Страница 43 из 70
Хорошо описывая распространение света в материальных средах, волновая О. не смогла удовлетворительно объяснить процессы его испускания и поглощения. Исследование этих процессов (фотоэффекта , фотохимических превращений молекул, закономерностей спектров оптических и пр.) и общие термодинамические соображения о взаимодействии электромагнитного поля с веществом привели к выводу, что элементарная система (атом, молекула) может отдавать энергию электромагнитному полю (или, напротив, получать её от него) лишь дискретными порциями (квантами), пропорциональными частоте излучения n (см. Излучение ). Поэтому световому электромагнитному необходимо сопоставить поток квантов света — фотонов , распространяющихся в вакууме со скоростью света с = 2,99·109 см /сек . Фотоны обладают энергией h n, импульсом с абсолютной величиной h n/c и массой h n/c 2 (их масса покоя равна нулю, см. Масса ), а также спином h /2p; здесь h = 6,65·1027 эрг /сек — Планка постоянная . В простейшем случае энергия, теряемая или приобретаемая изолированной квантовой системой при взаимодействии с оптическим излучением, равна энергии фотона, а в более сложном — сумме или разности энергий нескольких фотонов (см. Многофотонные процессы ). Явления, в которых при взаимодействии света и вещества существенны квантовые свойства элементарных систем, рассматриваются квантовой О. методами, развитыми в квантовой механике и квантовой электродинамике , а оптические явления, не связанные с изменением собственных состояний квантовых систем (например, давление света , Доплера эффект ), могут трактоваться в рамках как классических волновых, так и фотонных представлений.
Двойственность природы света (наличие одновременно характерных черт, присущих и волнам, и частицам) — частное проявление корпускулярно-волнового дуализма , свойственного, согласно квантовой теории, всем объектам микромира (например, электронам, протонам, атомам). Исторически концепция корпускулярно-волнового дуализма, впервые сформулированная именно для оптического излучения, окончательно утвердилась после обнаружения волновых свойств у материальных частиц (см. Дифракция частиц ) и лишь некоторое время спустя была экспериментально подтверждена для соседнего с оптическим диапазона электромагнитного излучения — радиоизлучения (квантовая электроника , квантовая радиофизика). Открытие квантовых явлений в радиодиапазоне во многом стёрло резкую границу между радиофизикой и О. Сначала в радиофизике, а затем в физической О. сформировалось новое направление, связанное с генерированием вынужденного излучения и созданием квантовых усилителей и квантовых генераторов излучения (мазеров и лазеров). В отличие от неупорядоченного светового поля обычных (тепловых и люминесцентных) источников, излучение лазеров в результате управления полем актами испускания входящих в них элементарных систем характеризуется упорядоченностью (когерентностью ). Оно отличается высокой монохроматичностью (Dn/n ~ 10–13 , см. Монохроматический свет ), предельно малой (вплоть до дифракционной) расходимостью пучка и при фокусировке позволяет получать недостижимые ни для каких других источников плотности излучения (~1018 вт ·см –2 ·стер –1 ). Появление лазеров стимулировало пересмотр и развитие традиционных и возникновение новых направлений физической О. Большую роль стали играть исследования статистики излучения (статистическая О.), были открыты новые нелинейные и нестационарные явления, получили развитие методы создания узконаправленных когерентных пучков света и управления ими (когерентная О.) и т.д. Особую важность приобрело изучение круга явлений, связанных с воздействием света на вещество (до появления лазеров наибольшее внимание привлекало воздействие вещества на свет). Развитие лазерной техники привело к новому подходу при создании оптических элементов и систем и, в частности, потребовало разработки новых оптических материалов, которые пропускают интенсивные световые потоки, сами не повреждаясь (силовая О.).
Все разделы О. имели и имеют многочисленные практические применения. Задачи рационального освещения улиц, помещений, рабочих мест на производстве, зрелищ, исторических и архитектурных памятников и пр. решаются светотехникой на основе геометрической О. и фотометрии, учитывающей законы физиологической О.; при этом используются достижения физической О. (например, для создания люминесцентных источников света ) и оптические технологии (изготовление зеркал, светофильтров , экранов и т.д.). Одна из важнейших традиционных задач О. — получение изображений, соответствующих оригиналам как по геометрической форме, так и по распределению яркости (иконика), решается главным образом геометрической О. с привлечением физической О. (для установления разрешающей способности приборов и систем, учёта зависимости показателя преломления от l-дисперсии света и др.). Геометрическая О. даёт ответ на вопрос, как следует построить оптическую систему для того, чтобы каждая точка объекта изображалась бы также в виде точки при сохранении геометрического подобия изображения объекту. Она указывает на источники искажений изображения и их уровень в реальных оптических системах (см. Аберрации оптических систем ). Для построения оптических систем существенна технология изготовления оптических материалов (стёкол, кристаллов, оптической керамики и пр.) с требуемыми свойствами, а также технология обработки оптических элементов. Из технологических соображений чаще всего применяют линзы и зеркала со сферическими поверхностями, но для упрощения оптических систем и повышения качества изображений при высокой светосиле используют и асферические оптические элементы.
Новые возможности получения оптических образов без применения фокусирующих систем даёт голография , основанная на однозначной связи формы тела с пространственным распределением амплитуд и фаз распространяющихся от него световых волн. Для регистрации поля с учётом распределения фаз волн в голографии на регистрируемое поле накладывают дополнит. когерентное поле и фиксируют (на фоточувствительном слое или др. методами) возникающую при этом интерференционную картину. При рассматривании полученной т.о. голограммы в когерентном (монохроматическом) свете получается объёмное изображение предмета.
Появление источников интенсивных когерентных световых полей (лазеров) дало толчок широкому развитию голографии. Она находит применение при решении многих научных и технических проблем. С помощью голографии получают пространственные изображения предметов, регистрируют (при импульсном освещении) быстропротекающие процессы, исследуют сдвиги и напряжения в телах и т.д.
Оптические явления и методы, разработанные в О., широко применяются для аналитические целей и контроля в самых различных областях науки и техники. Особенно большое значение имеют методы спектрального анализа и люминесцентного анализа , основанные на связи структуры атомов и молекул с характером их спектров испускания и поглощения, а также спектров комбинационного рассеяния света . По виду спектров и их изменению со временем или под действием на вещество внешних факторов можно установить молекулярный и атомный состав, агрегатное состояние, температуру вещества, исследовать кинетику протекающих в нём физических и химических процессов. Применение в спектроскопии лазеров обусловило бурное развитие нового её направления — лазерной спектроскопии. Спектральный и люминесцентный анализ используют в различных областях физики, астрофизике, геофизике и физике моря, химии, биологии, медицине, технике, в ряде гуманитарных наук — искусствоведении, криминалистике и пр.