Ángulo crítico o ángulo límite c y reflexión interna total
Si n 1 >n 2, entonces >α, es decir si la luz pasa de un medio ópticamente más denso a un medio ópticamente menos denso, entonces el ángulo de refracción es mayor que el ángulo de incidencia (Fig. 3)
Límite de ángulo de incidencia. Si α=α p,=90˚ y el haz se deslizará a lo largo de la interfaz aire-agua.
Si α'>α p, entonces la luz no pasará al segundo medio transparente, porque se reflejará en su totalidad. Este fenómeno se llama pleno reflejo de la luz. El ángulo de incidencia α p, en el que el haz refractado se desliza a lo largo de la interfaz entre los medios, se denomina ángulo límite reflexión total.
La reflexión total se puede observar en un prisma de vidrio rectangular isósceles (Fig. 4), que se usa mucho en periscopios, binoculares, refractómetros, etc.
a) La luz cae perpendicular a la primera cara y por lo tanto no sufre refracción aquí (α=0 y =0). El ángulo de incidencia en la segunda cara α=45˚, es decir>α p, (para vidrio α p =42˚). Por lo tanto, en esta cara, la luz se refleja completamente. Este es un prisma giratorio que gira el haz 90˚.
b) En este caso, la luz dentro del prisma experimenta ya una doble reflexión total. Este también es un prisma giratorio que gira el haz 180˚.
c) En este caso, el prisma ya está invertido. Cuando los rayos salen del prisma, son paralelos a los incidentes, pero en este caso el rayo incidente superior se vuelve más bajo y el inferior se vuelve superior.
El fenómeno de la reflexión total ha encontrado una amplia aplicación técnica en las guías de luz.
La guía de luz es un gran número de finos filamentos de vidrio, cuyo diámetro es de unas 20 micras, y cada uno mide aproximadamente 1 m de largo. Estos hilos son paralelos entre sí y están ubicados cerca (Fig. 5)
Cada filamento está rodeado por una capa delgada de vidrio, cuyo índice de refracción es menor que el del propio filamento. La guía de luz tiene dos extremos, acuerdo mutuo los extremos de los hilos en ambos extremos de la guía de luz son estrictamente iguales.
Si se coloca un objeto en un extremo de la guía de luz y se ilumina, aparecerá una imagen de este objeto en el otro extremo de la guía de luz.
La imagen se obtiene debido al hecho de que la luz de un área pequeña del objeto ingresa al final de cada uno de los hilos. Al experimentar muchos reflejos totales, la luz emerge del extremo opuesto del filamento, transmitiendo el reflejo de una pequeña área determinada del objeto.
Porque la ubicación de los hilos entre sí es estrictamente la misma, luego aparece la imagen correspondiente del objeto en el otro extremo. La claridad de la imagen depende del diámetro de los hilos. Cuanto menor sea el diámetro de cada hilo, más clara será la imagen del objeto. Las pérdidas de energía luminosa a lo largo de la trayectoria del haz de luz suelen ser relativamente pequeñas en los haces (guías de luz), ya que con la reflexión total el coeficiente de reflexión es relativamente alto (~0,9999). Pérdida de energía se deben principalmente a la absorción de luz por parte de la sustancia del interior de la fibra.
Por ejemplo, en la parte visible del espectro en una fibra de 1 m de largo, se pierde el 30-70% de la energía (pero en el haz).
Por lo tanto, para transmitir grandes flujos de luz y mantener la flexibilidad del sistema de guía de luz, las fibras individuales se ensamblan en paquetes (paquetes): guías de luz
Las guías de luz se utilizan ampliamente en medicina para iluminar las cavidades internas con luz fría y transmitir imágenes. endoscopio- un dispositivo especial para examinar las cavidades internas (estómago, recto, etc.). Las guías de luz transmiten radiación láser a efecto terapéutico sobre tumores. Sí, y la retina humana es un sistema de fibra óptica altamente organizado que consta de ~ 130x10 8 fibras.
Reflexión interna total
Reflexión interna- el fenómeno de reflexión de ondas electromagnéticas desde la interfaz entre dos medios transparentes, siempre que la onda caiga desde un medio con un índice de refracción más alto.
Reflexión interna incompleta- reflexión interna, siempre que el ángulo de incidencia sea inferior al ángulo crítico. En este caso, el haz se divide en refractado y reflejado.
Reflexión interna total- reflexión interna, siempre que el ángulo de incidencia supere un determinado ángulo crítico. En este caso, la onda incidente se refleja completamente y el valor del coeficiente de reflexión supera sus valores más altos para superficies pulidas. Además, el coeficiente de reflexión para la reflexión interna total no depende de la longitud de onda.
Este fenómeno óptico se observa para una amplia gama Radiación electromagnética, incluido el rango de rayos X.
En el marco de la óptica geométrica, la explicación del fenómeno es trivial: basándonos en la ley de Snell y teniendo en cuenta que el ángulo de refracción no puede superar los 90°, obtenemos que en un ángulo de incidencia cuyo seno es mayor que la relación de los índice de refracción más pequeño al coeficiente más grande, la onda electromagnética debe reflejarse completamente en el primer medio.
De acuerdo con la teoría ondulatoria del fenómeno, la onda electromagnética, sin embargo, penetra en el segundo medio: allí se propaga la llamada "onda no uniforme", que decae exponencialmente y no se lleva energía consigo. La profundidad característica de penetración de una onda no homogénea en el segundo medio es del orden de la longitud de onda.
Reflexión total de la luz interna
Considere la reflexión interna utilizando el ejemplo de dos rayos monocromáticos que inciden en la interfaz entre dos medios. Los rayos inciden desde una zona de un medio más denso (indicado por un color azul) con un índice de refracción al límite con un medio menos denso (indicado en azul claro) con un índice de refracción.
El rayo rojo cae en un ángulo. 
, es decir, en el límite de los medios, se bifurca, se refracta parcialmente y se refleja parcialmente. Parte del haz se refracta en un ángulo.
El rayo verde cae y se refleja por completo src="/pictures/wiki/files/100/d833a2d69df321055f1e0bf120a53eff.png" border="0">.
Reflexión interna total en la naturaleza y la tecnología.
Reflejo de rayos x
La refracción de los rayos X en incidencia rasante fue formulada por primera vez por M. A. Kumakhov, quien desarrolló el espejo de rayos X, y fundamentada teóricamente por Arthur Compton en 1923.
Otros fenómenos ondulatorios
La demostración de la refracción y, por lo tanto, del efecto de la reflexión interna total, es posible, por ejemplo, para ondas sonoras en la superficie y en el grueso del líquido en la transición entre zonas de diferente viscosidad o densidad.
Fenómenos similares al efecto de la reflexión interna total radiación electromagnética, se observan para haces de neutrones lentos.
Si una onda polarizada verticalmente cae sobre la interfaz en el ángulo de Brewster, se observará el efecto de la refracción completa: no habrá onda reflejada.
notas
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Vea qué es "reflexión interna total" en otros diccionarios:
REFLEXIÓN INTERNA TOTAL- correo electrónico de reflexión. magn. radiación (en particular, luz) cuando incide en la interfaz entre dos medios transparentes de un medio con un alto índice de refracción. Clavo. sobre. se lleva a cabo cuando el ángulo de incidencia i supera un determinado ángulo límite (crítico)... Enciclopedia Física
Reflexión interna total- Reflexión interna total. Cuando la luz pasa de un medio con n1 > n2, se produce una reflexión interna total si el ángulo de incidencia a2 > apr; en un ángulo de incidencia a1 Diccionario Enciclopédico Ilustrado
Reflexión interna total- reflexión de radiación óptica (Ver Radiación óptica) (luz) o radiación electromagnética de un rango diferente (por ejemplo, ondas de radio) cuando incide en la interfaz entre dos medios transparentes de un medio con un alto índice de refracción ... .. . Gran enciclopedia soviética
REFLEXIÓN INTERNA TOTAL- ondas electromagnéticas, se produce cuando pasan de un medio con alto índice de refracción n1 a un medio con menor índice de refracción n2 con un ángulo de incidencia a superior al ángulo límite apr, determinado por la relación sinapr=n2/n1. Completo… … Enciclopedia moderna
REFLEXIÓN INTERNA TOTAL- REFLEXIÓN INTERNA TOTAL, REFLEXIÓN sin refracción de la luz en el límite. Cuando la luz pasa de un medio más denso (como el vidrio) a un medio menos denso (agua o aire), existe una zona de ángulos de refracción en la que la luz no pasa a través de la frontera... Diccionario enciclopédico científico y técnico.
reflexión interna total- Reflexión de la luz desde un medio ópticamente menos denso con retorno completo al medio del que cae. [Colección de términos recomendados. Número 79. Óptica física. Academia de Ciencias de la URSS. Comité de Terminología Científica y Técnica. 1970] Temas… … Manual del traductor técnico
REFLEXIÓN INTERNA TOTAL- las ondas electromagnéticas se producen cuando caen oblicuamente en la interfaz entre 2 medios, cuando la radiación pasa de un medio con un alto índice de refracción n1 a un medio con un índice de refracción más bajo n2, y el ángulo de incidencia i excede el ángulo límite... ... Gran diccionario enciclopédico
reflexión interna total- ondas electromagnéticas, se produce con incidencia oblicua en la interfase entre 2 medios, cuando la radiación pasa de un medio con alto índice de refracción n1 a un medio con menor índice de refracción n2, y el ángulo de incidencia i excede el ángulo límite ipr.. . diccionario enciclopédico
Primero, vamos a fantasear un poco. Imagine un caluroso día de verano antes de Cristo, un hombre primitivo caza peces con una lanza. Se da cuenta de su posición, apunta y golpea por alguna razón, no en todos los lugares donde el pez era visible. ¿Omitido? ¡No, el pescador tiene la presa en sus manos! El caso es que nuestro antepasado entendió intuitivamente el tema que estudiaremos ahora. A La vida cotidiana vemos que una cuchara sumergida en un vaso de agua parece estar torcida, cuando miramos a través de un frasco de vidrio, los objetos parecen estar torcidos. Consideraremos todas estas preguntas en la lección, cuyo tema es: “Refracción de la luz. La ley de la refracción de la luz. Reflexión interna total.
En lecciones anteriores, hablamos sobre el destino de un rayo en dos casos: ¿qué sucede si un rayo de luz se propaga en un medio transparentemente homogéneo? La respuesta correcta es que se extenderá en línea recta. ¿Y qué sucederá cuando un haz de luz incida en la interfaz entre dos medios? En la lección anterior hablamos sobre el haz reflejado, hoy consideraremos esa parte del haz de luz que es absorbida por el medio.
¿Cuál será el destino del haz que ha penetrado desde el primer medio ópticamente transparente al segundo medio ópticamente transparente?
Arroz. 1. Refracción de la luz
Si un rayo cae en la interfaz entre dos medios transparentes, parte de la energía luminosa regresa al primer medio, creando un rayo reflejado, mientras que la otra parte pasa hacia el segundo medio y, por regla general, cambia su dirección.
El cambio en la dirección de propagación de la luz en el caso de su paso a través de la interfase entre dos medios se denomina refracción de la luz(Figura 1).
Arroz. 2. Ángulos de incidencia, refracción y reflexión
En la Figura 2 vemos un haz incidente, el ángulo de incidencia será denotado por α. El rayo que marcará la dirección del rayo de luz refractado se llamará rayo refractado. El ángulo entre la perpendicular a la interfaz entre el medio, restaurado desde el punto de incidencia, y el haz refractado se llama ángulo de refracción, en la figura este es el ángulo γ. Para completar el cuadro, también damos una imagen del haz reflejado y, en consecuencia, el ángulo de reflexión β. ¿Cuál es la relación entre el ángulo de incidencia y el ángulo de refracción? ¿Es posible predecir, conociendo el ángulo de incidencia y desde qué medio pasó el haz en cuál, cuál será el ángulo de refracción? ¡Resulta que puedes!
Obtenemos una ley que describe cuantitativamente la relación entre el ángulo de incidencia y el ángulo de refracción. Utilicemos el principio de Huygens, que regula la propagación de una onda en un medio. La ley consta de dos partes.
El rayo incidente, el rayo refractado y la perpendicular restituida al punto de incidencia se encuentran en el mismo plano.
La relación entre el seno del ángulo de incidencia y el seno del ángulo de refracción es un valor constante para dos medios dados y es igual a la relación de las velocidades de la luz en estos medios.
Esta ley se llama ley de Snell, en honor al científico holandés que la formuló por primera vez. La razón de la refracción es la diferencia en las velocidades de la luz en diferentes medios. Puede verificar la validez de la ley de refracción dirigiendo experimentalmente un haz de luz en diferentes ángulos a la interfaz entre dos medios y midiendo los ángulos de incidencia y refracción. Si cambiamos estos ángulos, medimos los senos y encontramos las proporciones de los senos de estos ángulos, estaremos convencidos de que la ley de la refracción es válida.
La evidencia de la ley de refracción usando el principio de Huygens es otra confirmación de la naturaleza ondulatoria de la luz.
El índice de refracción relativo n 21 muestra cuántas veces la velocidad de la luz V 1 en el primer medio difiere de la velocidad de la luz V 2 en el segundo medio.
El índice de refracción relativo es una clara demostración de que la razón del cambio de dirección de la luz al pasar de un medio a otro es velocidad diferente Luz en dos ambientes. El término "densidad óptica de un medio" se usa a menudo para caracterizar las propiedades ópticas de un medio (Fig. 3).
Arroz. 3. Densidad óptica del medio (α > γ)
Si el haz pasa de un medio con una velocidad de la luz más alta a un medio con una velocidad de la luz más baja, entonces, como se puede ver en la Figura 3 y la ley de refracción de la luz, será presionado contra la perpendicular, es decir , el ángulo de refracción es menor que el ángulo de incidencia. En este caso, se dice que el haz pasó de un medio óptico menos denso a un medio ópticamente más denso. Ejemplo: del aire al agua; del agua al vaso.
La situación inversa también es posible: la velocidad de la luz en el primer medio es menor que la velocidad de la luz en el segundo medio (Fig. 4).
Arroz. 4. Densidad óptica del medio (α< γ)
Entonces el ángulo de refracción será mayor que el ángulo de incidencia, y se dirá que tal transición se hace de un medio ópticamente más denso a uno ópticamente menos denso (del vidrio al agua).
La densidad óptica de dos medios puede diferir significativamente, por lo que la situación que se muestra en la fotografía (Fig. 5) se vuelve posible:
Arroz. 5. La diferencia entre la densidad óptica de los medios
Presta atención a cómo se desplaza la cabeza con respecto al cuerpo, que está en el líquido, en un medio con una densidad óptica más alta.
Sin embargo, el índice de refracción relativo no siempre es una característica conveniente para el trabajo, ya que depende de las velocidades de la luz en el primer y segundo medio, pero puede haber muchas combinaciones de este tipo y combinaciones de dos medios (agua - aire, vidrio - diamante, glicerina - alcohol, vidrio - agua, etc.). Las mesas serían muy engorrosas, sería un inconveniente para trabajar, y luego se introdujo un entorno absoluto, en comparación con el cual se compara la velocidad de la luz en otros entornos. Se eligió el vacío como absoluto y las velocidades de la luz se comparan con la velocidad de la luz en el vacío.
Índice de refracción absoluto del medio n- este es un valor que caracteriza la densidad óptica del medio y es igual a la relación de la velocidad de la luz Con en el vacío a la velocidad de la luz en un medio dado.
El índice de refracción absoluto es más conveniente para el trabajo, porque siempre conocemos la velocidad de la luz en el vacío, es igual a 3·10 8 m/sy es una constante física universal.
El índice de refracción absoluto depende de parámetros externos: temperatura, densidad y también en la longitud de onda de la luz, por lo que las tablas suelen indicar el índice de refracción promedio para un rango de longitud de onda determinado. Si comparamos los índices de refracción del aire, el agua y el vidrio (Fig. 6), vemos que el índice de refracción del aire es cercano a la unidad, por lo que lo tomaremos como una unidad al resolver problemas.
Arroz. 6. Tabla de índices de refracción absolutos para diferentes medios
Es fácil obtener la relación entre el índice de refracción absoluto y relativo de los medios.
Índice de refracción relativo, es decir, para un haz que pasa de medio uno a medio dos, es igual a la razóníndice de refracción absoluto en el segundo medio al índice de refracción absoluto en el primer medio.
Por ejemplo: 
= ≈ 1,16
Si los índices de refracción absolutos de los dos medios son casi iguales, esto significa que el índice de refracción relativo al pasar de un medio a otro será igual a uno, es decir, el haz de luz en realidad no se refractará. Por ejemplo, al cambiar de aceite de anís a joya La luz del berilo prácticamente no se desviará, es decir, se comportará como si atravesara aceite de anís, ya que su índice de refracción es de 1,56 y 1,57, respectivamente, por lo que la gema puede quedar oculta en un líquido, simplemente no será así. visto.
Si vierte agua en un vaso transparente y mira a través de la pared del vaso hacia la luz, veremos un brillo plateado en la superficie debido al fenómeno de la reflexión interna total, que se discutirá ahora. Cuando un haz de luz pasa de un medio óptico más denso a un medio óptico menos denso, se puede observar un efecto interesante. Para mayor precisión, supondremos que la luz pasa del agua al aire. Supongamos que hay una fuente puntual de luz S en la profundidad del embalse, que emite rayos en todas las direcciones. Por ejemplo, un buzo enciende una linterna.
El haz SO 1 cae sobre la superficie del agua en el ángulo más pequeño, este haz se refracta parcialmente - haz O 1 A 1 y se refleja parcialmente de nuevo en el agua - haz O 1 B 1. Así, parte de la energía del haz incidente se transfiere al haz refractado, y la parte restante de la energía se transfiere al haz reflejado.
Arroz. 7. Reflexión interna total
El haz SO 2, cuyo ángulo de incidencia es mayor, también se divide en dos haces: refractado y reflejado, pero la energía del haz original se distribuye entre ellos de forma diferente: el haz refractado O 2 A 2 será más tenue que el haz O 1 A 1, es decir, recibirá una fracción menor de energía, y el haz reflejado O 2 V 2, respectivamente, será más brillante que el haz O 1 V 1, es decir, recibirá una mayor parte de energía. A medida que aumenta el ángulo de incidencia, se sigue la misma regularidad: una parte cada vez mayor de la energía del haz incidente va al haz reflejado y una parte cada vez menor al haz refractado. El haz refractado se vuelve más tenue y en algún momento desaparece por completo, esta desaparición se produce cuando se alcanza el ángulo de incidencia, que corresponde a un ángulo de refracción de 90 0 . En esta situación, el haz refractado OA tendría que ir paralelo a la superficie del agua, pero no hay nada que hacer: toda la energía del haz incidente SO se dirigió por completo al haz reflejado OB. Naturalmente, con un mayor aumento en el ángulo de incidencia, el haz refractado estará ausente. El fenómeno descrito es la reflexión interna total, es decir, un medio óptico más denso en los ángulos considerados no emite rayos por sí mismo, todos se reflejan en su interior. El ángulo en el que ocurre este fenómeno se llama ángulo límite de reflexión interna total.
El valor del ángulo límite es fácil de encontrar a partir de la ley de refracción:
= => = arcsen, para agua ≈ 49 0
La aplicación más interesante y popular del fenómeno de la reflexión interna total son las llamadas guías de onda o fibra óptica. Esta es exactamente la forma de señalización que utilizan las empresas de telecomunicaciones modernas en Internet.
Obtuvimos la ley de refracción de la luz, introdujimos un nuevo concepto: índices de refracción relativos y absolutos, y también descubrimos el fenómeno de la reflexión interna total y sus aplicaciones, como la fibra óptica. Puede consolidar el conocimiento examinando las pruebas y simuladores relevantes en la sección de lecciones.
Obtengamos la prueba de la ley de refracción de la luz usando el principio de Huygens. Es importante entender que la causa de la refracción es la diferencia en las velocidades de la luz en dos medios diferentes. Denotemos la velocidad de la luz en el primer medio V 1 y en el segundo medio - V 2 (Fig. 8).
Arroz. 8. Prueba de la ley de refracción de la luz.
Deje que una onda de luz plana caiga sobre una interfaz plana entre dos medios, por ejemplo, del aire al agua. La superficie de onda AC es perpendicular a los rayos y , la interfaz entre los medios MN llega primero al haz , y el haz alcanza la misma superficie después de un intervalo de tiempo ∆t, que será igual a la trayectoria SW dividida por la velocidad de la luz en el primer medio.
Por lo tanto, en el momento en que la onda secundaria en el punto B recién comienza a excitarse, la onda del punto A ya tiene la forma de un hemisferio con radio AD, que igual a la velocidad de luz en el segundo medio por ∆t: AD = ·∆t, es decir, el principio de Huygens en acción visual. La superficie de onda de una onda refractada se puede obtener dibujando una superficie tangente a todas las ondas secundarias en el segundo medio, cuyos centros se encuentran en la interfaz entre los medios, en este caso es el plano BD, es la envolvente de las ondas secundarias. Ángulo de incidencia del haz α igual al ángulo CAB en el triángulo ABC, los lados de uno de estos ángulos son perpendiculares a los lados del otro. Por tanto, SW será igual a la velocidad de la luz en el primer medio por ∆t
CB = ∆t = AB sen α
A su vez, el ángulo de refracción será igual al ángulo ABD en el triángulo ABD, por tanto:
AD = ∆t = AB sen γ
Dividiendo las expresiones término por término, obtenemos:
n es un valor constante que no depende del ángulo de incidencia.
Hemos obtenido la ley de refracción de la luz, el seno del ángulo de incidencia al seno del ángulo de refracción es un valor constante para los dos medios dados e igual a la relación de las velocidades de la luz en los dos medios dados.
Un recipiente cúbico de paredes opacas está ubicado de tal manera que el ojo del observador no ve su fondo, sino que ve completamente la pared del recipiente CD. ¿Cuánta agua se debe verter en el recipiente para que el observador pueda ver el objeto F, ubicado a una distancia b = 10 cm de la esquina D? Borde del vaso α = 40 cm (Fig. 9).
¿Qué es muy importante para resolver este problema? Supongo que dado que el ojo no ve el fondo del recipiente, pero ve el punto extremo de la pared lateral, y el recipiente es un cubo, entonces el ángulo de incidencia del rayo en la superficie del agua cuando la vertemos será ser igual a 45 0.
Arroz. 9. La tarea del examen
El rayo cae al punto F, lo que significa que vemos claramente el objeto, y la línea negra punteada muestra el curso del rayo si no hubiera agua, es decir, al punto D. Del triángulo NFC, la tangente del ángulo β, la tangente del ángulo de refracción, es la relación entre el cateto opuesto y el adyacente o, según la figura, h menos b dividido por h.
tg β = = , h es la altura del líquido que echamos;
El fenómeno más intenso de reflexión interna total se utiliza en fibra sistemas ópticos.
Arroz. 10. Fibra óptica
Si un haz de luz se dirige al extremo de un tubo de vidrio sólido, luego de una reflexión interna total múltiple, el haz emergerá del lado opuesto del tubo. Resulta que el tubo de vidrio es un conductor de una onda de luz o una guía de ondas. Esto sucederá ya sea que el tubo sea recto o curvo (Figura 10). Las primeras guías de luz, este es el segundo nombre de las guías de ondas, se utilizaron para resaltar lugares de difícil acceso (durante investigación médica cuando se suministra luz a un extremo de la guía de luz y el otro extremo ilumina la ubicación deseada). La aplicación principal es la medicina, defectoscopia de motores, sin embargo, tales guías de ondas se utilizan más ampliamente en los sistemas de transmisión de información. La frecuencia portadora al transmitir una señal con una onda de luz es un millón de veces mayor que la frecuencia de una señal de radio, lo que significa que la cantidad de información que podemos transmitir con una onda de luz es millones de veces más cantidad información transmitida por ondas de radio. Esta es una gran oportunidad para transmitir una gran cantidad de información de una manera sencilla y económica. Por regla general, la información se transmite a través de un cable de fibra utilizando radiación láser. La fibra óptica es indispensable para la transmisión rápida y de alta calidad de una señal de computadora que contiene una gran cantidad de información transmitida. Y en el corazón de todo esto se encuentra un fenómeno tan simple y común como la refracción de la luz.
Bibliografía
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Tarea
- Defina la refracción de la luz.
- Nombra la razón de la refracción de la luz.
- Nombre las aplicaciones más populares de la reflexión interna total.
Óptica geométrica y ondulatoria. Condiciones para aplicar estos enfoques (a partir de la relación entre la longitud de onda y el tamaño del objeto). Coherencia de onda. El concepto de coherencia espacial y temporal. emisión forzada. Características de la radiación láser. Estructura y principio de funcionamiento del láser.
Debido al hecho de que la luz es un fenómeno ondulatorio, se produce una interferencia, como resultado de lo cual limitado el haz de luz no se propaga en ninguna dirección, sino que tiene una distribución angular finita, es decir, se produce difracción. Sin embargo, en aquellos casos en los que las dimensiones transversales características de los haces de luz son suficientemente grandes en comparación con la longitud de onda, se puede despreciar la divergencia del haz de luz y suponer que se propaga en una sola dirección: a lo largo del haz de luz.
La óptica ondulatoria es una rama de la óptica que describe la propagación de la luz, teniendo en cuenta su naturaleza ondulatoria. Fenómenos de la óptica ondulatoria: interferencia, difracción, polarización, etc.
Interferencia de onda: amplificación o atenuación mutua de la amplitud de dos o más ondas coherentes que se propagan simultáneamente en el espacio.
La difracción de las ondas es un fenómeno que se manifiesta como una desviación de las leyes de la óptica geométrica durante la propagación de las ondas.
Polarización: procesos y estados asociados con la separación de cualquier objeto, principalmente en el espacio.
En física, la coherencia es la correlación (consistencia) de varios procesos oscilatorios u ondulatorios en el tiempo, que se manifiesta cuando se suman. Las oscilaciones son coherentes si la diferencia entre sus fases es constante en el tiempo y cuando se suman las oscilaciones se obtiene una oscilación de la misma frecuencia.
Si la diferencia de fase de dos oscilaciones cambia muy lentamente, se dice que las oscilaciones permanecen coherentes durante algún tiempo. Este tiempo se llama tiempo de coherencia.
Coherencia espacial: la coherencia de las oscilaciones que ocurren al mismo tiempo en diferentes puntos en un plano perpendicular a la dirección de propagación de la onda.
Emisión estimulada: la generación de un nuevo fotón durante la transición de un sistema cuántico (átomo, molécula, núcleo, etc.) de un estado excitado a un estado estable (nivel de energía más bajo) bajo la influencia de un fotón inductor, la energía de que era igual a la diferencia en los niveles de energía. El fotón creado tiene la misma energía, impulso, fase y polarización que el fotón inductor (que no se absorbe).
La radiación láser puede ser continua, con una potencia constante, o pulsada, alcanzando picos de potencia extremadamente altos. En algunos esquemas, el elemento de trabajo del láser se usa como un amplificador óptico para la radiación de otra fuente.
Base física El funcionamiento del láser es el fenómeno de la radiación estimulada (inducida). La esencia del fenómeno es que un átomo excitado puede emitir un fotón bajo la influencia de otro fotón sin su absorción, si la energía de este último es igual a la diferencia en las energías de los niveles del átomo antes y después del emisión. En este caso, el fotón emitido es coherente con el fotón que provocó la radiación (es su “copia exacta”). Así es como se amplifica la luz. Este fenómeno difiere de la emisión espontánea, en la que los fotones emitidos tienen direcciones de propagación, polarización y fase aleatorias.
Todos los láseres constan de tres partes principales:
entorno activo (de trabajo);
sistemas de bombeo (fuente de energía);
resonador óptico (puede estar ausente si el láser funciona en modo amplificador).
Cada uno de ellos prevé el funcionamiento del láser para realizar sus funciones específicas.
óptica geométrica. El fenómeno de la reflexión interna total. Ángulo límite de reflexión total. El curso de los rayos. fibra óptica.
La óptica geométrica es una rama de la óptica que estudia las leyes de propagación de la luz en medios transparentes y los principios de construcción de imágenes durante el paso de la luz en sistemas ópticos sin tener en cuenta sus propiedades de onda.
La reflexión interna total es reflexión interna siempre que el ángulo de incidencia exceda algún ángulo crítico. En este caso, la onda incidente se refleja completamente y el valor del coeficiente de reflexión supera sus valores más altos para superficies pulidas. El coeficiente de reflexión para la reflexión interna total no depende de la longitud de onda.
Ángulo límite de reflexión interna total
El ángulo de incidencia en el que el haz refractado comienza a deslizarse a lo largo de la interfaz entre dos medios sin transición a un medio ópticamente más denso.
trayectoria del rayo en espejos, prismas y lentes
Los rayos de luz de una fuente puntual se propagan en todas las direcciones. En los sistemas ópticos, al doblarse hacia atrás y reflejarse desde la interfaz entre los medios, algunos de los rayos pueden volver a cruzarse en algún punto. Un punto se llama imagen de punto. Cuando un rayo rebota en los espejos, se cumple la ley: "el rayo reflejado siempre se encuentra en el mismo plano que el rayo incidente y la normal a la superficie de rebote, que pasa por el punto de incidencia, y el ángulo de incidencia se resta de esta normal es igual al ángulo de rebote".
Fibra óptica: este término significa
rama de la óptica que estudia fenomeno fisico surgiendo y ocurriendo en fibras ópticas, o
productos de industrias de ingeniería de precisión, que incluyen componentes basados en fibras ópticas.
Los dispositivos de fibra óptica incluyen láseres, amplificadores, multiplexores, demultiplexores y muchos otros. Los componentes de fibra óptica incluyen aisladores, espejos, conectores, divisores, etc. La base de un dispositivo de fibra óptica es su circuito óptico, un conjunto de componentes de fibra óptica conectados en una determinada secuencia. Los circuitos ópticos pueden ser cerrados o abiertos, con realimentación o sin ella.
El ángulo límite de reflexión total es el ángulo de incidencia de la luz en la interfaz entre dos medios, correspondiente a un ángulo de refracción de 90 grados.
La fibra óptica es una rama de la óptica que estudia los fenómenos físicos que ocurren y ocurren en las fibras ópticas.
4. Propagación de ondas en un medio ópticamente no homogéneo. Explicación de la curvatura de los rayos. Espejismos. Refracción astronómica. Medio no homogéneo para ondas de radio.
El espejismo es un fenómeno óptico en la atmósfera: el reflejo de la luz por el límite entre capas de aire muy diferentes en densidad. Para un observador, tal reflexión consiste en el hecho de que, junto con un objeto distante (o una sección del cielo), su imagen imaginaria, desplazada con respecto al objeto, es visible. Los espejismos se dividen en inferiores, visibles debajo del objeto, superiores, encima del objeto y laterales.
espejismo inferior
Se observa con un gradiente de temperatura vertical muy grande (que desciende con la altura) sobre una superficie plana sobrecalentada, a menudo un desierto o una carretera asfaltada. La imagen imaginaria del cielo crea la ilusión de agua en la superficie. Entonces, el camino que se adentra en la distancia en un caluroso día de verano parece mojado.
espejismo superior
Vigilaba el frío superficie de la Tierra con una distribución de temperatura de inversión (aumenta con su altura).
Fata Morgana
Los fenómenos complejos de un espejismo con una fuerte distorsión de la apariencia de los objetos se llaman Fata Morgana.
espejismo volumétrico
En las montañas, es muy raro, bajo ciertas condiciones, que puedas ver el “yo distorsionado” a una distancia bastante cercana. Este fenómeno se explica por la presencia de vapor de agua "estancada" en el aire.
Refracción astronómica: el fenómeno de la refracción de los rayos de luz de los cuerpos celestes al pasar por la atmósfera / Dado que la densidad de las atmósferas planetarias siempre disminuye con la altura, la refracción de la luz ocurre de tal manera que, con su convexidad, el haz curvo en todos casos se enfrenta al cenit. En este sentido, la refracción siempre "levanta" las imágenes de los cuerpos celestes por encima de su verdadera posición.
La refracción provoca una serie de efectos óptico-atmosféricos en la Tierra: un aumento longitud del dia por el hecho de que el disco solar, debido a la refracción, sale por encima del horizonte unos minutos antes del momento en que el Sol debería salir por consideraciones geométricas; aplanamiento de los discos visibles de la Luna y el Sol cerca del horizonte debido al hecho de que el borde inferior de los discos se eleva por refracción más alto que el superior; centelleo de estrellas, etc. Debido a la diferencia en la refracción de los rayos de luz con diferentes longitudes de onda (los rayos azules y violetas se desvían más que los rojos), se produce una coloración aparente de los cuerpos celestes cerca del horizonte.
5. El concepto de onda polarizada linealmente. Polarización de la luz natural. radiación no polarizada. polarizadores dicroicos. Polarizador y analizador de luz. Ley de Malus.
polarización de onda- el fenómeno de violación de la simetría de la distribución de perturbaciones en transverso onda (por ejemplo, la fuerza de los campos eléctricos y magnéticos en las ondas electromagnéticas) en relación con la dirección de su propagación. A longitudinal En una onda no puede darse polarización, ya que las perturbaciones en este tipo de ondas siempre coinciden con la dirección de propagación.
lineal: las oscilaciones de la perturbación ocurren en algún plano. En este caso, se habla de plano polarizado onda";
circular: el final del vector de amplitud describe un círculo en el plano de oscilación. Dependiendo de la dirección de rotación del vector, Correcto o izquierda.
La polarización de la luz es el proceso de simplificar las oscilaciones del vector de fuerza del campo eléctrico de una onda de luz cuando la luz pasa a través de ciertas sustancias (durante la refracción) o cuando se refleja un flujo de luz.
El polarizador dicroico contiene una película que contiene al menos una sustancia orgánica dicroica cuyas moléculas o fragmentos de moléculas tienen estructura plana. Al menos parte de la película tiene una estructura cristalina. La sustancia dicroica tiene al menos un máximo de la curva de absorción espectral en los rangos espectrales de 400 - 700 nm y/o 200 - 400 nm y 0,7 - 13 μm. En la fabricación de un polarizador, se aplica al sustrato una película que contiene una sustancia orgánica dicroica, se le aplica un efecto de orientación y se seca. En este caso, las condiciones de aplicación de la película y el tipo y magnitud del efecto de orientación se eligen de modo que el parámetro de orden de la película correspondiente a al menos un máximo en la curva de absorción espectral en el rango espectral de 0,7 - 13 μm tenga un valor de al menos 0,8. La estructura cristalina de al menos parte de la película es tridimensional. red cristalina formado por moléculas dicroicas materia orgánica. EFECTO: ampliación del rango espectral de la operación del polarizador con mejora simultánea de sus características de polarización.
La ley de Malus es una ley física que expresa la dependencia de la intensidad de la luz polarizada linealmente después de que pasa a través de un polarizador en el ángulo entre los planos de polarización de la luz incidente y el polarizador.
dónde yo 0 - intensidad de la luz incidente en el polarizador, yo es la intensidad de la luz que sale del polarizador, ka- coeficiente de transparencia del polarizador.
6. El fenómeno de Brewster. Fórmulas de Fresnel para el coeficiente de reflexión de ondas cuyo vector eléctrico se encuentra en el plano de incidencia y para ondas cuyo vector eléctrico es perpendicular al plano de incidencia. Dependencia de los coeficientes de reflexión del ángulo de incidencia. El grado de polarización de las ondas reflejadas.
La ley de Brewster es una ley de la óptica que expresa la relación del índice de refracción con un ángulo tal en el que la luz reflejada desde la interfaz estará completamente polarizada en el plano, perpendicular al plano incidencia, y el haz refractado está parcialmente polarizado en el plano de incidencia, y la polarización del haz refractado alcanza el mayor valor. Es fácil establecer que en este caso los rayos reflejados y refractados son mutuamente perpendiculares. El ángulo correspondiente se llama ángulo de Brewster. Ley de Brewster: 
, dónde norte 21 - índice de refracción del segundo medio relativo al primero, θ hermano es el ángulo de incidencia (ángulo de Brewster). Con las amplitudes de las ondas incidente (U down) y reflejada (U ref) en la línea KBV, se relaciona por la relación:
K bv \u003d (U pad - U neg) / (U pad + U neg)
A través del coeficiente de reflexión de voltaje (K U), el KBV se expresa de la siguiente manera:
K bv \u003d (1 - K U) / (1 + K U) Cuando puramente personaje activo carga KBV es igual a:
K bv \u003d R / ρ en R< ρ или
K bv = ρ / R en R ≥ ρ
donde R es la resistencia activa de la carga, ρ es la resistencia de onda de la línea
7. El concepto de interferencia lumínica. La suma de dos ondas incoherentes y coherentes cuyas líneas de polarización coinciden. Dependencia de la intensidad de la onda resultante en la suma de dos ondas coherentes de la diferencia de sus fases. El concepto de la diferencia geométrica y óptica en la trayectoria de las ondas. Términos generales observar los máximos y mínimos de la interferencia.
La interferencia de luz es una suma no lineal de las intensidades de dos o más ondas de luz. Este fenómeno va acompañado de máximas y mínimas de intensidad que se alternan en el espacio. Su distribución se denomina patrón de interferencia. Cuando la luz interfiere, la energía se redistribuye en el espacio.
Las ondas y las fuentes que las excitan se llaman coherentes si la diferencia de fase de las ondas no depende del tiempo. Las ondas y las fuentes que las excitan se llaman incoherentes si la diferencia de fase de las ondas cambia con el tiempo. Fórmula para la diferencia:
, dónde , ,
8. Métodos de laboratorio observaciones de la interferencia de la luz: experimento de Young, biprisma de Fresnel, espejos de Fresnel. Cálculo de las posiciones de máximos y mínimos de interferencia.
Experimento de Jung: en el experimento, un haz de luz se dirige a una pantalla opaca con dos ranuras paralelas, detrás de las cuales se instala una pantalla de proyección. Este experimento demuestra la interferencia de la luz, que es una prueba de la teoría ondulatoria. La peculiaridad de las rendijas es que su ancho es aproximadamente igual a la longitud de onda de la luz emitida. El efecto del ancho de la ranura sobre la interferencia se analiza a continuación.
Suponiendo que la luz está formada por partículas ( teoría corpuscular de la luz), entonces en la pantalla de proyección uno vería solo dos bandas paralelas de luz pasando a través de las rendijas de la pantalla. Entre ambos, la pantalla de proyección quedaría prácticamente apagada.
Biprisma de Fresnel - en física - un prisma doble con ángulos muy pequeños en los vértices.
El biprisma de Fresnel es un dispositivo óptico que permite que una fuente de luz forme dos ondas coherentes, lo que hace posible observar un patrón de interferencia estable en la pantalla.
El biprisma de Frenkel sirve como medio de prueba experimental de la naturaleza ondulatoria de la luz.
Los espejos de Fresnel son un dispositivo óptico propuesto en 1816 por O. J. Fresnel para observar el fenómeno de los haces de luz coherentes con la interferencia. El dispositivo consta de dos espejos planos I y II, que forman un ángulo diedro que se diferencia de 180° por sólo unos pocos minutos de arco (ver Fig. 1 en el ítem Interferencia de la luz). Cuando los espejos se iluminan desde una fuente S, los haces de rayos reflejados por los espejos pueden considerarse como provenientes de fuentes coherentes S1 y S2, que son imágenes imaginarias de S. En el espacio donde los haces se superponen, se produce interferencia. Si la fuente S es lineal (rendija) y paralela al borde FZ, entonces, cuando se ilumina con luz monocromática, se observa un patrón de interferencia en forma de rayas oscuras y claras equidistantes paralelas a la rendija en la pantalla M, que se puede instalar en cualquier lugar. en la región de superposición de vigas. La distancia entre las bandas se puede utilizar para determinar la longitud de onda de la luz. Los experimentos realizados con PV fueron una de las pruebas decisivas de la naturaleza ondulatoria de la luz.
9. Interferencia de luz en películas delgadas. Condiciones para la formación de bandas claras y oscuras en luz reflejada y transmitida.
10. Franjas de igual pendiente y franjas de igual espesor. Anillos de interferencia de Newton. Radios de anillos claros y oscuros.
11. Interferencia de luz en películas delgadas con incidencia normal de luz. Ilustración de los dispositivos ópticos.
12. Interferómetros ópticos de Michelson y Jamin. Determinación del índice de refracción de una sustancia mediante interferómetros de dos haces.
13. El concepto de interferencia multitrayecto de la luz. Interferómetro de Fabry-Perot. Suma de un número finito de ondas de igual amplitud, cuyas fases forman una progresión aritmética. Dependencia de la intensidad de la onda resultante en la diferencia de fase de las ondas de interferencia. La condición para la formación de los principales máximos y mínimos de la interferencia. La naturaleza del patrón de interferencia multihaz.
14. El concepto de difracción de ondas. Parámetro de onda y límites de aplicabilidad de las leyes de la óptica geométrica. Principio de Huygens-Fresnel.
15. Método de las zonas de Fresnel y prueba de propagación rectilínea de la luz.
16. Difracción de Fresnel por un agujero redondo. Radios de la zona de Fresnel para frentes de onda esféricos y planos.
17. Difracción de la luz sobre un disco opaco. Cálculo del área de las zonas de Fresnel.
18. El problema de aumentar la amplitud de la onda al pasar por un agujero redondo. Placas de zona de amplitud y fase. Placas de enfoque y de zona. Lente de enfoque como caso límite de una placa de zona de fase escalonada. Lentes de zonificación.