Англо-русский словарь и русско-английский словарь онлайн

Создать акаунт
Где искать:
Толковые словари
Большая советская энциклопедия

Результаты поиска (1-15 из 15)

Оптика Искать примеры произношения
(греч. optikē - наука о зрительных восприятиях, от optós - видимый, зримый)

раздел физики, в котором изучаются природа оптического излучения (См. Оптическое излучение) (света), его распространение и явления, наблюдаемые при взаимодействии света и вещества. Оптическое излучение представляет собой Электромагнитные волны, и поэтому О. - часть общего учения об электромагнитном поле (См. Электромагнитное поле). Оптический диапазон длин волн охватывает около 20 октав (См. Октава) и ограничен, с одной стороны, рентгеновскими лучами (См. Рентгеновские лучи), а с другой - микроволновым диапазоном радиоизлучения. Такое ограничение условно и в значительной степени определяется общностью технических средств и методов исследования явлений в указанном диапазоне. Для этих средств и методов характерны основанные на волновых свойствах излучения формирование изображений оптических (См. Изображение оптическое) предметов с помощью приборов, линейные размеры которых много больше длины волны λ излучения, а также использование приёмников света (См. Приёмники света), действие которых основано на его квантовых свойствах.

По традиции О. принято подразделять на геометрическую, физическую и физиологическую. Геометрическая оптика оставляет в стороне вопрос о природе света, исходит из эмпирических законов его распространения и использует представление о световых Лучах, преломляющихся и отражающихся на границах сред с разными оптическими свойствами и прямолинейных в оптически однородной среде. Её задача - математически исследовать ход световых лучей в среде с известной зависимостью преломления показателя (См. Преломления показатель) n от координат либо, напротив, найти оптические свойства и форму прозрачных и отражающих сред, при которых лучи проходят по заданному пути. Методы геометрической О. позволяют изучить условия формирования оптического изображения объекта как совокупности изображений отд. его точек и объяснить многие явления, связанные с прохождением оптического излучения в различных средах (например, искривление лучей в земной атмосфере вследствие непостоянства ее показателя преломления, образование Миражей, радуг (См. Радуга) и т.п.). Наибольшее значение геометрическая О. (с частичным привлечением волновой О., см. ниже) имеет для расчёта и конструирования оптических приборов - от очковых линз до сложных Объективов и огромных астрономических инструментов. Благодаря развитию и применению вычислительной математики методы таких расчётов достигли высокого совершенства и сформировалось отдельное направление поучившее название вычислительной О.

По существу отвлекается от физической природы света и Фотометрия, посвященная главным образом измерению световых величин (См. Световые величины), Фотометрия представляет собой методическую основу исследования процессов испускания, распространения и поглощения излучения по результатам его действия на приёмники излучения. Ряд задач фотометрии решается с учётом закономерностей восприятия человеческим глазом света и его отдельных цветовых составляющих. Изучением этих закономерностей занимается физиологическая О., смыкающаяся с биофизикой и психологией и исследующая Зрительный анализатор (от глаза до коры головного мозга) и механизмы зрения (См. Зрение).

Физическая О. рассматривает проблемы, связанные с природой света и световых явлений. Утверждение, что свет есть поперечные электромагнитные волны, основано на результатах огромного числа экспериментальных исследований дифракции света (См. Дифракция света), интерференции света (См. Интерференция света), поляризации света (См. Поляризация света) и распространения света в анизотропных средах (см. Кристаллооптика, Оптическая анизотропия). Совокупность явлений, в которых проявляется волновая природа света, изучается в крупном разделе физической О. - волновой О. Её математическим основанием служат общие уравнения классической электродинамики - Максвелла уравнения. Свойства среды при этом характеризуются макроскопическими материальными константами - диэлектрической проницаемостью (См. Диэлектрическая проницаемость) ε и магнитной проницаемостью (См. Магнитная проницаемость) μ, входящимив уравнения Максвелла в виде коэффициентов. Эти константы однозначно определяют показатель преломления среды: n = .

Феноменологическая волновая О., оставляющая в стороне вопрос о связи величин ε и μ (обычно известных из опыта) со структурой вещества, позволяет объяснить все эмпирические законы геометрической О. и установить границы её применимости. В отличие от геометрической, волновая О. даёт возможность рассматривать процессы распространения света не только при размерах формирующих или рассеивающих световые пучки систем >>λ(длины волны света) но и при любом соотношении между ними. Во многих случаях решение конкретных задач методами волновой О. оказывается чрезвычайно сложным. Поэтому получила развитие Квазиоптика (особенно применительно к наиболее длинноволновому участку спектра оптического излучения и смежному с ним т. н. субмиллиметровому поддиапазону радиоизлучения) в которой процессы распространения, преломления и отражения описываются геометрооптически но в которой при этом нельзя пренебрегать и волновой природой излучения. Геометрический и волновой подходы формально объединяются в геометрической теории дифракции, в которой дополнительно к падающим, отражённым и преломлённым лучам геометрической О. постулируется существование различного типа дифрагированных лучей.

Огромную роль в развитии волновой О. сыграло установление связи величин ε и μ с молекулярной и кристаллической структурой вещества (см. Кристаллооптика, Металлооптика, Молекулярная оптика). Оно позволило выйти далеко за рамки феноменологического описания оптических явлений и объяснить все процессы, сопровождающие распространение света в рассеивающих и анизотропных средах и вблизи границ разделов сред с разными оптическими характеристиками, а также зависимость от λ оптических свойств сред - их дисперсию, влияние на световые явления в средах давления, температуры, звука, электрического и магнитного полей и многое др.

В классической волновой О. параметры среды считаются не зависящими от интенсивности света; соответственно, оптические процессы описываются линейными (дифференциальными) уравнениями. Выяснилось, однако, что во многих случаях, особенно при больших интенсивностях световых потоков, это предположение несправедливо; при этом обнаружились совершенно новые явления и закономерности. В частности, зависимость показателя преломления от напряжённости поля световой волны (нелинейная поляризуемость вещества) приводит к изменению угла преломления светового пучка на границе двух сред при изменении его интенсивности, к сжатию и расширению световых пучков (Самофокусировка света и его самодефокусировка), к изменению спектрального состава света, проходящего через такую (нелинейную) среду (генерация оптических гармоник), к взаимодействию световых пучков и появлению в излучении т. н. комбинационных частот, выделенных направлений преимущественного распространения света (параметрические явления, см. Параметрические генераторы света) и т.д. Эти явления рассматриваются нелинейной оптикой (См. Нелинейная оптика), получившей развитие в связи с созданием Лазеров.

Хорошо описывая распространение света в материальных средах, волновая О. не смогла удовлетворительно объяснить процессы его испускания и поглощения. Исследование этих процессов (Фотоэффекта, фотохимических превращений молекул, закономерностей спектров оптических (См. Спектры оптические) и пр.) и общие термодинамические соображения о взаимодействии электромагнитного поля с веществом привели к выводу, что элементарная система (атом, молекула) может отдавать энергию электромагнитному полю (или, напротив, получать её от него) лишь дискретными порциями (квантами), пропорциональными частоте излучения ν (см. Излучение). Поэтому световому электромагнитному необходимо сопоставить поток квантов света - Фотонов, распространяющихся в вакууме со скоростью света (См. Скорость света) с = 2,99·109 см/сек. Фотоны обладают энергией hν, импульсом с абсолютной величиной hν/c и массой hν/c2 (их масса покоя равна нулю, см. Масса), а также Спином h/2π; здесь h = 6,65·1027 эрг/сек - Планка постоянная. В простейшем случае энергия, теряемая или приобретаемая изолированной квантовой системой при взаимодействии с оптическим излучением, равна энергии фотона, а в более сложном - сумме или разности энергий нескольких фотонов (см. Многофотонные процессы). Явления, в которых при взаимодействии света и вещества существенны квантовые свойства элементарных систем, рассматриваются квантовой О. методами, развитыми в квантовой механике (См. Квантовая механика) и квантовой электродинамике (См. Квантовая электродинамика), а оптические явления, не связанные с изменением собственных состояний квантовых систем (например, Давление света, Доплера эффект), могут трактоваться в рамках как классических волновых, так и фотонных представлений.

Двойственность природы света (наличие одновременно характерных черт, присущих и волнам, и частицам) - частное проявление корпускулярно-волнового дуализма (См. Корпускулярно-волновой дуализм), свойственного, согласно квантовой теории, всем объектам микромира (например, электронам, протонам, атомам). Исторически концепция корпускулярно-волнового дуализма, впервые сформулированная именно для оптического излучения, окончательно утвердилась после обнаружения волновых свойств у материальных частиц (см. Дифракция частиц) и лишь некоторое время спустя была экспериментально подтверждена для соседнего с оптическим диапазона электромагнитного излучения - радиоизлучения (Квантовая электроника, квантовая радиофизика). Открытие квантовых явлений в радиодиапазоне во многом стёрло резкую границу между радиофизикой и О. Сначала в радиофизике, а затем в физической О. сформировалось новое направление, связанное с генерированием вынужденного излучения (См. Вынужденное излучение) и созданием квантовых усилителей (См. Квантовый усилитель) и квантовых генераторов (См. Квантовый генератор) излучения (Мазеров и лазеров). В отличие от неупорядоченного светового поля обычных (тепловых и люминесцентных) источников, излучение лазеров в результате управления полем актами испускания входящих в них элементарных систем характеризуется упорядоченностью (Когерентностью). Оно отличается высокой монохроматичностью (Δν/ν Оптика 10-13, см. Монохроматический свет), предельно малой (вплоть до дифракционной) расходимостью пучка и при фокусировке позволяет получать недостижимые ни для каких других источников плотности излучения (Оптика1018 вт·см -2·стер -1). Появление лазеров стимулировало пересмотр и развитие традиционных и возникновение новых направлений физической О. Большую роль стали играть исследования статистики излучения (статистическая О.), были открыты новые нелинейные и нестационарные явления, получили развитие методы создания узконаправленных когерентных пучков света и управления ими (когерентная О.) и т.д. Особую важность приобрело изучение круга явлений, связанных с воздействием света на вещество (до появления лазеров наибольшее внимание привлекало воздействие вещества на свет). Развитие лазерной техники привело к новому подходу при создании оптических элементов и систем и, в частности, потребовало разработки новых оптических материалов, которые пропускают интенсивные световые потоки, сами не повреждаясь (силовая О.).

Все разделы О. имели и имеют многочисленные практические применения. Задачи рационального освещения улиц, помещений, рабочих мест на производстве, зрелищ, исторических и архитектурных памятников и пр. решаются светотехникой (См. Светотехника) на основе геометрической О. и фотометрии, учитывающей законы физиологической О.; при этом используются достижения физической О. (например, для создания люминесцентных источников света (См. Источники света)) и оптические технологии (изготовление зеркал, Светофильтров, экранов и т.д.). Одна из важнейших традиционных задач О. - получение изображений, соответствующих оригиналам как по геометрической форме, так и по распределению яркости (иконика), решается главным образом геометрической О. с привлечением физической О. (для установления разрешающей способности (См. Разрешающая способность) приборов и систем, учёта зависимости показателя преломления от λ-дисперсии света (См. Дисперсия света) и др.). Геометрическая О. даёт ответ на вопрос, как следует построить оптическую систему для того, чтобы каждая точка объекта изображалась бы также в виде точки при сохранении геометрического подобия изображения объекту. Она указывает на источники искажений изображения и их уровень в реальных оптических системах (см. Аберрации оптических систем). Для построения оптических систем существенна технология изготовления оптических материалов (стёкол, кристаллов, оптической керамики и пр.) с требуемыми свойствами, а также технология обработки оптических элементов. Из технологических соображений чаще всего применяют линзы (См. Линза) и зеркала (См. Зеркало) со сферическими поверхностями, но для упрощения оптических систем и повышения качества изображений при высокой светосиле (См. Светосила) используют и асферические оптические элементы.

Новые возможности получения оптических образов без применения фокусирующих систем даёт Голография, основанная на однозначной связи формы тела с пространственным распределением амплитуд и фаз распространяющихся от него световых волн. Для регистрации поля с учётом распределения фаз волн в голографии на регистрируемое поле накладывают дополнит. когерентное поле и фиксируют (на фоточувствительном слое или др. методами) возникающую при этом интерференционную картину. При рассматривании полученной т.о. голограммы в когерентном (монохроматическом) свете получается объёмное изображение предмета.

Появление источников интенсивных когерентных световых полей (лазеров) дало толчок широкому развитию голографии. Она находит применение при решении многих научных и технических проблем. С помощью голографии получают пространственные изображения предметов, регистрируют (при импульсном освещении) быстропротекающие процессы, исследуют сдвиги и напряжения в телах и т.д.

Оптические явления и методы, разработанные в О., широко применяются для аналитические целей и контроля в самых различных областях науки и техники. Особенно большое значение имеют методы спектрального анализа (См. Спектральный анализ) и люминесцентного анализа (См. Люминесцентный анализ), основанные на связи структуры атомов и молекул с характером их спектров испускания и поглощения, а также спектров комбинационного рассеяния света (См. Комбинационное рассеяние света). По виду спектров и их изменению со временем или под действием на вещество внешних факторов можно установить молекулярный и атомный состав, агрегатное состояние, температуру вещества, исследовать кинетику протекающих в нём физических и химических процессов. Применение в спектроскопии (См. Спектроскопия) лазеров обусловило бурное развитие нового её направления - лазерной спектроскопии. Спектральный и люминесцентный анализ используют в различных областях физики, астрофизике, геофизике и физике моря, химии, биологии, медицине, технике, в ряде гуманитарных наук - искусствоведении, криминалистике и пр.

Чрезвычайно высокая точность измерительных методов, основанное на интерференции света, обусловила их большое практическое значение. Интерферометры широко применяют для измерений длин волн и изучения структуры спектральных линий (См. Спектральные линии), определения показателей преломления прозрачных сред, абсолютных и относительных измерений длин, измерений угловых размеров звёзд и др. космических объектов (см. Звёздный интерферометр). В промышленности интерферометры используют для контроля качества и формы поверхностей, регистрации небольших смещений, обнаружения по малым изменениям показателя преломления непостоянства температуры, давления или состава вещества и т.д. Созданы лазерные интерферометры с уникальными характеристиками, резко расширившие возможности интерференционных методов за счёт большой мощности и высокой монохроматичности излучения лазеров.

Явление поляризации света лежит в основе ряда методов исследования структуры вещества с помощью многочисленных поляризационных приборов (См. Поляризационные приборы). По изменению степени поляризации (деполяризации) света при рассеянии и люминесценции можно судить о тепловых и структурных флуктуациях (См. Флуктуации) в веществе, флуктуациях концентрации растворов, о внутри- и межмолекулярной передаче энергии, структуре и расположении излучающих центров и т.д. Широко применяется Поляризационно-оптический метод исследования напряжений в объёмах и на поверхностях твёрдых тел, в котором эти (механические) напряжения определяются по изменению поляризации отражённого или прошедшего через тело света. В кристаллооптике поляризационные методы используются для изучения структуры кристаллов, в химической промышленности - как контрольные при производстве оптически-активных веществ (См. Оптически-активные вещества) (см. также Сахариметрия), в минералогии (См. Минералогия) и петрографии (См. Петрография) - для идентификации минералов, в оптическом приборостроении - для повышения точности отсчётов приборов (например, Фотометров).

Широкое распространение получили высокочувствительные спектральные приборы с дифракционной решёткой (См. Спектральные приборы) в качестве диспергирующего элемента (Монохроматоры, Спектрографы, Спектрофотометры и др.), использующие явление дифракции света. Дифракция на ультразвуковых волнах в прозрачных средах позволяет определять упругие константы вещества, а также создать акустооптические модуляторы света (см. Модуляция света).

Оптические методы, заключающиеся в анализе рассеяния света (См. Рассеяние света) (особенно мутными средами (См. Мутные среды)), имеют большое значение для молекулярной физики и её приложений. Так, Нефелометрия даёт возможность получать данные о межмолекулярном взаимодействии (См. Межмолекулярное взаимодействие) в растворах, определять размеры и молекулярный вес макромолекул полимеров (См. Полимеры), а также частиц в коллоидных системах (См. Коллоидные системы), взвесях (См. Взвеси) и аэрозолях (См. Аэрозоли). Последнее весьма важно для атмосферной оптики (См. Атмосферная оптика), оптики красок и порошков. Ценные сведения об энергетической структуре молекул и свойствах тел дают изучение комбинационного рассеяния света (См. Комбинационное рассеяние света), Мандельштама - Бриллюэна рассеяния (См. Мандельштама - Бриллюэна рассеяние) и вынужденного рассеяния света (См. Вынужденное рассеяние света), обнаруженного благодаря использованию лазеров.

Очень широка сфера практического применения приборов, основанных на квантовых оптических явлениях - Фотоэлементов и фотоэлектронных умножителей (См. Фотоэлектронный умножитель), усилителей яркости изображения (электроннооптических преобразователей (См. Электроннооптический преобразователь)), передающих телевизионных трубок и т.д. Фотоэлементы используются не только для регистрации излучения, но и как устройства, преобразующие лучистую энергию Солнца в электроэнергию для питания электро-, радио- и др. аппаратуры (т. н. солнечные батареи). Фотохимические процессы лежат в основе фотографии (См. Фотография) и изучаются в специальной области, пограничной между химией и О., - фотохимии (См. Фотохимия). Помимо исследования процессов внутри- и межмолекулярной передачи энергии, фотохимия уделяет большое внимание преобразованию и запасанию световий (например, солнечной) энергии и изменению оптических свойств веществ под действием света (фотохромия). На основе фотохромных материалов разрабатываются новые системы записи и хранения информации для нужд вычислительной техники и созданы защитные светофильтры с автоматическим увеличением поглощения света при возрастании его интенсивности. Получение мощных потоков монохроматического лазерного излучения с разными длинами волн открыло пути к разработке оптических методов разделения изотопов и стимулирования направленного протекания химических реакций, позволило О. найти новые, нетрадиционные применения в биофизике (воздействие лазерных световых потоков на биологические объекты на молекулярном уровне) и медицине (см. Лазерное излучение). В технике использование лазеров привело к появлению оптических методов обработки материалов (см. Лазерная технология).Благодаря возможности с помощью лазеров концентрировать на площадках с линейными размерами порядка десятков микрон большие мощности излучения, интенсивно развивается оптический метод получения высокотемпературной плазмы (См. Плазма) с целью осуществления управляемого термоядерного синтеза (См. Управляемый термоядерный синтез).

Успехи О. стимулировали развитие оптоэлектроники (См. Оптоэлектроника). Первоначально она понималась как замена электронных элементов в счётно-решающих и др. устройствах оптическими. Затем (к концу 60 - начала 70-х гг. 20 в.) стали разрабатываться принципиально новые подходы к решению задач вычислительной техники (См. Вычислительная техника) и обработки информации, исходящие из принципов голографии, и предлагаться новые технические решения, основанные на применении микрооптических устройств (интегральная О.). С появлением лазеров новое развитие получили оптическая дальномерия (см. Светодальномер, Электрооптический дальномер), Оптическая локация и Оптическая связь. В них широко используются моменты управления световым лучом электрическими сигналами (см. Модуляция света). Принципы действия многих из этих элементов основаны на изменении характера поляризации света при его прохождении через электро- или магнито-активные среды (см. Магнитооптика, Керра эффект, Поккельса эффект, Фарадея эффект, Электрооптика). Оптические дальномеры применяются в геодезической практике, при строительных работах, в качестве Высотомеров и пр. Методами оптической локации было уточнено расстояние до Луны, ведётся слежение за искусственными спутниками Земли по линиям лазерной оптической связи осуществляются телефонные переговоры и передаются изображения. Создание Световодов с малым затуханием повлекло за собой разработки систем кабельной оптической видеосвязи.

Практически нет ни одной области науки или техники, в которой не использовались бы оптические методы, а во многих из них О. играет определяющую роль.

Исторический очерк. О. - одна из древнейших наук, тесно связанная с потребностями практики на всех этапах своего развития. Прямолинейность распространения света была известна народам Месопотамии за 5 тыс. лет до н. э. и использовалась в Древнем Египте при строительных работах. Пифагор в 6 в. до н. э. высказал близкую к современной точку зрения, что тела становятся видимыми благодаря испускаемым ими частицам. Аристотель (4 в. до н. э.) полагал, что свет есть возбуждение среды, находящейся между объектом и глазом. Он занимался атмосферной О. и считал причиной появления радуг отражение света каплями воды. В том же веке в школе Платона были сформулированы два важнейших закона геометрической О. - прямолинейность лучей света и равенство углов их падения и отражения. Евклид (3 в. до н. э.) в трактатах по О. рассматривал возникновение изображений при отражении от зеркал. Главный вклад греков, явившийся первым шагом в развитии О. как науки, состоит не в их гипотезах о природе света, а в том, что они нашли законы его прямолинейного распространения и отражения (катоптрика) и умели ими пользоваться.

Второй важный шаг состоял в понимании законов преломления света (диоптрика) и был сделан лишь много веков спустя. Диоптрические опыты описывались Евклидом и Клеомедом (1 в. н. э.), о применении стеклянных шаров как зажигательных линз упоминали Аристофан (около 400 до н. э.) и Плиний Старший (1 в. н. э.), а обширные сведения о преломлении были изложены Птолемеем (130 н. э.); важность этого вопроса тогда состояла главным образом в его непосредственной связи с точностью астрономических наблюдений. Однако законы преломления не удалось установить ни Птолемею, ни арабскому учёному Ибн аль-Хайсаму, написавшему в 11 в. знаменитый трактат по О., ни даже Г. Галилею (См. Галилей) и И. Кеплеру. Вместе с тем в средние века уже хорошо были известны эмпирические правила построения изображений, даваемых линзами, и начало развиваться искусство изготовления линз. В 13 в. появились Очки. По некоторым данным, около 1590 З. Янсен (Нидерланды) построил первый двухлинзовый Микроскоп. Первые же наблюдения с помощью Телескопа, изобретённого Галилеем в 1609, принесли ряд замечательных астрономических открытий. Однако точные законы преломления света были экспериментально установлены лишь около 1620 В. Снеллиусом (см. Снелля закон преломления) и Р. Декартом, изложившим их в "Диоптрике" (1637). Этим (и последующей формулировкой Ферма принципа) был завершен фундамент построения и практического использования геометрической О.

Дальнейшее развитие О. связано с открытиями дифракции и интерференции света (Ф. Гримальди; публикация 1665) и двойного лучепреломления (См. Двойное лучепреломление) (датский учёный Э. Бартолин, 1669), не поддающихся истолкованию в рамках геометрической О., и с именами И. Ньютона, Р. Гука (См. Гука закон) и Х. Гюйгенса. Ньютон обращал большое внимание на периодичность световых явлений и допускал возможность волновой их интерпретации, но отдавал предпочтение корпускулярной концепции света, считая его потоком частиц, действующих на эфир (этот термин для обозначения наделённой механическими свойствами среды - переносчика света ввёл Декарт) и вызывающих в нём колебания. Движением световых частиц через эфир переменной (вследствие колебаний) плотности и их взаимодействием с материальными телами, по Ньютону, обусловлены преломление и отражение света, цвета тонких плёнок, дифракция света и его дисперсия (Ньютоном же впервые подробно изученная). Ньютон не считал возможным рассматривать свет как колебания самого эфира, т.к. в то время на этом пути не удавалось удовлетворительно объяснить прямолинейность световых лучей и поляризацию света (впервые осознанную именно Ньютоном, хотя и следовавшую из классических опытов Гюйгенса по двойному лучепреломлению). Согласно Ньютону, поляризация - "изначальное" свойство света, объясняемое определённой ориентацией световых частиц по отношению к образуемому ими лучу.

Гюйгенс, следуя идеям Леонардо да Винчи и развивая работы Гримальди и Гука, исходил из аналогии между многими акустическими и оптическими явлениями. Он полагал, что световое возбуждение есть импульсы упругих колебаний эфира, распространяющиеся с большой, но конечной скоростью (Кеплер и Декарт считали скорость света бесконечной, Ньютон и Гук - конечной; впервые её величину экспериментально определил в 1676 О. Рёмер, см. Скорость света). Наибольшим вкладом Гюйгенса в О., не потерявшим ценности до сих пор, является Гюйгенса - Френеля принцип, согласно которому каждая точка фронта волнового возбуждения может рассматриваться как источник вторичных (сферических) волн; Огибающая (поверхность) вторичных волн представляет собой фронт реальной распространяющейся волны в последующие моменты времени. Опираясь на этот принцип, Гюйгенс дал волновое истолкование законов отражения и преломления. Из его теории следовало правильное выражение для показателя преломления: n21 = υ12 (где υ1 и υ2 - скорости света в 1-й и 2-й средах), в то время как у Ньютона (и Гука) получалось обратное (не соответствующее действительности) отношение υ21. Гюйгенс объяснил также двойное лучепреломление. Говоря о световых волнах, Гюйгенс не придавал им буквального смысла и не пользовался понятием длины волны. Он игнорировал явление дифракции, считая, что свет распространяется прямолинейно даже через сколь угодно малое отверстие, и не рассматривал поляризацию света. Не упоминает он и об описанных в 1675 Ньютона кольцах - интерференционном эффекте, прямо свидетельствовавшем о периодичности световых колебаний, а не об их импульсном, как он полагал, характере. Т. о., сформулировав фундаментальный принцип волновой О., Гюйгенс не разработал последовательную волновую теорию света, которая выдержала бы противопоставление воззрениям Ньютона. По этой причине и вследствие большого научного авторитета Ньютона корпускулярная "теория истечения" последнего (её приверженцы придали ей категоричность, не свойственную высказываниям самого Ньютона) сохраняла господствующее положение в О. до начала 19 в., хотя некоторые крупные учёные, например Л. Эйлер и М. В. Ломоносов, отдавали предпочтение волновым представлениям о природе света. Путь к победе волновой О. открыли работы Т. Юнга и О. Френеля (См. Френель). В 1801 Юнг сформулировал принцип интерференции, позволивший ему объяснить цвета тонких плёнок (см. Полосы равной толщины) и послуживший основой для понимания всех интерференционных явлений. Опираясь на этот принцип, Френель по-новому истолковал принцип Гюйгенса и не только дал удовлетворительное волновое объяснение прямолинейности распространения света, но и объяснил многочисленные дифракционные явления. В опытах Френеля и Д. Араго было установлено, что волны, поляризованные перпендикулярно друг другу, не интерферируют; это дало основания Юнгу и (независимо) Френелю высказать существенно важную идею о поперечности световых колебаний, исходя из которой Френель построил волновую теорию кристаллооптических явлений. Т. о., все известные к тому времени оптические явления получили волновую интерпретацию. Однако и в этом "триумфальном шествии" были трудности, т.к. детальная разработка представлений о свете, как поперечных упругих колебаниях эфира, приводила к необходимости искусственных теоретических построений (так, эфир приходилось наделять свойствами твёрдого тела, в котором, тем не менее, могли свободно перемещаться тела). Эти трудности были радикально разрешены лишь при последовательном развитии учения Дж. К. Максвелла об электромагнитном поле. Максвелл, исходя из открытий М. Фарадея (См. Фарадей), пришёл к выводу, что свет представляет собой не упругие, а электромагнитные волны. Позже, в начале 20 в. выяснилось, что для их распространения не нужен эфир.

Первым указанием на непосредственную связь электромагнетизма с О. было открытие Фарадеем (1846) вращения плоскости поляризации (См. Вращение плоскости поляризации) света в магнитном поле (Фарадея эффекта). Далее было установлено, что отношение электромагнитной и электростатической единиц силы тока (См. Сила тока) по абсолютной величине и размерности совпадает со скоростью света с (В. Вебер и Ф. Кольрауш, 1856). Максвелл теоретически показал, а Г. Герц в 1888 подтвердил экспериментально, что изменения электромагнитного поля распространяются в вакууме именно с этой скоростью. В прозрачный среде скорость света υ = c/n = c/ , т. е. определяется диэлектрической и магнитной проницаемостями среды. Вначале не удавалось объяснить в рамках электромагнитной теории известные к тому времени зависимости показателя преломления n от длины волны λ излучения, используя взятые из опыта значения ε и μ. Со времён Ньютона была известна нормальная дисперсия - возрастание n с уменьшением λ. С позиций упругой волновой теории света она была объяснена Френелем и О. Коши. Но в 1862 французский физик Ф. Леру обнаружил участок дисперсионной кривой, на котором n увеличивался с ростом λ. Впоследствии А. Кундт показал, что такая (аномальная) дисперсия свойственна очень многим веществам и связана с поглощением ими света. Возникло представление о веществе как совокупности упругих Осцилляторов (резонаторов), с которыми взаимодействует свет (В. Зельмейер, 1872). Развивая эту идею и рассматривая влияние вынужденных колебаний (См. Вынужденные колебания) осцилляторов под действием света на скорость его распространения, Г. Гельмгольц (1874) дал полную теорию дисперсии в рамках "упругой" теории света. В 90-х гг. 19 в. П. Друде, Гельмгольц и в особенности Х. Лоренц при построении электронной теории вещества объединили идею об осцилляторах и электромагнитную теорию света. Плодотворное представление об электронах, которые входят в состав атомов и молекул и способны совершать в них колебания, позволило описать многие оптические явления, в том числе нормальную и аномальную дисперсию, т.к. в электронной теории значение ε зависит от частоты (длины волны) электромагнитного поля. Наиболее точные опыты по аномальной дисперсии (Д. С. Рождественский, 1912) дали результаты, хорошо согласующиеся с предсказаниями электронной теории. Блестящим подтверждением представлений о том, что излучение и поглощение света определяется поведением электронов в атомах, явилось открытие в 1896 П. Зееманом и истолкование в 1897 Лоренцем действия магнитного поля на частоты излучения и поглощения атомов (Зеемана эффекта). В полном согласии с теорией Максвелла оказалась и величина давления света, мысль о котором впервые высказал в 1619 Кеплер для объяснения отклонения хвостов комет в сторону от Солнца. В земных условиях величина этого давления была впервые измерена П. Н. Лебедевым в 1899. Построение электромагнитной теории света и дополнение её электронной теорией взаимодействия света и вещества явилось следующим (после победы волновой теории в начале 19 в.) существенным шагом в развитии О.

Электромагнитная теория света стала отправным пунктом при создании относительности теории (См. Относительности теория). Экспериментальными основаниями для этого были данные оптических опытов с движущимися средами и движением наблюдателя относительно источника излучения, противоречившие теоретическим представлениям. Юнг в 1804 показал, что волновая теория требует для объяснения явления аберрации света (См. Аберрация света) неподвижного, не увлекаемого Землёй эфира. Напротив, Френель в 1818 нашёл, что для независимости показателя преломления тел от их движения (наблюдения Араго, 1810) необходимо, чтобы тела частично увлекали эфир. Этот вывод был подкреплен Физо опытом. Электродинамика движущихся сред, развитая Лоренцем (1896) в рамках электронной теории, также приводила к частичному увлечению эфира. Однако классический Майкельсона опыт, впервые выполненный в 1881 и неоднократно повторявшийся со всё большей точностью, не обнаружил такого увлечения ("эфирного ветра"). Этот и ряд др. опытов, противоречивших представлениям о среде - переносчике электромагнитных колебаний, нашли своё объяснение в созданной А. Эйнштейном специальной (частной) теории относительности (1905), приведшей к кардинальному пересмотру многих положений классической физики и. в частности, окончательно устранившей необходимость в эфире - гипотетической среде-переносчике света.

Плодотворность классической электродинамической теории света Максвелла - Лоренца неоднократно подтверждалась и в дальнейшем, например в истолковании И. Е. Таммом и И. М. Франком (1937) эффекта Черенкова - Вавилова излучения (См. Черенкова-Вавилова излучение) (открытого в 1934), в выдвижении Д. Габором (1948) идеи голографии (с записью волнового поля в одной плоскости), в разработке оригинального направления трёхмерных голограмм, начало которому положили работы Ю. Н. Денисюка (1962) и т.д.

Несмотря на успехи электродинамические теории, выяснилось, что она явно недостаточна для описания процессов поглощения и испускания света. Особенно отчётливо это проявилось в парадоксальности выводов теории (противоречащих закону сохранения энергии) из анализа распределения по длинам волн теплового излучения (См. Тепловое излучение) (излучения абсолютно чёрного тела (См. Абсолютно чёрное тело)). Рассматривая эту принципиальную проблему, М. Планк пришёл к заключению (1900), что элементарная колебательная система (атом, молекула) отдаёт энергию электромагнитному полю или получает её от него не непрерывно, а порциями, пропорциональными частоте колебаний, - квантами. Утверждение Планка противоречило классическим представлениям и перенесло идею прерывности (дискретности) на процессы испускания и поглощения света. Развитие идеи Планка не только дало удовлетворительное решение проблемы теплового излучения, но и заложило основы всей современной квантовой физики. Работы Планка и Эйнштейна (1905), который приписал квантам света - Фотонам, кроме энергии, также импульс и массу, вернули О. многие черты корпускулярных представлений. Электромагнитное поле (его интенсивность) в квантовой О. определяет вероятность обнаружения фотона, а структура поля отражает квантовую структуру ансамбля элементарных излучателей (атомов, молекул) и распределение актов излучения во времени. Т. о., при сохранении физического смысла поля фотоны, возникающие в актах испускания света и существующие, только двигаясь со скоростью света, приобрели черты материальных частиц. При поглощении фотона он перестаёт существовать, а поглотившая его система получает его энергию и импульс. Если же фотон не поглощается, взаимодействуя с частицей (например, свободным электроном), или он отражается от макроскопического тела (например, неподвижного или движущегося зеркала), он изменяет свою энергию и импульс (сохраняя абсолютную величину скорости) в соответствии с законами соударения двух материальных тел. Фотонные представления позволили Эйнштейну объяснить основные законы Фотоэффекта, впервые исследованные А. Г. Столетовым в 1888-1890, и дать ясную трактовку фотохимических превращений. Они позволяют наглядно истолковать существование коротковолновой границы в тормозном излучении (См. Тормозное излучение) электронов (макс. энергия фотона равна энергии электрона), Комптона эффект (открытый в 1922), стоксовский сдвиг частоты излучения фотолюминесценции (См. Фотолюминесценция) по отношению к частоте возбуждающего света, Комбинационное рассеяние света (открытое в 1928 Л. И. Мандельштамом и Г. С. Ландсбергом и независимо Ч. В. Раманом) и огромное число др. явлений взаимодействия света с веществом, известных ко времени формирования квантовой теории и открытых в последующие годы. Поэтому переход к квантовым представлениям был следующим существенным шагом в О., которую в её дальнейшем развитии нельзя рассматривать изолированно от квантовой физики вообще.

В современной О. квантовые представления не противополагаются волновым, а органически сочетаются в квантовой механике (См. Квантовая механика) и квантовой электродинамике (См. Квантовая электродинамика), Исключительное значение квантовая механика имеет для спектроскопии, позволившей получить обширные сведения о строении атомов, молекул и конденсированных сред, а также о протекающих в них процессах. Это стало возможным благодаря развитию квантовой теории в трудах Н. Бора, М. Борна, Э. Шрёдингера, В. Гейзенберга, В. Паули, П. Дирака, Э. Ферма (См. Ферми), Л. Д. Ландау, В. А. Фока и многих др. физиков. Квантовая теория позволила дать интерпретацию спектрам атомов, молекул и ионов, объяснить воздействие электрических, магнитных и акустических полей на спектры, установить зависимость характера спектра от условий возбуждения и т.д. Примером обратного влияния О. на развитие самой квантовой теория может служить вызванное необходимостью объяснения спектральных закономерностей открытие собственного момента количества движения - Спина - и связанного с ним собственного магнитного момента у электрона (С. Гаудсмит, Дж. Уленбек, 1925) и др. частиц и ядер атомов, повлекшее за собой установление Паули принципа (1925) и, в свою очередь, истолкование сверхтонкой структуры (См. Сверхтонкая структура) спектров (Паули, 1928). Т. о., построение двух из наиболее фундаментальных теорий современной физики - квантовой механики и специальной теории относительности - было стимулировано в первую очередь проблемами, возникшими при развитии О., и основывалось на наблюдении и анализе оптических явлений.

Примером успехов новой О. является Оптическая ориентация (ориентация магнитных моментов) атомов фотонами, отдающими им свой спин при поглощении, (А. Кастлер, 1953). Наиболее важное событие современной О. - экспериментальное обнаружение и создание методов генерации вынужденного излучения (См. Вынужденное излучение) атомов и молекул, предсказанного Эйнштейном в 1916 (см. также Излучение). Вынужденно испущенный фотон дублирует фотон, вызвавший переход, и, если имеется запас возбуждённых систем, превышающий число поглощающих (т. н. активная среда с инверсией населённостей (См. Инверсия населённостей) энергетических состояний атомов или молекул), этот процесс может многократно повторяться, т. е. происходит усиление исходного светового потока (оптического сигнала). Добавление к такому квантовому усилителю (См. Квантовый усилитель) оптической обратной связи (См. Обратная связь) (например, путём возвращения части излучения с помощью системы зеркал) превращает его в оптический квантовый генератор (лазер). Первые квантовые генераторы (в сантиметровом диапазоне длин волн - мазеры) были созданы А. М. Прохоровым, Н. Г. Басовым и Ч. Таунсом в 1954. В 1960 был построен первый лазер на рубине, вскоре в том же году - первый газоразрядный лазер на смеси гелия и неона, а в 1962 - полупроводниковые лазеры. Важность этих основополагающих работ была немедленно оценена и за ними последовали многочисленные исследования свойств вынужденного излучения и возможностей его генерации. Было установлено, что, используя различные методы получения инверсной населённости, можно строить лазеры на твёрдых, жидких, газообразных и плазменных средах. Их появление стимулировало развитие таких традиционных областей О., как спектроскопия, люминесценция, фотохимия, привело к возникновению совершенно новых научных и технических направлений (нелинейная и параметрическая О., силовая О., оптическая обработка материалов) и к модификации уже развивавшихся направлений (например, оптической связи и оптической локации), сделало возможным практическую реализацию и широкое применение ранее высказанных идей (голография), позволило распространить методы О. на решение задач, не свойственных ей раньше (например, проблема управляемого термоядерного синтеза (См. Управляемый термоядерный синтез)), и тем самым подтвердило динамичность О., свойственную наукам, находящимся на переднем крае знаний.

Лит.: Ландсберг Г. С., Оптика. 4 изд., М., 1957 (Общий курс физики, т. 3); Борн М., Вольф Э., Основы оптики, пер. с англ., 2 изд., М., 1973; Тудоровский А. И., Теория оптических приборов, 2 изд., ч. 1-2, М. - Л., 1948-52: Герцбергер М., Современная геометрическая оптика, пер. с англ., М., 1962; Квазиоптика, пер. с англ., под ред. Б. Каценеленбаума и В. Шевченко, М., 1966; Сороко Л. М., Основы голографии и когерентной оптики, М., 1971; Бломберген Н., Нелинейная оптика, пер. с англ., М., 1966; Действие излучения большой мощности на металлы, под ред. А. М. Бонч-Бруевича и М. А. Ельяшевича, М., 1970; Гарбуни М., Физика оптических явлений, пер. с англ., М., 1967; Ахманов С. А., Хохлов Р. В., Проблемы нелинейной оптики, М., 1964; Вавилов С. И., Экспериментальные основания теории относительности, М. - Л., 1928; Ньютон И., Оптика..., 2 изд., М., 1954; Калверт Дж., Питтс Дж., Фотохимия, пер. с англ., М., 1968; Ельяшевич М. А., Атомная и молекулярная спектроскопия, М., 1962; 3оммерфельд А., Оптика, пер. с нем., М., 1953; Лорентц Г. А., Теория электронов и ее применение к явлениям света и теплового излучения, пер. с англ., М., 1953; Клаудер Дж., Сударшан Э., Основы квантовой оптики, пер. с англ., М., 1970; Вавилов С. И., Микроструктура света, М., 1950.

А. М. Бонч-Бруевич.

Атмосферная оптика Искать примеры произношения

раздел физики атмосферы, в котором изучаются оптические явления, возникающие при прохождении света в атмосфере. Сюда относятся не только такие красочные явления, как зори, радуги, изменения цвета неба, а и менее заметные, но очень важные для практики явления, как рассеяние и излучение атмосферой видимой и невидимой радиации, поляризация небесного света, видимость предметов и т.д. А. о. составляет часть физической оптики; она тесно переплетается с оптикой коллоидов и аэрозолей (См. Аэрозоли), планетных атмосфер, моря, с радиационной теплопередачей (См. Теплопередача) и др. Важные для А. о. результаты были получены при решении проблем физической химии, астрофизики, океанологии, техники, а методы и результаты А. о. часто находят применение в этих науках.

Изучение оптических свойств воздуха, моря и суши составляет прямые задачи А. о. Обратные задачи А. о. - разработка оптических методов зондирования, т. е. определения по измеренным оптическим свойствам воздуха, моря и суши других их физических характеристик.

Оптические явления в нижних и верхних слоях атмосферы (слой озона и выше) различны. В верхних слоях под влиянием солнечного излучения происходят главным образом фотохимические реакции. Возникающие при этом возбуждённые частицы высвечивают запасённую энергию (полярные сияния, свечение ночного неба и др.). Изучением этих явлений занимается Аэрономия. В данной статье они не рассматриваются.

Интерес к оптическим явлениям в атмосфере возник очень давно. Цвет неба и облаков, зори, ложные солнца и т. д. с давних пор считались предвестниками погоды. Таких примет довольно много и одно время считалось даже, что их изучение и есть главная задача А. о. Этой точки зрения придерживался русский геофизик П. И. Броунов (30-е гг. 20 в.). Однако более подробные исследования показали, что хотя между оптическими и другими физическими явлениями в атмосфере связь несомненно существует, но часто она бывает очень сложной и неоднозначной; оптические признаки погоды иногда противоречат друг другу. Постепенно стало ясно, что найти связь между оптическими явлениями и погодой можно, лишь изучая природу оптических явлений и одновременно проникая в механизм физических явлений, вызывающих изменения погоды.

Первые попытки объяснить синий цвет неба относятся к 16 в. Леонардо да Винчи объяснял синеву небесного свода тем, что белый воздух на тёмном фоне мирового пространства кажется синим. Л. Эйлер считал (1762), что "сами частицы воздуха имеют синеватый оттенок и в общей массе создают интенсивную синеву". В начале 18 в. И. Ньютон объяснял цвет неба интерференционным отражением солнечного света от мельчайших капель воды, всегда взвешенных в воздухе. В 1809 французский физик Д. Араго открыл, что свет неба сильно поляризован (см. Поляризация света).

Первое правильное объяснение синего цвета неба дал английский физик Рэлей (Дж. У. Стрётт) (1871, 1881). По теории Рэлея цветные лучи, образующие солнечный спектр, рассеиваются молекулами воздуха пропорционально λ-4 (где λ - длина световой волны). Синие лучи рассеиваются, примерно, в 16 раз сильнее, чем красные. Поэтому цвет неба (рассеянный солнечный свет) - синий, а цвет Солнца (прямой солнечный свет), когда оно низко над горизонтом и лучи его проходят большой путь в атмосфере, - красный. При этом рассеянный свет должен быть сильно поляризован, а под углом 90° от направления на Солнце поляризация должна быть полной.

Измерения яркости, цвета и поляризации света неба подтвердили теорию Рэлея. Но в 1907 русский физик Л. И. Мандельштам показал, что если тело, в том числе и воздух, строго однородно, то лучи, рассеянные отдельными молекулами, должны в результате взаимной интерференции гасить друг друга так, что никакого рассеяния вообще наблюдаться не будет. В действительности из-за хаотического теплового движения в среде всегда возникают флуктуации плотности (т. е. случайно расположенные области сгущений и разрежений), на которых и происходит рассеяние. Строгая теория флуктуационного рассеяния, разработанная польским физиком М. Смолуховским (1908) и А. Эйнштейном (1910), привела к тем же формулам, которые были ранее получены в молекулярной теории Рэлея. Однако все эти работы не учитывали запылённости атмосферы. Воздух, даже самый чистый, - высоко в горах, в Арктике и Антарктике - всегда засорён органической и минеральной пылью, частицами дыма, капельками воды или растворов. Эти частицы очень малы (радиус около 0,1 нм), их масса, а следовательно, и вес ничтожны, поэтому они так медленно падают на Землю, что малейший ток воздуха снова вздымает их вверх. Т. к. воздух непрерывно перемешивается, то в атмосфере всегда парит как бы сеть из мельчайших пылинок и капель, особенно густая в нижних приземных слоях. Это атмосферный аэрозоль (См. Аэрозоли), который и является главной причиной мутности воздуха. Он уменьшает дальность видимости в реальной атмосфере, по сравнению с идеальной, приблизительно в 20 раз. Кроме аэрозоля, большую роль в оптических явлениях в атмосфере играют водяной пар, углекислый газ и озон, хотя они составляют всего несколько % от объёма газов, из которых состоит воздушная смесь. Только эти газы поглощают солнечное и земное излучение и сами излучают радиацию.

В рассеянии света в атмосфере решающее значение имеет аэрозоль. Немецкий физик Г. Ми (1908) построил теорию рассеяния света частицей произвольного размера, которой широко пользуются в А. о. Эта теория была существенно развита н дополнена советскими учёными В. В. Шулейкиным (1924), В. А. Фоком (1946), К. С. Шифриным (1951) и голландским учёным ван Хюлстом (1957). Расчёты показывают, что характер рассеяния зависит от отношения радиуса частицы α к длине волны λ и от вещества частицы. Малые частицы (α/λ " 1) ведут себя так же, как молекулы в теории Рэлея, но чем больше частицы, тем слабее зависимость рассеяния от длины волны. Большие частицы (α/λ " 1) рассеивают свет нейтрально - все волны одинаково. Это, в частности, относится к каплям облаков, радиусы которых в 10-20 раз больше длины волны видимого света. Именно поэтому облака имеют белый цвет. По этой же причине небо становится белесоватым, если воздух пыльный или содержит капельки воды. В исследование яркости и поляризации неба большой вклад внесли советские учёные В. Г. Фесенков, И. И. Тихановский, Е. В. Пясковская-Фесенкова, а в исследование прозрачности облаков, туманов, нижних слоев атмосферы - А. А. Лебедев, И. А. Хвостиков, С. Ф. Родионов, американские учёные Д. Стреттон и Г. Хаутон, французские учёные Э. и А. Васей, Ж. Брикар.

Наряду с экспериментальными работами создавались также методы расчёта распределения яркости и поляризации по небу, для чего необходимо учитывать многократность рассеяния света и отражения от земной поверхности. Для этого случая русским физиком О. Д. Хвольсоном (1890) было предложено уравнение переноса излучения. Для безоблачного неба влияние многократного рассеяния не очень велико, но для облаков, которые представляют собой сильно мутные среды, это - основной фактор, без которого нельзя правильно рассчитать прозрачность облаков, отражение и световой режим внутри них. Большой вклад в разработку методов решения уравнения переноса внесли советские учёные В. А. Амбарцумян (1941-43), В. В. Соболев (1956), Е. С. Кузнецов (1943-45) и индийский учёный С. Чандрасекар (1950).

Видимость предметов обусловлена прежде всего прозрачностью воздуха, а также их отражательными свойствами. Отражение диффузно, т. е. рассеяно во все стороны (за исключением отражения от поверхности спокойной воды) и для разных поверхностей происходит по-разному, в результате чего (для несамосветящихся тел) возникает яркостный контраст предмета с фоном. Если контраст больше некоторого порогового значения, то предмет виден; если меньше, то предмет теряется на общем фоне. Дальность видимости предмета зависит от прозрачности воздуха и от освещённости (в сумерки и днём порог различения неодинаков). Видимость (прозрачность атмосферы) входит в число основных метеорологических элементов, наблюдения над которыми ведут метеорологические станции. Исследование условий, влияющих на горизонтальную и наклонную видимость (на фоне неба или Земли) - важная прикладная задача А. о. В её решении значительные результаты получили советские учёные В. В. Шаронов, Н. Г. Болдырев, В. А. Берёзкин, В. А. Фаас, немецкий учёный Х. Кошмидер, канадский учёный Д. Мидлтон.

Большое значение имеет изучение условий распространения в атмосфере невидимых инфракрасных волн длиной 3- 50 мкм, которые обусловливают лучистую передачу тепла (механизм её состоит в поглощении и последующем переизлучении). Очень важны прямые измерения в свободной атмосфере, которые могут быть выполнены с самолётов или с искусственных спутников Земли (ИСЗ). В исследовании лучистой теплопередачи существенные результаты были получены советскими учёными А. И. Лебединским, В. Г. Кастровым, К. Я. Кондратьевым, Б. С. Непорентом, Е. М. Фейгельсоном и американскими - Д. Хоуардом и Р. Гуди.

При постановке обратных задач А. о. возникают две трудности: во-первых, нужно установить, что в оптической информации содержатся нужные данные, и, во-вторых, - указать способ их извлечения и необходимую точность измерений. В. Г. Фесенков ещё в 1923 показал, что по изменению яркости сумеречного неба можно судить о строении атмосферы на высотах более 30 км. Через 30 лет сведения о строении стратосферы и ионосферы, полученные непосредственно с помощью ракет, подтвердили данные сумеречного метода. В развитие сумеречного метода внесли значительный вклад советские учёные Г. В. Розенберг, Н. М. Штауде. Удалось разработать несколько методов, позволяющих исследовать строение мутных сред по особенностям их светорассеяния, которые нашли применение не только в геофизике. Наибольший интерес вызывает разработка методов зондирования атмосферы с ИСЗ для определения температуры земной поверхности или облаков по инфракрасному излучению, приходящему на спутник. Исследуется также способ определения вертикальных профилей температуры и влажности по характеру приходящего излучения. В разработке этого метода важные результаты получены советским учёным М. С. Малкевичем, американским - Л. Капланом и японским - Г. Ямамото.

Работу по развитию и согласованию исследований в области А. о. проводит Академия наук СССР совместно с Главным управлением гидрометеорологической службы СССР.

Лит.: Броунов П. И., Атмосферная оптика, М., 1924; Шифрин К. С., Рассеяние света в мутной среде, М.- Л., 1951; Пясковская-Фесенкова Е. В., Исследование рассеяния света в земной атмосфере, М., 1957; Розенберг Г. В., Сумерки, М., 1963; Кондратьев К. Я., Актинометрия, Л., 1965.

К. С. Шифрин.

Волоконная оптика Искать примеры произношения

раздел оптики, в котором рассматривается передача света и изображения по Светопроводам и волноводам оптического диапазона, в частности по многожильным световодам и пучкам гибких волокон. В. о. возникла лишь в 50-е гг. 20 в.

В волоконно-оптических деталях световые сигналы передаются по световодам с одной поверхности (торца световода) на другую - выходную как совокупность элементов изображения, каждый из которых передаётся по своей световедущей жиле (рис.). В волоконных деталях обычно применяют стеклянное волокно, световедущая жила которого (сердцевина) имеет высокий показатель преломления и окружена стеклом - оболочкой с более низким показателем преломления. Вследствие этого на поверхности раздела сердцевины и оболочки лучи претерпевают полное внутреннее отражение и распространяются только по световедущей жиле. Несмотря на множество таких отражений, потери в световодах обусловлены главным образом поглощением света в массе стекла жилы. Коэффициент пропускания световодов в видимой области спектра составляет 30-70% при длине 1 м. Диаметр световедущих жил в деталях различных назначений составляет от нескольких микрон до сантиметра. Распространение света по световодам, диаметр которых велик по сравнению с длиной волны, происходит по законам геометрической оптики (См. Геометрическая оптика), по более тонким же волокнам (порядка длины волны) распространяются лишь отдельные типы волн или их совокупности, что рассматривается в рамках волновой оптики.

Для передачи изображения применяются жёсткие многожильные световоды и жгуты с регулярной укладкой волокон. На входной торец изображение проецируется объективом, а на выходном наблюдается в окуляр. Качество изображения в таких приборах определяется диаметром световедущих жил, их общим числом и совершенством изготовления. Обычно Разрешающая способность таких жгутов составляет 10-50 линий на 1 мм, а в жёстких многожильных световодах и спечённых из них деталях -до 100 линий на 1 мм. Дефекты таких деталей, где бы они ни находились на длине световедущих жил, передаются по жилам на выходной торец и портят изображение. Это затрудняет изготовление высококачественных деталей.

Пластины, вырезанные поперёк из плотно спечённых волокон, служат фронтальными стеклами Кинескопов и переносят изображение на их внешнюю поверхность, что позволяет контактно его фотографировать. При этом до плёнки доходит основная часть света, излучаемого люминофором, а освещённость на ней создаётся в десятки раз большая, чем при съёмке фотоаппаратом с объективом.

Числовая Апертура волоконных деталей обычно лежит в пределах 0,4-1,0. Сужающиеся пучки световодов - фоконы (фокусирующие конусы) - собирают на узком торце световой поток, падающий на широкий торец. При этом на выходе возрастают освещённость и наклон лучей. Повышение концентрации возможно до тех пор, пока числовая апертура конуса лучей на выходе не достигает числовой апертуры световода. Дальнейшее уменьшение диаметра выходного торца приводит к выходу части лучей из боковой поверхности световода или же возвращению их к широкому торцу.

В. о. применяют почти во всех отраслях научных исследований. Выпускают сотни типов оптических и электронно-оптических приборов с такими деталями. Жёсткие прямые или заранее изогнутые одножильные световоды и жгуты из волокон диаметром 15-50 мкм применяют в медицинских приборах холодного света для освещения носоглотки, желудка и т.д. В таких приборах свет от электрической лампы собирается конденсором на входном торце световода или жгута и по нему подаётся в освещаемую полость; это позволяет удалить от неё лампу - источник нагревания. Световоды с заданным переплетением применимы в скоростной киносъёмке, для регистрации треков ядерных частиц, как преобразователи сканирования в фототелеграфии и телевизионной измерительной технике, как преобразователи кода и как шифровальные устройства. Созданы активные (лазерные) волокна, работающие как квантовые усилители (См. Квантовый усилитель) и квантовые генераторы (См. Квантовый генератор) света, предназначенные для быстродействующих вычислительных машин и выполнения функций логических элементов (См. Логический элемент), ячеек памяти (См. Ячейка памяти) и др. Волокна, закреплённые одним концом (подобно косой щётке), - септроны - позволяют анализировать спектры звуковых частот, выделять голоса из шума толпы, создавать устройства, управляющие машинами от голосовых сигналов, и т.д.

Волоконные детали изготовляются из особо чистых материалов. Из расплавов подходящих марок стекол вытягиваются световод и волокно. Предложен новый оптический материал - кристалловолокно, выращиваемое из расплава. В нём световодами являются нитевидные кристаллы, а прослойками - добавки, вводимые в расплав.

Лит.: Капани Н. С., Волоконная оптика, пер. с англ., М., 1969; Вейнберг В. Б. и Саттаров Д. К., Оптика световодов, М., 1969.

В. Б. Вейнберг.

Поэлементная передача изображения волоконной деталью: 1 - изображение, поданное на входной вогнутый торец; 2 - светопроводящая жила; 3 - изолирующая прослойка; 4 - мозаичное изображение, переданное на выходной торец.

Геометрическая оптика Искать примеры произношения

раздел оптики (См. Оптика), в котором изучаются законы распространения света на основе представлений о световых лучах. Под световым лучом понимают линию, вдоль которой распространяется поток световой энергии. Понятие луча не противоречит действительности только в той мере, в какой можно пренебрегать дифракцией света (См. Дифракция света) на оптических неоднородностях, а это допустимо только тогда, когда длина световой волны много меньше размеров неоднородностей. Законы Г. о. позволяют создать упрощённую, но в большинстве случаев достаточно точную теорию оптических систем (См. Оптические системы). Г. о. в основном объясняет образование изображений оптических (См. Изображение оптическое), даёт возможность вычислять Аберрации оптических систем и разрабатывать методы их исправления, вывести энергетические соотношения в световых пучках, проходящих через оптические системы. Вместе с тем все волновые явления, в том числе дифракционные, влияющие на качество изображений и определяющие разрешающую способность оптических приборов, не рассматриваются в Г. о.

Представление о световых лучах возникло ещё в античной науке. Евклид, обобщив достижения своих предшественников, сформулировал закон прямолинейного распространения света и закон отражения света (См. Отражение света). В 17 в. в связи с изобретением ряда оптических приборов (Зрительная труба, Лупа, Телескоп, Микроскоп и т.д.) и началом их широкого использования Г. о. бурно развивалась. Большая роль в этом развитии принадлежит И. Кеплеру, Р. Декарту и В. Снеллю, открывшему Снелля закон преломления света. Построение теоретических основ Г. о. к середине 17 в. было завершено установлением Ферма принципа, утверждающего, что луч света, вышедший из одной точки и проходящий через несколько сред с произвольными границами и меняющимся показателем преломления, попадает в другую точку за минимальное (точнее, за экстремальное) время. Для однородной среды принцип Ферма сводится просто к закону прямолинейного распространения света. Законы преломления и отражения, исторически открытые ранее, также являются следствиями этого принципа, который сыграл значительную роль в развитии и др. разделов физической теории. С 18 в. Г. о., совершенствуя методы расчёта оптических систем, развивалась как прикладная наука. После создания электродинамики (См. Электродинамика) классической было показано, что формулы Г. о. могут быть получены из уравнений Максвелла в качестве предельного случая, соответствующего переходу к исчезающе малой длине волны.

Г. о. является примером теории, позволившей при малом числе фундаментальных понятий и законов (представление о лучах света, законы отражения и преломления) получать много практически важных результатов. В теории оптических устройств она сохранила большое значение до настоящего времени. См. также Кардинальные точки, Линза, Эйконал.

Лит.: Ландсберг Г. С., Оптика, 4 изд., М., 1957 (Общий курс физики, т. 3).

Корпускулярная оптика Искать примеры произношения
(от лат. corpusculum - тельце, частица)

раздел физики, в котором изучаются законы движения заряженных частиц (электронов и ионов) в электрических и магнитных полях. Название "К. о." отвечает глубокой аналогии, существующей между движением частиц в этих полях и распространением света в оптически неоднородных средах. Подробнее см. ст. Электронная и ионная оптика.

Лучевая оптика Искать примеры произношения
Молекулярная оптика Искать примеры произношения

раздел оптики, в котором изучаются процессы взаимодействия оптического излучения (См. Оптическое излучение) с веществом, существенно зависящие от атомно-молекулярной структуры вещества. М. о. устанавливает связь между характером единичных актов взаимодействия световой волны с частицами (молекулами, атомами, ионами) и макроскопическими параметрами состоящей из этих частиц среды (например, её показателем преломления). С этой точки зрения в М. о. рассматриваются Дисперсия света, Преломление света и - наиболее широко - Рассеяние света. Изучение распространения света в кристаллах, обладающих естественной оптической анизотропией (См. Оптическая анизотропия), составляет предмет кристаллооптики (См. Кристаллооптика). Оптическая анизотропия в изотропных от природы средах может вызываться действием на них различных внешних полей: электрического (см. Керра эффект, Поккельса эффект), магнитного (см. Коттона - Мутона эффект), поля механических или гидродинамических сил (явления фотоупругости (См. Фотоупругость) и двойного лучепреломления (См. Двойное лучепреломление) в потоке жидкости). В средах, для которых характерна Оптическая активность (как естественная, так и возникающая при наложении внешнего магнитного поля, см. Фарадея эффект), происходит Вращение плоскости поляризации света. Все эти явления, рассматриваемые в М. о., дают ценную информацию о свойствах веществ и строении составляющих их частиц.

Процесс взаимодействия световой волны с частицами вещества определяется главным образом поляризуемостью этих частиц (см. Поляризуемость атомов, ионов и молекул). Объяснение большинства молекулярно-оптических (МО) явлений дала уже классическая электронная теория, однако для их полного теоретического истолкования необходима квантовая механика, которая позволяет связать МО постоянные со значениями уровней энергии (См. Уровни энергии) молекул и вероятностями квантовых переходов между этими уровнями (см. Молекула, Молекулярные спектры).

Приложения М. о. разнообразны и расширились с появлением источников мощного когерентного излучения - Лазеров, Наиболее широко методы М. о. применяются для исследования структуры и характеристик отдельных молекул. Изучение света, рассеиваемого различными средами, даёт сведения (часто уникальные) о строении этих сред - жидкостей, кристаллов, высокомолекулярных соединений (См. Высокомолекулярные соединения), атмосферных образований (облаков, туманов и пр.), а также об особенностях теплового движения частиц в средах. М. о. тесно связана с молекулярной спектроскопией (См. Спектроскопия). Разрабатываются перспективные МО методы исследования космических тел и сред.

Лит.: Волькенштейн М. В., Молекулярная оптика, М. - Л., 1951; Борн М., Вольф Э., Основы оптики, пер. с англ., 2 изд., М., 1973; Волькенштейн М. В., Строение и физические свойства молекул, М. - Л., 1955.

В. А. Замков.

Нейтронная оптика Искать примеры произношения

раздел нейтронной физики, изучающий ряд явлений, имеющих оптические аналогии и возникающих при взаимодействии нейтронных пучков с веществом или полями (магнитным, гравитационными). Эти явления характерны для медленных нейтронов (См. Медленные нейтроны). К ним следует отнести: преломление и отражение нейтронных пучков на границе двух сред, полное отражение нейтронного пучка от границы раздела (наблюдаемое при определённых условиях), дифракцию нейтронов на отдельных неоднородностях среды (рассеяние нейтронов на малые углы) и на периодических структурах (см. Дифракция частиц). Для некоторых веществ при отражении и преломлении возникает поляризация нейтронов, с которой (в первом приближении) можно сопоставить круговую поляризацию света (См. Поляризация света). Неупругое рассеяние нейтронов в газах, жидкостях и твёрдых телах имеет аналогию с комбинационным рассеянием света (См. Комбинационное рассеяние света).

В ряде явлений Н. о. преобладающее значение имеют волновые свойства нейтронов. Длина волны λ нейтронов определяется массой нейтронов m = 1,67 10-24 г и их скоростью v:

λ = h/mv, (1)

где h - Планка постоянная (см. Волны де Бройля). Средняя скорость тепловых нейтронов v = 2,2·105 см/сек, для них - длина волны λ = 1,8·10-8 см, т. е. того же порядка, что и для рентгеновских лучей (См. Рентгеновские лучи). Длины волн самых медленных нейтронов (ультрахолодных, см. ниже) такие же, как у ультрафиолетового и видимого света. Аналогию между пучками нейтронов и электромагнитными волнами подчёркивает и тот факт, что нейтроны так же, как и фотоны, не имеют электрического заряда. Вместе с тем природа нейтронных и электромагнитных волн различна. Фотоны взаимодействуют с электронной оболочкой атома, тогда как нейтроны - в основном с атомными ядрами. Нейтрон обладает массой покоя, что позволяет применять для нейтронных исследований методы, не свойственные оптике. Наличие у нейтрона магнитного момента обусловливает магнитное взаимодействие нейтронов с магнитными материалами и магнитными полями, отсутствующее для фотонов.

Развитие Н. о. началось в 40-х гг. (после появления ядерных реакторов (См. Ядерный реактор)). Э. Ферми ввёл для описания взаимодействия нейтронов с конденсированными средами понятие показателя преломления n. При прохождении нейтронов через среду происходит их рассеяние атомными ядрами. На языке волн это означает, что падающая нейтронная волна порождает вторичные волны, когерентное сложение которых определяет преломленные и отражённые волны. В результате взаимодействия нейтронов с ядрами изменяется скорость, а, следовательно, длина волны λ1 нейтронов в среде по сравнению с длиной волны λ в вакууме. В обычных условиях, когда поглощением нейтронов на пути порядка λ1 можно пренебречь (так же как в оптике): n = λ/λ1. Из соотношения де Бройля следует, что n = λ/λ1 = v1/v.

Если U - средний по объёму среды потенциал взаимодействия нейтронов с ядрами, то при попадании в среду нейтрон должен совершить работу. Его начальная кинетическая энергия E = mv2/2 в среде уменьшается: E1 = E - U. При U > 0 скорость нейтронов в среде уменьшается v1 < v, λ1 > λ и n < 1. При U < 0 скорость возрастает и n > 1. Если ввести для нейтронных волн величину, аналогичную диэлектрической проницаемости (См. Диэлектрическая проницаемость): ε = n2, то: ε = λ212 = v12/v2 = E1/E. Потенциал U = h2Nb/2πm, откуда:

ε = n2 = 1 - h2Nb/πm2v2. (2)

Здесь b - когерентная длина рассеяния нейтронов ядрами, a N - число ядер в единице объёма среды. Для большинства веществ b > 0, и формуле (2) можно придать вид:

Нейтроны со скоростью v < v0 имеют энергию E < U, для них n2 < 0, т. е. показатель преломления мнимый. Такие нейтроны не могут преодолеть силы отталкивания среды и полностью отражаются от её поверхности. Они получили название ультрахолодных нейтронов (См. Ультрахолодные нейтроны). Для металлов v0 Нейтронная оптика м/сек (например, для Cu v0 = 5,7 м/сек).

Скорость тепловых нейтронов в несколько сот раз больше, чем ультрахолодных, и n близко к 1 (1 - n 10-5). При скользящем падении на поверхность плотного вещества пучок тепловых нейтронов также испытывает полное отражение, аналогичное полному внутреннему отражению (См. Полное внутреннее отражение) света. Это имеет место при углах скольжения φ ≤ φкр, т. е. при углах падения

Критический угол определяется из условия:

Например, для меди φкр = 9,5'. Можно показать, что условие полного отражения (4) эквивалентно требованию: vzv0, где vz - компонента скорости нейтрона, нормальная к отражающей поверхности. Скорость холодных нейтронов в несколько раз меньше, чем тепловых, а угол φкр - соответственно больше.

Полное отражение используется для транспортировки тепловых и холодных нейтронов с минимальными потерями от ядерного реактора (См. Ядерный реактор) к экспериментальным установкам (расстояния Нейтронная оптика 100 м). Это осуществляется с помощью зеркальных нейтроноводов - вакуумированных труб, внутренняя поверхность которых отражает нейтроны. Зеркальные нейтроноводы делают из меди или стекла (с напыленным металлом или без него).

В действительности коэффициент отражения нейтронов всегда немного меньше единицы. Это связано с тем, что ядра не только рассеивают нейтроны, но и поглощают их. Учёт поглощения приводит к уточнению формулы (3):

Здесь σ - Эффективное поперечное сечение всех процессов, приводящих к ослаблению нейтронного пучка. Для холодных и ультрахолодных нейтронов существенна сумма сечений захвата и неупругого рассеяния, величина которых обратно пропорциональна скорости v. Поэтому произведение σv не зависит от v. Это означает, что ε и n для нейтронов, как и в оптике, комплексные величины: ε = ε' + iε'', n = n' + in''. Для ультрахолодных нейтронов действительная часть ε, т. е. ε' < 0 и n'' > n'. В случае света это характерно для металлов, и отражение ультрахолодных нейтронов от многих веществ аналогично отражению света от металлов с чрезвычайно высокой отражательной способностью (см. Металлооптика). Если b < 0, то в формуле (5) перед членом v02/v2 стоит знак + и ε > 1 (возрастает с уменьшением v). Такие вещества отражают и преломляют очень медленные нейтроны, как Диэлектрики свет.

Формулу (2) легко обобщить на случай присутствия в среде магнитного поля, добавив к энергии U взаимодействия нейтронов со средой энергию магнитного взаимодействия ± μВ, где μ - магнитный момент нейтрона, В - магнитная индукция (знаки ± относятся к двум возможным ориентациям магнитного момента нейтрона относительно вектора В, т. е. к двум поляризациям нейтронного пучка):

n2 = 1 - h2Nbm2v2 ± 2μB/mv2 (6)

Выбором материала для отражающего зеркала, магнитного поля и угла скольжения можно добиться того, чтобы нейтроны одной из двух поляризаций испытывали полное отражение, а другой - нет. Подобное устройство используется для получения пучков поляризованных нейтронов (См. Поляризованные нейтроны) и для определения степени их поляризации.

На принципах Н. о. основан ряд устройств, используемых как в экспериментальной технике, так и для решения практических задач: нейтронные зеркала, прямые и изогнутые нейтроноводы полного внутреннего отражения, нейтронные кристаллические монохроматоры, зеркальные и кристаллические поляризаторы и анализаторы нейтронов, устройства, позволяющие фокусировать нейтронные пучки, преломляющие призмы, нейтронный интерферометр и т.д. Дифракция нейтронов широко применяется для исследования субмикроскопических свойств вещества: атомно-кристаллической структуры, колебаний кристаллической решётки (См. Колебания кристаллической решётки), магнитной структуры и её динамики (см. Нейтронография).

Лит.: Ферми Э., Лекции по атомной физике, пер. с англ., М., 1952; Юз Д., Нейтронная оптика, пер. с англ., М., 1955; Гуревич И. И., Тарасов Л. В., Физика нейтронов низких энергии, М., 1965; Франк И. М., Некоторые новые аспекты нейтронной оптики, "Природа", 1972, № 9. См. также лит. при ст. Нейтронография.

Ю. М. Останевич, И. М. Франк.

Нелинейная оптика Искать примеры произношения

раздел физической оптики, охватывающий исследование распространения мощных световых пучков в твёрдых телах, жидкостях и газах и их взаимодействие с веществом. С появлением Лазеров оптика получила в своё распоряжение источники когерентного излучения мощностью до 109-1010 вт. В таком световом поле возникают совершенно новые оптические эффекты и существенно изменяется характер уже известных явлений. Общая черта всех этих новых явлений - зависимость характера их протекания от интенсивности света. Сильное световое поле изменяет оптические характеристики среды (показатель преломления n, коэффициент поглощения), в связи с чем изменяется характер явления. Сказанное объясняет происхождение термина Н. о.: если оптические характеристики среды становятся функциями напряжённости электрического поля Е световой волны, то поляризация среды нелинейным образом зависит от Е. Н. о. имеет много общего с нелинейной теорией колебаний (см. Нелинейные системы), нелинейной акустикой (См. Нелинейная акустика) и др. Оптику слабых световых пучков, поле которых недостаточно для заметного изменения свойств среды, естественно назвать линейной оптикой.

Историческая справка. В "долазерной" оптике считалось твёрдо установленным, что основными характеристиками световой волны, определяющими характер её взаимодействия с веществом, являются частота или непосредственно связанная с нею длина волны λ и поляризация волны. Для подавляющего большинства оптических эффектов величина напряжённости электрического светового поля Е (или плотность потока излучения I = cnE2/8π, где с - скорость света, n - показатель преломления) фактически не влияла на характер явления. Показатель преломления n, коэффициента поглощения, эффективное сечение рассеяния света фигурировали в справочниках без указания интенсивности света, для которой они были измерены, так как зависимость указанных величин от интенсивности не наблюдалась. Можно указать лишь несколько работ, в которых были сделаны попытки исследовать влияние интенсивности света на оптические явления. В 1923 С. И. Вавилов и В. Л. Лёвшин обнаружили уменьшение поглощения света урановым стеклом с ростом интенсивности света и объяснили это тем, что в сильном электромагнитном поле большая часть атомов (или молекул) находится в возбуждённом состоянии и уже не может поглощать свет. Считая, что это лишь один из множества возможных нелинейных эффектов в оптике, Вавилов впервые ввёл термин "Н. о.". Возможность наблюдения ряда нелинейных оптических эффектов с помощью фотоэлектрических умножителей в 50-х гг. теоретически рассмотрел Г. С. Горелик (СССР); один из них - смещение оптического дублета с выделением разностной частоты, лежащей в диапазоне СВЧ (гетеродинирование света), наблюдали в 1955 А. Форрестер, Р. Гудмундсен и П. Джонсон (США).

Широкие возможности изучения нелинейных оптических явлений открылись после создания лазеров. В 1961 П. Франкен с сотрудниками (США) открыл эффект удвоения частоты света в кристаллах - генерацию 2-й гармоники света. В 1962 наблюдалось утроение частоты - генерация 3-й оптической гармоники. В 1961-1963 в СССР и США были получены фундаментальные результаты в теории нелинейных оптических явлений, заложившие теоретические основы Н. о. В 1962-63 было открыто и объяснено явление вынужденного комбинационного рассеяния света (См. Комбинационное рассеяние света). Это послужило толчком к изучению вынужденного рассеяния др. видов: вынужденного рассеяния Мандельштама - Бриллюэна, вынужденного релеевского рассеяния и т.п. (см. Вынужденное рассеяние света).

В 1965 было обнаружено явление самофокусировки световых пучков. Оказалось, что мощный световой пучок, распространяясь в среде, во многих случаях не только не испытывает обычной, так называемой дифракционной расходимости, а напротив, самопроизвольно сжимается. Явление самофокусировки электромагнитных волн в общей форме было предсказано в 1962 Г. А. Аскарьяном (СССР). Оптические эксперименты были стимулированы теоретическими работами Ч. Таунса с сотрудниками (США, 1964). Большой вклад в понимание природы явления внесли работы А. М. Прохорова с сотрудниками.

В 1965 были созданы параметрические генераторы света, в которых нелинейные оптические эффекты используются для генерирования когерентного оптического излучения, плавно перестраиваемого по частоте в широком диапазоне длин волн. В 1967 началось исследование нелинейных явлений, связанных с распространением в среде сверхкоротких (длительностью до 10-12 сек) световых импульсов. С 1969 развиваются также методы нелинейной и активной спектроскопии, использующие нелинейные оптические явления для улучшения разрешающей способности и повышения чувствительности спектроскопических методов исследования вещества.

Взаимодействие сильного светового поля со средой. Элементарный процесс, лежащий в основе взаимодействия света со средой, - возбуждение атома или молекулы световым полем и переизлучение света возбуждённой частицей. Математическим описанием этих процессов являются уравнения, связывающие поляризацию P единицы объёма среды с напряжённостью поля Е (материальные уравнения). Линейная оптика базируется на линейных материальных уравнениях, которые для гармонической волны приводят к соотношению:

P = κE, (1)

где κ - Диэлектрическая восприимчивость, зависящая только от свойств среды. На соотношении (1) базируется важнейший принцип линейной оптики - Суперпозиции принцип. Однако теория, основанная на (1), не способна объяснить ни один из перечисленных выше нелинейных эффектов. Согласно (1), переизлученное поле имеет ту же частоту, что и падающее, следовательно, уравнение (1) не описывает возникновения оптических гармоник; из (1) следует независимость показателя преломления среды от интенсивности. Сказанное означает, что материальное уравнение (1) является приближённым: фактически им можно пользоваться лишь в области слабых световых полей.

Суть приближений, лежащих в основе (1), можно понять, обращаясь к классической модели осциллятора, широко используемой в оптике для описания взаимодействия света с веществом. В соответствии с этой моделью, поведение атома или молекулы в световом поле эквивалентно колебаниям осциллятора. Характер отклика такого элементарного атомного осциллятора на световую волну можно установить, сравнивая напряжённость поля световой волны с напряжённостью внутриатомного поля Eaе/а2 ≅ 106-109 в/см (е - заряд электрона, а - атомный радиус), определяющего силы связи в атомном осцилляторе. В пучках нелазерных источников Е ≅ 1-10 в/см, т. е. Е << Ea, и атомный осциллятор можно считать гармоническим (возвращающая сила линейно связана со смещением). Прямым следствием этого является уравнение (1). В пучках мощных лазеров Е Нелинейная оптика 106-107 в/см и атомный осциллятор становится ангармоническим, нелинейным (возвращающая сила - нелинейная функция смещения). Ангармоничность атомного осциллятора приводит к тому, что зависимость между поляризацией P и полем Е становится нелинейной; при (Е/Еа) < 1 её можно представить в виде разложения в ряд по параметру Е/Еа:

P = χE + χE2 + ?E3 + .... (2)

Коэффициенты χ, ϑ и т.д. называются нелинейными восприимчивостями (по порядку величины χ Нелинейная оптика 1a; ϑ Нелинейная оптика 1/Ea2). Материальное уравнение (2) является основой Н. о. Если на поверхность среды падает монохроматическая световая волна Е = Аcos (ωt - kx), где А - амплитуда, ω - частота, k - Волновое число, х - координата точки вдоль направления распространения волны, t - время, то, согласно (2), поляризация среды наряду с линейным членом P (л) = χA cos t - kx) (линейная поляризация) содержит еще и нелинейный член второго порядка:

Последнее слагаемое в (3) описывает поляризацию, изменяющуюся с частотой 2ω, т. е. генерацию 2-й гармоники. Генерация 3-й гармоники, а также зависимость показателя преломления от интенсивности описываются членом ϑE3 в (2) и т.д.

Нелинейный отклик атомного осциллятора на сильное световое поле - наиболее универсальная причина нелинейных оптических эффектов. Существуют, однако, и др. причины: например, изменение показателя преломления n может быть вызвано нагревом среды лазерным излучением (См. Лазерное излучение). Изменение температуры ΔT = αE2 - коэффициент поглощения света) приводит к тому, что

Во многих случаях существенным оказывается также эффект электрострикции (См. Электрострикция) (сжатие среды в световом поле Е). В сильном световом поле Е лазера электрострикционное давление, пропорциональное E2, изменяет плотность среды, что может привести к генерации звуковых волн. С тепловыми эффектами и электрострикцией иногда связана самофокусировка света.

Оптические гармоники. На рис. 1 показано, как интенсивное монохроматическое излучение лазера на неодимовом стекле (λ1 = 1,06 мкм), проходя через оптически прозрачный кристалл ниобата бария, преобразуется в излучение с длиной волны ровно вдвое меньшей, т. е. во 2-ю гармонику (λ2 = 0,53 мкм). При некоторых условиях во 2-ю гармонику переходит более 60% энергии падающего излучения. Удвоение частоты наблюдается для излучения др. лазеров видимого и инфракрасного диапазонов. В ряде кристаллов и жидкостей зарегистрировано утроение частоты света - 3-я гармоника. Более сложные эффекты возникают, если в среде распространяются две или несколько интенсивных волн с различающимися частотами, например ω1 и ω2. Тогда наряду с гармониками каждой из волн (2ω1, 2ω2 и т.п.) возникают волны комбинационных частот (ω1 + ω2; ω1 - ω2 и т.п.).

Описанное явление, называется генерацией оптических гармоник, имеет много общего с широко известным умножением частоты в нелинейных элементах радиоустройств. Вместе с тем есть и существенное различие: в оптике эти эффекты являются результатом взаимодействия не колебаний, а волн. В сильном световом поле, согласно (2), каждый атомный осциллятор переизлучает не только на частоте падающей волны, но и на её гармониках. Однако так как свет распространяется в среде, размеры L которой существенно превышают длину волны λ (для видимого света λНелинейная оптика 10-4 см), суммарный эффект генерации гармоник на выходе зависит от фазовых соотношений между основной волной и гармониками внутри среды; возникает своеобразная интерференция, способная либо усилить, либо ослабить эффект. Оказалось, что взаимодействие двух волн, различающихся частотами, например ω и 2ω, максимально, а, следовательно, максимальна и перекачка энергии от основной волны к гармоникам, если их фазовые скорости (См. Фазовая скорость) равны (условие фазового синхронизма). К условиям фазового синхронизма можно прийти и из квантовых соображений, они соответствуют закону сохранения импульса при слиянии или распаде фотонов. Для трёх волн условия синхронизма: k3 = k1 + k2, где k1, k2 и k3 - импульсы фотонов (в единицах Планка постоянной (См. Планка постоянная) ħ).

Условия синхронизма основной волны и гармоник в реальной диспергирующей среде на первый взгляд кажутся неосуществимыми. Равенство фазовых скоростей волн на разных частотах имеет место лишь в среде без дисперсии. Однако оказалось, что отсутствие дисперсии можно имитировать, используя взаимодействие волн разной поляризации в анизотропной среде (рис. 1). Этот метод резко повысил эффективность нелинейных волновых взаимодействий. Если в 1961 кпд оптических удвоителей частоты составлял Нелинейная оптика10-10-10-12, то в 1963 он достиг значения 0,2-0,3, а к 1973 приблизился к 0,8.

Оптические умножители частоты позволили существенно расширить область применения лазеров. Эффект генерации оптических гармоник широко используется для преобразования излучения длинноволновых лазеров в излучение коротковолновых диапазонов. Промышленность многих стран выпускает оптические умножители частоты на неодимовом стекле или на алюмоиттриевом гранате с примесью неодима (λ = 1,06 мкм), позволяющие получить мощное когерентное излучение на волнах λ = 0,53 мкм (2-я гармоника), λ = 0,35 мкм (3-я гармоника) и λ = 0,26 мкм (4-я гармоника). Для этой цели были подобраны кристаллы, обладающие высокой нелинейностью (большими значениями χ) и позволяющие удовлетворить условиям фазового синхронизма. Иллюстрациями современных возможностей в этой области являются генератор 5-й оптической гармоники (рис. 2) и получение 9-й гармоники излучения неодимового лазера (λ9 = 1189 Å). В 1972 было экспериментально осуществлено умножение частоты в области вакуумного ультрафиолета; в качестве нелинейной среды здесь использовались некоторые газы и пары металлов.

Самофокусировка света. Самовоздействия. При достаточно большой (но вполне умеренной для современной лазерной техники) мощности светового пучка, превышающей некоторое критическое значение Ркр, в среде вместо обычной дифракционной расходимости первоначально параллельного пучка наблюдается его самосжатие (рис. 3). Величина Ркр различна для разных сред; для ряда органических жидкостей Ркр Нелинейная оптика 10-50 квт, в некоторых кристаллах и оптических стеклах Ркр не превышает нескольких вт.

Иногда, например, при распространении излучения мощных импульсных лазеров в жидкостях, это самосжатие носит характер "схлопывания" пучка, которое сопровождается настолько быстрым нарастанием светового поля, что это может вызвать световой пробой (см. Лазерное излучение), фазовые переходы и др. изменения состояния вещества. В др. случаях, например при распространении излучения газовых лазеров (См. Газовый лазер) непрерывного действия в стеклах, нарастание поля также заметно, хотя и не является столь быстрым. Самосжатие в некотором смысле похоже на фокусировку пучка обычной линзой. Однако существенные различия наблюдаются за фокальной точкой; самосфокусированный пучок может образовывать квазистационарные нити ("волноводное" распространение), последовательность фокальных точек и т.п.

Явление самофокусировки обусловлено тем, что в сильном световом поле изменяется показатель преломления среды (в опыте, изображенном на рис. 3, это происходит за счёт нагрева стекла лазерным излучением). Если знак изменения показателя преломления таков, что в области, занятой пучком, он возрастает, эта область становится оптически более плотной, и периферийные лучи отклоняются к центру пучка. На рис. 2 изображены фазовые фронты и ход лучей в ограниченном пучке, распространяющемся в среде, с показателем преломления: n = n0 + n2E2, где n0 - постоянная составляющая, не зависящая от Е, n2 > 0. Поскольку фазовая скорость света v = c/n = с/(n0 + n2E2), то фазовые фронты изгибаются (поле Е на оси больше, чем на периферии) и лучи отклоняются к оси пучка. Такая нелинейная рефракция может быть столь существенной (её "сила" нарастает вместе с концентрацией поля), что практически полностью подавляет дифракционные эффекты.

Обратный эффект - самодефокусировка - возникает, если среда в области, занятой световым пучком, из-за зависимости показателя преломления от интенсивности становится оптически менее плотной (n2 < 0). В этом случае мощный лазерный пучок расходится гораздо быстрее, чем пучок малой интенсивности. Нелинейные волновые явления типа самофокусировки и самодефокусировки, в которых средние частота и волновое число k = ωn/c = 2π/λ почти не изменяются, называются самовоздействием волн. Наряду с самовоздействием волн, модулированных в пространстве, в Н. о. изучается также самовоздействие волн, модулированных во времени.

Распространение светового импульса в среде с показателем преломления вида n = n0 + n2E2 сопровождается искажением его формы и фазовой модуляцией (См. Фазовая модуляция). В результате возникает сильное уширение спектра лазерного импульса. Ширина спектра излучения на выходе из среды в сотни и тысячи раз превышает ширину спектра на входе.

Эффекты самовоздействия определяют основные черты поведения мощных световых пучков в большинстве сред, включая и активные среды самих лазеров. В частности, лавинное нарастание напряженности светового поля при самофокусировке вызывает во многих случаях оптический пробой среды (рис. 3).

Интересным вопросом в явлении самофокусировки является поведение светового пучка за фокальной точкой. А. М. Прохоров с сотрудниками обратили внимание на существенную роль движения фокальных точек при самофокусировке. В реальном лазерном импульсе мощность изменяется во времени и соответственно изменяется во времени фокальная длина нелинейной линзы. В результате возникает движущийся фокус. Скорость его движения может достигать 109 см/сек. Учёт быстрого движения фокусов в сочетании с аберрациями нелинейной линзы во многих случаях позволяет построить полную теорию явления самофокусировки.

Самопросветление и нелинейное поглощение. Среды, непрозрачные для слабого излучения, могут стать прозрачными для высокоинтенсивного излучения (просветление), и, наоборот, прозрачные материалы могут "затемняться" по отношению к мощному излучению (нелинейное поглощение). Таковы наиболее важные особенности поглощения света большой интенсивности. Они объясняются зависимостью коэффициента поглощения от интенсивности света.

Если интенсивность резонансного по отношению к поглощающей среде излучения велика, существенная доля частиц среды переходит из основного в возбуждённое состояние и населённости её верхнего и нижнего уровней выравниваются (см. Насыщения эффект). Для получения эффекта насыщения в равновесных условиях необходима затрата некоторой энергии, поэтому просветление среды сопряжено с определёнными потерями энергии светового пучка.

В поле коротких световых импульсов, длительность которых меньше характерных времён релаксации (См. Релаксация) среды, наблюдается эффект просветления др. типа - резонансное самопросветление среды. В этом случае короткий мощный световой импульс проходит через среду, вообще не испытывая поглощения (слабое же квазинепрерывное излучение той же частоты может поглотиться этой средой практически полностью). Результатом взаимодействия такого очень короткого светового импульса со средой оказывается резкое уменьшение групповой скорости (См. Групповая скорость) распространения светового импульса и изменение его формы.

Эффекты нелинейного поглощения связаны с тем, что при взаимодействии интенсивного излучения частоты ω0 с частицами заметную вероятность имеют процессы одновременного поглощения m квантов частоты ω1, причём m = ω0 /(1 (см. Многофотонные процессы).

Нелинейная оптика и спектроскопия. Параметрический генератор света. Развитие Н. о. позволило усовершенствовать методы оптической спектроскопии (См. Спектроскопия) и разработать принципиально новые методы нелинейной и активной спектроскопии (см. Спектроскопия лазерная). Важная проблема абсорбционной спектроскопии - создание подходящего источника света, перестраиваемого по частоте. Н. о. даёт радикальное решение проблемы: наряду со сложением фотонов в нелинейной среде возможен обратный процесс - когерентный распад фотона частоты Ω на два фотона частот ω1 и ω2, удовлетворяющих условию Ω = ω1+ ω2. Процесс идёт эффективно, если одновременно выполнены условия волнового синхронизма: kл = k1 + k2.

На этом принципе основано действие параметрического генератора света (См. Параметрические генераторы света). При фиксированной частоте Ω (частоте накачки (См. Накачка)) частоты ω1 и ω2 можно варьировать в широких пределах (сохраняться должна лишь их сумма), изменяя параметры среды, влияющие на выполнение условий синхронизма. С помощью таких генераторов уже сейчас возможно перекрытие длинноволновой части видимого и ближней части инфракрасного диапазонов. Созданы параметрические генераторы света и в далёкой инфракрасной области. Параметрический генератор света - удобный источник света для абсорбционных спектрометров; с его появлением оптики получили перестраиваемый, стабильный, легко управляемый источник когерентного излучения (накладывая на нелинейный кристалл электрическое поле, можно осуществить частотную или амплитудную модуляцию излучения).

Методы Н. о. открывают новые возможности для создания корреляционных спектрографов и спектрографов с пространственным разложением спектра (см. Спектральные приборы, Фурье-спектроскопия). На рис. 4 изображена схема нелинейного спектрографа с пространственным разложением спектра, в котором используется то обстоятельство, что дисперсия направлений синхронизма в нелинейных кристаллах (рис. 1) может быть сильнее, нежели обычная дисперсия вещества. Спектральный анализ в этом случае сопровождается увеличением частоты света (что особенно выгодно при спектральных исследованиях в инфракрасной области) и усилением исследуемого сигнала.

Преобразование сигналов и изображений. Эффект сложения частот, лежащий в основе действия описанного спектрографа, находит и др. применения. Одно из них - регистрация слабых сигналов в инфракрасном диапазоне. Если частота ωх лежит в инфракрасном диапазоне, а ωн - в видимом, то в видимый диапазон попадает и суммарная частота Ω, причём коэффициент преобразования может быть >> 1. В видимом же диапазоне регистрация сигнала производится с помощью высокочувствительного фотоэлектронного умножителя (См. Фотоэлектронный умножитель) (ФЭУ). Система из нелинейного кристалла, в котором происходит сложение частот и ФЭУ, является чувствительным приёмником инфракрасного излучения; такие приёмники находят применение в инфракрасной астрономии. С помощью этой схемы можно не только регистрировать сигнал, но и преобразовывать изображение из инфракрасного диапазона в видимый.

Заключение. Методы Н. о. проникают во все традиционные разделы оптики и лежат в основе ряда её новых направлений (нелинейное вращение плоскости поляризации, нелинейное рассеяние, нелинейная дифракция, нелинейная магнитооптика и т.п.). С ростом напряжённости светового поля обнаруживаются всё новые и новые нелинейные процессы. К сожалению, предельное световое поле, которое может быть использовано в эксперименте, определяется не возможностями лазерной техники, а разрушением среды или изменением её оптических свойств под действием света.

На первом этапе развития Н. о. использовался диапазон волн от 1,06 до 0,3 мкм. Переход к лазерам на CO2 (λ = 10,6 мкм) привёл к открытию нелинейности, связанной с поведением носителей тока в полупроводниках (См. Полупроводники) (в видимом диапазоне она практически не проявляется), и обнаружению новых нелинейных материалов. При помощи мощных источников ультрафиолетового излучения возможны исследование нелинейного поглощения в кристаллах и жидкостях с широкой запрещенной зоной, умножение частоты в вакуумном ультрафиолете, создание ультрафиолетовых лазеров с оптической накачкой. В 1971 впервые наблюдались когерентные нелинейные эффекты в рентгеновской области.

Успехи Н. о. стимулировали соответствующие исследования в физике плазмы (См. Плазма), в акустике (См. Акустика), радиофизике (См. Радиофизика) и вызвали интерес к общей теории нелинейных волн. В связи с Н. о. появились новые направления исследования в физике твёрдого тела (См. Твёрдое тело), связанные с изучением нелинейных материалов и оптической прочности твёрдых тел и жидкостей. Возможно, нелинейными оптическими явлениями в межзвёздной плазме обусловлены и некоторые особенности характеристик квазаров (См. Квазары). Не исключено достижение таких интенсивностей лазерного излучения, при которых станет возможным наблюдение нелинейных оптических явлений в вакууме.

Лит.: Ахманов С. А., Хохлов Р. В., Проблемы нелинейной оптики, М., 1964; Бломберген Н., Нелинейная оптика, пер. с англ., М., 1966; Климонтович Ю. Л., Квантовые генераторы света n нелинейная оптика, М., 1966; Луговой В. Н., Прохоров А. М., Теория распространения мощного лазерного излучения в нелинейной среде, "Успехи физических наук", 1973, т. 111, с. 203-248; Ахманов С. А., Чиркин А. С., Статистические явления в нелинейной оптике, М., 1971; Квантовая электроника. Маленькая энциклопедия, М., 1969; Ярив А., Квантовая электроника и нелинейная оптика, пер. с англ., М., 1973; Laser handbook, v. 1-2, Amst., 1972.

С. А. Ахманов.

Рис. 1. Сечения поверхностей показателей преломления в кристалле KH2PO4 (KDP) для частоты излучения неодимового лазера (индекс 1) и его второй гармоники (индекс 2). В плоскости охz сечения для обыкновенных волн (n°) - окружности, для необыкновенных волн (ne) - эллипсы. Под углом ϑ0 к оптической оси n1° = n2°, а следовательно, равны и фазовые скорости основной обыкновенной волны и второй гармоники необыкновенной волны.

Рис. 2. Изменение хода лучей и самофокусировка света в среде с показателем преломления, зависящим от интенсивности света; стрелками показан ход лучей; пунктир - поверхности постоянной фазы; сплошная линия - распределение интенсивности света.

Рис. 4. Схема нелинейного спектрографа с пространственным разложением спектра. Часто́ты спектральных линий исследуемого источника ωх складываются в нелинейном кристалле с частотой вспомогательного источника (генератора "накачки") ωн. На выходе кристалла интенсивное излучение суммарной частоты ωн + ωх может наблюдаться только внутри весьма узкого угла, для которого выполняется условие волнового синхронизма.

Схема генератора пятой оптической гармоники. Излучение лазера на неодимовом стекле (λ1=1,06 мкм), работающим в режиме модулированной добротности, возбуждает цепочку из трёх нелинейных кристаллов KDP, в которых последовательно происходят: удвоение частоты (на выходе кристалла KDP I возникает излучение с λ2=0,53 мкм), ещё одно удвоение частоты (на выходе KDP II возникает излучение с λ4=0,26 мкм), сложение частот неодимового лазера и четвёртой гармоники. В результате на выходе кристалла KDP III возникает интенсивное ультрафиолетовое излечение с λ51/5=0,21 мкм. Цвета на рисунке условные, четвёртая и пятая гармоники лежат в ультрафиолетовой области. Ф1 и Ф2 - фильтры; В - вращающаяся призма.

Удвоение частоты света в кристалле ниобата натрия Ba2NaNb5O5. Мощный луч лазера на неодимовом стекле с длиной волны λ = 1,06 мкм возбуждает в кристалле излучение удвоенной частоты (вторую гармонику, λ = 0,53 мкм). Зелёный цвет - натуральный цвет излучения второй гармоники; невидимое глазом инфракрасное излучение неодимового лазера регистрируется на специально сенсибилизированной цветной пленке как красное.

Рис. 3. Нитевидные разрушения оптического стекла в поле мощного лазера. Тонкая нить - след самофокусированного светового пучка.

Народное творчество. Керамические поливные свистульки. Тамбовская губерния. 19 в. Исторический музей, Москва.

Силовая оптика Искать примеры произношения

раздел физической оптики, в котором изучается воздействие на твёрдые среды настолько интенсивных потоков оптического излучения (См. Оптическое излучение) (света), что оно может приводить к нарушению целостности этих сред. С. о. развилась после появления Лазеров в связи с использованием интенсивных световых потоков для оптической обработки материалов, а также с необходимостью создания формирующих и передающих оптических систем, которые не теряют работоспособности при большой плотности энергии излучения (в оптотехнике С. о. называют сами элементы оптических устройств - зеркала, линзы, призмы и т. д., рассчитанные на работу в плотных потоках излучения).

В С. о. исследуют процессы выделения энергии в прозрачных (слабопоглощающих) или поглощающих средах, подвергающихся действию интенсивных световых потоков, и определяют результаты такого воздействия. При этом для характеристики работоспособности оптических материалов (стекол, кристаллов, покрытий и пр.) вводят по аналогии с механической или электрической прочностью понятие лучевой прочности (ЛП), равной удельной мощности или энергии потока оптического излучения, начиная с которого в веществе появляются необратимые изменения. ЛП увеличивается с уменьшением длительности воздействия и облучаемой площади материала. Она определяется не только поглощения показателем (См. Поглощения показатель), но и нелинейными процессами в веществе (например, самофокусировкой света (См. Самофокусировка света)) и микроскопическими неоднородностями его структуры.

Для поглощающих материалов, таких, как металлы, узкозонные полупроводники, керамика и пр., определяют параметры излучения (удельная мощность, энергия, длительность), при которых происходит разрушение того или иного типа (плавление, испарение, растрескивание). При этом, как и в прозрачных средах, существенное значение имеет изменение характеристик вещества в процессе воздействия лазерного излучения (например, Отражения коэффициента и показателя поглощения, появление поглощения в продуктах световой эрозии вещества и др.). Определённые т. о. параметры излучения и режимы его воздействия на вещество используют при разработке лазерных установок для оптической обработки материалов (сварка и резка, получение микроотверстий, изготовление элементов микроэлектроники и т. д.).

Лит.: Действие излучения большой мощности на металлы, под ред. А. М. Бонч-Бруевича, М. А. Ельяшевича, М., 1970; Алешин И. В., Имас Я. А., Комолов В. Л., Оптическая порочность слабопоглощающих материалов, Л., 1974; Рэди Дж., Действие мощного лазерного излучения, пер. с англ., М., 1974.

А. М. Бонч-Бруевич.

Электронная оптика Искать примеры произношения

теория формирования потоков электронов и управления ими с помощью электрических и магнитных полей, а также совокупность приборов и методов исследования, основанных на использовании таких потоков. Подробнее см. в ст. Электронная и ионная оптика.

Оптика и спектроскопия Искать примеры произношения
("О́птика и спектроскопи́я")

ежемесячный научный журнал Отделения общей физики и астрономии АН СССР. Издаётся с 1956 в Ленинграде. Публикует оригинальные статьи по всем разделам оптики, спектроскопии, прикладной и технической оптики. Рассчитан на научных работников, преподавателей вузов, инженеров, студентов. Главный редактор - член-корреспондент С. Э. Фриш (с 1956). Тираж (1973) около 2500 экземпляров. С 1956 переиздаётся на английском.

Оптика неоднородных сред Искать примеры произношения

раздел оптики (См. Оптика), в котором изучаются явления, сопровождающие распространение оптического излучения (См. Оптическое излучение) в средах, Преломления показатель n которых не постоянен, а зависит от координат. Оптическими неоднородностями называются поверхности или объёмы внутри среды, на (в) которых изменяется n. Независимо от физической природы неоднородности она всегда отклоняет свет от его первоначального направления. На поверхностях, разделяющих объёмы среды с разными n, происходит Отражение света и Преломление света; на частицах или иных объёмах, n которых отличается от n окружающей среды, - Рассеяние света. Существенную роль в О. н. с. играет Интерференция света между рассеянными, отражёнными и преломленными световыми волнами, а также исходной (падающей) волной. Важный раздел О. н. с. - оптика тонких слоев (См. Оптика тонких слоёв). Оптические неоднородности могут представлять собой включения в среду др. веществ, с иным n (аэрозоли, дымы, суспензии, эмульсии); размеры этих включений чаще всего превышают длину световой волны λ. Такие среды называются мутными средами (См. Мутные среды). При большой концентрации инородных частиц рассеяние на них падающего света по всем направлениям приводит к тому, что мутная среда становится непрозрачной. Если неоднородность среды вызвана присутствием в ней мелкодисперсных коллоидных частиц (см. Коллоидные системы), то среда кажется совершенно прозрачной; однако наблюдение под углами около 90° к направлению падающего света обнаруживает свечение среды, обусловленное интенсивным рассеянием света (Тиндаля эффект). К др. классу мутных сред относятся чистые (без инородных включений) вещества, в которых изменения n в большом числе микрообъёмов, приводящие к рассеянию света, вызваны флуктуациями (См. Флуктуации) плотности среды в результате хаотического теплового движения её молекул или Турбулентностью среды. Интенсивность I света, рассеиваемого непоглощающими диэлектрическими частицами, пропорциональна λ-p, где р - параметр, зависящий от отношения размеров частиц к λ. При рассеянии на тепловых флуктуациях, размеры которых много меньше λ, IОптика неоднородных средλ-4 (Рэлея закон). Такая сильная зависимость от λ объясняет преимущественное рассеяние более коротких волн; поэтому наблюдаемый цвет дневного неба - голубой, хотя атмосфера Земли освещается солнечным белым светом (См. Белый свет) - совокупностью световых волн различной длины. Для частиц, размеры которых >>λ, параметр р близок к 0 и рассеяние определяется геометрическими эффектами преломления света на поверхностях частиц. I в этом случае не зависит от λ, что и наблюдается при рассеянии света в туманах и облаках - они имеют белый цвет. На изучении рассеяния света неоднородностями в газах, жидкостях и твёрдых телах основаны методы нефелометрии (См. Нефелометрия) и ультрамикроскопии (см. Ультрамикроскоп), позволяющие определять концентрацию неоднородностей и изучать их природу (а в нефелометрии - и их размеры).

Лит.: Ландсберг Г. С., Оптика, 4 изд., М., 1957 (Общий курс физики, т. 3); Шифрин К. С., Рассеяние света в мутной среде, М. - Л., 1951; Волькенштейн М. В., Молекулярная оптика, М. - Л., 1951; Шишловский А. А., Прикладная физическая оптика, М., 1961; Фабелинский И. Л., Молекулярное рассеяние света, М., 1965; Татарский В. И., Распространение волн в турбулентной атмосфере, М., 1967.

Л. Н. Капорский.

Оптика тонких слоёв Искать примеры произношения

раздел оптики (См. Оптика). В О. т. с. изучается прохождение света через один или последовательно через несколько непоглощающих слоев вещества, толщина которых соизмерима с длиной световой волны. Специфика О. т. с. заключается в том, что в ней определяющую роль играет Интерференция света между частично отражаемыми на верхних и нижних границах слоев световыми волнами. В результате интерференции происходит усиление или ослабление проходящего или отражаемого света, причём этот эффект зависит от вносимой оптической толщиной (См. Оптическая толщина) слоев разности хода (См. Разность хода) лучей, длины волны (или набора длин волн) света, угла его падения и т.д. Тонкие слои могут быть образованы на массивной подложке из стекла, кварца или др. оптической среды с помощью термического испарения вещества и его осаждения на поверхность подложки, химического осаждения, катодного распыления (См. Катодное распыление) или химических реакций материала подложки с выбранным веществом. Для получения таких слоев используют различные окислы: Al2O3 (1,59), SiO2 (1,46), TiO2 (2,2-2,6); фториды: MgF2 (1,38), CaF2 (1,24), LiF (1,35); сульфиды: ZnS (2,35), CdS (2,6); Полупроводники Si (3,5), Ge (4,0), а также некоторые др. соединения. (В скобках указаны преломления показатели (См. Преломления показатель) веществ.)

Одно из важнейших практических применений О. т. с. - уменьшение отражательной способности поверхностей оптических деталей (линз, пластин и пр.). Подробно об этом см. в ст. Просветление оптики. Нанося многослойные покрытия из большого (13-17 и более) числа чередующихся слоев с высоким и низким n, изготовляют зеркала с большим Отражения коэффициентом, обычно в сравнительно узкой спектральной области, но не только в диапазоне видимого света, а и в УФ и ИК диапазонах (см. Зеркало). Коэффициент отражения таких зеркал (50-99,5%) зависит как от длины волны, так и от угла падения излучения. С помощью многослойных покрытий разделяют падающий свет на прошедший и отражённый практически без потерь на поглощение; на этом принципе созданы эффективные светоделители (полупрозрачные зеркала). Системы из чередующихся слоев с высоким и низким n используют и как интерференционные поляризаторы, отражающие составляющую света, поляризованную перпендикулярно плоскости его падения (последняя проходит через направление светового луча и нормаль к поверхности), и пропускающие параллельно поляризованную составляющую (см. Поляризационные приборы, Поляризация света). Степень поляризации в проходящем свете достигает для многослойных поляризаторов 99%. О. т. с. позволила создать получившие широкое распространение интерференционные Светофильтры, полоса пропускания которых может быть сделана очень узкой - существующие многослойные светофильтры выделяют из спектральной области шириной в 500 нм интервалы длин волн 0,1-0,15 нм. Тонкие диэлектрические слои применяют для защиты металлических зеркал от коррозии и при исправлении аберраций линз и зеркал (см. Аберрации оптических систем). О. т. с. лежит в основе многих других оптических устройств, измерительных приборов и спектральных приборов (См. Спектральные приборы) высокой разрешающей способности. Светочувствительные слои Фотокатодов и Болометров по большей частью представляют собой тонкослойные покрытия, эффективность которых существенно зависит от их оптических свойств. О. т. с. широко применяется в Лазерах и усилителях света (например, при изготовлении интерферометров Фабри - Перо; см. Интерферометр), при создании дихроичных зеркал, используемых в цветном телевидении (См. Цветное телевидение), в интерференционной микроскопии (см. Микроскоп) и т.д. См. также Ньютона кольца, Полосы равного наклона, Полосы равной толщины.

Лит.: Просветление оптики, под ред. И. В. Гребенщикова, М. - Л., 1946; Розенберг Г. В., Оптика тонкослойных покрытий, Л., 1958; Крылова Т. Н., Интерференционные покрытия, Л., 1973.

Л. Н. Капорский.

Электронная и ионная оптика Искать примеры произношения

наука о поведении пучков электронов и ионов в вакууме под воздействием электрических и магнитных полей. Т. к. изучение электронных пучков началось ранее, чем ионных, и первые используют гораздо шире, чем вторые, весьма распространён термин "электронная оптика". Э. и и. о. занимается главным образом вопросами формирования, фокусировки и отклонения пучков заряженных частиц, а также получения с их помощью изображений, которые можно визуализировать на люминесцирующих экранах или фотографических плёнках. Такие изображения принято называть электроннооптическими и ионнооптическими изображениями. Развитие Э. и и. о. в значительной степени обусловлено потребностями электронной техники.

Зарождение Э. и и. о. связано с созданием в конце 19 в. электроннолучевой трубки (См. Электроннолучевая трубка) (ЭЛТ). В первой осциллографической ЭЛТ, изготовленной в 1897 К. Ф. Брауном, электронный пучок отклонялся магнитным полем. Отклонение с помощью электростатического поля осуществил в своих опытах по определению отношения заряда электрона к его массе Дж. Дж. Томсон, пропуская пучок через плоский конденсатор, помещенный внутри ЭЛТ. В 1899 немецкий физик И. Э. Вихерт применил для фокусировки электронного пучка в ЭЛТ катушку из изолированной проволоки, по которой протекал электрический ток. Однако лишь в 1926 немецкий учёный Х. Буш теоретически рассмотрел движение заряженных частиц в магнитном поле такой катушки и показал, что она пригодна для получения правильных электроннооптических изображений и, следовательно, является электронной линзой (ЭЛ). Последующая разработка электронных линз (См. Электронные линзы) (магнитных и электростатических) открыла путь к созданию электронного микроскопа (См. Электронный микроскоп), электроннооптического преобразователя (См. Электроннооптический преобразователь) и ряда др. приборов, в которых формируются правильные электроннооптические изображения объектов - либо испускающих электроны, либо тем или иным образом воздействующих на электронные пучки. Конструирование специализированных ЭЛТ для телевизионной и радиолокационной аппаратуры, для записи, хранения и воспроизведения информации и т. п. привело к дальнейшему развитию разделов Э. и и. о., связанных с управлением пучками заряженных частиц. Значительное влияние на развитие Э. и и. о. оказала разработка аппаратуры для анализа потоков электронов и ионов (Бета-спектрометров, масс-спектрометров (См. Масс-спектрометры) и других аналитических приборов). В Э. и и. о., как правило, не рассматриваются вопросы, возникающие в сверхвысоких частот технике (См. Сверхвысоких частот техника), лишь изредка рассматриваются процессы в электронных лампах (См. Электронная лампа), ускорителях заряженных частиц (См. Ускорители заряженных частиц) и других приборах и устройствах, специфика которых отделяет их от основных направлений Э. и и. о.

Для решения большинства задач Э. и и. о. достаточно рассматривать движение заряженных частиц в рамках классической механики (См. Механика), т. к. волновая природа частиц (см. Корпускулярно-волновой дуализм) в этих задачах практически не проявляется. В таком приближении Э. и и. о. носит название геометрической Э. и и. о., что обусловлено наличием глубокой аналогии между геометрической Э. и и. о. и геометрической оптикой (См. Геометрическая оптика) световых лучей, которая выражается в том, что поведение пучков заряженных частиц в электрических и магнитных полях во многом подобно поведению пучков лучей света в неоднородных оптических средах. В основе указанной аналогии лежит более общая аналогия между классической механикой и световой геометрической оптикой, установленная У. Р. Гамильтоном, доказавшим в 1834, что общее уравнение механики (уравнение Гамильтона - Якоби) по форме подобно оптическому уравнению эйконала. Как и в световой геометрической оптике, в геометрической Э. и и. о. вводится понятие преломления показателя (См. Преломления показатель), при вычислении погрешностей изображения - аберраций, большая часть которых аналогична аберрациям оптических систем (См. Аберрации оптических систем), - зачастую используется метод эйконала. Когда приближение геометрической Э. и и. о. недостаточно, например при исследовании разрешающей способности (См. Разрешающая способность) электронного микроскопа, привлекаются методы квантовой механики (См. Квантовая механика).

В электроннооптических устройствах широко применяются электрические и магнитные поля, обладающие симметрией вращения относительно оптической оси системы. ЭЛ и электронные зеркала с такими полями называются осесимметричными. Электрические поля с симметрией вращения создаются электродами в виде цилиндров, чашечек, диафрагм с круглыми отверстиями и т. п. (рис. 2). Для получения осесимметричных магнитных полей используют электромагниты (иногда постоянные магниты) с полюсами в форме тел вращения или тороидальные катушки с намоткой из изолированной проволоки, по которой пропускается электрический ток (рис. 3). Осесимметричные линзы и зеркала создают правильные электроннооптические изображения, если заряженные частицы движутся достаточно близко к оси симметрии поля, а их начальные скорости мало отличаются друг от друга. Если эти условия не выполняются, погрешности изображения становятся весьма значительными. Когда предмет и изображение лежат за пределами поля, осесимметричные ЭЛ - всегда собирающие. В электростатических осесимметричных ЭЛ, как и в светооптических линзах со сферическими поверхностями, изображение может быть только прямым или перевёрнутым, в магнитных ЭЛ - оно дополнительно повёрнуто на некоторый угол. Электроннооптические свойства поля с симметрией вращения определяются положением его кардинальных точек, аналогичных кардинальным точкам (См. Кардинальные точки) осесимметричных светооптических изображающих систем: двух фокусов, двух главных точек и двух узловых точек. Построение изображения производится по правилам световой геометрической оптики. Электростатическим осесимметричным полям свойственны те же пять видов геометрических аберраций третьего порядка, что и светооптическим центрированным системам сферических поверхностей: Сферическая аберрация, Астигматизм, Кривизна поля изображения, Дисторсия и Кома. В магнитных полях к ним добавляются ещё три: т. н. анизотропные дисторсия, астигматизм и кома. Кроме того, существуют три вида хроматических аберраций (в электростатических полях - два), обусловленных некоторым неизбежным разбросом энергий поступающих в поле частиц. Вообще говоря, аберрации полей с симметрией вращения в сопоставимых условиях значительно превышают по величине аберрации светооптических центрированных систем, т. е. ЭЛ и электронные зеркала по качеству существенно уступают светооптическим. Вопрос о компенсации аберраций или их уменьшении является одним из основных в теоретических Э. и и. о.

Существуют и другие типы ЭЛ и зеркал, поля которых обладают различными видами симметрии. Они формируют изображения точечных объектов в виде отрезков линий, однако иногда способны осуществлять и стигматическую фокусировку (точка в точку). Так называемые цилиндрические электростатические и магнитные линзы и зеркала создают линейные изображения точечных предметов. Поля в таких ЭЛ "двумерны" (их напряжённости описываются функциями только двух декартовых координат) и симметричны относительно некоторой средней плоскости, вблизи которой движутся заряженные частицы. В ряде аналитических электровакуумных приборов высококачественная фокусировка необходима только в одном направлении. В этих случаях целесообразно применять так называемые трансаксиальные электростатические ЭЛ или трансаксиальные электронные зеркала, аберрации которых в средней плоскости очень малы (сравнимы с аберрациями светооптических линз). Для воздействия на пучки заряженных частиц с большими энергиями используют квадрупольные ЭЛ (электрические и магнитные). Для отклонения пучков заряженных частиц используют электроннооптические устройства с электрическими или магнитными полями, направленными поперёк пучка. Простейшим электрическим отклоняющим элементом является плоский конденсатор (рис. 4). В ЭЛТ с целью уменьшения отклоняющего напряжения применяют системы с электродами более сложной формы. Магнитные поля, предназначенные для отклонения пучков, создаются электромагнитами (рис. 5) или проводниками, по которым течёт ток.

Очень разнообразны формы отклоняющих электрических и магнитных полей, применяемых в аналитических приборах, в которых используется свойство этих полей разделять (разрешать) заряженные частицы по энергии и массе. Широко используется также их свойство фокусировать пучки.

Электрические поля обычно формируются различными конденсаторами: плоским, цилиндрическим (рис. 6), сферическим (рис. 7). Из магнитных полей часто применяются однородное поле (рис. 8) и секторное поле (рис. 9). Для улучшения качества фокусировки искривляют границы секторных магнитных полей, а также применяют неоднородные магнитные поля, напряжённость которых меняется по определенному закону.

Перечисленные отклоняющие электрические и магнитные устройства, иногда называются электронными (ионными) призмами, отличаются от светооптических призм тем, что они не только отклоняют, но и фокусируют пучки заряженных частиц. Фокусировка приводит к тому, что попадающие в поля таких устройств параллельные пучки после отклонения перестают быть параллельными. Между тем для создания высококачественных аналитических электронных и ионных приборов по точной аналогии со светооптическим призменным спектрометром необходимы электронные (ионные) призмы, которые подобно световым призмам сохраняют параллельность пучков. В качестве таких электронных призм (См. Электронные призмы) применяют телескопические системы электронных линз. Добавив к электронной призме две ЭЛ, одну так называемую коллиматорную на входе, другую - фокусирующую на выходе, можно получить аналитический прибор, в котором сочетаются высокая разрешающая способность и большая электроннооптическая светосила.

Лит.: Арцимович Л. А., Лукьянов С. Ю., Движение заряженных частиц в электрических и магнитных полях, М., 1972; Бонштедт Б. Э., Маркович М. Г., Фокусировка и отклонение пучков в электроннолучевых приборах, М., 1967; Брюхе Е., Шерцер О., Геометрическая электронная оптика, пер. с нем., Л., 1943; Глазер В., Основы электронной оптики, пер. с нем., М., 1957; Гринберг Г. А., Избранные вопросы математической теории электрических и магнитных явлений, М. - Л., 1948; Зинченко Н, С., Курс лекций по электронной оптике, 2 изд., Хар., 1961; Кельман В. М., Явор С. Я., Электронная оптика, 3 изд., Л., 1968; Страшкевич А. М., Электронная оптика электростатических систем, М. - Л., 1966; Явор С. Я., Фокусировка заряженных частиц квадрупольными линзами, М., 1968.

В. М. Кельман, И. В. Родникова.

Рис. 1. Отклонение электронного пучка в однородном поле плоского конденсатора: 1 - пластины конденсатора; 2 - электронный прожектор, испускающий электронный пучок. Силовые линии поля изображены пунктирными линиями, сечения эквипотенциальных поверхностей плоскостью рисунка - сплошными линиями. Потенциал поля V возрастает при перемещении сверху вниз.

Рис. 2. Электроннооптическая система с симметрией вращения, предназначенная для формирования электронного пучка (электронный прожектор): 1 - подогревной катод; 2 - фокусирующий электрод; 3 - первый анод; 4 - второй анод; 5 - сечения эквипотенциальных поверхностей электростатического поля плоскостью рисунка. Штриховой линией обозначены контуры пучка. У электродов указаны их потенциалы по отношению к катоду, потенциал которого принят равным нулю. Электроды 1, 2, 3 образуют катодную электронную линзу, электроды 3 и 4 - иммерсионную.

Рис. 3. Магнитная линза в виде тороидальной катушки: а - вид сбоку; б - вид спереди; 1 - катушка; 2 - силовые линии магнитного поля; 3 - электронная траектория. Штриховой линией обозначены контуры электронного пучка, выходящего из точки А (предмет) и фокусируемого в точке В (изображение).

Рис. 4. Отклонение пучка положительно заряженных частиц в поле плоского электростатического конденсатора. Стрелки показывают направление электрического поля внутри конденсатора.

Рис. 5. Отклонение пучка положительно заряженных частиц поперечным магнитным полем. N и S - магнитные полюса. Стрелки показывают направление магнитного поля в межполюсном зазоре.

Рис. 6. Отклонение и фокусировка пучка заряженных частиц секторным цилиндрическим конденсатором: 1 - электроды конденсатора; 2 - выходная щель источника заряженных частиц; 3 - входная щель приемника заряженных частиц; 4 - диафрагмы, ограничивающие пучок. Электроды имеют форму частей круглых цилиндров. Щель источника играет роль предмета. Выходящий из неё расходящийся пучок частиц с определённой энергией фокусируется, образуя перпендикулярное к плоскости рисунка линейное изображение щели источника, с которым совмещается щель приемника.

Рис. 7. Сферический конденсатор: 1 - электроды конденсатора; 2 - точечный предмет; 3 - изображение предмета; 4 - кольцевые диафрагмы, ограничивающие пучок. Электроды имеют форму частей двух концентрических сфер. Изображение лежит на прямой, проходящей через источник и центр О этих сфер.

Рис. 8. Отклонение и фокусировка пучка заряженных частиц однородным магнитным полем: 1 - предмет; 2 - изображение. Заряженные частицы, испущенные линейным предметом (щелью) в пределах небольшого угла 2α, сначала расходятся, а затем, описав полуокружности с радиусом r, который для всех частиц с одной и той же массой и энергией одинаков, фокусируются, формируя изображение предмета в виде полоски шириной rα2. Линейный предмет и полоска-изображение расположены параллельно силовым линиям магнитного поля, направленным перпендикулярно плоскости рисунка. О1, О2 и О3 - центры круговых траекторий частиц.

Рис. 9. Отклонение и фокусировка пучка заряженных частиц секторным магнитным полем: 1 - магнитное поле; 2 - предмет (щель источника); 3 - изображение. Силовые линии магнитного поля направлены перпендикулярно плоскости рисунка. Изображение лежит на линии, соединяющей предмет с вершиной сектора О. Ширина изображения - того же порядка, что и в однородном магнитном поле.



Словари, в которых найден искомый текст:
 Большая советская энциклопедия (15)
 Толковый словарь Ефремовой (1)
 Словарь иностранных слов (1)
 Современный толковый словарь (13)
 Толковый словарь русского языка Ушакова (1)
 Кольер (4)
 Словарь медицинских терминов (2)
 Толковый словарь живого великорусского языка В.Даля (1)
 Словарь Ожегова (1)


Примеры употребления слова "Оптика" в русскоязычной прессе:

1.   И может ли оптика нормального человека соответствовать фасеточному зрению насекомого, которое только и требуется, чтобы понять, что же такое художественная культура послевоенного СССР. (Время новостей, 2005-06-03)

2.   Цвет времени защитно-серый; сей мышиный колорит правит бал во второй реальности. И вообще - у государственного ТВ своя оптика... (Газета, 2005-06-10)

3.    Компания Выручка в 2004 году (млн долларов) Наличие лицензии Основные акционеры Количество сотрудников Наличие собственных физических каналов связи Соответствие сети требованиям лицензии Опыт работы с конечными абонентами Наличие узнаваемого бренда "Ростелеком" 1340 да "Связьинвест" (50,6% голосующих акций) 25000 около 200 тыс. км соответствует только в Москве да "Транстелеком" 220* подали заявку РАО РЖД (100%) около 3000 45 тыс. км нет нет нет "Межрегиональный ТранзитТелеком" 140 да "Гамма Капитал" (50%), "Система" (50%) 220 нет на 80% нет нет "Голден телеком" 584 да "Альфа-групп" (30%), Telenor (20%) более 2500 оптика в крупнейших городах РФ, идет строительство линии Москва--Нижний Новгород точки присутствия примерно в '0 городах РФ небольшой, в основном по доступу в интернет слабая узнаваемость "Эквант" 130* подали заявку France Telecom (100%) нет данных Оптика в крупнейших городах РФ, идет строительство линии Москва--Нижний Новгород нет нет нет "Центринфоком" создана в апреле 2005 года да небольшие операторы связи 3 нет нет да нет "Зебра Телеком" 22 подали заявку "Старфорд Инвестмент Лтд" (100%) 150 нет нет да да "ОСС- Телеком" создана в 2005 году, уставный капитал 40 млн долларов подали заявку Корпорация О.С.С. (51%) более 150** нет нет да да *От услуг связи. **В Корпорации О.С.С. (Эксперт, 2005-06-14)

4.   Зато в телережиме дисторсия ("подушкообразной формы) почти неразличима. Так что в целом оптика DiMAGE A200 заслуживает самой высокой похвалы. (Московские новости, 2005-06-16)

5.   Высококачественная оптика дополняется двухмегапиксельной CMOS-матрицей, причем разрешение путем интерполяции можно увеличить до 3 млн., что позволяет делать снимки 2048х 1536 пикселей. (Московские новости, 2005-06-16)

Еще примеры >>

Недвижимость в Испании
Еще>>