Дифракционная решетка
Дифракционная решетка – это оптический прибор, предназначенный для наблюдения дифракции света.
Дифракционная решетка представляет собой систему параллельных щелей равной ширины, лежащих в одной плоскости и разделенных равными по ширине непрозрачными промежутками.
Дифракционную решетку применяют для разложения света в спектр и измерения длин световых волн.
Период решетки – это величина, равная сумме ширины прозрачной и непрозрачной полос решетки.
Обозначение – \( d \), единица измерения в СИ – м.
где \( a \) – ширина прозрачной полосы; \( b \) – ширина непрозрачной полосы.
Если решетка регулярна, т. е. ее прозрачные и непрозрачные полосы имеют одинаковую ширину, то период решетки можно рассчитать, разделив ее длину на число штрихов:
где \( l \) – длина решетки, \( N \) – число штрихов.
Формула дифракционной решетки
где \( d \) – период решетки; \( \varphi \) – угол дифракции; \( k \) = 0; 1; 2… – порядок максимума, считая от центрального \( k \) = 0 и расположенного напротив центра решетки; \( \lambda \) – длина волны, падающей на решетку нормально к ней.
Если дифракционная решетка освещается белым светом, то при \( k \) ≠ 0 разным длинам волн будут соответствовать разные дифракционные углы. Поэтому положение главных максимумов ненулевого порядка будет различным. Центральный максимум (\( k \) = 0) остается белым, т. к. при \( k \) = 0 для всех длин волн \( \varphi \) = 0, т. е. положение главного максимума для всех длин волн одинаково. Все остальные максимумы имеют вид радужных полос, называемых дифракционными спектрами первого порядка (\( k \) = 1), второго порядка (\( k \) = 2) и т. д. Ближе к центральному максимуму находится фиолетовый край спектра, дальше всего – красный, т. к. \( \lambda_{фиол}<\lambda_{кр} \), то и \( \varphi_{фиол}<\varphi_{кр} \).
Важно!
Поскольку углы, под которыми наблюдаются максимумы первого и второго порядка, не превышают 5°, можно вместо синусов углов использовать их тангенсы
Виды оптических систем
Оптические системы разделяются на натуральные (биологические) и оптические системы, созданные человеком .
Оптические натуральные (биологические) системы
Глаз, Оптические элементы:1- деформируемый хрусталик, 2-управляемая диафрагма глаза, 3-сетчатка глаза, 4-изображение в глазу
К Оптическим натуральным (биологическим) системам относятся ОС , существующие в природое.
К оптическим биологическим системам относятся, например, глаза.
Переход от большего к меньшему
Основная статья: Нанотехнология
Т.е. идти по вектору сверху-вниз. Когда стремишься создать меньшие устройства при использовании больших, чтобы их использовать в нужных решениях.
Много технологий начиная от обычных методов применения, например, кремния как твердого тела в настоящее время при изготовлении микропроцессоров теперь способны выполнять функции, присущие элементам меньших чем 100нанометров, благодаря новым нанотехнологиям. Гигантские накопители на жестких дисках на основе магнитосопротивления уже заменяются мологабиритными устройствами и при изготовлении и работе используются нанотехнологии от большего к меньшему с использованием метода смещение атомного слоя (ALD). Питер Грзаджк 0кснберг и Альберт Ферт получили Нобелевскую премию по Физике за открытия Гигантского магнитосопротивления и вкладов в область спинтронники в 2007 году.
Методы твердого тела могут также использоваться при создании устройств, известные как nanoelectromechanical системы или NEMS, которые связаны с микроэлектромеханическими системами или MEMS.
Субмикронная литография
Разрешение современных атомных силовых микроскопов позволяют внести химикат на поверхность в желательном образце в процессе, названном Субмикронная литография Ручки падения (ТВЕРДОСТЬ ПО ВИККЕРСУ)(т.е. техника литографии исследования просмотра, где используется атомный наконечник микроскопа силы, чтобы передать молекулы поверхности через растворитель мениск. Эта техника позволяет копирование поверхности с размерами в до 100 нм). Это сочетается с нарастаюшим большим внедрением субмикронной литографии. Например, сосредоточенные лучи иона могут непосредственно удалить материал, или внести материал, когда подходящий предшественник газ применен одновременно. Например, эта техника используется для создания 100 разновидностей нитрометана — материала для анализа в микроскопии взаимодейстаия электрона.
Нанооптика
Наносреда из электромагнитно-двойных пар золотых точек
В наносозданной среде получен эффект взамодействия электромагнитных волн с сильным магнитным ответом в зоне видимого спектра электромагнитных волн («видимых-легких частот»), включая полосу с отрицательным магнетизмом. Среда сделана из электромагнитночувствительных двойных пар золотых точек с геометрией и симметрией, тщательно разработанной на нанометрическом уровне. Возникающий магнитный ответ получен в зоне частот 600-700 ТГц (1012Гц), в диапазоне зелёный — часть фиолетового цветов получается благодаря возбуждению антисимметричного плазменного резонанса. Высокочастотная проходимость проявляет себя качественно с новым эффектом оптического взаимодействия в данных условиях применения нанотехнологий. Это впервые показывает возможность применения электромагнетизма в зоне видимых частот и прокладывает путь в видимой оптике для получения оптических систем с лучшими показателями преломления, прозрачности к определённым лучам света.
Оптические достижения (разработки)
К Оптическим достижениям (разработкам) относятся все открытия, изобретения, технологии (нанотехнология), используемые на практике — это оптическое оборудование, оптические приборы, измерительная оптическая аппаратура, микроскопы, Медицинское оборудование, фототехника, оптические материалы, Медикобиологические оптические разработкии, Оптические биоинженерные технологии и т. д.
К ОС также относится элементная база. Элементы оптических приборов называют оптическими деталями.
Оптические приборы (микроскопы,ультрамикроскопы и т. д.) предназначены для управления спектром видимых электромагнитных волн, световых лучей (фотонов) с целью полученмия нужного изображения для его рассмотрения или для анализа одного из множеств характерных свойств волны.
Построение изображений в линзах
Для построения изображения в линзах следует помнить:
- луч, идущий вдоль главной оптической оси линзы, не преломляется;
- луч, проходящий через оптический центр линзы, не преломляется;
- луч, падающий на собирающую линзу параллельно главной оптической оси, после преломления пройдет через фокус линзы;
- луч, падающий на рассеивающую линзу параллельно главной оптической оси, преломится так, что его мнимое продолжение пройдет через фокус линзы, а сам луч – противоположно мнимому продолжению;
- луч, падающий на собирающую линзу через фокус, после преломления пройдет параллельно главной оптической оси линзы;
- произвольный луч после преломления в собирающей линзе пойдет через побочный фокус (точку фокальной плоскости, в которой ее пересечет параллельная произвольному лучу побочная оптическая ось);
- произвольный луч, падающий на рассеивающую линзу, преломится так, что его мнимое продолжение пройдет через точку, в которой пересечет фокальную плоскость линзы побочная оптическая ось, параллельная произвольному лучу.
Изображение, даваемое тонкой линзой, может быть действительным или мнимым.
Действительное изображение получается в результате пересечения преломленных в линзе лучей, исходящих из данной точки.
Мнимое изображение получается в результате пересечения продолжений преломленных в линзе лучей, исходящих из данной точки.
Построение изображений точки, даваемых собирающей линзой
Если точка находится за двойным фокусом линзы, то ее действительное изображение получается между фокусом и двойным фокусом по другую сторону от линзы.
Если точка находится в двойном фокусе линзы, то его действительное изображение получается в двойном фокусе по другую сторону от линзы.
Если точка находится между фокусом и двойным фокусом линзы, то его действительное изображение получается за двойным фокусом по другую сторону от линзы.
Если точка находится в фокусе линзы, то его изображение находится в бесконечности.
Если точка находится между линзой и фокусом, то его мнимое изображение получается по ту же сторону от линзы.
Построение изображений предмета, даваемых собирающей линзой
Если предмет находится за двойным фокусом линзы, то его изображение получается действительным, перевернутым, уменьшенным, по другую сторону от линзы.
Если предмет находится в двойном фокусе линзы, то его изображение получается действительным, перевернутым, равным по размерам предмету, в двойном фокусе по другую сторону от линзы.
Если предмет находится между фокусом и двойным фокусом линзы, то его изображение получается действительным, перевернутым, увеличенным, по другую сторону от линзы.
Если предмет находится в фокусе линзы, то его изображение находится в бесконечности.
Если предмет находится между линзой и фокусом, то его изображение получается мнимым, прямым, увеличенным, по ту же сторону от линзы.
Построение изображений точки, даваемых рассеивающей линзой
В рассеивающей линзе изображение точки всегда получается мнимым, по ту же сторону от линзы.
Построение изображений предмета, даваемых рассеивающей линзой
Изображение предмета в рассеивающей линзе всегда получается мнимым, прямым, уменьшенным, по ту же сторону от линзы.
Важно!
При решении задач на прохождение световых лучей сквозь линзы и получение изображений в них прежде всего выясните, о какой линзе идет речь: собирающей или рассеивающей. Обязательно сделайте чертеж, на котором соответствующими буквами укажите все основные расстояния: расстояние от предмета до линзы, расстояние от линзы до изображения, фокусное расстояние
Также обязательно укажите оптический центр линзы и оба фокуса по разные стороны от линзы.
При построении изображения следует заранее выучить, каким оно должно быть при соответствующем расположении предмета относительно линзы и где находиться (действительным или мнимым, увеличенным или уменьшенным, прямым или обратным). В противном случае при неверном построении, когда вы чуть-чуть искривите луч или он пойдет неточно через фокус или центр, изображение может оказаться не там, где надо, или вместо увеличенного уменьшенным, и тогда в решении появится ошибка.
Прямолинейное распространение света
Закон распространения света:
свет в прозрачной однородной среде распространяется прямолинейно.
Экспериментальным доказательством прямолинейности распространения света является образование тени.
Тень – это область пространства, куда не попадает свет от источника.
Полутень – это область пространства, куда частично попадает свет от источника.
Если источник света точечный, то на экране образуется четкая тень предмета.
Если источник неточечный, то на экране образуется размытая тень (области тени и полутени).
Образованием тени при падении света на непрозрачный предмет объясняются такие явления, как солнечное и лунное затмения.
Оптические измерительные системы
Определение 2
Оптическая измерительная система – это совокупность технических средств и оптических измерительных элементов, которая предназначена для оптических измерений.
Преимущества современных оптических измерительных систем заключается в их высокой точности и многофункциональности. Однако, при этом они также отличаются высокой конструкционной сложностью, а также высокой стоимостью относительно традиционных аналогов. Такие системы нашли применение во многих отраслях промышленности: приборостроение, машиностроение, информационные технологии, геодезии и т.п.
Примером современной оптической измерительной системы является оптическая система измерения геометрических размеров, разработанная ОАО “Черметавтоматика”. Данная система используется для контроля геометрических параметров горячекатаных полос. При помощи этой системы могут измеряться серповидности, диаметры, длины и ширины полос, а также она может управлять пространственной ориентацией холодного и горячего проката. К особенностям оптической измерительной системы можно отнести:
- Измерение температуры проката в диапазоне 700-1200 градусов по Цельсию.
- Автоматическая калибровка и диагностика системы.
- Одновременная выдача результатов измерения ширины горячего проката с пересчетом на холодный прокат.
- Архивирование и вывод результатов измерения за месяц, сутки, смену и т. д. на печать и дисплей.
Рисунок 1. Структурная схема системы. Автор24 — интернет-биржа студенческих работ
Измерительные видеокамеры крепятся на координатных столах, в которых предусмотрена возможность фиксации видеокамер в любом положении. Между видеокамерами располагается пирометр для измерения температуры полосы, при помощи него также осуществляется коррекция параметров электронного затвора камер.
С обеих сторон от камеры располагаются лазерные корректоры. Пирометр, видеокамеры и корректоры связаны блоком видеоконтроллера при помощи информационного кабеля. Видеоконтроллер представляет собой корпус с выходными и входными разъемами. Внутри него находятся блоки согласования видеосигналов с высокочастотным кабелем на выходе и схемы предварительной обработки и управления.
Дифракция света
Дифракция света – это явление отклонения волны от прямолинейного распространения при прохождении через малые отверстия и огибании волной малых препятствий.
Наилучшее условие для наблюдения дифракции создается, когда размеры отверстий или препятствий – порядка длины волны. Чтобы определить распределение интенсивности световой волны, распространяющейся в среде с неоднородностями, используют принцип Гюйгенса–Френеля.
Принцип Гюйгенса–Френеля
Каждая точка фронта волны является источником вторичных волн, которые интерферируют между собой. Поверхность, касательная ко всем вторичным волнам, представляет новое положение фронта волны в следующий момент времени.
Все вторичные источники, расположенные на поверхности фронта волны, когерентны между собой, поэтому амплитуда и фаза волны в любой точке пространства – это результат интерференции волн, излучаемых вторичными источниками.
Оптические измерения и оптические приборы
Определение 1
Оптические измерения – это область науки, основное содержание которой — контроль и измерение конструктивных параметров оптических систем и элементов, а также физических характеристик при помощи оптических приборов, систем и методов.
Особенность оптических измерений заключается в том, что они обладают высокими наглядностью и точностью. Они относятся к измерениям высшей точности, соизмеримой с длиной волны света. Из-за этого они используются в машиностроении и приборостроении, где необходима высокая точность. Кроме того, разработки и научные исследования в области высоких технологий требуют проведения измерений с максимально высокой точностью, которые во многих случаях находятся на пределе теоретически предсказанных возможностей. К оптическим измерительным приборам относятся:
- Оптиметры. Данные устройства представляют собой рычажно-оптические приборы, которые используются для точных измерений геометрических величин. Основными составляющими оптиметра являются его трубки, устройства для их крепления, а также столик для базирования измеряемой величины.
- Измерительные машины. Данные машины представляют собой оптико-механические контактные приборы, которые предназначены для точного измерения деталей большого размера посредством метода непосредственного измерения или сравнения с мерой.
- Длинномеры. Данные приборы представляют собой оптико-механические приборы контактного типа, где шкала совмещена с линией измерения, то есть полностью используется принцип Аббе.
- Катетометры. Данные приборы используются для бесконтактного дистанционного измерения вертикальных и горизонтальных координат изделия в труднодоступных местах.
- Сферометры. Данные приборы применяются для измерения радиуса кривизны сферических поверхностей косвенным измерением высоты шарового сегмента.
- Универсальные и инструментальные микроскопы. Данные измерительные оптико-механические приборы широко используются в различных областях. Они используются в метрологических лабораториях машиностроительных предприятий для измерения линейных и угловых геометрических величин. Инструментальными приборами измеряются наружные и внутренние геометрические размеры отраженном и проходящем свете.
Закон преломления света
Преломление света – это изменение направления распространения светового луча на границе раздела двух сред.
Угол преломления – это угол между преломленным лучом и перпендикуляром к границе раздела двух сред.
\( \gamma \) – угол преломления
Законы преломления света
- Лучи падающий и преломленный лежат в одной плоскости с перпендикуляром, восстановленным в точку падения луча к преломляющей поверхности.
- Отношение синуса угла падения к синусу угла преломления есть величина постоянная для данных двух сред и равная относительному показателю преломления двух сред:
где \( n_{21} \) – относительный показатель преломления.
Первой является среда, в которой распространяется падающий луч, второй является среда, в которой распространяется преломленный луч.
Относительный показатель преломления равен отношению абсолютного показателя преломления второй среды к абсолютному показателю преломления первой среды:
где \( n_1 \) – абсолютный показатель преломления первой среды; \( n_2 \) – абсолютный показатель преломления второй среды.
Абсолютный показатель преломления показывает, во сколько раз скорость света в вакууме больше, чем в данной среде:
где \( c \) – скорость света в вакууме, \( v \) – скорость распространения света в данной среде.
Относительный показатель преломления показывает, во сколько раз скорость распространения света в первой среде больше, чем во второй:
Среда, у которой абсолютный показатель преломления больше, является оптически более плотной средой.
Среда, у которой абсолютный показатель преломления меньше, является оптически менее плотной средой.
Следствия закона преломления света
Если свет падает из оптически менее плотной среды в оптически более плотную, то угол падения больше угла преломления:
Если свет падает из оптически более плотной среды в оптически менее плотную, то угол падения меньше угла преломления:
Если луч падает на плоско параллельную пластину, изготовленную из оптически более плотного вещества, чем окружающая среда, то луч не изменяет своего направления, а лишь смещается на некоторое расстояние.
\( x \) – смещение луча от первоначального направления:
где \( d \) – толщина пластины.
Важно!
Если в условии задачи говорится, что «кажется, что луч падает под углом \( \varphi_1 \) к поверхности воды», то имеют в виду не кажущийся угол падения \( \alpha_1 \), а угол между кажущимся падающим лучом и поверхностью воды \( \varphi_1 \)
Близкие понятия
Следует различать понятия оптические системы, оптические схемы и оптические приборы (оборудование, принадлежности и др. устройства).
- Оптические схемы — это графическое представление процесса изменения света в оптических системах. Кроме оптических подсистем на оптических схемах показывают излучатели и некоторые другие вспомогательные элементы.
- Приборы называют оптическими, если хотя бы одна их основная функция выполняется оптической системой. Таким образом, наличие в приборах оптических систем служат необходимым, но не достаточным признаком оптического прибора. Например, добавление к логарифмической линейке лупы, облегчающей отсчет, не делает линейку оптическим прибором. ОС являются обязательной и необходимой частью оптических приборов, несмотря на то, что стоимость их изготовления может быть сравнительно малой. Основные функции некоторых приборов выполняются не только оптическими, но и другими системами: механической — нивелир, теодолит, электронной — телекамера.
Назначение и устройство оптических приборов обуславливают многообразные функции их оптических систем. Типичная функция оптических систем (и/или их подсистем) — формирование оптических изображений. Они выступают в качестве преобразователей одних световых пучков в другие. Оптические системы, предназначенные для создания требуемых изображений, называются иконическими.
Общие сведения
В зависимости от расположения центров кривизны всех преломляющих поверхностей оптической системы на одной прямой (именуемой главной оптической осью системы) они могут быть центрированными, или (если сохраняются гомоцентричность пучков и изображение геометрически подобно предмету) идеальными оптическими системами.
Все источники световой энергии света — излучатели не зависимо от природы получения светового луча (от нагрева излучателя, лазерных источников излучения, термоядерных излучений и других источников, преобразующие в свет другие формы или виды движения материи (тепловые, химические, электрические и т. п.) не являются элементами рассматриваемых оптических систем. Источник света является самостоятельным материальным объектом, который попав в оптическую систему преобразуется, трансформируется этой оптической системой.
Источники света могут быть образованы в свою очередь другими оптическими системами, которые независимые и не связаны с рассматриваемыми ОС. (Например, Осветительные приборы — ОС являются источниками света для других ОС — фото\видеоаппаратуры, киноаппаратуры и др.).
Дисперсия света
Дисперсия света – это зависимость показателя преломления среды от длины волны (частоты) падающего на вещество света.
Опыт Ньютона (1672)
Из-за дисперсии световые волны с различной длиной волны поразному преломляются веществом, что приводит к разложению белого света на цветные монохроматические лучи – спектр.
Для лучей света различной цветности показатели преломления данного вещества различны, т. к. различны скорости распространения электромагнитных волн, у которых разная длина волны. Луч красного света преломляется меньше из-за того, что красный свет имеет в веществе наибольшую скорость, а луч фиолетового цвета преломляется больше, так как скорость для фиолетового цвета наименьшая. Это объясняется особенностями взаимодействия этих волн с электронами, входящими в состав атомов и молекул вещества среды, где они движутся.
Дисперсией света объясняется такое природное явление, как радуга.
Оптические приборы. Глаз как оптическая система
Оптические приборы – это устройства, предназначенные для получения на экране, светочувствительных пленках, фотопленках и в глазу изображений различных предметов.
Лупа – это короткофокусная двояковыпуклая линза, предназначенная для относительно небольшого увеличения изображения.
Увеличение лупы рассчитывается по формуле:
где \( d_0 \) – расстояние наилучшего зрения, \( d_0 \) = 0,25 м.
Для получения увеличенного изображения предмет помещают перед линзой на расстоянии немного меньше фокусного. Изображение получается мнимым.
Микроскоп – это оптический прибор, предназначенный для рассматривания очень мелких предметов под большим углом зрения.
Микроскоп состоит из двух собирающих линз – короткофокусного объектива и длиннофокусного окуляра, расстояние между которыми может изменяться:
где \( F_1 \) – фокусное расстояние объектива; \( F_2 \) – фокусное расстояние окуляра.
Фотоаппарат – прибор, предназначенный для получения действительных, уменьшенных, перевернутых изображений предметов на фотопленке.
Предметы могут находиться на разных расстояниях.
Мультимедийный проектор – оптическое устройство, с помощью которого на экране получают действительное, увеличенное изображение, снятое с источника видеосигнала.
Человеческий глаз – оптическая система, подобная фотоаппарату.
Зрачок регулирует доступ света в глаз. Диаметр зрачка уменьшается при ярком освещении и увеличивается при слабом.
Хрусталик имеет форму двояковыпуклой линзы с показателем преломления 1,41. Он может изменять свою форму, в результате чего меняется его фокусное расстояние. При рассмотрении близких предметов хрусталик становится более выпуклым, при рассмотрении удаленных предметов – более плоским.
На сетчатке глаза образуется действительное, уменьшенное, перевернутое изображение предмета. Благодаря большому количеству нервных окончаний, находящихся на сетчатке, их раздражение передается в мозг и вызывает зрительные ощущения.
Зрение двумя глазами позволяет видеть предмет с разных сторон, т. е. осуществлять объемное зрение.
Если смотреть на предмет одним глазом, то, начиная с 10 м, он будет казаться плоским, если смотреть на предмет двумя глазами, то это расстояние увеличивается до 500 м.
Угол зрения – это угол, образованный лучами, идущими от краев предмета в оптический центр глаза.
\( \varphi \) – угол зрения.
Аккомодация глаза – это свойство глаза, обеспечивающее четкое восприятие равноудаленных предметов путем изменения фокусного расстояния оптической системы.
Предел аккомодации – от \( \infty \) до 10 см.
Расстояние наилучшего зрения – это наименьшее расстояние, с которого глаз может без особого напряжения рассматривать предметы:
Дефекты зрения
- Близорукость – это дефект оптической системы глаза, при котором ее фокус находится перед сетчаткой. Близорукий глаз плохо видит отдаленные предметы.
- Дальнозоркость – это дефект оптической системы глаза, при котором ее фокус находится за сетчаткой. Дальнозоркий глаз плохо видит близкие предметы.
Очки – это простейший прибор для коррекции оптических недостатков зрения.
Близорукость исправляют с помощью рассеивающих линз.
Дальнозоркость исправляют с помощью собирающих линз.
