Оптика неоднородных сред. РЕАЛЬНАЯ ФИЗИКА. Глоссарий по физике

Оптика неоднородных сред - раздел физ. оптики, в к-ром изучаются явления, сопровождающие распространение оптического излучениям оптически неоднородных средах, показатель преломления п к-рых не постоянен, а зависит от координат. Характер явлений и методы их исследования существенно зависят от характера изменения п и масштаба неоднородностей по сравнению с длиной волны света

Оптич. неоднородностями являются поверхности или объёмы внутри среды, на (в) к-рых изменяется п. Независимо от физ. природы неоднородности она всегда отклоняет свет от его первонач. направления. На поверхностях, разделяющих среды с различными п, происходят отражение света и преломление света .В среде с непрерывно изменяющимся п, когда относит, изменение п на расстояниях, сравнимых с

очень мало (т. н. градиентиая среда), световой луч, задаваемый величиной gradS = ndr/dS в каждой точке волновой поверхности S(x,y, z), меняет направление в зависимости от неоднородностей пространства, что приводит к его искривлению (рефракции).
Кривизна луча при этом

и луч загибается в область с большим показателем п. Этим, в частности, объясняется явление миража (в пустыне поверхность земли очень нагрета, а показатель преломления воздуха зависит от его плотности). Лучи распространяются из пространства предметов в пространство изображений по нескольким разл. путям. Лучи, распространяющиеся под большим углом к горизонту, проходят больший геом. путь, однако часть пути они проходят в области с меньшим п, поэтому при правильно выбранном п можно уравнять оптическую длину пути и добиться условия фокусировки лучей. В градиентной оптич. среде ур-ние эйконала ,решение к-рого позволяет определить геом. волновые поверхности S(x, у, z) и ортогональные к этим поверхностям лучи r(х, y, z), имеет вид (gradS)² = n²(x,y,z).
Из этого ур-ния получается соотношение для траектории светового луча:

Ур-ние (*) допускает ряд частных решений, удовлетворяющих принципу "абсолютного прибора", т. е. оптич. системы, дающей стигматическое (резкое, без аберраций) изображение трёхмерного предмета.
Граданы. Простым примером абс. прибора можно считать сферич. граданы с распределением показателя преломления по радиусу

- линза Лунеберга и п(r) = п₀/[1 + (r/a)²] - "рыбий глаз" Максвелла. В первом случае неоднородная сфера собирает каждый падающий пучок параллельных лучей в единый фокус, во втором - отображение осуществляется преобразованием инверсии. Для аксиальной симметрии принципу абс. прибора удовлетворяет градан с распределением п(z), зависящим от формы сферич. поверхности. Этот градан эквивалентен по аберрациям асферич. линзе. При радиальной симметрии принципу абс. прибора удовлетворяет распределение п(r) = sech(gr). В этом случае неоднородная среда соответствует периодически фокусирующему волноводу с длиной периодичности

где

- постоянная распространения, R - радиус волновода,

п = n₀ - n(R) - перепад показателя преломления по сечению волновода. Радиальные граданы в виде ци-линдрич. отрезка с таким распределением п эквивалентны линзе, свободной от аберраций, фазовых и амплитудных искажений. Варьируя длину отрезка, можно менять фокусное расстояние и получать в одном элементе объектив и оборачивающую систему.
Применение аксиальных и радиальных граданов в фокусирующей оптике с повышенными требованиями к качеству изображения (в объективах фотоаппаратов, микроскопов и др.) позволяет сократить в 2 - 4 раза или свести к минимуму число оптич. элементов. Граданы используются в качестве фокусирующих элементов лазерных систем видеозаписи. При этом пятно, формируемое и считываемое граданом, имеет размеры порядка длины волны света (0,6 мкм). Блок граданов используется в малогабаритных копировальных аппаратах.
Сельфоки. К числу радиальных граданов, имеющих широкое распространение, относятся безоболочечные световоды, получившие коммерч. название "сельфоки". Они способны самостоятельно формировать и транслировать изображение без дополнит. средств. В них все возбуждаемые моды имеют равные скорости распространения. В практически реализованных сельфоках на основе кварцевого стекла с параболич. распределением показателя преломления вида п(r) = n₀(1 - g²r²/2) [что соответствует первым двум членам разложения sech(gr)] в диапазоне 1,26 - 1,32 мкм, где дисперсия стекла близка к нулю, скорость передачи информации на расстояние 1 км составляет 13,8 Гбит x км/с. Такие сельфоки, состоящие из одного световода, способны передавать изображение как целое с разрешающей способностью 500 лин/мм, с сохранением фазы, плоскости поляризации и малыми потерями (1 Дб/км). Длина сельфоков достигает 1 км при диам. 100 мкм. Кроме применения для дальней оптич. связи, сельфоки используются как согласующие элементы, элементы жёстких эндоскопов, оптич. наконечники волоконно-оптпч. фиброгас-троскопов и др. Градиентные поверхностные слои применяют также вместо многослойных интерференционных просветляющих и отражающих покрытий.
Заданный градиент показателя преломления в града-нах из стёкол получают под действием потока нейтронов (

п = 0,02) либо путём разл. модификаций ионного обмена, когда замена в матрице стёкол одних ионов на другие приводит к изменению её плотности и соответственно п (п = 0,04). Граданы из полимеров получают в результате обмена мономеров в частично заполимери-зов. матрице. Для них достигнуты максимальные

п = 0,1 при диам. 100 м. Возможно также получение граданов при направленном выращивании кристаллов с

п = 0,04 диам. до 20 мм. Кроме конденсиров. сред возможно использование в роли граданов газовых линз, возникающих при ламинарном течении газа через равномерно нагретые трубы. Градиентные среды возникают под действием мощного лазерного излучения и приводят к самофокусировке света.
На микронеоднородностях, показатели преломления к-рых отличаются от показателя преломления окружающей среды, происходит рассеяние света .Оптически неоднородными являются мутные среды; в них размеры оптич. неоднородностей обычно превышают длину световой волны

Если неоднородность среды вызвана присутствием в ней мелкодисперсных коллоидных частиц, размеры к-рых соизмеримы с

то среда кажется совершенно прозрачной; однако наблюдение под углом

90° к направлению падающего света обнаруживает свечение среды, обусловленное интенсивным рассеянием света (Тиндаля эффект ).Существенную роль в О. н. с. играет интерференция света между рассеянными, отражёнными и преломлёнными световыми волнами, а также падающей волной.
К неоднородным средам относятся также вещества без инородных включений, в к-рых изменения п в большом числе микрообъёмов, приводящие к рассеянию света, вызваны флуктуациями плотности среды в результате хаотич. теплового движения её молекул или турбулентностью среды. Интенсивность I света, рассеиваемого непоглощающими диэлектрич. частицами, пропорциональна

где р - параметр, зависящий от отношения размеров частиц к

При рассеянии света на тепловых флуктуациях, размеры к-рых много меньше

I ~

(Рэлея закон). Для частиц, размеры к-рых много больше

параметр р близок к нулю и рассеяние определяется геом. эффектами преломления света на поверхностях раздела объёмов. В этом случае I не зависит от

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 и ультрамикроскопии (см. Ультрамикроскоп ),позволяющие определять концентрацию неоднородностей и изучать их природу (а в нефелометрии - и их размеры).
Особый раздел О. н. с. составляет оптика тонких слоев.

Литература по оптике неоднородных сред

Знаете ли Вы, что низкочастотные электромагнитные волны частотой менее 100 КГц коренным образом отличаются от более высоких частот падением скорости электромагнитных волн пропорционально корню квадратному их частоты от 300 тысяч кмилометров в секунду при 100 кГц до примерно 7 тыс км/с при 50 Гц.