Приглашаем посетить сайт

Физическая энциклопедия. В 5-ти томах
ОПТИКА НЕОДНОРОДНЫХ СРЕД

ОПТИКА НЕОДНОРОДНЫХ СРЕД

ОПТИКА НЕОДНОРОДНЫХ СРЕД - разделфиз. оптики, в к-ром изучаются явления, сопровождающие распространение оптическогоизлучениям оптически неоднородных средах, показатель преломления . к-рых не постоянен, а зависит от координат. Характер явлений и методыих исследования существенно зависят от характера изменения п и масштабанеоднородностей по сравнению с длиной волны света Оптич. неоднородностями являются поверхности или объёмы внутри среды, на(в) к-рых изменяется п. Независимо от физ. природы неоднородностиона всегда отклоняет свет от его первонач. направления. На поверхностях, <разделяющих среды с различными п, происходят отражение света и преломление света. В среде с непрерывно изменяющимся п, когдаотносит, изменение п на расстояниях, сравнимых с очень мало (т. н. градиентиая среда), световой луч, задаваемый величинойgradS = ndr/dS в каждой точке волновой поверхности S(x,y,z), меняет направление в зависимости от неоднородностей пространства, <что приводит к его искривлению (рефракции).

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

Из этого ур-ния получается соотношениедля траектории светового луча:

Ур-ние (*) допускает ряд частных решений, <удовлетворяющих принципу "абсолютного прибора", т. е. оптич. системы, дающейстигматическое (резкое, без аберраций) изображение трёхмерного предмета.

Граданы. Простым примером абс. прибораможно считать сферич. граданы с распределением показателя преломленияпо радиусу - линза Лунеберга и п(r) = п₀/[1 + (r/a)²]- "рыбий глаз" Максвелла. В первом случае неоднородная сфера собирает каждыйпадающий пучок параллельных лучей в единый фокус, во втором - отображениеосуществляется преобразованием инверсии. Для аксиальной симметрии принципуабс. прибора удовлетворяет градан с распределением п(z), зависящимот формы сферич. поверхности. Этот градан эквивалентен по аберрациям асферич. <линзе. При радиальной симметрии принципу абс. прибора удовлетворяет распределение п(r)=sech(gr). В этом случае неоднородная среда соответствует периодическифокусирующему волноводу с длиной периодичности где - постоянная распространения, R- радиус волновода, п= n₀ - n(R) - перепад показателя преломления по сечениюволновода. Радиальные граданы в виде ци-линдрич. отрезка с таким распределением . эквивалентны линзе, свободной от аберраций, фазовых и амплитудных искажений. <Варьируя длину отрезка, можно менять фокусное расстояние и получать в одномэлементе объектив и оборачивающую систему.

Применение аксиальных и радиальных градановв фокусирующей оптике с повышенными требованиями к качеству изображения(в объективах фотоаппаратов, микроскопов и др.) позволяет сократить в 2- 4 раза или свести к минимуму число оптич. элементов. Граданы используютсяв качестве фокусирующих элементов лазерных систем видеозаписи. При этомпятно, формируемое и считываемое граданом, имеет размеры порядка длиныволны света (0,6 мкм). Блок граданов используется в малогабаритных копировальныхаппаратах.

Сельфоки. К числу радиальных граданов, <имеющих широкое распространение, относятся безоболочечные световоды, получившиекоммерч. название "сельфоки". Они способны самостоятельно формировать итранслировать изображение без дополнит. средств. В них все возбуждаемыемоды имеют равные скорости распространения. В практически реализованныхсельфоках на основе кварцевого стекла с параболич. распределением показателяпреломления вида п(r) = n₀(1 - g²r²/2)[что соответствует первым двум членам разложения sech(gr)] в диапазоне1,26 - 1,32 мкм, где дисперсия стекла близка к нулю, скорость передачиинформации на расстояние 1 км составляет 13,8 Гбит x км/с. Такие сельфоки, <состоящие из одного световода, способны передавать изображение как целоес разрешающей способностью 500 лин/мм, с сохранением фазы, плоскости поляризациии малыми потерями (1 Дб/км). Длина сельфоков достигает 1 км при диам. 100мкм. Кроме применения для дальней оптич. связи, сельфоки используются каксогласующие элементы, элементы жёстких эндоскопов, оптич. наконечники волоконно-оптпч. <фиброгас-троскопов и др. Градиентные поверхностные слои применяют такжевместо многослойных интерференционных просветляющих и отражающих покрытий.

Заданный градиент показателя преломленияв града-нах из стёкол получают под действием потока нейтронов ( п=0,02) либо путём разл. модификаций ионного обмена, когда замена вматрице стёкол одних ионов на другие приводит к изменению её плотностии соответственно п (п=0,04). Граданы из полимеров получают в результате обмена мономеровв частично заполимери-зов. матрице. Для них достигнуты максимальные п= 0,1 при диам. 100 м. Возможно также получение граданов при направленномвыращивании кристаллов с п=0,04 диам. до 20 мм. Кроме конденсиров. сред возможно использованиев роли граданов газовых линз, возникающих при ламинарном течении газа черезравномерно нагретые трубы. Градиентные среды возникают под действием мощноголазерного излучения и приводят к самофокусировке света.

На микронеоднородностях, показатели преломленияк-рых отличаются от показателя преломления окружающей среды, происходит рассеяние света. Оптически неоднородными являются мутные среды; в них размеры оптич. неоднородностей обычно превышают длину световойволны Если неоднородность среды вызвана присутствием в ней мелкодисперсных коллоидныхчастиц, размеры к-рых соизмеримы с то среда кажется совершенно прозрачной; однако наблюдение под углом 90°к направлению падающего света обнаруживает свечение среды, обусловленноеинтенсивным рассеянием света (Тиндаля эффект). Существенную рольв О. н. с. играет интерференция света между рассеянными, отражёнными ипреломлёнными световыми волнами, а также падающей волной.

К неоднородным средам относятся такжевещества без инородных включений, в к-рых изменения п в большомчисле микрообъёмов, приводящие к рассеянию света, вызваны флуктуациямиплотности среды в результате хаотич. теплового движения её молекул илитурбулентностью среды. Интенсивность I света, рассеиваемого непоглощающимидиэлектрич. частицами, пропорциональна где р- параметр, зависящий от отношения размеров частиц к При рассеянии света на тепловых флуктуациях, размеры к-рых много меньше

.~ (Рэлеязакон). Для частиц, размеры к-рых много больше параметр р близок к нулю и рассеяние определяется геом. эффектамипреломления света на поверхностях раздела объёмов. В этом случае I не зависит от чтои наблюдается при рассеянии света в туманах и облаках - они имеют белыйцвет. На изучении рассеяния света неоднородностями в газах, жидкостях итвёрдых телах основаны методы нефелометрии и ультрамикроскопии (см. Ультрамикроскоп), позволяющиеопределять концентрацию неоднородностей и изучать их природу (а в нефелометрии- и их размеры).

Особый раздел О. н. с. составляет оптикатонких слоев.

Лит.: Борн М., Вольф Э., Основыоптики, пер. с англ., 2 изд., М., 1973; Маркузе Д., Оптические волноводы, <пер. с англ., М., 1974; Marchand E. W., Gradient index optics, N. Y., 1978;Ильин В. Г. и др., Оптика граданов, в кн.: Успехи научной фотографии, т.23, М., 1985.

И. А. Диденко, Л. Н. Капорский.