المستخدمة في ما يسمى الألياف البصرية. الألياف الضوئية هي فرع من فروع البصريات التي تتعامل مع انتقال إشعاع الضوء من خلال أدلة ضوء الألياف البصرية. أدلة ضوء الألياف الضوئية هي عبارة عن نظام من الألياف الشفافة الفردية المجمعة في حزم (حزم). ينعكس الضوء ، الذي يدخل إلى ألياف شفافة محاطة بمادة ذات معامل انكسار منخفض ، عدة مرات وينتشر على طول الألياف (انظر الشكل 5.3).

1) في الطب والتشخيص البيطري ، تُستخدم أدلة الإضاءة بشكل أساسي لإضاءة التجاويف الداخلية ونقل الصور.

أحد الأمثلة على استخدام الألياف البصرية في الطب المنظار- جهاز خاص لفحص التجاويف الداخلية (المعدة ، المستقيم ، إلخ). أحد أنواع هذه الأجهزة هو الألياف منظار المعدة. بمساعدتها ، لا يمكنك فحص المعدة بصريًا فحسب ، بل يمكنك أيضًا التقاط الصور اللازمة لغرض التشخيص.

2) بمساعدة موجهات الضوء ، ينتقل إشعاع الليزر أيضًا إلى الأعضاء الداخلية لغرض التأثير العلاجي على الأورام.

3) وجدت الألياف البصرية تطبيقًا واسعًا في التكنولوجيا. فيما يتعلق بالتطور السريع لأنظمة المعلومات في السنوات الأخيرة ، هناك حاجة إلى نقل عالي الجودة وسريع للمعلومات من خلال قنوات الاتصال. لهذا الغرض ، يتم استخدام إرسال الإشارات على طول حزمة الليزر التي تنتشر من خلال أدلة ضوء الألياف البصرية.

خصائص موجة الضوء

التشوش SVETA.

التشوش- من ألمع مظاهر الطبيعة الموجية للضوء. تُلاحظ هذه الظاهرة الممتعة والجميلة في ظل ظروف معينة عندما يتم فرض شعاعين ضوئيين أو أكثر. نواجه ظواهر التداخل في كثير من الأحيان: ألوان بقع الزيت على الأسفلت ، ولون ألواح النوافذ المتجمدة ، وأنماط الألوان الغريبة على أجنحة بعض الفراشات والخنافس - كل هذا مظهر من مظاهر تداخل الضوء.

تداخل الضوء- إضافة في مساحة اثنين أو أكثر متماسكموجات الضوء ، والتي تظهر في نقاطها المختلفة تضخيم أو توهين السعةالموجة الناتجة.

منطق.

منطقيسمى التدفق المنسق في الزمان والمكان لعدة عمليات تذبذبية أو موجية ، أي موجات بنفس التردد وفرق الطور الثابت الزمني.

موجات أحادية اللون (موجات ذات طول موجي واحد ) - متماسكة.

لأن مصادر حقيقيةلا تعطي ضوءًا أحادي اللون تمامًا ، ثم الموجات المنبعثة من أي مصدر ضوئي مستقل دائما غير متماسك. في المصدر ، ينبعث الضوء من الذرات ، كل منها تبعث الضوء فقط لمدة ≈ 10 -8 s. فقط خلال هذا الوقت ، يكون للموجات المنبعثة من الذرة سعة ثابتة وطور من التذبذبات. لكن كن متماسكًايمكن تقسيم الموجات عن طريق تقسيم شعاع الضوء المنبعث من مصدر واحد إلى موجتين ضوئيتين وبعد المرور عبر مسارات مختلفة ، أعد توصيلهما. ثم سيتم تحديد فرق الطور من خلال اختلاف مسار الموجة: في دائم فرق طور فرق السكتة الدماغيةسيتم أيضا دائم .

حالة الحد الأقصى للتدخل :

لو فرق المسار البصري ∆في الفراغ عدد زوجي من نصف الموجات أو (عدد صحيح من الأطوال الموجية)

(4.5)

ثم ستحدث التذبذبات المستثارة عند النقطة M. في نفس المرحلة.

حالة الحد الأدنى للتدخل.

لو فرق المسار البصري ∆مساوي ل عدد فردي من نصف الموجات

(4.6)

الذي - التي وستحدث اهتزازات عند النقطة M. خارج المرحلة.

مثال نموذجي وشائع لتداخل الضوء هو فيلم صابون

تطبيق التدخل -طلاء البصريات: ينعكس جزء من الضوء المار عبر العدسة (حتى 50٪ في الأنظمة البصرية المعقدة). يتمثل جوهر طريقة منع الانعكاس في أن أسطح الأنظمة الضوئية مغطاة بأغشية رقيقة تخلق ظاهرة التداخل. سماكة الفيلم d = l / 4 من الضوء الساقط ، ثم يكون للضوء المنعكس اختلاف في المسار ، والذي يتوافق مع الحد الأدنى من التداخل

انحراف الضوء

الانحرافمُسَمًّى موجة الانحناء حول العقبات ،في طريقهم ، أو بمعنى أوسع - أي انحراف عن انتشار الموجةبالقرب من العقبات من مستقيم.

تعتمد إمكانية مراقبة الانعراج على نسبة الطول الموجي للضوء وحجم العوائق (عدم التجانس)

الانحراف فراونهوفر على محزوز حيود.

محزوز الحيود أحادي البعد - نظام من الفتحات المتوازية ذات العرض المتساوي ، مستلقية في نفس المستوى ومفصولة بفجوات معتمة متساوية العرض.

نمط الحيود الكليهي نتيجة التداخل المتبادل للموجات القادمة من جميع الفتحات - في محزوز الحيود ، يحدث تداخل متعدد الحزم من أشعة الضوء المنعرجة المتماسكة القادمة من جميع الشقوق.

لو أ - العرضكل صدع (MN); ب - عرض المناطق المعتمةبين الشقوق (NC)ثم القيمة د = أ +  بمُسَمًّى ثابت (فترة) محزوز الحيود.

حيث N 0 هو عدد الفتحات لكل وحدة طول.

فرق المسار ∆ للحزم (1-2) و (3-4) يساوي СF

1. .شرط الحد الأدنىإذا كان فرق المسار CF = (2n + 1) l / 2- يساوي عددًا فرديًا من نصف الأطوال الموجية ، ثم تمر تذبذبات الأشعة 1-2 و 3-4 في الطور المضاد ، ويلغي كل منهما الآخر إضاءة:

ن = 1،2،3،4 … (4.8)

يخضع انتشار الموجات الكهرومغناطيسية في مختلف الوسائط لقوانين الانعكاس والانكسار. من هذه القوانين ، في ظل ظروف معينة ، يتبع تأثير مثير للاهتمام ، والذي يسمى في الفيزياء الانعكاس الداخلي الكلي للضوء. دعونا نلقي نظرة فاحصة على ماهية هذا التأثير.

الانعكاس والانكسار

قبل الشروع مباشرة في النظر في الانعكاس الكلي الداخلي للضوء ، من الضروري تقديم شرح لعمليات الانعكاس والانكسار.

يُفهم الانعكاس على أنه تغيير في اتجاه حركة شعاع ضوئي في نفس الوسط عندما يواجه واجهة. على سبيل المثال ، إذا قمت بالتوجيه من مؤشر ليزر إلى مرآة ، فيمكنك ملاحظة التأثير الموصوف.

الانكسار ، مثل الانعكاس ، هو تغيير في اتجاه حركة الضوء ، ولكن ليس في الوسط الأول ، ولكن في الوسط الثاني. ستكون نتيجة هذه الظاهرة تشويهًا لمخططات الأشياء وترتيبها المكاني. من الأمثلة الشائعة على الانكسار كسر قلم رصاص أو قلم إذا تم وضعه في كوب من الماء.

الانكسار والانعكاس مرتبطان ببعضهما البعض. هم دائمًا موجودون معًا تقريبًا: ينعكس جزء من طاقة الحزمة ، وينكسر الجزء الآخر.

كلتا الظاهرتين هما نتيجة تطبيق مبدأ فيرما. يدعي أن الضوء ينتقل على طول مسار بين نقطتين ستأخذانه في أقل وقت ممكن.

نظرًا لأن الانعكاس هو تأثير يحدث في وسيط واحد ، ويحدث الانكسار في وسيطين ، فمن المهم بالنسبة للأخير أن تكون كلتا الوسيطتين شفافتين للموجات الكهرومغناطيسية.

مفهوم معامل الانكسار

معامل الانكسار هو كمية مهمة للوصف الرياضي للظواهر قيد الدراسة. يتم تحديد معامل الانكسار لوسط معين على النحو التالي:

حيث c و v هما سرعتا الضوء في الفراغ والمادة ، على التوالي. دائمًا ما تكون قيمة v أقل من c ، لذا فإن الأس n سيكون أكبر من واحد. يُظهر المعامل عديم الأبعاد n مقدار الضوء في مادة (وسط) سوف يتخلف عن الضوء في الفراغ. الفرق بين هذه السرعات يؤدي إلى ظهور ظاهرة الانكسار.

ترتبط سرعة الضوء في المادة بكثافة المادة الأخيرة. كلما كان الوسط أكثر كثافة ، كان من الصعب على الضوء أن يتحرك فيه. على سبيل المثال ، بالنسبة للهواء n = 1.00029 ، أي تقريبًا مثل الفراغ ، بالنسبة للماء n = 1.333.

تأملات وانكسار وقوانينها

من الأمثلة الصارخة على نتيجة الانعكاس الكلي الأسطح اللامعة للماس. يبلغ معامل الانكسار للماس 2.43 ، لذا فإن العديد من أشعة الضوء التي تصطدم بجوهرة تتعرض لانعكاسات إجمالية متعددة قبل مغادرتها.

مشكلة تحديد الزاوية الحرجة θc للماس

لنفكر في مشكلة بسيطة ، حيث سنعرض كيفية استخدام الصيغ أعلاه. من الضروري حساب مقدار تغير الزاوية الحرجة للانعكاس الكلي إذا تم وضع الماس من الهواء إلى الماء.

بعد البحث في الجدول عن قيم مؤشرات الانكسار للوسائط المشار إليها ، نكتبها:

• للهواء: ن 1 = 1.00029 ؛
• للمياه: ن 2 = 1.333 ؛
• للماس: ن 3 = 2.43.

الزاوية الحرجة لزوج الماس والهواء هي:

θ c1 \ u003d arcsin (n 1 / n 3) \ u003d arcsin (1.00029 / 2.43) ≈ 24.31 o.

كما ترى ، الزاوية الحرجة لهذا الزوج من الوسائط صغيرة جدًا ، أي أن هذه الأشعة فقط هي التي يمكنها ترك الماس في الهواء والذي سيكون أقرب إلى المعدل الطبيعي من 24.31 درجة.

بالنسبة لحالة الماس في الماء ، نحصل على:

θ c2 \ u003d arcsin (n 2 / n 3) \ u003d arcsin (1.333 / 2.43) ≈ 33.27 o.

كانت الزيادة في الزاوية الحرجة:

Δθ ج \ u003d θ c2 - θ c1 ≈ 33.27 o - 24.31 o \ u003d 8.96 o.

تؤدي هذه الزيادة الطفيفة في الزاوية الحرجة للانعكاس الكلي للضوء في الماس إلى حقيقة أنه يتلألأ في الماء تقريبًا كما هو الحال في الهواء.

أولا ، دعونا نتخيل قليلا. تخيل يومًا صيفيًا حارًا قبل الميلاد ، رجل بدائي يصطاد السمك بحربة. لقد لاحظ موقعها وأهدافها وضرباتها لسبب ما ليس على الإطلاق حيث كانت السمكة مرئية. مٌفتَقد؟ لا ، الصياد لديه الفريسة في يديه! الشيء هو أن أسلافنا فهم بشكل حدسي الموضوع الذي سوف ندرسه الآن. في الحياة اليومية ، نرى أن ملعقة مغموسة في كوب من الماء تبدو ملتوية ، وعندما ننظر من خلال جرة زجاجية ، تبدو الأشياء ملتوية. سننظر في كل هذه الأسئلة في الدرس ، وموضوعه: "انكسار الضوء. قانون انكسار الضوء. انعكاس داخلي كامل.

تحدثنا في دروس سابقة عن مصير الشعاع في حالتين: ماذا يحدث لو انتشر شعاع من الضوء في وسط متجانس بشكل شفاف؟ الإجابة الصحيحة هي أنها ستنتشر في خط مستقيم. وماذا سيحدث عندما يسقط شعاع من الضوء على الواجهة بين وسيطين؟ في الدرس الأخير تحدثنا عن الشعاع المنعكس ، سننظر اليوم في ذلك الجزء من شعاع الضوء الذي يمتصه الوسط.

ماذا سيكون مصير الشعاع الذي اخترق من الوسيط الأول الشفاف بصريًا إلى الوسط الثاني الشفاف بصريًا؟

أرز. 1. انكسار الضوء

إذا وقع شعاع على الواجهة بين وسيطين شفافين ، فإن جزء من الطاقة الضوئية يعود إلى الوسيط الأول ، مكونًا شعاعًا منعكسًا ، بينما يمر الجزء الآخر إلى الداخل إلى الوسيط الثاني ، وكقاعدة عامة ، يغير اتجاهه.

يسمى التغيير في اتجاه انتشار الضوء في حالة مروره عبر الواجهة بين وسيطين انكسار الضوء(رسم بياني 1).

أرز. 2. زوايا الوقوع والانكسار والانعكاس

في الشكل 2 نرى شعاعًا ساقطًا ، سيتم الإشارة إلى زاوية السقوط بواسطة α. الشعاع الذي سيحدد اتجاه شعاع الضوء المنكسر سيطلق عليه الشعاع المنكسر. الزاوية بين العمود العمودي للواجهة بين الوسائط ، المستعادة من نقطة السقوط ، والشعاع المنكسر تسمى زاوية الانكسار ، في الشكل هذه هي الزاوية γ. لإكمال الصورة ، نعطي أيضًا صورة للشعاع المنعكس ، وبالتالي زاوية الانعكاس β. ما العلاقة بين زاوية السقوط وزاوية الانكسار ، هل من الممكن التنبؤ بمعرفة زاوية السقوط ومن أي وسيط مرت منه الشعاع ، وما هي زاوية الانكسار؟ اتضح أنك تستطيع!

نحصل على قانون يصف من الناحية الكمية العلاقة بين زاوية السقوط وزاوية الانكسار. دعونا نستخدم مبدأ Huygens ، الذي ينظم انتشار الموجة في الوسط. يتكون القانون من جزأين.

يقع الشعاع الساقط والشعاع المنكسر والعمودي المستعاد إلى نقطة السقوط في نفس المستوى.

إن نسبة جيب الزاوية لزاوية السقوط إلى جيب الزاوية لزاوية الانكسار هي قيمة ثابتة لوسائط معينة وتساوي نسبة سرعات الضوء في هذه الوسائط.

يسمى هذا القانون قانون سنيل ، على اسم العالم الهولندي الذي صاغه لأول مرة. سبب الانكسار هو الاختلاف في سرعات الضوء في الوسائط المختلفة. يمكنك التحقق من صحة قانون الانكسار عن طريق توجيه حزمة من الضوء بشكل تجريبي بزوايا مختلفة للواجهة بين وسيطين وقياس زوايا الوقوع والانكسار. إذا غيرنا هذه الزوايا ، وقمنا بقياس الجيب ووجدنا نسب الجيب في هذه الزوايا ، سنقتنع بأن قانون الانكسار صحيح بالفعل.

الدليل على قانون الانكسار باستخدام مبدأ Huygens هو تأكيد آخر لطبيعة موجة الضوء.

يوضح معامل الانكسار النسبي n 21 عدد المرات التي تختلف فيها سرعة الضوء V 1 في الوسيط الأول عن سرعة الضوء V 2 في الوسط الثاني.

يُعد معامل الانكسار النسبي دليلًا واضحًا على حقيقة أن سبب التغيير في اتجاه الضوء عند الانتقال من وسيط إلى آخر هو اختلاف سرعة الضوء في الوسطين. غالبًا ما يستخدم مصطلح "الكثافة الضوئية للوسط" لوصف الخصائص البصرية للوسط (الشكل 3).

أرز. 3. الكثافة البصرية للوسيط (α> γ)

إذا مرت الشعاع من وسيط بسرعة أعلى للضوء إلى وسيط بسرعة أقل للضوء ، ثم ، كما يتضح من الشكل 3 وقانون انكسار الضوء ، فسيتم ضغطه مقابل العمود العمودي ، أي ، زاوية الانكسار أقل من زاوية السقوط. في هذه الحالة ، يُقال إن الحزمة قد انتقلت من وسط ضوئي أقل كثافة إلى وسط أكثر كثافة بصريًا. مثال: من الهواء إلى الماء ؛ من الماء إلى الزجاج.

الوضع العكسي ممكن أيضًا: سرعة الضوء في الوسيط الأول أقل من سرعة الضوء في الوسط الثاني (الشكل 4).

أرز. 4. الكثافة البصرية للوسيط (α< γ)

بعد ذلك ستكون زاوية الانكسار أكبر من زاوية السقوط ، ويقال إن هذا الانتقال يتم من وسط كثيف بصريًا إلى وسط أقل كثافة بصريًا (من الزجاج إلى الماء).

يمكن أن تختلف الكثافة البصرية لوسيطتين اختلافًا كبيرًا ، لذا يصبح الوضع الموضح في الصورة (الشكل 5) ممكنًا:

أرز. 5. الفرق بين الكثافة الضوئية للوسائط

انتبه إلى كيفية إزاحة الرأس بالنسبة إلى الجسم ، الموجود في السائل ، في وسط ذي كثافة بصرية أعلى.

ومع ذلك ، فإن معامل الانكسار النسبي ليس دائمًا خاصية مناسبة للعمل ، لأنه يعتمد على سرعات الضوء في الوسيط الأول والثاني ، ولكن يمكن أن يكون هناك الكثير من هذه المجموعات والتوليفات من وسيطين (ماء - هواء ، زجاج - الماس ، الجلسرين - الكحول ، الزجاج - الماء وهلم جرا). ستكون الجداول مرهقة للغاية ، وسيكون من غير الملائم العمل ، ثم قدمت بيئة واحدة مطلقة ، مقارنة بسرعة الضوء في البيئات الأخرى. تم اختيار الفراغ على أنه المطلق وتمت مقارنة سرعات الضوء مع سرعة الضوء في الفراغ.

معامل الانكسار المطلق للوسط n- هذه قيمة تميز الكثافة الضوئية للوسط وتساوي نسبة سرعة الضوء معفي الفراغ إلى سرعة الضوء في وسط معين.

يعتبر معامل الانكسار المطلق أكثر ملاءمة للعمل ، لأننا نعرف دائمًا سرعة الضوء في الفراغ ، فهي تساوي 3 · 10 8 m / s وهو ثابت فيزيائي عام.

يعتمد معامل الانكسار المطلق على المعلمات الخارجية: درجة الحرارة ، والكثافة ، وأيضًا على الطول الموجي للضوء ، لذلك تشير الجداول عادةً إلى متوسط ​​معامل الانكسار لنطاق طول موجي معين. إذا قارنا مؤشرات الانكسار للهواء والماء والزجاج (الشكل 6) ، فسنلاحظ أن معامل الانكسار للهواء قريب من الوحدة ، لذلك سنأخذها كوحدة عند حل المشكلات.

أرز. 6. جدول مؤشرات الانكسار المطلق لوسائط مختلفة

من السهل الحصول على العلاقة بين معامل الانكسار المطلق والنسبي للوسائط.

معامل الانكسار النسبي ، أي الحزمة التي تمر من متوسط ​​واحد إلى متوسط ​​اثنين ، يساوي نسبة معامل الانكسار المطلق في الوسط الثاني إلى معامل الانكسار المطلق في الوسيط الأول.

على سبيل المثال: = ≈ 1,16

إذا كانت مؤشرات الانكسار المطلقة للوسيطتين متماثلة تقريبًا ، فهذا يعني أن معامل الانكسار النسبي عند المرور من وسيط إلى آخر سيكون مساويًا لواحد ، أي لن ينكسر شعاع الضوء فعليًا. على سبيل المثال ، عند الانتقال من زيت اليانسون إلى الأحجار الكريمة ، لن ينحرف البريل عمليًا عن الضوء ، أي أنه سيتصرف كما يفعل عند المرور عبر زيت اليانسون ، نظرًا لأن معامل انكساره هو 1.56 و 1.57 ، على التوالي ، لذلك يمكن أن يكون الحجر الكريم كيف تختبئ في سائل ، فهي ببساطة لن تكون مرئية.

إذا صببت الماء في كوب شفاف ونظرت من خلال جدار الزجاج إلى الضوء ، فسنرى لمعانًا فضيًا للسطح بسبب ظاهرة الانعكاس الداخلي الكلي ، والتي ستتم مناقشتها الآن. عندما يمر شعاع ضوئي من وسط بصري أكثر كثافة إلى وسط ضوئي أقل كثافة ، يمكن ملاحظة تأثير مثير للاهتمام. من أجل التحديد ، سنفترض أن الضوء ينتقل من الماء إلى الهواء. لنفترض أن هناك مصدر نقطة للضوء S في عمق الخزان ، ينبعث منه أشعة في جميع الاتجاهات. على سبيل المثال ، يضيء الغطاس مصباحًا يدويًا.

الشعاع SO 1 يقع على سطح الماء عند أصغر زاوية ، وينكسر هذا الشعاع جزئيًا - الشعاع O 1 A 1 وينعكس جزئياً مرة أخرى في الماء - الحزمة O 1 B 1. وبالتالي ، يتم نقل جزء من طاقة الحزمة الساقطة إلى الحزمة المنكسرة ، ويتم نقل الجزء المتبقي من الطاقة إلى الحزمة المنعكسة.

أرز. 7. مجموع الانعكاس الداخلي

شعاع SO 2 ، الذي تكون زاوية وقوعه أكبر ، ينقسم أيضًا إلى حزمتين: منكسرة ومنعكسة ، لكن طاقة الحزمة الأصلية موزعة بينهما بطريقة مختلفة: الشعاع المنكسر O 2 A 2 سيكون أغمق من الحزمة O 1 A 1 ، أي أنها ستتلقى جزءًا أصغر من الطاقة ، وستكون الحزمة المنعكسة O 2 V 2 ، على التوالي ، أكثر إشراقًا من الشعاع O 1 V 1 ، أي أنها ستتلقى حصة أكبر من طاقة. مع زيادة زاوية السقوط ، يتم تتبع نفس الانتظام - حصة متزايدة من طاقة الحزمة الساقطة تذهب إلى الحزمة المنعكسة وحصة أصغر من الشعاع المنكسر. تصبح الحزمة المنكسرة باهتة وتختفي تمامًا في مرحلة ما ، ويحدث هذا الاختفاء عند الوصول إلى زاوية السقوط ، والتي تقابل زاوية انكسار قدرها 90 0. في هذه الحالة ، يجب أن تكون الحزمة المنكسرة OA موازية لسطح الماء ، ولكن لا يوجد شيء يذهب إليه - كل طاقة الحزمة الساقطة SO تذهب بالكامل إلى الحزمة المنعكسة OB. بطبيعة الحال ، مع زيادة أخرى في زاوية السقوط ، فإن الحزمة المنكسرة سوف تكون غائبة. الظاهرة الموصوفة هي انعكاس داخلي كامل ، أي أن الوسط البصري الأكثر كثافة عند الزوايا المدروسة لا يصدر أشعة من نفسه ، بل تنعكس جميعها بداخله. تسمى الزاوية التي تحدث فيها هذه الظاهرة الحد من زاوية الانعكاس الداخلي الكلي.

من السهل العثور على قيمة زاوية التحديد من قانون الانكسار:

= => = قوسين ، للمياه ≈ 49 0

التطبيق الأكثر إثارة للاهتمام وشعبية لظاهرة الانعكاس الداخلي الكلي هو ما يسمى بأدلة الموجات ، أو الألياف البصرية. هذه هي بالضبط طريقة الإشارات التي تستخدمها شركات الاتصالات الحديثة على الإنترنت.

لقد حصلنا على قانون انكسار الضوء ، وقدمنا ​​مفهومًا جديدًا - مؤشرات الانكسار النسبية والمطلقة ، كما اكتشفنا ظاهرة الانعكاس الداخلي الكلي وتطبيقاتها ، مثل الألياف البصرية. يمكنك دمج المعرفة من خلال فحص الاختبارات وأجهزة المحاكاة ذات الصلة في قسم الدرس.

دعنا نحصل على دليل على قانون انكسار الضوء باستخدام مبدأ Huygens. من المهم أن نفهم أن سبب الانكسار هو الاختلاف في سرعات الضوء في وسيطين مختلفين. دعونا نشير إلى سرعة الضوء في الوسيط الأول V 1 ، وفي الوسط الثاني - V 2 (الشكل 8).

أرز. 8. إثبات قانون انكسار الضوء

دع موجة ضوئية مستوية تسقط على واجهة مسطحة بين وسيطين ، على سبيل المثال ، من الهواء إلى الماء. سطح الموجة AC عمودي على الأشعة ، وتصل الواجهة بين الوسائط MN أولاً إلى الحزمة ، وتصل الحزمة إلى نفس السطح بعد فترة زمنية ∆t ، والتي ستكون مساوية للمسار SW مقسومًا على سرعة الضوء في الوسيط الأول.

لذلك ، في اللحظة التي تبدأ فيها الموجة الثانوية عند النقطة B في الإثارة فقط ، فإن الموجة من النقطة A لديها بالفعل شكل نصف كروي بنصف قطر AD ، والذي يساوي سرعة الضوء في الوسط الثاني بمقدار t: AD = ∆t ، أي مبدأ Huygens في العمل البصري. يمكن الحصول على سطح الموجة لموجة منكسرة عن طريق رسم ظل سطحي لجميع الموجات الثانوية في الوسط الثاني ، والتي تقع مراكزها على السطح البيني بين الوسائط ، وفي هذه الحالة يكون المستوى BD ، وهو غلاف لـ الموجات الثانوية. زاوية السقوط α للشعاع تساوي الزاوية CAB في المثلث ABC ، ​​جوانب إحدى هذه الزوايا متعامدة على جانبي الأخرى. لذلك ، ستساوي SW سرعة الضوء في الوسيط الأول بمقدار t

CB = ∆t = AB sin α

بدورها ، ستكون زاوية الانكسار مساوية للزاوية ABD في المثلث ABD ، لذلك:

AD = ∆t = AB sin γ

بقسمة تعبيرات المصطلح على المصطلح ، نحصل على:

n هي قيمة ثابتة لا تعتمد على زاوية السقوط.

لقد حصلنا على قانون انكسار الضوء ، وجيب زاوية السقوط لجيب زاوية الانكسار هو قيمة ثابتة للوسيطين المعينين وتساوي نسبة سرعات الضوء في الوسيطين المعينين.

توجد إناء مكعبة ذات جدران غير شفافة بحيث لا ترى عين المراقب قاعها ، ولكنها ترى جدار الوعاء المضغوط تمامًا. ما هي كمية الماء التي يجب سكبها في الإناء حتى يتمكن المراقب من رؤية الجسم F الموجود على مسافة b = 10 سم من الزاوية D؟ حافة السفينة α = 40 سم (الشكل 9).

ما هو المهم جدا في حل هذه المشكلة؟ خمن أنه بما أن العين لا ترى قاع الإناء ، لكنها ترى أقصى نقطة من الجدار الجانبي ، وأن الوعاء عبارة عن مكعب ، فإن زاوية سقوط الشعاع على سطح الماء عندما نسكبه سوف تكون مساوية لـ 45 0.

أرز. 9. مهمة الامتحان

يسقط الشعاع إلى النقطة F ، مما يعني أننا نرى الجسم بوضوح ، ويوضح الخط المنقط الأسود مسار الشعاع إذا لم يكن هناك ماء ، أي للنقطة D. من المثلث NFC ، ظل الزاوية β ، مماس زاوية الانكسار ، هو نسبة الضلع المقابلة إلى المجاورة ، أو ، بناءً على الشكل ، h ناقص b مقسومًا على h.

tg β = = ، h هو ارتفاع السائل الذي سكبهنا ؛

تُستخدم أكثر ظاهرة الانعكاس الداخلي الكلي كثافة في أنظمة الألياف البصرية.

أرز. 10. الألياف الضوئية

إذا تم توجيه شعاع من الضوء إلى نهاية أنبوب زجاجي صلب ، فبعد الانعكاس الداخلي الكلي المتعدد ، ستظهر الحزمة من الجانب المقابل للأنبوب. اتضح أن الأنبوب الزجاجي هو موصل لموجة ضوئية أو دليل موجي. سيحدث هذا سواء كان الأنبوب مستقيمًا أو منحنيًا (الشكل 10). تم استخدام أدلة الإضاءة الأولى ، وهذا هو الاسم الثاني لموجهات الموجات ، لإضاءة الأماكن التي يصعب الوصول إليها (أثناء البحث الطبي ، عندما يتم توفير الضوء إلى أحد طرفي دليل الضوء ، ويضيء الطرف الآخر المكان الصحيح) . التطبيق الرئيسي هو الطب ، وتنظير عيوب المحركات ، ومع ذلك ، فإن مثل هذه الأدلة الموجية تستخدم على نطاق واسع في أنظمة نقل المعلومات. التردد الحامل لموجة ضوئية هو مليون مرة تردد إشارة الراديو ، مما يعني أن كمية المعلومات التي يمكننا نقلها باستخدام موجة ضوئية أكبر بملايين المرات من كمية المعلومات التي ترسلها موجات الراديو. هذه فرصة رائعة لنقل كمية هائلة من المعلومات بطريقة بسيطة وغير مكلفة. كقاعدة عامة ، يتم نقل المعلومات عبر كابل ليفي باستخدام إشعاع الليزر. لا غنى عن الألياف الضوئية من أجل النقل السريع والعالي الجودة لإشارة الكمبيوتر التي تحتوي على كمية كبيرة من المعلومات المرسلة. وفي قلب كل هذا تكمن ظاهرة بسيطة وشائعة مثل انكسار الضوء.

فهرس

1. تيخوميروفا إس إيه ، يافورسكي بي إم. الفيزياء (المستوى الأساسي) - M: Mnemozina، 2012.
2. جيندينشتاين إل إي ، ديك يو. الصف العاشر في الفيزياء. - م: Mnemosyne ، 2014.
3. كيكوين آي كيه ، كيكوين إيه كيه. فيزياء - 9 ، موسكو ، تعليم ، 1990.

1. edu.glavsprav.ru ().
2. Nvtc.ee ().
3. Raal100.narod.ru ().
4. Optika.ucoz.ru ().

العمل في المنزل

1. حدد انكسار الضوء.
2. قم بتسمية سبب انكسار الضوء.
3. قم بتسمية التطبيقات الأكثر شيوعًا للتأمل الداخلي الكلي.

المحاضرة 23 البصريات الهندسية

المحاضرة 23 البصريات الهندسية

1. قوانين انعكاس وانكسار الضوء.

2. الانعكاس الداخلي الكلي. الألياف البصرية.

3. العدسات. القوة البصرية للعدسة.

4. انحرافات العدسة.

5. المفاهيم والصيغ الأساسية.

6. المهام.

عند حل العديد من المشكلات المتعلقة بانتشار الضوء ، يمكن للمرء استخدام قوانين البصريات الهندسية بناءً على مفهوم الحزمة الضوئية كخط تنتشر على طوله طاقة الموجة الضوئية. في وسط متجانس ، تكون أشعة الضوء مستقيمة. البصريات الهندسية هي الحالة المحدودة لبصريات الموجة حيث يميل الطول الموجي إلى الصفر (λ →0).

23.1. قوانين انعكاس وانكسار الضوء. الانعكاس الداخلي الكلي ، أدلة الضوء

قوانين التأمل

انعكاس الضوء- ظاهرة تحدث عند السطح البيني بين وسيطين ، ونتيجة لذلك ، يغير شعاع الضوء اتجاه انتشاره ، ويبقى في الوسط الأول. تعتمد طبيعة الانعكاس على النسبة بين الأبعاد (ح) لعدم انتظام السطح العاكس وطول الموجة (λ) إشعاع الحادث.

انعكاس منتشر

عندما يتم تحديد المخالفات بشكل عشوائي ، وتكون أحجامها بترتيب الطول الموجي أو تتجاوزه ، فهناك انعكاس منتشر- تشتت الضوء في اتجاهات مختلفة. بسبب الانعكاس المنتشر ، تصبح الأجسام غير المضيئة مرئية عندما ينعكس الضوء من أسطحها.

انعكاس المرآة

إذا كانت أبعاد المخالفات صغيرة مقارنة بطول الموجة (h<< λ), то возникает направленное, или مرآة،انعكاس الضوء (الشكل 23.1). في هذه الحالة ، يتم استيفاء القوانين التالية.

تقع الحزمة الساقطة والحزمة المنعكسة والعادي للواجهة بين وسيطين ، المرسومة من خلال نقطة وقوع الحزمة ، في نفس المستوى.

زاوية الانعكاس تساوي زاوية السقوط:β = أ.

أرز. 23.1.مسار الأشعة في انعكاس مرآوي

قوانين الانكسار

عندما يسقط شعاع ضوئي على الواجهة بين وسيطين شفافين ، فإنه ينقسم إلى حزمتين: انعكاس و منكسر(الشكل 23.2). تنتشر الحزمة المنكسرة في الوسط الثاني ، وتغير اتجاهها. السمة البصرية للوسيط هي مطلق

أرز. 23.2.مسار الأشعة عند الانكسار

معامل الانكساروالتي تساوي نسبة سرعة الضوء في الفراغ إلى سرعة الضوء في هذا الوسط:

يعتمد اتجاه الحزمة المنكسرة على نسبة مؤشرات الانكسار للوسيطتين. تم استيفاء قوانين الانكسار التالية.

تقع الحزمة الساقطة والحزمة المنكسرة والعادي للواجهة بين وسيطين ، المرسومة من خلال نقطة وقوع الحزمة ، في نفس المستوى.

نسبة جيب زاوية السقوط إلى جيب زاوية الانكسار هي قيمة ثابتة تساوي نسبة مؤشرات الانكسار المطلقة للوسائط الثانية والأولى:

23.2. انعكاس داخلي كامل. الألياف البصرية

ضع في اعتبارك انتقال الضوء من وسيط ذي معامل انكسار عالٍ n 1 (أكثر كثافة بصريًا) إلى وسط بمؤشر انكسار أقل ن 2 (بصريًا أقل كثافة). يوضح الشكل 23.3 حادث الأشعة على السطح البيني الزجاجي. بالنسبة للزجاج ، معامل الانكسار n 1 = 1.52 ؛ للهواء ن 2 = 1.00.

أرز. 23.3.حدوث الانعكاس الداخلي الكلي (ن 1> ن 2)

تؤدي زيادة زاوية السقوط إلى زيادة زاوية الانكسار حتى تصبح زاوية الانكسار 90 درجة. مع زيادة أخرى في زاوية السقوط ، لا تنكسر الحزمة الساقطة ، ولكن تماماينعكس من الواجهة. هذه الظاهرة تسمى انعكاس داخلي كامل.يتم ملاحظته عندما يسقط الضوء من وسط أكثر كثافة على الحدود بوسط أقل كثافة ويتكون مما يلي.

إذا تجاوزت زاوية السقوط الزاوية المحددة لهذه الوسائط ، فلا يوجد انكسار في الواجهة وينعكس الضوء الساقط تمامًا.

يتم تحديد زاوية الحد من الحدوث من خلال العلاقة

مجموع شدة الحزم المنعكسة والمنكسرة يساوي شدة الحزمة الساقطة. مع زيادة زاوية السقوط ، تزداد شدة الحزمة المنعكسة ، بينما تنخفض شدة الحزمة المنكسرة ، وتصبح زاوية الحد المحددة تساوي الصفر.

الألياف البصرية

يتم استخدام ظاهرة الانعكاس الداخلي الكلي في أدلة الإضاءة المرنة.

إذا تم توجيه الضوء إلى نهاية ألياف زجاجية رفيعة محاطة بكسوة ذات معامل انكسار منخفض للزاوية ، فسوف ينتشر الضوء عبر الألياف ، ويختبر انعكاسًا كليًا في واجهة الكسوة الزجاجية. تسمى هذه الألياف الدليل المضيء.لا تتداخل انحناءات دليل الضوء مع مرور الضوء

في أدلة الإضاءة الحديثة ، يكون فقدان الضوء نتيجة امتصاصه ضئيلًا جدًا (في حدود 10٪ لكل كيلومتر) ، مما يجعل من الممكن استخدامها في أنظمة اتصالات الألياف الضوئية. في الطب ، تُستخدم حزم من أدلة الضوء الرفيعة لعمل مناظير داخلية ، والتي تُستخدم للفحص البصري للأعضاء الداخلية المجوفة (الشكل 23.5). يصل عدد الألياف في المنظار إلى مليون.

بمساعدة قناة توجيه ضوئية منفصلة ، موضوعة في حزمة مشتركة ، ينتقل إشعاع الليزر لغرض التأثيرات العلاجية على الأعضاء الداخلية.

أرز. 23.4.انتشار أشعة الضوء عبر الألياف

أرز. 23.5.المنظار

توجد أيضًا أدلة إرشادية للضوء الطبيعي. على سبيل المثال ، في النباتات العشبية ، يلعب الساق دور دليل الضوء الذي يسلط الضوء على الجزء الموجود تحت الأرض من النبات. تشكل خلايا الجذع أعمدة متوازية ، تذكرنا بتصميم أدلة الإضاءة الصناعية. لو

لإلقاء الضوء على مثل هذا العمود ، وفحصه بالمجهر ، من الواضح أن جدرانه تظل مظلمة ، وداخل كل خلية مضاءة بشكل ساطع. لا يتجاوز عمق إيصال الضوء بهذه الطريقة 4-5 سم ، ولكن حتى دليل الضوء القصير هذا يكفي لتوفير الضوء للجزء الموجود تحت الأرض من نبات عشبي.

23.3. العدسات. القوة البصرية للعدسة

عدسة -جسم شفاف ، يحده عادةً سطحان كرويان ، يمكن أن يكون كل منهما محدبًا أو مقعرًا. يسمى الخط المستقيم الذي يمر عبر مراكز هذه المجالات المحور البصري الرئيسي للعدسة(كلمة بيتعادة ما يتم حذفه).

تسمى العدسة التي يكون سمكها الأقصى أقل بكثير من نصف قطر كلا السطحين الكرويين رفيع.

بالمرور عبر العدسة ، يغير شعاع الضوء اتجاهه - ينحرف. إذا كان الانحراف إلى الجانب المحور البصري،ثم تسمى العدسة جمعوإلا فإن العدسة تسمى تشتت.

أي حادث شعاع على عدسة متقاربة موازية للمحور البصري ، بعد الانكسار ، يمر عبر نقطة على المحور البصري (F) ، تسمى التركيز الأساسى(الشكل 23.6 ، أ). لعدسة متباينة ، من خلال يمر التركيز استمرارشعاع منكسر (الشكل 23.6 ، ب).

كل عدسة لها بؤرتان تقعان على جانبيها. المسافة من التركيز إلى مركز العدسة تسمى البعد البؤري الرئيسي(F).

أرز. 23.6.تركيز العدسات المتقاربة (أ) والمتباعدة (ب)

في معادلات الحساب ، تؤخذ f بعلامة "+" لـ تجمعالعدسات مع علامة "-" تشتتالعدسات.

يسمى مقلوب البعد البؤري القوة البصرية للعدسة:د = 1 / و. وحدة الطاقة الضوئية - ديوبتر(دبتر). 1 ديوبتر هو القوة البصرية لعدسة بطول بؤري 1 متر.

قوة بصريةعدسة رقيقة و البعد البؤريتعتمد على نصف قطر الكرات ومعامل الانكسار لمادة العدسة بالنسبة للبيئة:

حيث R 1 ، R 2 - نصف قطر انحناء أسطح العدسة ؛ ن هو معامل الانكسار لمادة العدسة بالنسبة للبيئة ؛ تم أخذ علامة "+" ل محدبالسطح ، وعلامة "-" - لـ مقعر.قد يكون أحد الأسطح مستويًا. في هذه الحالة ، خذ R = ∞ , 1 / ص = 0.

تستخدم العدسات لالتقاط الصور. ضع في اعتبارك كائنًا يقع بشكل عمودي على المحور البصري للعدسة المتقاربة ، وقم ببناء صورة للنقطة العلوية أ. وستكون صورة الكائن بأكمله أيضًا متعامدة مع محور العدسة. اعتمادًا على موضع الجسم بالنسبة للعدسة ، يمكن أن تكون حالتان من انكسار الأشعة ، كما هو موضح في الشكل. 23.7.

1. إذا تجاوزت المسافة من الجسم إلى العدسة البعد البؤري ، فإن الأشعة المنبعثة من النقطة A ، بعد المرور عبر العدسة تتقاطععند النقطة أ ، وهو ما يسمى الصورة الفعلية.يتم الحصول على الصورة الفعلية رأسا على عقب.

2. إذا كانت المسافة من الجسم إلى العدسة أقل من البعد البؤري f ، فإن الأشعة المنبعثة من النقطة A ، بعد المرور عبر العدسة سباق-

أرز. 23.7.صور حقيقية (أ) وخيالية (ب) مقدمة من عدسة متقاربة

يمشى بلجواروعند النقطة (أ) "تتقاطع امتداداتهما. وتسمى هذه النقطة صورة خيالية.يتم الحصول على الصورة التخيلية مباشر.

تعطي العدسة المتباينة صورة افتراضية لكائن في جميع مواضعه (الشكل 23.8).

أرز. 23.8.صورة افتراضية من خلال عدسة متباينة

لحساب الصورة المستخدمة صيغة العدسةالذي يقيم صلة بين الأحكام نقاطوهي الصور

أين و هو البعد البؤري (لعدسة متباينة هو سلبي) 1 - المسافة من الجسم إلى العدسة ؛ 2 هي المسافة من الصورة إلى العدسة (يتم التقاط علامة "+" لصورة حقيقية ، وعلامة "-" لصورة افتراضية).

أرز. 23.9خيارات صيغة العدسة

يتم استدعاء نسبة حجم الصورة إلى حجم الكائن زيادة خطية:

يتم حساب الزيادة الخطية بالصيغة ك = أ 2 / أ 1. عدسة (حتى رفيع)سيعطي الصورة "الصحيحة" طاعة صيغة العدسةفقط إذا تم استيفاء الشروط التالية:

لا يعتمد معامل انكسار العدسة على الطول الموجي للضوء ، أو أن الضوء كافٍ أحادي اللون.

عند استخدام عدسات التصوير حقيقيالموضوعات ، هذه القيود ، كقاعدة عامة ، لم تتحقق: هناك تشتت ؛ تقع بعض نقاط الجسم بعيدًا عن المحور البصري ؛ أشعة الضوء الساقط ليست مجهولة ، العدسة ليست رقيقة. كل هذا يؤدي إلى تشوهالصور. لتقليل التشوه ، تصنع عدسات الأدوات البصرية من عدة عدسات تقع بالقرب من بعضها البعض. القوة البصرية لمثل هذه العدسة تساوي مجموع القوى البصرية للعدسات:

23.4. انحرافات العدسة

الانحرافاتهو اسم عام لأخطاء الصور التي تحدث عند استخدام العدسات. الانحرافات (من اللاتينية "aberratio"- الانحراف) ، والتي تظهر فقط في ضوء غير أحادي اللون ، تسمى لوني.جميع أنواع الانحرافات الأخرى أحادي اللونلأن مظهرها لا يرتبط بالتركيب الطيفي المعقد للضوء الحقيقي.

1. انحراف كروي- أحادي اللونانحراف بسبب حقيقة أن الأجزاء المتطرفة (المحيطية) من العدسة تنحرف عن الأشعة القادمة من مصدر نقطي بقوة أكبر من الجزء المركزي منها. نتيجة لذلك ، تشكل المناطق الطرفية والمركزية للعدسة صورًا مختلفة (S 2 و S "2 ، على التوالي) لمصدر نقطي S 1 (الشكل 23.10). لذلك ، في أي موضع من الشاشة ، فإن الصورة يتم الحصول عليها في شكل بقعة مضيئة.

يتم التخلص من هذا النوع من الانحراف باستخدام أنظمة العدسات المقعرة والمحدبة.

أرز. 23.10.تفاصيل التحقيق

2. اللابؤرية- أحادي اللونالانحراف ، الذي يتكون من حقيقة أن صورة نقطة لها شكل بقعة بيضاوية ، والتي ، في مواضع معينة من مستوى الصورة ، تتدهور إلى قطعة.

الحزم المائلة اللابؤريةيتجلى عندما تصنع الأشعة المنبعثة من نقطة زوايا مهمة مع المحور البصري. في الشكل 23.11 ، يوجد مصدر النقطة على المحور البصري الثانوي. في هذه الحالة ، تظهر صورتان في شكل مقاطع من خطوط مستقيمة متعامدة مع بعضها البعض في المستويين الأول والثاني. لا يمكن الحصول على صورة المصدر إلا في شكل بقعة ضبابية بين المستويين الأول والثاني.

اللابؤرية بسبب عدم التناسقالنظام البصري. يحدث هذا النوع من اللابؤرية عندما ينكسر تناظر النظام البصري فيما يتعلق بشعاع الضوء بسبب تصميم النظام نفسه. مع هذا الانحراف ، تخلق العدسات صورة يكون فيها الملامح والخطوط الموجهة في اتجاهات مختلفة لها حدة مختلفة. لوحظ هذا في العدسات الأسطوانية (الشكل 23.11 ، ب).

تشكل العدسة الأسطوانية صورة خطية لجسم نقطي.

أرز. 23.11.اللابؤرية: الحزم المائلة (أ) ؛ بسبب أسطواني العدسة (ب)

تتشكل اللابؤرية في العين عندما يكون هناك عدم تناسق في انحناء العدسة وأنظمة القرنية. لتصحيح الاستجماتيزم ، يتم استخدام نظارات لها انحناءات مختلفة في اتجاهات مختلفة.

3. تشويه(تشوه). عندما تصنع الأشعة المرسلة من الجسم زاوية كبيرة مع المحور البصري ، يتم العثور على نوع آخر أحادي اللونالانحرافات - تشوه.في هذه الحالة ، يتم انتهاك التشابه الهندسي بين الكائن والصورة. والسبب هو أن التكبير الخطي الذي تعطيه العدسة يعتمد في الواقع على زاوية سقوط الأشعة. نتيجة لذلك ، تأخذ صورة الشبكة المربعة إما وسادة-،أو على شكل برميلعرض (الشكل 23.12).

لمكافحة التشويه ، يتم تحديد نظام عدسة مع تشويه معاكس.

أرز. 23.12.تشويه: أ - مدبسة ، ب - برميل

4. انحراف لونييتجلى في حقيقة أن شعاع الضوء الأبيض المنبثق من نقطة يعطي صورته على شكل دائرة قوس قزح ، تتقاطع الأشعة البنفسجية أقرب إلى العدسة من تلك الحمراء (الشكل 23.13).

سبب الانحراف اللوني هو اعتماد معامل الانكسار للمادة على الطول الموجي للضوء الساقط (التشتت). لتصحيح هذا الانحراف في البصريات ، يتم استخدام العدسات المصنوعة من النظارات ذات التشتتات المختلفة (الأكرومات ، الأبوكرومات).

أرز. 23.13.انحراف لوني

23.5. المفاهيم والصيغ الأساسية

استمرار الجدول

نهاية الجدول

23.6. مهام

1. لماذا تلمع فقاعات الهواء في الماء؟

إجابة:بسبب انعكاس الضوء على واجهة الماء والهواء.

2. لماذا تبدو الملعقة متضخمة في كوب ماء رقيق الجدران؟

إجابة:يعمل الماء الموجود في الزجاج كعدسة أسطوانية متقاربة. نرى صورة خيالية مكبرة.

3. القوة البصرية للعدسة هي 3 ديوبتر. ما هو البعد البؤري للعدسة؟ عبر عن إجابتك بالسنتيمتر.

حل

د \ u003d 1 / و ، و \ u003d 1 / د \ u003d 1/3 \ u003d 0.33 م. إجابة: f = 33 سم.

4. الأطوال البؤرية للعدستين متساوية ، على التوالي: f = +40 cm ، f 2 = -40 cm. أوجد قوتهما البصرية.

6. كيف يمكنك تحديد البعد البؤري للعدسة المتقاربة في طقس صافٍ؟

حل

المسافة من الشمس إلى الأرض كبيرة جدًا لدرجة أن جميع الأشعة المتساقطة على العدسة تكون متوازية مع بعضها البعض. إذا حصلت على صورة للشمس على الشاشة ، فإن المسافة من العدسة إلى الشاشة ستكون مساوية للبعد البؤري.

7. بالنسبة لعدسة ذات طول بؤري 20 سم ، ابحث عن مسافات الجسم التي سيكون فيها الحجم الخطي للصورة الفعلية: أ) ضعف حجم الجسم ؛ ب) مساوية لحجم الكائن ؛ ج) نصف حجم الجسم.

8. القوة البصرية للعدسة بالنسبة لشخص يتمتع برؤية طبيعية هي 25 ديوبتر. معامل الانكسار 1.4. احسب نصف قطر انحناء العدسة إذا كان من المعروف أن نصف قطر الانحناء هو ضعف الآخر.

البصريات الهندسية والموجة. شروط تطبيق هذه الأساليب (من نسبة الطول الموجي وحجم الجسم). تماسك الموجة. مفهوم الترابط المكاني والزماني. انبعاث قسري. ملامح إشعاع الليزر. هيكل ومبدأ تشغيل الليزر.

بسبب حقيقة أن الضوء هو ظاهرة موجية ، يحدث التداخل نتيجة لذلك محدودلا ينتشر شعاع الضوء في أي اتجاه واحد ، ولكن له توزيع زاوي محدود ، أي يحدث الانعراج. ومع ذلك ، في الحالات التي تكون فيها الأبعاد العرضية المميزة لحزم الضوء كبيرة بما يكفي مقارنة بطول الموجة ، يمكن للمرء أن يهمل تباعد حزمة الضوء ويفترض أنه ينتشر في اتجاه واحد: على طول الحزمة الضوئية.

البصريات الموجية هي فرع من البصريات التي تصف انتشار الضوء ، مع الأخذ في الاعتبار طبيعة الموجة. ظاهرة بصريات الموجة - التداخل ، الانعراج ، الاستقطاب ، إلخ.

تداخل الموجة - تضخيم متبادل أو توهين لسعة موجتين أو أكثر من الموجات المتماسكة التي تنتشر في وقت واحد في الفضاء.

حيود الموجات ظاهرة تتجلى على أنها انحراف عن قوانين البصريات الهندسية أثناء انتشار الموجات.

الاستقطاب - العمليات والحالات المرتبطة بفصل أي كائنات ، خاصة في الفضاء.

في الفيزياء ، التماسك هو الارتباط (الاتساق) للعديد من العمليات التذبذبية أو الموجية في الوقت المناسب ، والتي تتجلى عند إضافتها. تكون التذبذبات متماسكة إذا كان الفرق بين أطوارها ثابتًا في الوقت المناسب وعندما تتم إضافة التذبذبات ، يتم الحصول على تذبذب بنفس التردد.

إذا تغير اختلاف الطور بين ذبذبتين ببطء شديد ، يُقال إن التذبذبات تظل متماسكة لبعض الوقت. هذا الوقت يسمى وقت التماسك.

التماسك المكاني - تماسك التذبذبات التي تحدث في نفس الوقت عند نقاط مختلفة في مستوى عمودي على اتجاه انتشار الموجة.

الانبعاث المستحث - توليد فوتون جديد أثناء انتقال نظام كمي (ذرة ، جزيء ، نواة ، إلخ) من حالة مثارة إلى حالة مستقرة (مستوى طاقة أقل) تحت تأثير الفوتون المحرض ، طاقة والتي كانت مساوية للاختلاف في مستويات الطاقة. يمتلك الفوتون المُنشأ نفس الطاقة والزخم والطور والاستقطاب مثل الفوتون المُحث (الذي لا يُمتص).

يمكن أن يكون إشعاع الليزر مستمرًا ، بقوة ثابتة ، أو نبضيًا ، ويصل إلى قوى ذروة عالية للغاية. في بعض المخططات ، يتم استخدام عنصر العمل في الليزر كمضخم ضوئي للإشعاع من مصدر آخر.

الأساس المادي لتشغيل الليزر هو ظاهرة الإشعاع المحفز (المستحث). جوهر الظاهرة هو أن الذرة المثارة قادرة على إصدار فوتون تحت تأثير فوتون آخر دون امتصاصه ، إذا كانت طاقة الأخير مساوية للاختلاف في طاقات مستويات الذرة قبل وبعد انبعاث. في هذه الحالة ، يكون الفوتون المنبعث متماسكًا مع الفوتون الذي تسبب في الإشعاع (إنه "نسخته الدقيقة"). هذه هي الطريقة التي يتم بها تضخيم الضوء. تختلف هذه الظاهرة عن الانبعاث التلقائي ، حيث يكون للفوتونات المنبعثة اتجاهات عشوائية للانتشار والاستقطاب والطور.

تتكون جميع أنواع الليزر من ثلاثة أجزاء رئيسية:

بيئة (عمل) نشطة ؛

أنظمة الضخ (مصدر الطاقة) ؛

مرنان بصري (قد يكون غائبًا إذا كان الليزر يعمل في وضع مكبر الصوت).

يوفر كل منهم تشغيل الليزر لأداء وظائفه المحددة.

البصريات الهندسية. ظاهرة الانعكاس الداخلي الكلي. الحد من زاوية الانعكاس الكلي. مسار الأشعة. الألياف البصرية.

البصريات الهندسية هي فرع من فروع البصريات التي تدرس قوانين انتشار الضوء في الوسائط الشفافة ومبادئ تكوين الصور أثناء مرور الضوء في الأنظمة البصرية دون مراعاة خصائصها الموجية.

الانعكاس الداخلي الكلي هو انعكاس داخلي بشرط أن تتجاوز زاوية السقوط بعض الزاوية الحرجة. في هذه الحالة ، تنعكس الموجة الساقطة تمامًا ، وتتجاوز قيمة معامل الانعكاس أعلى قيمها للأسطح المصقولة. لا يعتمد معامل الانعكاس للانعكاس الداخلي الكلي على الطول الموجي.

الحد من زاوية الانعكاس الداخلي الكلي

زاوية السقوط التي تبدأ عندها الحزمة المنكسرة بالانزلاق على طول السطح البيني بين وسيطين دون الانتقال إلى وسط أكثر كثافة بصريًا

مسار شعاعفي المرايا والمنشورات والعدسات

تنتشر أشعة الضوء من مصدر نقطي في جميع الاتجاهات. في الأنظمة البصرية ، عند الانحناء للخلف والانعكاس من الواجهة بين الوسائط ، يمكن لبعض الأشعة أن تتقاطع مرة أخرى في مرحلة ما. النقطة تسمى صورة نقطية. عندما يرتد شعاع من المرايا ، يتم استيفاء القانون: "الشعاع المنعكس يقع دائمًا في نفس مستوى الشعاع الساقط والعادي على السطح المرتد ، الذي يمر عبر نقطة السقوط ، ويتم طرح زاوية السقوط من هذا المعدل الطبيعي يساوي زاوية الارتداد ".

الألياف الضوئية - هذا المصطلح يعني

فرع البصريات الذي يدرس الظواهر الفيزيائية التي تحدث وتحدث في الألياف الضوئية ، أو

منتجات الصناعات الهندسية الدقيقة ، والتي تشمل مكونات تعتمد على الألياف الضوئية.

تشتمل أجهزة الألياف الضوئية على أجهزة الليزر ومضخمات الصوت ومضاعفات الإرسال وأجهزة إزالة تعدد الإرسال وعدد من الأجهزة الأخرى. تشتمل مكونات الألياف الضوئية على العوازل والمرايا والموصلات والمقسمات وما إلى ذلك. أساس جهاز الألياف الضوئية هو دائرته الضوئية - مجموعة من مكونات الألياف الضوئية المتصلة في تسلسل معين. يمكن إغلاق الدوائر الضوئية أو فتحها ، مع أو بدون تغذية مرتدة.