¿Cuál es el ángulo límite de reflexión interna total? Reflexión interna total de la luz: descripción, condiciones y leyes.

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)

Limitar el 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 quedará completamente reflejado. Este fenómeno se llama reflejo completo de la luz. El ángulo de incidencia αn, en el que el haz refractado se desliza a lo largo de la interfaz entre los medios, se denomina ángulo límite de reflexión total.

La reflexión total se puede observar en un prisma de vidrio rectangular isósceles (Fig. 4), muy utilizado en periscopios, binoculares, refractómetros, etc.

a) La luz incide perpendicularmente a la primera cara y por lo tanto no sufre refracción aquí (α=0 y =0). El ángulo de incidencia en la segunda cara es α=45˚, es decir >α p, (para vidrio α p =42˚). Por tanto, la luz se refleja completamente en esta cara. Este es un prisma giratorio que gira el haz 90˚.

b) En este caso, la luz en el interior del prisma experimenta 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 el rayo incidente superior se convierte en el inferior y el inferior se convierte en el superior.

Ancho aplicación técnica El fenómeno de la reflexión total se encontró en las guías de luz.

La guía de luz es Número grande hilos de vidrio delgados, cuyo diámetro es de aproximadamente 20 micrones y la longitud de cada uno es de aproximadamente 1 m. Estos hilos son paralelos entre sí y están ubicados muy cerca (Fig. 5)

Cada hilo está rodeado por una fina capa de vidrio, cuyo índice de refracción es menor que el del propio hilo. La guía de luz tiene dos extremos; las posiciones relativas de los extremos de los hilos en ambos extremos de la guía de luz son estrictamente iguales.

Si coloca un objeto en un extremo de la guía de luz y lo ilumina, aparecerá una imagen de este objeto en el otro extremo de la guía de luz.

La imagen se obtiene debido a que la luz de una pequeña zona del objeto entra por el extremo de cada uno de los hilos. Al experimentar muchos reflejos totales, la luz emerge del extremo opuesto del hilo, transmitiendo el reflejo a una pequeña zona determinada del objeto.

Porque la disposición 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 del recorrido de un haz de luz suelen ser relativamente pequeñas en haces (fibras), ya que en caso de reflexión total el coeficiente de reflexión es relativamente alto (~0,9999). Pérdida de energía son causados ​​principalmente por la absorción de luz por la sustancia dentro de la fibra.

Por ejemplo, en la parte visible del espectro en una fibra de 1 m de largo, se pierde entre el 30 y el 70% de la energía (pero en un haz).

Por lo tanto, para transmitir grandes flujos de luz y mantener la flexibilidad del sistema conductor de luz, las fibras individuales se recogen en haces (haces): 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.). Mediante guías de luz se transmite radiación láser con efectos terapéuticos sobre los tumores. Y la retina humana es un sistema de fibra óptica altamente organizado que consta de ~ 130x10 8 fibras.

Óptica geométrica y ondulatoria. Condiciones para utilizar estos enfoques (basados ​​en la relación entre la longitud de onda y el tamaño del objeto). Coherencia de ondas. El concepto de coherencia espacial y temporal. Emision estimulada. 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 interferencia, como resultado de lo cual limitado un haz de luz no se propaga en ninguna dirección, sino que tiene una distribución angular finita, es decir, se produce difracción. Sin embargo, en los casos en que las dimensiones transversales características de los haces de luz son lo suficientemente grandes en comparación con la longitud de onda, podemos ignorar 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 óptica ondulatoria: interferencia, difracción, polarización, etc.

La interferencia de ondas es el fortalecimiento o debilitamiento mutuo de la amplitud de dos o más ondas coherentes que se propagan simultáneamente en el espacio.

La difracción de ondas es un fenómeno que se manifiesta como una desviación de las leyes de la óptica geométrica durante la propagación de 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 su diferencia de fase es constante en el tiempo y al sumar las oscilaciones se obtiene una oscilación de la misma frecuencia.

Si la diferencia de fase entre dos oscilaciones cambia muy lentamente, se dice que las oscilaciones permanecen coherentes durante algún tiempo. Este tiempo se llama tiempo de coherencia.

La coherencia espacial es la coherencia de oscilaciones que ocurren en el mismo momento en el tiempo en diferentes puntos del plano perpendicular a la dirección de propagación de la onda.

La emisión estimulada es la generación de un nuevo fotón durante la transición de un sistema cuántico (átomo, molécula, núcleo, etc.) de un estado excitado a uno estable (más pequeño nivel de energía) bajo la influencia de un fotón inductor, cuya energía era igual a la diferencia de energía entre los niveles. El fotón creado tiene la misma energía, momento, fase y polarización que el fotón inductor (que no se absorbe).

La radiación láser puede ser continua, con potencia constante, o pulsada, alcanzando potencias máximas extremadamente altas. En algunos esquemas, el elemento de trabajo láser se utiliza como amplificador óptico para la radiación de otra fuente.

La base física del funcionamiento del láser es el fenómeno de la radiación forzada (inducida). La esencia del fenómeno es que un átomo excitado es capaz de emitir un fotón bajo la influencia de otro fotón sin absorberlo, si la energía de este último es igual a la diferencia en las energías de los niveles del átomo antes y después del radiación. En este caso, el fotón emitido es coherente con el fotón que provocó la radiación (es su “copia exacta”). De esta manera la luz se amplifica. Este fenómeno se diferencia de la radiación espontánea, en la que los fotones emitidos tienen direcciones de propagación, polarización y fase aleatorias.

Todos los láseres constan de tres partes principales:

ambiente 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 asegura que el láser realice 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 cuando la luz pasa a través de sistemas ópticos sin tener en cuenta sus propiedades ondulatorias.

La reflexión interna total es reflexión interna, siempre que el ángulo de incidencia supere un cierto ángulo crítico. En este caso, la onda incidente se refleja completamente y el valor del coeficiente de reflexión excede su máximo. valores grandes para superficies pulidas. La reflectancia de la reflexión interna total es independiente de la longitud de onda.

Ángulo límite de reflexión interna total.

Ángulo de incidencia en el que un haz refractado comienza a deslizarse a lo largo de la interfaz entre dos medios sin pasar a un medio ópticamente más denso.

Camino de rayos en espejos, prismas y lentes

Los rayos de luz procedentes de una fuente puntual viajan en todas direcciones. En los sistemas ópticos, al doblarse hacia atrás y reflejarse en las interfaces entre los medios, algunos de los rayos pueden volver a cruzarse en algún punto. Un punto se llama imagen puntual. Cuando un rayo se refleja 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 impacto, que pasa por el punto de incidencia, y el ángulo de incidencia se resta de esta normal es igual al ángulo de impacto”.

Fibra óptica: este término significa

una rama de la óptica que estudia los fenómenos físicos que surgen y ocurren en las fibras ópticas, o

productos de industrias de ingeniería de precisión que contienen 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 secuencia determinada. Los circuitos ópticos pueden estar cerrados o abiertos, con comentario o sin él.

Cuando las ondas se propagan en un medio, incluidos los electromagnéticos, para encontrar un nuevo frente de onda en cualquier momento, utilice Principio de Huygens.

Cada punto del frente de onda es una fuente de ondas secundarias.

En un medio isotrópico homogéneo, las superficies de las ondas secundarias tienen la forma de esferas de radio v×Dt, donde v es la velocidad de propagación de la onda en el medio. Dibujando la envolvente de los frentes de onda de las ondas secundarias, obtenemos un nuevo frente de onda en un momento dado (Fig. 7.1, a, b).

Ley de reflexión

Usando el principio de Huygens podemos probar la ley de la reflexión. ondas electromagnéticas en la interfaz entre dos dieléctricos.

El ángulo de incidencia es igual al ángulo de reflexión. Los rayos incidente y reflejado, junto con la perpendicular a la interfaz entre los dos dieléctricos, se encuentran en el mismo plano.Ð a = Ð b. (7.1)

Dejemos que un plano caiga sobre un límite plano entre dos medios. onda de luz(rayos 1 y 2, Fig. 7.2). El ángulo a entre el haz y la perpendicular al LED se llama ángulo de incidencia. Si en un momento dado el frente de la onda OB incidente alcanza el punto O, entonces, según el principio de Huygens, este punto

Arroz. 7.2

comienza a emitir una onda secundaria. Durante el tiempo Dt = VO 1 /v, el haz incidente 2 alcanza el punto O 1. Durante el mismo tiempo, el frente de la onda secundaria, después de reflejarse en el punto O, propagándose en el mismo medio, alcanza puntos del hemisferio con radio OA = v Dt = BO 1. El nuevo frente de onda está representado por el plano AO ​​1, y la dirección de propagación del rayo OA. El ángulo b se llama ángulo de reflexión. De la igualdad de los triángulos OAO 1 y OBO 1 se desprende la ley de la reflexión: el ángulo de incidencia es igual al ángulo de reflexión.

Ley de refracción

Un medio ópticamente homogéneo 1 se caracteriza por , (7.2)

Relación n 2 / n 1 = n 21 (7,4)

llamado

(7.5)

Para vacío n = 1.

Debido a la dispersión (frecuencia de la luz n » 10 14 Hz), por ejemplo, para el agua n = 1,33, y no n = 9 (e = 81), como se desprende de la electrodinámica para bajas frecuencias. Si la velocidad de propagación de la luz en el primer medio es v 1 y en el segundo, v 2,

Arroz. 7.3

luego, durante el tiempo Dt, la onda plana incidente recorre la distancia AO 1 en el primer medio AO 1 = v 1 Dt. El frente de onda secundaria, excitado en el segundo medio (según el principio de Huygens), alcanza puntos del hemisferio cuyo radio OB = v 2 Dt. El nuevo frente de onda que se propaga en el segundo medio está representado por el plano BO 1 (Fig. 7.3) y la dirección de su propagación por los rayos OB y ​​O 1 C (perpendicular al frente de onda). Ángulo b entre el rayo OB y ​​la normal a la interfaz entre dos dieléctricos en el punto O llamado ángulo de refracción. De los triángulos OAO 1 y OBO 1 se deduce que AO 1 = OO 1 sin a, OB = OO 1 sin b.

Su actitud expresa ley de refracción(ley Snell):

. (7.6)

La relación entre el seno del ángulo de incidencia y el seno del ángulo de refracción es igual al índice de refracción relativo de los dos medios.

Reflexión interna total

Arroz. 7.4

Según la ley de refracción, en la interfaz entre dos medios se puede observar reflexión interna total, si n 1 > n 2, es decir, Ðb > Ða (figura 7.4). En consecuencia, existe un ángulo de incidencia límite Ða pr cuando Ðb = 90 0 . Entonces la ley de refracción (7.6) toma siguiente vista:

sen a pr = , (sen 90 0 =1) (7.7)

Con un aumento adicional del ángulo de incidencia Ða > Ða pr, la luz se refleja completamente desde la interfaz entre los dos medios.

Este fenómeno se llama reflexión interna total y se utilizan ampliamente en óptica, por ejemplo, para cambiar la dirección de los rayos de luz (Fig. 7.5, a, b).

Se utiliza en telescopios, binoculares, fibra óptica y otros instrumentos ópticos.

En los procesos ondulatorios clásicos, como el fenómeno de la reflexión interna total de las ondas electromagnéticas, se observan fenómenos similares al efecto túnel en la mecánica cuántica, que está asociado con las propiedades corpusculares ondulatorias de las partículas.

De hecho, cuando la luz pasa de un medio a otro, se observa refracción de la luz, asociada a un cambio en la velocidad de su propagación en diferentes medios. En la interfaz entre dos medios, un haz de luz se divide en dos: refractado y reflejado.

Un rayo de luz incide perpendicularmente sobre la cara 1 de un prisma rectangular de vidrio isósceles y, sin refracción, incide sobre la cara 2, se observa reflexión interna total, ya que el ángulo de incidencia (Ða = 45 0) del haz sobre la cara 2 es mayor que el ángulo límite de reflexión interna total (para vidrio n 2 = 1,5; Ða pr = 42 0).

Si el mismo prisma se coloca a una cierta distancia H ~ l/2 de la cara 2, entonces un rayo de luz pasará por la cara 2 * y saldrá del prisma por la cara 1 * paralelo al rayo incidente en la cara 1. La intensidad J del flujo de luz transmitida disminuye exponencialmente al aumentar el espacio h entre los prismas según la ley:

,

donde w es una cierta probabilidad de que el rayo pase al segundo medio; d es el coeficiente que depende del índice de refracción de la sustancia; l es la longitud de onda de la luz incidente

Por tanto, la penetración de la luz en la región "prohibida" es un análogo óptico del efecto túnel cuántico.

El fenómeno de reflexión interna total es verdaderamente completo, ya que en este caso toda la energía de la luz incidente se refleja en la interfaz entre dos medios que cuando se refleja, por ejemplo, en la superficie de espejos metálicos. Utilizando este fenómeno, se puede trazar otra analogía entre la refracción y reflexión de la luz, por un lado, y la radiación de Vavilov-Cherenkov, por el otro.

INTERFERENCIA DE ONDAS

7.2.1. El papel de los vectores y

En la práctica, varias ondas pueden propagarse simultáneamente en medios reales. Como resultado de la adición de ondas, se observan una serie de fenómenos interesantes: Interferencia, difracción, reflexión y refracción de ondas. etc.

Estos fenómenos ondulatorios son característicos no solo de las ondas mecánicas, sino también de las eléctricas, magnéticas, luminosas, etc. Las propiedades ondulatorias también las exhiben todos partículas elementales, lo cual ha sido demostrado por la mecánica cuántica.

Uno de los fenómenos ondulatorios más interesantes, que se observa cuando dos o más ondas se propagan en un medio, se llama interferencia. Un medio ópticamente homogéneo 1 se caracteriza por índice de refracción absoluto , (7.8)

donde c es la velocidad de la luz en el vacío; v 1 - velocidad de la luz en el primer medio.

El medio 2 se caracteriza por el índice de refracción absoluto.

donde v 2 es la velocidad de la luz en el segundo medio.

Actitud (7.10)

llamado indicador relativo refracción del segundo medio con respecto al primero. Para dieléctricos transparentes en los que m = 1, usando la teoría de Maxwell, o

donde e 1, e 2 son las constantes dieléctricas del primer y segundo medio.

Para el vacío n = 1. Debido a la dispersión (frecuencia de la luz n » 10 14 Hz), por ejemplo, para el agua n = 1,33, y no n = 9 (e = 81), como se desprende de la electrodinámica para bajas frecuencias. La luz son ondas electromagnéticas. Por tanto, el campo electromagnético está determinado por los vectores y , que caracterizan las intensidades de los campos eléctrico y magnético, respectivamente. Sin embargo, en muchos procesos de interacción de la luz con la materia, por ejemplo, en la influencia de la luz sobre los órganos de la visión, fotocélulas y otros dispositivos, el papel decisivo pertenece al vector, que en óptica se llama vector de luz.

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 surgen 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.

Espejismo fenómeno óptico en la atmósfera: reflejo de la luz en el límite entre capas de aire que difieren marcadamente en densidad. Para un observador, tal reflexión significa que junto con un objeto distante (o parte del cielo), su imagen virtual, 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

Observado con un gradiente de temperatura vertical muy grande (su caída con la altura) por encima del sobrecalentado. superficie plana, a menudo camino desértico o pavimentado. La imagen virtual del cielo crea la ilusión de agua en la superficie. Así, la carretera que se extiende a lo lejos en un caluroso día de verano parece mojada.

Espejismo superior

Observado sobre la fría superficie terrestre con una distribución de temperatura invertida (aumenta con su altura).

Fata Morgana

Los fenómenos complejos de espejismos con una fuerte distorsión de la apariencia de los objetos se denominan Fata Morgana.

Espejismo de volumen

En la montaña muy raramente, cuando hay confluencia. ciertas condiciones, puedes ver el “yo distorsionado” a bastante quemarropa. Este fenómeno se explica por la presencia de vapor de agua "estancado" en el aire.

La refracción astronómica es el fenómeno de refracción de los rayos de luz de los cuerpos celestes al atravesar la atmósfera. Dado que la densidad de las atmósferas planetarias siempre disminuye con la altitud, la refracción de la luz se produce de tal manera que la convexidad del rayo curvo en todos los casos es. dirigido hacia el cenit. En este sentido, la refracción siempre "eleva" las imágenes de los cuerpos celestes por encima de su verdadera posición.

La refracción provoca una serie de efectos óptico-atmosféricos en la Tierra: aumento Dia largo debido a que el disco solar, por refracción, se eleva sobre el horizonte unos minutos antes del momento en que debería haber salido el Sol por consideraciones geométricas; el achatamiento 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 magnitud de 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 linealmente polarizada. Polarización de la luz natural. Radiación no polarizada. Polarizadores dicroicos. Polarizador y analizador de luz. La ley de Malus.

Polarización de ondas- el fenómeno de romper la simetría de la distribución de perturbaciones en transverso onda (por ejemplo, intensidades de campos eléctricos y magnéticos en ondas electromagnéticas) en relación con la dirección de su propagación. EN longitudinal La polarización no puede ocurrir en una onda, ya que las perturbaciones en este tipo de onda siempre coinciden con la dirección de propagación.

lineal: las oscilaciones perturbadoras ocurren en un plano. En este caso hablan de “ plano polarizado ola";

circular: el final del vector de amplitud describe un círculo en el plano de oscilación. Dependiendo del sentido de rotación del vector, puede haber bien o izquierda.

La polarización de la luz es el proceso de ordenar las oscilaciones del vector de intensidad del campo eléctrico de una onda de luz cuando la luz pasa a través de ciertas sustancias (durante la refracción) o cuando se refleja el flujo de luz.

Un polarizador dicroico contiene una película que contiene al menos una sustancia orgánica dicroica, cuyas moléculas o fragmentos de moléculas tienen una estructura plana. Al menos parte de la película tiene una estructura cristalina. Una 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. Al fabricar 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 para aplicar la película y el tipo y magnitud de la influencia de orientación se eligen de modo que el parámetro de orden de la película, correspondiente al menos a un máximo en la curva de absorción espectral en el rango espectral de 0,7 - 13 μm, tiene un valor de al menos 0,8. La estructura cristalina de al menos una porción de la película es tridimensional. red cristalina, formado por moléculas de materia orgánica dicroica. El rango espectral del polarizador se amplía al mismo tiempo que se mejoran 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 pasar a través de un polarizador del ángulo entre los planos de polarización de la luz incidente y el polarizador.

Dónde I 0 - intensidad de la luz que incide sobre el polarizador, I- intensidad de la luz que emerge del polarizador, k una- coeficiente de transparencia del polarizador.

6. Fenómeno Brewster. Fórmulas de Fresnel para el coeficiente de reflexión para 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 el ángulo en el que la luz reflejada desde la interfaz estará completamente polarizada en un plano perpendicular al plano de incidencia, y el haz refractado estará parcialmente polarizado en el plano de incidencia, y la polarización del haz refractado alcanza valor más alto. Es fácil comprobar 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 con respecto al primero, θ hermano- ángulo de incidencia (ángulo de Brewster). Las amplitudes de las ondas incidente (U inc) y reflejada (U ref) en la línea KBB están relacionadas por la relación:

K bv = (U pad - U neg) / (U pad + U neg)

A través del coeficiente de reflexión de voltaje (K U), el KVV se expresa de la siguiente manera:

K bv = (1 - KU) / (1 + KU) Con una carga puramente activa, el BV es igual a:

K bv = R / ρ en R< ρ или

K bv = ρ / R para R ≥ ρ

donde R es la resistencia de carga activa, ρ es la impedancia característica de la línea

7. El concepto de interferencia luminosa. La suma de dos ondas incoherentes y coherentes cuyas líneas de polarización coinciden. Dependencia de la intensidad de la onda resultante al sumar dos ondas coherentes de la diferencia de sus fases. El concepto de diferencia geométrica y óptica en las trayectorias de las ondas. Términos generales para observar máximos y mínimos de interferencia.

La interferencia de luz es la suma no lineal de las intensidades de dos o más ondas de luz. Este fenómeno va acompañado de máximas y mínimas alternas de intensidad en el espacio. Su distribución se llama 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 entre las ondas no depende del tiempo. Las ondas y las fuentes que las excitan se denominan incoherentes si la diferencia de fase entre las ondas cambia con el tiempo. Fórmula para la diferencia:

, Dónde , ,

8. Métodos de laboratorio para observar la interferencia de la luz: experimento de Young, biprisma de Fresnel, espejos de Fresnel. Cálculo de la posición de máximos y mínimos de interferencia.

Experimento de Young - En el experimento se dirige un haz de luz sobre una pantalla opaca con dos rendijas paralelas, detrás de la cual se instala una pantalla de proyección. Este experimento demuestra la interferencia de la luz, lo 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.

Si asumimos que la luz está formada por partículas ( teoría corpuscular de la luz), entonces en la pantalla de proyección sólo se podían ver dos franjas de luz paralelas que pasaban a través de las rendijas de la pantalla. Entre ambos, la pantalla de proyección permanecería prácticamente apagada.

Biprisma de Fresnel - en física - un prisma doble con ángulos muy pequeños en los vértices.
Un biprisma de Fresnel es un dispositivo óptico que permite la formación de dos ondas coherentes a partir de una fuente de luz, lo que permite observar un patrón de interferencia estable en la pantalla.
El biprisma de Frenkel sirve como medio para demostrar experimentalmente 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 interferencia de haces de luz coherentes. El dispositivo consta de dos espejos planos I y II, formando un ángulo diédrico que difiere de 180° en sólo unos pocos minutos angulares (ver Fig. 1 en el artículo Interferencia de la luz). Cuando los espejos se iluminan desde una fuente S, se puede considerar que los haces de rayos reflejados en los espejos emanan de fuentes coherentes S1 y S2, que son imágenes virtuales de S. En el espacio donde los haces se superponen, se produce interferencia. Si la fuente S es lineal (rendija) y paralela al borde de los fotones, entonces, cuando se ilumina con luz monocromática, se observa en la pantalla M un patrón de interferencia en forma de franjas oscuras y claras igualmente espaciadas paralelas a la rendija, que Se puede instalar en cualquier lugar del área de superposición de las vigas. La distancia entre las franjas se puede utilizar para determinar la longitud de onda de la luz. Los experimentos realizados con fotones fueron una de las pruebas decisivas del carácter ondulatorio de la luz.

9. Interferencia de la luz en películas delgadas. Condiciones para la formación de franjas claras y oscuras en luz reflejada y transmitida.

10. Franjas de igual pendiente y franjas de igual espesor. Los anillos de interferencia de Newton. Radios de anillos oscuros y claros.

11. Interferencia de la luz en películas delgadas con incidencia de luz normal. Recubrimiento de instrumentos 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 de luz multihaz. Interferómetro de Fabry-Perot. La suma de un número finito de ondas de idéntica amplitud, cuyas fases forman progresión aritmética. Dependencia de la intensidad de la onda resultante de la diferencia de fase de las ondas perturbadoras. La condición para la formación de los máximos y mínimos principales de 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 la zona de Fresnel y prueba de la propagación rectilínea de la luz.

16. Difracción de Fresnel por un agujero redondo. Radios de zonas de Fresnel para un frente de onda esférico y plano.

17. Difracción de la luz sobre un disco opaco. Cálculo del área de zonas de Fresnel.

18. El problema de aumentar la amplitud de una onda al pasar. agujero circular. Placas de zona de amplitud y fase. Placas de enfoque y zona. Lente de enfoque como caso límite de una placa de zona de fase escalonada. Zonificación de lentes.

Significado físico del índice de refracción. La luz se refracta debido a cambios en la velocidad de su propagación al pasar de un medio a otro. El índice de refracción del segundo medio con respecto al primero es numéricamente igual a la relación entre la velocidad de la luz en el primer medio y la velocidad de la luz en el segundo medio:

Así, el índice de refracción muestra cuántas veces la velocidad de la luz en el medio del que sale el haz es mayor (menor) que la velocidad de la luz en el medio en el que entra.

Dado que la velocidad de propagación de las ondas electromagnéticas en el vacío es constante, es aconsejable determinar los índices de refracción de varios medios en relación con el vacío. relación de velocidad Con La propagación de la luz en el vacío a la velocidad de su propagación en un medio dado se llama índice de refracción absoluto de una sustancia determinada () y es la principal característica de sus propiedades ópticas,

,

aquellos. el índice de refracción del segundo medio con respecto al primero es igual a la relación de los índices absolutos de estos medios.

Normalmente, las propiedades ópticas de una sustancia se caracterizan por su índice de refracción. norte en relación con el aire, que difiere poco del índice de refracción absoluto. En este caso, un medio con un índice absoluto mayor se denomina ópticamente más denso.

Limitar el ángulo de refracción. Si la luz pasa de un medio con un índice de refracción más bajo a un medio con un índice de refracción más alto ( n 1< n 2 ), entonces el ángulo de refracción es menor que el ángulo de incidencia

r< i (Fig. 3).

Arroz. 3. Refracción de la luz durante la transición.

de un medio ópticamente menos denso a un medio

ópticamente más denso.

Cuando el ángulo de incidencia aumenta a yo soy = La luz de 90° (haz 3, Fig. 2) en el segundo medio se propagará sólo dentro del ángulo r pr , llamado ángulo limitante de refracción. En la región del segundo medio dentro de un ángulo adicional al ángulo límite de refracción (90° - yo pr ), la luz no penetra (en la Fig. 3 esta zona está sombreada).

Limitar el ángulo de refracción r pr

Pero sen i m = 1, por lo tanto.

El fenómeno de la reflexión interna total. Cuando la luz proviene de un medio con un alto índice de refracción. norte 1 > norte 2 (Fig. 4), entonces el ángulo de refracción es mayor que el ángulo de incidencia. La luz se refracta (pasa a un segundo medio) sólo dentro del ángulo de incidencia. yo pr , que corresponde al ángulo de refracción r m = 90°.

Arroz. 4. Refracción de la luz al pasar de un medio ópticamente más denso a un medio

ópticamente menos denso.

La luz que incide en un ángulo grande se refleja completamente desde el límite de los medios (Fig. 4, rayo 3). Este fenómeno se llama reflexión interna total y el ángulo de incidencia yo pr – ángulo límite de reflexión interna total.

Ángulo límite de reflexión interna total. yo pr determinado según la condición:

, entonces sen r m =1, por lo tanto, .

Si la luz proviene de cualquier medio al vacío o al aire, entonces

Debido a la reversibilidad de la trayectoria del rayo para dos medios dados, el ángulo límite de refracción durante la transición del primer medio al segundo es igual al ángulo límite de reflexión interna total cuando el rayo pasa del segundo medio al primero.

El ángulo límite de reflexión interna total del vidrio es inferior a 42°. Por tanto, los rayos que atraviesan el vidrio y caen sobre su superficie en un ángulo de 45° se reflejan completamente. Esta propiedad del vidrio se utiliza en prismas giratorios (Fig. 5a) y reversibles (Fig. 4b), utilizados a menudo en instrumentos ópticos.

Arroz. 5: a – prisma giratorio; b – prisma reversible.

Fibra óptica. La reflexión interna total se utiliza en la construcción de flexibles. guías de luz. La luz, al entrar en una fibra transparente rodeada por una sustancia con un índice de refracción más bajo, se refleja muchas veces y se propaga a lo largo de esta fibra (Fig. 6).

Fig.6. Paso de la luz dentro de una fibra transparente rodeada por una sustancia.

con un índice de refracción más bajo.

Para transmitir grandes flujos de luz y mantener la flexibilidad del sistema conductor de luz, las fibras individuales se recogen en haces: guías de luz. La rama de la óptica que se ocupa de la transmisión de luz e imágenes a través de fibras ópticas se llama fibra óptica. El mismo término se utiliza para referirse a las propias piezas y dispositivos de fibra óptica. En medicina, las guías de luz se utilizan para iluminar las cavidades internas con luz fría y transmitir imágenes.

Parte practica

Los dispositivos para determinar el índice de refracción de sustancias se denominan refractómetros(Figura 7).

Fig.7. Diagrama óptico del refractómetro.

1 – espejo, 2 – cabezal de medición, 3 – sistema de prisma para eliminar la dispersión, 4 – lente, 5 – prisma giratorio (rotación del haz de 90 0), 6 – escala (en algunos refractómetros

hay dos escalas: la escala del índice de refracción y la escala de concentración de la solución),

7 – ocular.

La parte principal del refractómetro es el cabezal de medición, que consta de dos prismas: el de iluminación, que se encuentra en la parte abatible del cabezal, y el de medición.

A la salida del prisma de iluminación, su superficie mate crea un haz de luz difuso que atraviesa el líquido en estudio (2-3 gotas) entre los prismas. Los rayos caen sobre la superficie del prisma de medición en diferentes ángulos, incluso en un ángulo de 90 0 . En el prisma de medición los rayos se recogen en la zona del ángulo límite de refracción, lo que explica la formación de la frontera luz-sombra en la pantalla del dispositivo.

Fig.8. Trayectoria del haz en el cabezal de medición:

1 – prisma de iluminación, 2 – líquido de prueba,

3 – prisma de medición, 4 – pantalla.