оптика неоднородных сред

ОПТИКА НЕОДНОРОДНЫХ СРЕД - раздел физ. оптики, в к-ром изучаются явления, сопровождающие распространение оптического излучениям оптически неоднородных средах, показатель преломления п к-рых не постоянен, а зависит от координат. Характер явлений и методы их исследования существенно зависят от характера изменения п и масштаба неоднородностей по сравнению с длиной волны света Оптич. неоднородностями являются поверхности или объёмы внутри среды, на (в) к-рых изменяется п. Независимо от физ. природы неоднородности она 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, когда относит, изменение п на расстояниях, сравнимых с очень мало (т. н. градиентиая среда), световой луч, задаваемый величиной gradS = 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 распространяются из пространства предметов в пространство изображений по нескольким разл. путям. Лучи, распространяющиеся под большим углом к горизонту, проходят больший геом. путь, однако часть пути они проходят в области с меньшим п, поэтому при правильно выбранном п можно уравнять оптическую длину 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 поверхностям лучи r(х, y, z), имеет вид (gradS)² = n²(x,y,z).
Из этого ур-ния получается соотношение для траектории светового луча:

Ур-ние (*) допускает ряд частных решений, удовлетворяющих принципу "абсолютного прибора", т. е. оптич. системы, дающей стигматическое (резкое, без аберраций) изображение трёхмерного предмета.
Граданы. Простым примером абс. прибора можно считать сферич. граданы с распределением показателя преломления по радиусу - линза Лунеберга и п(r) = п₀/[1 + (r/a)²] - "рыбий глаз" Максвелла. В первом случае неоднородная сфера собирает каждый падающий пучок параллельных лучей в единый фокус, во втором - отображение осуществляется преобразованием инверсии. Для аксиальной симметрии принципу абс. прибора удовлетворяет градан с распределением п(z), зависящим от 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 периодически фокусирующему волноводу с длиной периодичности где - постоянная распространения, R - радиус волновода,п = n₀ - n(R) - перепад показателя преломления по сечению волновода. Радиальные граданы в виде ци-линдрич. отрезка с таким распределением п эквивалентны линзе, свободной от аберраций, фазовых и амплитудных искажений. Варьируя длину отрезка, можно менять фокусное расстояние и получать в одном элементе объектив и оборачивающую систему.
Применение аксиальных и радиальных граданов в 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 используются в качестве фокусирующих элементов лазерных систем видеозаписи. При этом пятно, формируемое и считываемое граданом, имеет размеры порядка длины волны света (0,6 мкм). Блок граданов используется в малогабаритных копировальных аппаратах.
Сельфоки. К числу радиальных граданов, имеющих широкое распространение, относятся безоболочечные световоды, получившие коммерч. название "сельфоки". Они способны самостоятельно формировать и транслировать изображение без дополнит. средств. В них все возбуждаемые моды имеют равные скорости распространения. В практически реализованных сельфоках на основе кварцевого стекла с параболич. распределением показателя преломления вида п(r) = n₀(1 - g²r²/2) [что соответствует первым двум членам разложения sech(gr)] в диапазоне 1,26 - 1,32 мкм, где дисперсия стекла близка к нулю, скорость передачи информации на расстояние 1 км составляет 13,8 Гбит x км/с. Такие сельфоки, состоящие из одного световода, способны передавать изображение как целое с разрешающей способностью 500 лин/мм, с сохранением фазы, плоскости поляризации и малыми потерями (1 Дб/км). Длина сельфоков достигает 1 км при диам. 100 мкм. Кроме применения для дальней оптич. связи, сельфоки используются как согласующие элементы, элементы жёстких эндоскопов, оптич. наконечники волоконно-оптпч. фиброгас-троскопов и др. Градиентные поверхностные слои применяют также вместо многослойных интерференционных просветляющих и отражающих покрытий.
Заданный градиент показателя преломления в града-нах из стёкол получают под действием потока нейтронов (п = 0,02) либо путём разл. модификаций ионного обмена, когда замена в матрице стёкол одних ионов на другие приводит к изменению её плотности и соответственно п (п = 0,04). Граданы из полимеров получают в результате обмена мономеров в частично заполимери-зов. матрице. Для них достигнуты максимальныеп = 0,1 при диам. 100 м. Возможно также получение граданов при направленном выращивании кристаллов сп = 0,04 диам. до 20 мм. Кроме конденсиров. сред возможно использование в роли граданов газовых линз, возникающих при ламинарном течении газа через равномерно нагретые трубы. Градиентные среды возникают под действием мощного лазерного излучения и приводят к самофокусировке света.
На микронеоднородностях, показатели преломления к-рых отличаются от показателя преломления окружающей среды, происходит рассеяние света .Оптически неоднородными являются мутные среды; в них размеры оптич. неоднородностей обычно превышают длину световой волны Если неоднородность среды вызвана присутствием в ней мелкодисперсных коллоидных частиц, размеры к-рых соизмеримы с то среда кажется совершенно прозрачной; однако наблюдение под углом90° к направлению падающего света обнаруживает свечение среды, обусловленное интенсивным рассеянием света (Тиндаля эффект ).Существенную роль в О. н. с. играет интерференция света между рассеянными, отражёнными и преломлёнными световыми волнами, а также падающей волной.
К неоднородным средам относятся также вещества без инородных включений, в к-рых изменения п в большом числе микрообъёмов, приводящие к рассеянию света, вызваны флуктуациями плотности среды в результате хаотич. теплового движения её молекул или турбулентностью среды. Интенсивность I света, рассеиваемого непоглощающими диэлектрич. частицами, пропорциональнагде р - параметр, зависящий от отношения размеров частиц к При рассеянии света на тепловых флуктуациях, размеры к-рых много меньше
I ~(Рэлея закон). Для частиц, размеры к-рых много больше параметр р близок к нулю и рассеяние определяется геом. эффектами преломления света на поверхностях раздела объёмов. В этом случае I не зависит отчто и наблюдается при рассеянии света в туманах и облаках - они имеют белый цвет. На изучении рассеяния света неоднородностями в газах, жидкостях и твёрдых телах основаны методы нефелометрии и ультрамикроскопии (см. Ультрамикроскоп ),позволяющие определять концентрацию неоднородностей и изучать их природу (а в нефелометрии - и их размеры).
Особый раздел О. н. с. составляет оптика тонких слоев.

Лит.: Борн М., Вольф Э., Основы оптики, 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.

   <<      Предметный указатель      >>