Зарегистрироваться

Оптика

Категории Оптика | Под редакцией сообщества: Физика

Оптика (от древнегреческого ὀπτική - появление или взгляд) - раздел физики, в котором изучаются природа оптического излучения (света), его распространение и явления, наблюдаемые при взаимодействии света и вещества.

Являясь одной из древнейших наук, оптика продолжает интенсивно развиваться. Она традиционно входит в качестве автономного раздела в школьные и вузовские курсы физики. Ее предметом являются свойства оптического излучения, проявляющиеся в процессах его испускания, распространения и взаимодействии с веществом. Оптическое излучение представляет собой электромагнитные волны видимого, ультрафиолетового и инфракрасного диапазонов. Оптические исследования характеризуются общностью технических средств и методов анализа явлений в указанных диапазонах. Оптика тесно связана с оптической спектроскопией - разделом физики, в рамках которого с использованием оптических методов изучается структура вещества на атомном и молекулярном уровне. В настоящее время важным атрибутом оптических исследований стали лазеры – оптические квантовые генераторы, позволяющие генерировать мощное излучение с высокой степенью когерентности. Появление лазеров позволило разработать новые способы записи и передачи оптической информации, установить целый ряд ранее неизвестных эффектов взаимодействия световых волн с веществом. Методы оптики и ее достижения широко используются в различных областях научных исследований, технике и медицине.

Задачи и методы оптики. Элементная база оптических устройств

Важнейшие задачи оптики состоят во вскрытии закономерностей, определяющих взаимное влияние оптического излучения и среды распространения, в разработке методов управления характеристиками излучения, а также в поиске возможностей улучшения способов записи и передачи информации при помощи световых волн. При описании процессов взаимодействия света с веществом используются как квазиклассические, так и последовательные квантовые теоретические модели. Квазиклассическая модель предполагает, что световое поле описывается на основе уравнений Максвелла, а вещество – на основе квантово механических представлений. При использовании квантово механической модели энергия светового поля квантуется с использованием процедуры вторичного квантования.

За многие годы в оптике сложился свой специфический инструментарий, включающий парк приборов и набор методов для проведения оптических исследований. Для этого инструментария характерно формирование изображений предметов с помощью приборов, линейные размеры которых много больше длины волны, изучение спектрального состава излучения с помощью различных типов спектрографов и интерферометров, а также использование приёмников света, действие которых основано на его квантовых свойствах. В качестве источников излучения используются лампы накаливания, газоразрядные источники, светодиоды и разнообразные типы лазеров. В ряде случаев при проведении экспериментов применяется синхротронное излучение - электромагнитное излучение, испускаемое заряженными частицами, движущимися по искривлённым магнитным полем траекториям с релятивистскими скоростями. В качестве элементной базы оптических устройств используются сферические линзы, плоские и сферические зеркала, призмы, дифракционные решетки. Получили распространение также плоские дифракционные элементы, представляющие собой фазовые пластины определенной конфигурации, а также многослойные структуры. Развитию элементной базы новый импульс дала разработка адаптивных оптических устройств, характеристики которых могут меняться под действием управляющих сигналов. Наконец, среди новых весьма перспективных элементов следует отметить фотонные кристаллы и элементы на основе метаматериалов – веществ с отрицательным показателем преломления. В качестве носителей амплитудной и фазовой информации об отраженных от объекта световых волнах широко используются голограммы. С появлением быстродействующих компьютеров появилась возможность, используя цифровые методы, осуществлять в реальном масштабе времени регистрацию и обработку оптических изображений и сигналов.

История оптики

<Рис.1.>

Накопление данных наблюдений и их осмысление происходило на протяжении многих столетий. Еще 430 лет до н. э. школа Платона установила законы прямолинейного распространения и отражения света от зеркальных поверхностей. Закон прямолинейного распространения нашел свое отражение также в трудах Эвклида 300 лет до н. э., тогда как закон преломления света, можно полагать, был установлен Аристотелем 350 лет до н. э. Современную математическую формулировку этому закону дал Декарт в середине XVII века. Важный вклад в изучение природы света во второй половине XVII века внесли И. Ньютон и Х. Гюйгенс. И. Ньютон обнаружил, что с помощью призмы белый свет можно разложить на цветовые компоненты и для каждого чистого цвета существует свой показатель преломления. Х. Гюйгенс разработал подход к описанию волновых свойств света и сформулировал принцип, теперь носящий его имя. Согласно этому принципу каждую точку, до которой дошло световое возмущение, можно рассматривать в качестве источника вторичных волн. В дальнейшем О. Френель дополнил принцип Гюйгенса принципом интерференции вторичных волн, что позволило объяснить явления дифракции и интерференции света. Значительным шагом в развитии волновой теории света явились сформулированные Д.К. Максвеллом во второй половине XIX в. уравнения, позволившие корректно с математической точки зрения рассматривать свет в виде электромагнитных волн.

Сильное влияние на существующие представления о свойствах света оказала квантовая теория. Принимая во внимание ее постулаты, в 1905 г. А Эйнштейн пришел к выводу, что свет обладает двойственной природой. Его можно рассматривать как в форме электромагнитной волны, так и в виде потока световых квантов – фотонов. Корпускулярная фотонная модель оптического излучения позволила А. Эйнштейну исчерпывающим образом объяснить явление фотоэффекта, который В 1888–1890 годах был подробно изучен русским физиком А.Г. Столетовым. В том же 1905 году, обобщая результаты измерений скорости света в различных условиях, А Эйнштейн разработал специальную теорию относительности, согласно одному из постулатов которой скорость света не зависит от скорости движения источника и одинакова во всех инерциальных системах отсчёта. В 1917 г. А. Эйнштейн, используя квантовую модель, сформулировал концепцию спонтанного и вынужденного излучения света атомными системами. Эта концепция позволила дать интерпретацию многим эффектам взаимодействия оптического излучения с веществом и через некоторое время приступить к созданию разнообразных типов лазеров. В 1964 г. за работы в области физики лазеров Нобелевскую премию по физике получили американский ученый Ч.Х. Таунс и советские физики А.Г. Басов и А.М. Прохоров. Появление лазеров ознаменовало наступление новой эры в оптике, характеризующейся интенсификацией исследований в рамках традиционных разделов оптики и формированием принципиально новых направлений научных исследований и прикладных разработок.

Структура оптики

По традиции оптику принято подразделять на геометрическую, физическую и физиологическую.

Геометрическая оптика, оставляя 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 (Рис.2). Методы геометрической оптики позволяют изучить условия формирования оптического изображения объекта как совокупности изображений отдельных 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 и т.п.). Наибольшее значение геометрическая оптика 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, получившее название вычислительной оптики.

Физическая оптика рассматривает проблемы, связанные с природой света и световых явлений. В круг вопросов, рассматриваемых физической оптикой, входят: всестороннее изучение природы света, его волновых и квантовых свойств, законов распространения в изотропных и анизотропных средах, взаимодействие света с веществом, которое проявляется в процессах излучения, поглощения и рассеяния.

Физиологическая оптика – междисциплинарная наука о зрительном восприятии света глазом. Она объединяет сведения по биофизике, биохимии и психологии зрительного восприятии.

В рамках каждого из указанных разделов оптики можно провести дополнительное структурирование научных исследований. Так, внутри физической оптики принято выделять классическую волновую оптику, на базе которой описываются явления интерференции (Рис.3) и дифракции света (Рис.4). Классическая волновая оптика описывает свет в виде электромагнитных волн, малая интенсивность которых не приводит к изменению параметров среды распространения. Если же с увеличением интенсивности излучения изменяется показатель преломления и коэффициент поглощения среды, то соответствующие волновые оптические процессы принято рассматривать в рамках нелинейной оптики. Нелинейная оптика стала бурно развиваться с появлением лазеров (Рис.5). Именно с их помощью были открыты явления самофокусировки световых пучков, генерации гармоник излучения (Рис.6), параметрическое усиление света, а также целый ряд других явлений и эффектов.

Как раздел физической оптики, сформировалась квантовая оптика, занимающаяся изучением явлений, в которых проявляются квантовые свойства света. Некоторые области исследований, ведущиеся по квантовой оптике и относящиеся к генерации, управлению и обнаружению фотонов принято относить также к фотонике – к еще полностью не сформировавшемуся разделу оптики. Квантовая оптика во многом базируется на математическом аппарате и физических представлениях статистической оптики, изучающей оптические явления и процессы, для описания которых используются понятия теории вероятностей и математической статистики. Статистическая оптика включает большой круг проблем: изучение шумов и флуктуаций в источниках оптического излучения, исследование распространения световых волн в случайно неоднородных и турбулентных средах, статистические проблемы приёма и обработки информации в оптическом диапазоне длин волн и т. п. К квантовой оптике примыкает обширная область оптических исследований, в которой изучается люминесценция – излучение, возникающее за счет избыточной энергии при переходе в нормальное состояние вещества и продолжающееся в течение времени, значительно превышающего период световых колебаний. Люминесцентный анализ широко используется при исследовании структуры разнообразных веществ.

Другим мощным средством получения информации о веществе, значительно расширяющим инструментарий физической оптики, является оптическая спектроскопия. Регистрация при помощи спектральных приборов длин волн излучаемого и поглощаемого веществом света позволяет получать уникальную информацию о структуре атомов и молекул, а также в необходимых случаях их идентифицировать. Оптическая спектроскопия сильно повлияла на развитие физики в целом. В частности, квантовая механика была создана и подтверждена в значительной степени благодаря спектроскопическим исследованиям.

Внутри каждого раздела оптики сформировались достаточно автономные области исследований, которые имеют как фундаментальное, так и важное прикладное значение. К ним, в частности, можно отнести волоконную и интегральную оптику. Волоконная оптика изучает физические явления, возникающие и протекающие в оптических волокнах и использующиеся в волоконно-оптических устройствах. Помимо волоконных световодов, использующихся в системах связи (Рис.7), на основе волокон могут быть созданы лазеры, усилители разнообразные датчики и интерферометры. Интегральная оптика изучает процессы генерации, распространения и преобразования света в тонкоплёночных диэлектрических волноводах, а также разрабатывает принципы и методы создания на единой подложке (интеграции) оптических и оптоэлектронных волноводных устройств (лазеров, модуляторов, дефлекторов, переключателей и т. д.).

Другим примером интенсивно развивающегося научно-технического направления является становление нанооптики, в рамках которой исследуются оптические явления и технологии на нанометровом масштабе, то есть вблизи дифракционного предела света и даже ниже. Задачи нанооптики часто решаются с использованием средств ближнепольной оптики, объединившей микроскопию и методы анализа поверхности с субволновым (существенно меньшим длины волны) разрешением. Синтез оптических и зондовых методов в микроскопии, техники записи и считывания информации, нанолитографии и других областях техники позволяет реализовать разрешение, далеко превосходящее возможности традиционных оптических приборов.

Достижения и перспективы оптических исследований

Современное состояние оптики характеризуется целым рядом достижений в новых, активно развивающихся научных направлениях. К таким перспективным направлениям относится фемтосекундная нелинейная и квантовая оптика, которая охватывает широкий круг оптико-физических задач фундаментальной и прикладной направленности. К этому кругу относятся задачи формирования протяженных областей высокой концентрации энергии и плазменных каналов в мощных лазерных импульсах фемтосекундной длительности, генерации импульсов белого света, нелинейной оптики фотонных кристаллов, компрессии фемтосекундных импульсов, лазерного возбуждения внутриядерных переходов, нелинейной поляризационной оптики, нестационарных коллективных процессов в электронно-дырочных системах, неклассического состояния света, квантовой теории информации. Применение фемтосекундных световых импульсов позволило разработать новые методы диагностики в биологии и медицине (Рис.8) создать новые материалы с наноструктурированными свойствами, менять ход химических реакций.

Развитие нелинейной волоконной оптики привело к установлению целого ряда новых физических эффектов, связанных, в частности, с фазовой самомодуляцией и дисперсией групповых скоростей. Изучение этих эффектов позволило значительно улучшить характеристики линий волоконно-оптической связи, которые существенным образом потеснили другие виды передачи информации.

Успехи в решении обратных оптических задач, позволило разработать подходы к созданию дифракционных оптических элементов – фазовых пластинок, позволяющих в соответствии с задаваемым алгоритмом преобразовывать амплитудно-фазовый профиль световых пучков. Серьезные успехи достигнуты в создании высокочувствительных люминофоров и сцинтилляторов, которые нашли применение при регистрации потоков ионизирующего излучения. Можно ожидать, что к новым результатам прорывного характера приведет применение в оптических устройствах метаматериалов с отрицательным показателем преломления.

Достижения в развитии оптики лазеров позволили значительно повысить качество лазерных пучков, разработать эффективные методы управления режимами лазерной генерации, определить новые перспективы применения лазерных устройств (Рис. 9). Не исчерпаны еще возможности совершенствования методов лазерной спектроскопии. Успехи фотоники приведут к тому, что в различных областях науки и техники все чаще будут использоваться оптические устройства, работающие на принципе управления светом при помощи света. Важную роль в реализации актуальной для всего человечества программы энергосбережения сыграет создание и совершенствование светодиодов, которые станут наиболее распространенными источниками света.

Существуют и другие области оптических исследований и разработок, результаты которых позволяют рассчитывать на серьезный вклад в инновационный потенциал науки .

Рекомендуемая литература

Физическая энциклопедия. М.: БРЭ, 1994. С. 415–417.

Ахманов С.А., Выслоух В.А., Чиркин А.С. Оптика фемтосекундных лазерных импульсов. М.: 1988.

Ахманов С.А., Дьяков Ю.Е., Чиркин А.С. Введение в статистическую радиофизику и оптику. М.: Наука, 1981.

Ахманов С.А., Никитин С.Ю. Физическая оптика. М.: Издательство Московского университета, 1998.

Ахманов С.А., Сухоруков А.П., Хохлов Р.В.. Самофокусировка и дифракция света в нелинейной среде. УФН. 1967. В.9. Т.93. С.19–70.

Борн М., Вольф Э. Основы оптики. М.: Наука, 1970.

Вавилов С.И. Глаз и Солнце (О свете, Солнце и зрении). М.: Наука, 1976.

Гиббс X. Оптическая бистабильность, управление светом с помощью света. М., 1988.

Жданов Г.С., Либенсон М.Н., Марциновский Г.А. Ближнепольная оптика. СПб: СПбГУ ИТМО, 2007.

Клышко Д. Н. Физические основы квантовой электроники. М.: Наука, 1986.

Коротеев Н.И., Шумай И.Л. Физика мощного лазерного излучения. М.: Наука, 1991.

Летохов В.С., Чеботаев В.П. Нелинейная лазерная спектроскопия. М., 1989.

Методы компьютерной оптики. Под ред. В.А. Сойфера. М.: Физматлит, 2003.

 Михайлин В.В. Синхротронное излучение в спектроскопии. М.: Издательство Московского университета, 2007.

Новотный Л., Хехт Б. Основы нанооптики. М.: Физматлит, 2009.

Скалли М.О., Зубайри М.С. Квантовая оптика. М.: Физматлит, 2003.

Шен И.Р. Принципы нелинейной оптики. М.: Мир, 1989.

Эта статья еще не написана, но вы можете сделать это.