены приложения эффекта Доплера, позволяющие выявить особенности оптических экспериментов и невозможность использования гипотетического эфира даже в качестве системы отсчета.
Расширен раздел курса, посвященный рассмотрению основ фотонной теории, позволивший характеризовать важнейшее свойство света - его дуализм - и оценить границы применимости электромагнитной теории света, изложению которой посвящены основные разделы этой книги. Кроме того, включение сведений о термодинамике излучения, формуле Планка, законах фотоэффекта и свойствах приемников света должно способствовать более широкому использованию этого учебного пособия в университетах и втузах.
При работе над первым и' вторым изданиями книги я широко пользовался дружескими советами В. А. Фабриканта, С. Э. Фриша, М. А. Ельяшевича, М. П. Чайка и других моих товарищей по работе. Всем им я искрение благодарен. За помощь в оформлении третьего издания автор благодарит Ф.А.Ялышеву.
Автор
ВВЕДЕНИЕ
Оптика — учение о физических явлениях, связанных с распространением коротких электромагнитных волн. Как известно, длина любой волны к, ее частота v, скорость в среде и и период колебаний Т связаны соответственно соотношением Л = u/v = иТ. Для волн, которые будут рассматриваться нами в вакууме, и = с — 3 • 1010 см/с.
Прежде всего надо найти диапазон возможного изменения длины волны (или частоты), т. е. изучить шкалу электромагнитных волн (рис. 1), определив более точно расплывчатое понятие "короткие электромагнитные волны”. Однако для одних характеристик радиации (например, поляризации) значительное изменение длины волны не приводит к качественным нарушениям, тогда как для других физических явлений (дифракция и интерференция) выбор исследуемой области длин волн часто бывает критичен. Таким образом, выделение узкой области (от 0,4 до
0,7 мкм), характеризующейся специфическим воздействием на органы чувств ("видимый свет"), не имеет особого смысла. Так же не однозначно практикуемое выделение "оптического диапазона”, включающего в себя инфракрасные, видимые и ультрафиолетовые лучи, тем более что все указанные на чертеже границы довольно условны.
Несмотря на очевидное различие в способах генерирования и регистрации электромагнитных волн разного типа, можно показать, что законы распространения таких волн задаются одними и теми же дифференциальными уравнениями. Речь здесь идет об уравнениях Максвелла, в которых свойства среды учитываются введением соответствующих констант, а переход излучения из одной среды в другую определяется с помощью граничных условий для векторов напряженности электрического и магнитного полей. Использование метода, предложенного Максвеллом более 100 лет назад, позволяет построить единую теорию распространения электромагнитных волн и применить ее для описания основных свойств света. Такое феноменологическое рассмотрение
9
подкупает своей общностью, но, конечно, оказывается приближенным и становится недостаточным в целом ряде случаев. Поэтому изложению подобной строгой, но формальной схемы, в значительной степени игнорирующей механизм протекающих микропроцессов, во введении предпослана краткая качественная характеристика электромагнитных волн разных частот и способов их возбуждения и регистрации. При этом открываются возможности для описания экспериментальной проверки и иллюстрации теоретических выводов с использованием наиболее удобного вида излучения.
Методы возбуждения и регистрации радиоволн приведены в курсах электро- и радиотехники и имеют лишь косвенное отношение к проблеме распространения коротких электромагнитных волн. Важно лишь отметить, что для частот v > 109 Гц (X < 30 см) электронная лампа типа триода, на использовании которой до недавнего времени была основана классическая радиотехника, уже становится непригодной. Действительно, в этой области частот время пролета электрона от катода до анода сравнимо с периодом изменения электромагнитного поля и сетка уже не может управлять анодным током.
Ультракороткие волны (УКВ) представляют чрезвычайный интерес для решения многих важнейших технических задач. Это связано с тем, что для передачи энергии и получения направленного излучения выгодно увеличивать частоту колебаний (см. § 1.5). Революция в технике УКВ* произошла в 1930—1940 гг., и теперь устройства, на которых были проведены знаменитые опыты Герца, Попова и др., представляют лишь исторический интерес. Основной недостаток передатчика Герца — это затухание колебаний и большая ширина спектра излучаемых частот. В современных генераторах УКВ (клистронах и магнетронах) взаимодействие электронного пучка и волн, возникающих в резонаторе, происходит по-иному, что позволяет поднять верхнюю границу частот (v ~ 30 ГГц) и резко увеличить мощность сигнала, достигающего иногда десятков миллионов ватт в импульсе. Положительными свойствами подобных излучателей являются высокая монохроматичность электромагнитной волны (излучается строго определенная частота) и крутой фронт временных характеристик сигнала. В качестве приемника УКВ-излучения обычно используют вибратор или объемный резонатор с кристаллическим детектором, имеющим резко нелинейные свойства, с последующим усилением низкочастотного сигнала.
