WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!


Pages:     || 2 | 3 | 4 | 5 |   ...   | 35 |
..,..,..

..,..,..

Министерство образования и науки Российской Федерации ГОУ ВПО "Тамбовский государственный технический университет" Н.Я. МОЛОТКОВ, О.В. ЛОМАКИНА, А.А. ЕГОРОВ ОПТИКА И КВАЗИОПТИКА СВЧ Рекомендовано учебно-методическим объединением вузов Российской Федерации по образованию в области радиотехники, электроники, биомедицинской техники и автоматизации в качестве учебного пособия для студентов высших учебных заведений, обучающихся по специальности 210201 "Проектирование и технология радиоэлектронных средств" направления 210200 "Проектирование и технология электронных средств" Тамбов Издательство ТГТУ 2009 УДК 535(075) ББК 86-5я73 М758 Р е ц е н з е н т ы:

Доктор педагогических наук, профессор А.Н. Малинин Кандидат технических наук, доцент Л.М. Макаров Кандидат технических наук, доцент А.А. Иванов Молотков, Н.Я.

М758 Оптика и квазиоптика СВЧ : учебное пособие / Н.Я. Молотков, О.В. Ломакина, А.А. Егоров. – Тамбов : Изд-во Тамб. гос. техн. ун-та, 2009. – 380 с. – 100 экз. – ISBN 978-5-8265-0880-0.

Содержит последовательное и полное изложение основ электромагнитной теории света и его воздействие с веществом. Значительное внимание уделяется современным методам экспериментального исследования волновых явлений не только в оптическом, но и радиодиапазоне сверхвысоких частот (СВЧ), что позволило в квазиоптическом приближении исследовать многие более тонкие оптические явления на отрезках сравнимых и меньших длины волны.

Предназначено для студентов и преподавателей вузов.

УДК 535(075) ББК 86-5я73 ISBN 978-5-8265-0880-0 © ГОУ ВПО "Тамбовский государственный технический университет" (ТГТУ), 2009 ПРЕДИСЛОВИЕ Книга посвящена изложению волновой оптики на основе электромагнитной теории и экспериментальному исследованию основных явлений не только в оптическом, но и радиофизическом диапазоне СВЧ ( = 3,2 см). Введение элементов радиофизики в курс оптики, с одной стороны, позволяет привести лекционный эксперимент в соответствие с современным техническим уровнем, а с другой стороны, осуществить единый подход к изложению оптических и электромагнитных явлений, что содействует повышению научного уровня преподавания учебного материала. По мнению многих физиков-методистов, взятый в отдельности оптический диапазон волн не может полностью обеспечить успеха в изучении оптики и только правильное сочетание его с другими диапазонами волн позволяет достичь высоких результатов в обучении. Пионерами введения элементов радиофизики, как экспериментальной базы, в процесс обучения волновой оптики, являются Н.Н. Малов, Н.И. Калитеевский, Б.Ш. Перкальскис, Н.М. Шахмаев и др. Использование физического эксперимента по оптике в двух диапазонах волн должно быть комплексным: демонстрация одного диапазона волн должны дополнять, обогащать другой. Между ними на лекции должна быть установлена тесная, органическая взаимосвязь. Привлечение двух диапазонов волн не должно приводить к чрезмерному увеличению числа демонстраций. В некоторых случаях явления достаточно показать в одном диапазоне; например, получение волн с круговой или эллиптической поляризацией легче осуществить в радиодиапазоне электромагнитных волн. Кольца же Ньютона, естественно лучше продемонстрировать в классическом варианте, хотя для выяснения сущности интерференции, несомненно, может быть привлечен и диапазон СВЧ. Методика комплексного использования двух диапазонов (оптического и радиофизического) в преподавании оптики может быть самой разнообразной. Демонстрации обоих диапазонов волн могут служить или исходным элементом в проблемном изложении изучаемого материала, или иллюстрации к нему, или подтверждением изложенного. Часто изложение материала может предварять эксперимент в оптическом диапазоне, а подтверждать – эксперимент в радиодиапазоне СВЧ, или наоборот. Всё это определяется особенностью изучаемого вопроса, его трудностью, уровнем подготовки слушателей и т.п.

Первая глава посвящена введению в геометрическую и волновую оптику. Рассматривается прохождение света и радиоволн через призмы и линзы. Исследуется проникновение волн в оптически менее плотную среду при условии полного внутреннего отражения. Изучается распространение волн в неоднородных средах. Обсуждаются предварительные вопросы поляризации света и радиоволн, законы Малюса и Брюстера.

Вторая и третья главы посвящены интерференционным и дифракционным явлениям света и радиоволн. Большое внимание уделено как двух, так и многолучевой интерференции.

Выявляется роль дифракционных явлений в фокусировке с помощью вогнутых зеркал и линз, которые рассматриваются как предельный случай зонных и субзонных фазовых пластинок. Рассмотрены фокусирующие системы с переменным показателем преломления. Изучаются амплитудные и фазовые дифракционные решётки, а также осуществляется моделирование дифракции рентгеновских лучей.

В четвёртой главе рассмотрены кристаллооптические явления и даётся их наглядное экспериментальное обоснование в диапазоне СВЧ на базе искусственных анизотропных сред. В частности слоистые диэлектрические структуры для радиоволн являются аналогом кристалла исландского шпата. Даётся экспериментальное исследование анизотропных свойств моделей одноосного кристалла. Подробно обсуждается сложение двух когерентных волн с ортогональными линиями поляризации, теория интерференции поляризованных волн в кристаллах и анализ поляризованного излучения. Рассмотрены опыты Араго и Френеля и суперпозиция волн с круговыми поляризациями.



Заключительная глава включает вопросы дисперсии, поглощения и рассеяния света и радиоволн.

Постановка большинства лекционных опытов осуществлялась весьма скромными средствами, так что их можно успешно воспроизводить в любом физическом кабинете вуза. В качестве источника и приёмника радиоволн СВЧ может быть использована стандартная аппаратура, выпускаемая нашей промышленностью.

Г л а в а ВВЕДЕНИЕ В ГЕОМЕТРИЧЕСКУЮ И ВОЛНОВУЮ ОПТИКУ 1.1. ПРЕДМЕТ ОПТИКИ Оптика, точнее – физическая оптика, есть раздел физики, изучающий свойства и физическую природу света, а также его взаимодействие с веществом. Под светом понимают не только видимый свет, но и примыкающие к нему широкие области спектра электромагнитного излучения – инфракрасную и ультрафиолетовую. Различные участки спектра электромагнитного излучения отличаются друг от друга длиной волны и частотой. Электромагнитный спектр принято подразделять на радиоволны, инфракрасное, видимое, ультрафиолетовое, рентгеновское и гамма-излучения. Эти участки спектра различаются не по своей физической природе, а по способу генерации и приёму излучения. Поэтому между ними нет резких переходов и границы между ними условны.

Видимое, инфракрасное и ультрафиолетовое излучения составляют так называемую оптическую область спектра. Выделение этой области обусловлено не только близостью соответствующих участков спектра, но и сходством методов и приборов, применяющихся для их исследования.

Оптический спектр занимает диапазон от условной границы инфракрасного излучения ( = 2 мм) до условной коротковолновой границы ультрафиолета ( = 10–8 м). Видимое излучение имеет приблизительно диапазон ( = 400…760 нм). В оптической области спектра частота становится сравнимой с собственными частотами атомов и молекул. Благодаря этому в этой области становятся существенными явления, обусловленные атомистическим строением вещества. Вследствие этого, наряду с волновыми проявляются и квантовые свойства света. Энергия светового кванта определяется выражением E = h, где h = 6,62 · 10–34 Дж·с – постоянная М. Планка.

Следует заметить, что волновые и квантовые закономерности являются общими для всего спектра электромагнитного излучения. Только, в зависимости от длины волны, на первый план выступают разные явления, разные методы исследования и разные практические применения. Поэтому на изучение оптики нельзя смотреть как на замкнутую дисциплину, изучающую только оптическую область спектра, отделённую от других областей резкими границами. В связи с этим многие оптические явления целесообразно иллюстрировать в сантиметровом диапазоне радиоволн ( = 3,2 см). Введение элементов радиофизики в изучение волновой оптики позволяет утвердить взгляд обучаемых на оптические явления как на электромагнитные, вскрыть глубокое единство природы оптических и радиофизических явлений.

Физический эксперимент в каждом диапазоне волн имеют свои возможности для лучшего усвоения и понимания учебного материала. Так, опыты в оптическом диапазоне волн позволяют успешно формировать конечный результат явления, его картину, образ. Однако при этом невозможно наблюдать "механизм" волновых процессов на отрезках, сравнимых с длиной волны. Эксперимент в квазиоптическом приближении позволяет наглядно изучать явления на отрезках сравнимых и меньших, чем длина волны. Кроме того, расширяются экспериментальные возможности изучения более тонких физических явлений. Разработанный физический эксперимент может так же использоваться для постановки лабораторного практикума по волновой оптике в диапазоне СВЧ.

Одновременное рассмотрение оптических и радиофизических явлений позволяет выявить то общее, что есть между электромагнитными и световыми волнами, показать как знание одних может способствовать пониманию других. Плодотворность такого метода сравнений и аналогий общеизвестна не только в педагогической, но и в научной мысли. Как подчеркивал Л.И. Мандельштам (1979 – 1944), изучая колебательные явления в одной области, например в оптике, мы приобретаем интуицию в другой области, например радиофизике.

Часто, наоборот, "тёмные места в оптике освещаются, как прожектором, при изучении колебаний в механике".

Оптика и радиофизика имеют огромное практическое значение. Использование оптических телескопов и радиотелескопов позволяют исследовать нашу Вселенную. Методы оптической спектроскопии и методы, например, ядерного магнитного резонанса позволяют изучать закономерности микромира. Современная связь, телевидение и многие другие отрасли тесно связаны с развитием как оптики, так и радиофизики. Изобретение мазеров и лазеров открыло новые возможности не только в оптике, но и других отраслях науки и техники.

1.2. ПОНЯТИЕ О ГЕОМЕТРИЧЕСКОЙ ОПТИКЕ Простейшие оптические явления, например возникновение теней и получение изображений в оптических приборах, могут быть поняты в рамках так называемой геометрической оптики. В её основе лежат четыре закона, установленных опытным путём: 1) закон прямолинейного распространения света; 2) закон независимости световых пучков; 3) закон отражения; 4) закон преломления света. Для понимания более сложных явлений необходимо привлекать уже физическую оптику, которая рассматривает различные явления с точки зрения физической природы света. Физическая оптика позволяет, в частности, не только вывести все законы геометрической оптики, но и установить границы их применимости. Без знания этих границ формальное применение законов геометрической оптики может привести к результатам, противоречащим опытным наблюдениям.





1. Согласно закону прямолинейного распространения, свет в прозрачной однородной среде распространяется по прямым линиям. Этот закон, в частности, позволяет объяснить образование теней, отбрасываемых непрозрачными телами. Однако, в большей или меньшей мере, наблюдаются отступления от закона прямолинейного распространения света. На границе света и тени наблюдается переходная область, в которой могут возникать дифракционные полосы. Свет, подобно звуку, огибает препятствия стоящие на пути его распространения. Это явление называется дифракцией.

2. Закон независимости световых пучков состоит в том, что распространение всякого светового пучка в среде совершенно не зависит от того, есть в ней другие пучки света или нет. Закон независимости световых пучков справедлив для некогерентных источников света.

Освещённость экрана, создаваемая несколькими световыми пучками, равна сумме освещённостей, создаваемых каждым пучком в отдельности. Данный закон нарушается в явлениях интерференции света.

В геометрической оптике пользуются термином световой луч. В математическом смысле луч – есть линия, вдоль которой распространяется свет. Реальный световой пучок состоит из бесконечного множества световых лучей. Реальное существование имеют не математические лучи и бесконечно тонкие пучки света, а пучки конечного поперечного сечения, вырезаемые диафрагмами. Пучок света нельзя превратить в математический луч, так как возникают дифракционные явления.

3. Если луч достигает плоской границы двух прозрачных однородных сред, он частично проходит во вторую среду (преломляется), частично возвращается обратно (отражается). Закон отражения света был известен древним грекам. Он утверждает: падающий и отражённый лучи лежат в одной плоскости с нормалью к границе раздела в точке падения (эта плоскость называется плоскостью падения), причём угол падения равен углу отражения ' (рис. 1):

. (1.2.1) = 4. Закон преломления был экспериментально установлен в Рис. году Снеллиусом: преломленный луч лежит в плоскости падения, причём отношение синуса угла падения к синусу угла преломления для рассматриваемых сред (рис. 2) зависит только от длины волны, но не зависит от угла падения, т.е.

sin = n21, (1.2.2) sin где n21 называется относительным показателем преломления второй среды относительно первой. Показатель преломления среды относительно вакуума называется абсолютным показателем преломления этой среды. Согласно электромагнитной природе света, абсолютный показатель преломления показывает во сколько раз скорость света в вакууме с больше, чем скорость V в данной среде.

Рис. Для первой среды имеем c n1 =, (1.2.3) Vгде V1 – скорость света в первой среде, которая зависит от относительных диэлектрической 1 и магнитной µ1 проницаемости данной среды, т.е.

c V1 =. (1.2.4) 1µСледовательно, c n1 = = 1µ1. (1.2.5) VАналогично для абсолютного показателя преломления второй среды имеем c n2 = = 2µ2. (1.2.6) VОтносительный показатель преломления n21 выражается через абсолютные показатели nи n2 соотношением 2µn2 Vn21 = = =. (1.2.7) n1 V2 1µТаким образом, закон преломления света можно записать в виде 2µsin n2 V= = =. (1.2.8) sin n1 V2 1µПринято считать, что среда, имеющая больший абсолютный показатель преломления, является оптически более плотной.

1.3. ОБОСНОВАНИЕ ЗАКОНОВ ГЕОМЕТРИЧЕСКОЙ ОПТИКИ Пифагор (около 580 – 500 до н. э.) считал, что предметы становятся видимыми благодаря мельчайшим частицам, испускаемым ими и попадающими в глаз наблюдателю. Декарт полагал, что свет – это сжатие, распространяющееся в идеальной упругой среде (эфире), которое заполняет все мировое пространство. Скорость света была определена в 1676 году О. Рёмером из наблюдений затмений спутников Юпитера. Гук и Гримальди считали, что свет представляет собой быстро распространяющиеся волны. Ньютон большее предпочтение отдавал корпускулярной теории света. Для вывода количественных законов отражения и преломления света надо предположить, что силы, действующие на корпускулу в приграничном слое, нормальны к границе раздела сред. Такие силы меняют только нормальные составляющие скорости световой корпускулы, оставляя касательные скорости без изменения (рис. 3). В силу равенства касательных составляющих скоростей V1 = Vполучим V1sin = V2sin, или sin V= (1.3.1) sin VЭта формула была получена Ньютоном. Из неё следует, что в сильно преломляющих средах скорость света должна быть больше, чем в менее преломляющих, что противоречит формуле (1.2.8).

Рис. Гюйгенс не сомневался в волновой природе света. Ему удалось дать строгое объяснение законов отражения и преломления.

Пусть имеется произвольная волновая поверхность АВ в момент времени t (рис. 4). Согласно принципа Гюйгенса, каждая точка волновой поверхности является источником вторичных сферических волн, а огибающая этих вторичных волн А'В' определяет положение новой волновой поверхности в момент времени t + t.

Докажем закон отражения света, используя принцип Гюйгенса. Пусть на плоское зеркало MN падает плоская волна, ограниченная лучами 1 и 2 (рис. 5).

Pages:     || 2 | 3 | 4 | 5 |   ...   | 35 |










© 2011 www.dissers.ru - «Бесплатная электронная библиотека»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.