Текст книги "Большая Советская Энциклопедия (ОП)"

Автор книги: Большая Советская Энциклопедия

сообщить о нарушении

Текущая страница: 14 (всего у книги 22 страниц)

  Очень широка сфера практического применения приборов, основанных на квантовых оптических явлениях – фотоэлементов и фотоэлектронных умножителей , усилителей яркости изображения (электроннооптических преобразователей ), передающих телевизионных трубок и т.д. Фотоэлементы используются не только для регистрации излучения, но и как устройства, преобразующие лучистую энергию Солнца в электроэнергию для питания электро-, радио– и др. аппаратуры (т. н. солнечные батареи). Фотохимические процессы лежат в основе фотографии и изучаются в специальной области, пограничной между химией и О., – фотохимии . Помимо исследования процессов внутри– и межмолекулярной передачи энергии, фотохимия уделяет большое внимание преобразованию и запасанию световий (например, солнечной) энергии и изменению оптических свойств веществ под действием света (фотохромия). На основе фотохромных материалов разрабатываются новые системы записи и хранения информации для нужд вычислительной техники и созданы защитные светофильтры с автоматическим увеличением поглощения света при возрастании его интенсивности. Получение мощных потоков монохроматического лазерного излучения с разными длинами волн открыло пути к разработке оптических методов разделения изотопов и стимулирования направленного протекания химических реакций, позволило О. найти новые, нетрадиционные применения в биофизике (воздействие лазерных световых потоков на биологические объекты на молекулярном уровне) и медицине (см. Лазерное излучение ). В технике использование лазеров привело к появлению оптических методов обработки материалов (см. Лазерная технология ).Благодаря возможности с помощью лазеров концентрировать на площадках с линейными размерами порядка десятков микрон большие мощности излучения, интенсивно развивается оптический метод получения высокотемпературной плазмы с целью осуществления управляемого термоядерного синтеза .

  Успехи О. стимулировали развитие оптоэлектроники . Первоначально она понималась как замена электронных элементов в счётно-решающих и др. устройствах оптическими. Затем (к концу 60 – начала 70-х гг. 20 в.) стали разрабатываться принципиально новые подходы к решению задач вычислительной техники и обработки информации, исходящие из принципов голографии, и предлагаться новые технические решения, основанные на применении микрооптических устройств (интегральная О.). С появлением лазеров новое развитие получили оптическая дальномерия (см. Светодальномер ,Электрооптический дальномер ),оптическая локация и оптическая связь . В них широко используются моменты управления световым лучом электрическими сигналами (см. Модуляция света ). Принципы действия многих из этих элементов основаны на изменении характера поляризации света при его прохождении через электро– или магнито-активные среды (см. Магнитооптика ,Керра эффект ,Поккельса эффект ,Фарадея эффект ,Электрооптика ). Оптические дальномеры применяются в геодезической практике, при строительных работах, в качестве высотомеров и пр. Методами оптической локации было уточнено расстояние до Луны, ведётся слежение за искусственными спутниками Земли по линиям лазерной оптической связи осуществляются телефонные переговоры и передаются изображения. Создание световодов с малым затуханием повлекло за собой разработки систем кабельной оптической видеосвязи.

  Практически нет ни одной области науки или техники, в которой не использовались бы оптические методы, а во многих из них О. играет определяющую роль.

  Исторический очерк . О. – одна из древнейших наук, тесно связанная с потребностями практики на всех этапах своего развития. Прямолинейность распространения света была известна народам Месопотамии за 5 тыс. лет до н. э. и использовалась в Древнем Египте при строительных работах. Пифагор в 6 в. до н. э. высказал близкую к современной точку зрения, что тела становятся видимыми благодаря испускаемым ими частицам. Аристотель (4 в. до н. э.) полагал, что свет есть возбуждение среды, находящейся между объектом и глазом. Он занимался атмосферной О. и считал причиной появления радуг отражение света каплями воды. В том же веке в школе Платона были сформулированы два важнейших закона геометрической О. – прямолинейность лучей света и равенство углов их падения и отражения. Евклид (3 в. до н. э.) в трактатах по О. рассматривал возникновение изображений при отражении от зеркал. Главный вклад греков, явившийся первым шагом в развитии О. как науки, состоит не в их гипотезах о природе света, а в том, что они нашли законы его прямолинейного распространения и отражения (катоптрика) и умели ими пользоваться.

  Второй важный шаг состоял в понимании законов преломления света (диоптрика ) и был сделан лишь много веков спустя. Диоптрические опыты описывались Евклидом и Клеомедом (1 в. н. э.), о применении стеклянных шаров как зажигательных линз упоминали Аристофан (около 400 до н. э.) и Плиний Старший (1 в. н. э.), а обширные сведения о преломлении были изложены Птолемеем (130 н. э.); важность этого вопроса тогда состояла главным образом в его непосредственной связи с точностью астрономических наблюдений. Однако законы преломления не удалось установить ни Птолемею, ни арабскому учёному Ибн аль-Хайсаму, написавшему в 11 в. знаменитый трактат по О., ни даже Г. Галилею и И. Кеплеру . Вместе с тем в средние века уже хорошо были известны эмпирические правила построения изображений, даваемых линзами, и начало развиваться искусство изготовления линз. В 13 в. появились очки . По некоторым данным, около 1590 З. Янсен (Нидерланды) построил первый двухлинзовый микроскоп . Первые же наблюдения с помощью телескопа , изобретённого Галилеем в 1609, принесли ряд замечательных астрономических открытий. Однако точные законы преломления света были экспериментально установлены лишь около 1620 В. Снеллиусом (см. Снелля закон преломления ) и Р. Декартом , изложившим их в «Диоптрике» (1637). Этим (и последующей формулировкой Ферма принципа ) был завершен фундамент построения и практического использования геометрической О.

  Дальнейшее развитие О. связано с открытиями дифракции и интерференции света (Ф. Гримальди ; публикация 1665) и двойного лучепреломления (датский учёный Э. Бартолин, 1669), не поддающихся истолкованию в рамках геометрической О., и с именами И. Ньютона , Р. Гука и Х. Гюйгенса . Ньютон обращал большое внимание на периодичность световых явлений и допускал возможность волновой их интерпретации, но отдавал предпочтение корпускулярной концепции света, считая его потоком частиц, действующих на эфир (этот термин для обозначения наделённой механическими свойствами среды – переносчика света ввёл Декарт) и вызывающих в нём колебания. Движением световых частиц через эфир переменной (вследствие колебаний) плотности и их взаимодействием с материальными телами, по Ньютону, обусловлены преломление и отражение света, цвета тонких плёнок, дифракция света и его дисперсия (Ньютоном же впервые подробно изученная). Ньютон не считал возможным рассматривать свет как колебания самого эфира, т.к. в то время на этом пути не удавалось удовлетворительно объяснить прямолинейность световых лучей и поляризацию света (впервые осознанную именно Ньютоном, хотя и следовавшую из классических опытов Гюйгенса по двойному лучепреломлению). Согласно Ньютону, поляризация – «изначальное» свойство света, объясняемое определённой ориентацией световых частиц по отношению к образуемому ими лучу.

  Гюйгенс, следуя идеям Леонардо да Винчи и развивая работы Гримальди и Гука, исходил из аналогии между многими акустическими и оптическими явлениями. Он полагал, что световое возбуждение есть импульсы упругих колебаний эфира, распространяющиеся с большой, но конечной скоростью (Кеплер и Декарт считали скорость света бесконечной, Ньютон и Гук – конечной; впервые её величину экспериментально определил в 1676 О. Рёмер , см. Скорость света ). Наибольшим вкладом Гюйгенса в О., не потерявшим ценности до сих пор, является Гюйгенса – Френеля принцип , согласно которому каждая точка фронта волнового возбуждения может рассматриваться как источник вторичных (сферических) волн; огибающая (поверхность) вторичных волн представляет собой фронт реальной распространяющейся волны в последующие моменты времени. Опираясь на этот принцип, Гюйгенс дал волновое истолкование законов отражения и преломления. Из его теории следовало правильное выражение для показателя преломления: n₂₁ = u₁ /u₂ (где u₁ и u₂ – скорости света в 1-й и 2-й средах), в то время как у Ньютона (и Гука) получалось обратное (не соответствующее действительности) отношение u₂ /u₁ . Гюйгенс объяснил также двойное лучепреломление. Говоря о световых волнах, Гюйгенс не придавал им буквального смысла и не пользовался понятием длины волны. Он игнорировал явление дифракции, считая, что свет распространяется прямолинейно даже через сколь угодно малое отверстие, и не рассматривал поляризацию света. Не упоминает он и об описанных в 1675 Ньютона кольцах – интерференционном эффекте, прямо свидетельствовавшем о периодичности световых колебаний, а не об их импульсном, как он полагал, характере. Т. о., сформулировав фундаментальный принцип волновой О., Гюйгенс не разработал последовательную волновую теорию света, которая выдержала бы противопоставление воззрениям Ньютона. По этой причине и вследствие большого научного авторитета Ньютона корпускулярная «теория истечения» последнего (её приверженцы придали ей категоричность, не свойственную высказываниям самого Ньютона) сохраняла господствующее положение в О. до начала 19 в., хотя некоторые крупные учёные, например Л. Эйлер и М. В. Ломоносов , отдавали предпочтение волновым представлениям о природе света. Путь к победе волновой О. открыли работы Т. Юнга и О. Френеля . В 1801 Юнг сформулировал принцип интерференции, позволивший ему объяснить цвета тонких плёнок (см. Полосы равной толщины ) и послуживший основой для понимания всех интерференционных явлений. Опираясь на этот принцип, Френель по-новому истолковал принцип Гюйгенса и не только дал удовлетворительное волновое объяснение прямолинейности распространения света, но и объяснил многочисленные дифракционные явления. В опытах Френеля и Д. Араго было установлено, что волны, поляризованные перпендикулярно друг другу, не интерферируют; это дало основания Юнгу и (независимо) Френелю высказать существенно важную идею о поперечности световых колебаний, исходя из которой Френель построил волновую теорию кристаллооптических явлений. Т. о., все известные к тому времени оптические явления получили волновую интерпретацию. Однако и в этом «триумфальном шествии» были трудности, т.к. детальная разработка представлений о свете, как поперечных упругих колебаниях эфира, приводила к необходимости искусственных теоретических построений (так, эфир приходилось наделять свойствами твёрдого тела, в котором, тем не менее, могли свободно перемещаться тела). Эти трудности были радикально разрешены лишь при последовательном развитии учения Дж. К. Максвелла об электромагнитном поле. Максвелл, исходя из открытий М. Фарадея , пришёл к выводу, что свет представляет собой не упругие, а электромагнитные волны. Позже, в начале 20 в. выяснилось, что для их распространения не нужен эфир.

  Первым указанием на непосредственную связь электромагнетизма с О. было открытие Фарадеем (1846) вращения плоскости поляризации света в магнитном поле (Фарадея эффекта ). Далее было установлено, что отношение электромагнитной и электростатической единиц силы тока по абсолютной величине и размерности совпадает со скоростью света с (В. Вебер и Ф. Кольрауш , 1856). Максвелл теоретически показал, а Г. Герц в 1888 подтвердил экспериментально, что изменения электромагнитного поля распространяются в вакууме именно с этой скоростью. В прозрачный среде скорость света u = c/n = c/

, т. е. определяется диэлектрической и магнитной проницаемостями среды. Вначале не удавалось объяснить в рамках электромагнитной теории известные к тому времени зависимости показателя преломления n от длины волны l излучения, используя взятые из опыта значения e и m. Со времён Ньютона была известна нормальная дисперсия – возрастание n с уменьшением l. С позиций упругой волновой теории света она была объяснена Френелем и О. Коши . Но в 1862 французский физик Ф. Леру обнаружил участок дисперсионной кривой, на котором n увеличивался с ростом l. Впоследствии А. Кундт показал, что такая (аномальная) дисперсия свойственна очень многим веществам и связана с поглощением ими света. Возникло представление о веществе как совокупности упругих осцилляторов (резонаторов), с которыми взаимодействует свет (В. Зельмейер, 1872). Развивая эту идею и рассматривая влияние вынужденных колебаний осцилляторов под действием света на скорость его распространения, Г. Гельмгольц (1874) дал полную теорию дисперсии в рамках «упругой» теории света. В 90-х гг. 19 в. П. Друде , Гельмгольц и в особенности Х. Лоренц при построении электронной теории вещества объединили идею об осцилляторах и электромагнитную теорию света. Плодотворное представление об электронах, которые входят в состав атомов и молекул и способны совершать в них колебания, позволило описать многие оптические явления, в том числе нормальную и аномальную дисперсию, т.к. в электронной теории значение e зависит от частоты (длины волны) электромагнитного поля. Наиболее точные опыты по аномальной дисперсии (Д. С. Рождественский , 1912) дали результаты, хорошо согласующиеся с предсказаниями электронной теории. Блестящим подтверждением представлений о том, что излучение и поглощение света определяется поведением электронов в атомах, явилось открытие в 1896 П. Зееманом и истолкование в 1897 Лоренцем действия магнитного поля на частоты излучения и поглощения атомов (Зеемана эффекта ). В полном согласии с теорией Максвелла оказалась и величина давления света, мысль о котором впервые высказал в 1619 Кеплер для объяснения отклонения хвостов комет в сторону от Солнца. В земных условиях величина этого давления была впервые измерена П. Н. Лебедевым в 1899. Построение электромагнитной теории света и дополнение её электронной теорией взаимодействия света и вещества явилось следующим (после победы волновой теории в начале 19 в.) существенным шагом в развитии О.

  Электромагнитная теория света стала отправным пунктом при создании относительности теории . Экспериментальными основаниями для этого были данные оптических опытов с движущимися средами и движением наблюдателя относительно источника излучения, противоречившие теоретическим представлениям. Юнг в 1804 показал, что волновая теория требует для объяснения явления аберрации света неподвижного, не увлекаемого Землёй эфира. Напротив, Френель в 1818 нашёл, что для независимости показателя преломления тел от их движения (наблюдения Араго, 1810) необходимо, чтобы тела частично увлекали эфир. Этот вывод был подкреплен Физо опытом .Электродинамика движущихся сред , развитая Лоренцем (1896) в рамках электронной теории, также приводила к частичному увлечению эфира. Однако классический Майкельсона опыт , впервые выполненный в 1881 и неоднократно повторявшийся со всё большей точностью, не обнаружил такого увлечения («эфирного ветра»). Этот и ряд др. опытов, противоречивших представлениям о среде – переносчике электромагнитных колебаний, нашли своё объяснение в созданной А. Эйнштейном специальной (частной) теории относительности (1905), приведшей к кардинальному пересмотру многих положений классической физики и. в частности, окончательно устранившей необходимость в эфире – гипотетической среде-переносчике света.

  Плодотворность классической электродинамической теории света Максвелла – Лоренца неоднократно подтверждалась и в дальнейшем, например в истолковании И. Е. Таммом и И. М. Франком (1937) эффекта Черенкова – Вавилова излучения (открытого в 1934), в выдвижении Д. Габором (1948) идеи голографии (с записью волнового поля в одной плоскости), в разработке оригинального направления трёхмерных голограмм, начало которому положили работы Ю. Н. Денисюка (1962) и т.д.

  Несмотря на успехи электродинамические теории, выяснилось, что она явно недостаточна для описания процессов поглощения и испускания света. Особенно отчётливо это проявилось в парадоксальности выводов теории (противоречащих закону сохранения энергии) из анализа распределения по длинам волн теплового излучения (излучения абсолютно чёрного тела ). Рассматривая эту принципиальную проблему, М. Планк пришёл к заключению (1900), что элементарная колебательная система (атом, молекула) отдаёт энергию электромагнитному полю или получает её от него не непрерывно, а порциями, пропорциональными частоте колебаний, – квантами. Утверждение Планка противоречило классическим представлениям и перенесло идею прерывности (дискретности) на процессы испускания и поглощения света. Развитие идеи Планка не только дало удовлетворительное решение проблемы теплового излучения, но и заложило основы всей современной квантовой физики. Работы Планка и Эйнштейна (1905), который приписал квантам света – фотонам , кроме энергии, также импульс и массу, вернули О. многие черты корпускулярных представлений. Электромагнитное поле (его интенсивность) в квантовой О. определяет вероятность обнаружения фотона, а структура поля отражает квантовую структуру ансамбля элементарных излучателей (атомов, молекул) и распределение актов излучения во времени. Т. о., при сохранении физического смысла поля фотоны, возникающие в актах испускания света и существующие, только двигаясь со скоростью света, приобрели черты материальных частиц. При поглощении фотона он перестаёт существовать, а поглотившая его система получает его энергию и импульс. Если же фотон не поглощается, взаимодействуя с частицей (например, свободным электроном), или он отражается от макроскопического тела (например, неподвижного или движущегося зеркала), он изменяет свою энергию и импульс (сохраняя абсолютную величину скорости) в соответствии с законами соударения двух материальных тел. Фотонные представления позволили Эйнштейну объяснить основные законы фотоэффекта , впервые исследованные А. Г. Столетовым в 1888—1890, и дать ясную трактовку фотохимических превращений. Они позволяют наглядно истолковать существование коротковолновой границы в тормозном излучении электронов (макс. энергия фотона равна энергии электрона), Комптона эффект (открытый в 1922), стоксовский сдвиг частоты излучения фотолюминесценции по отношению к частоте возбуждающего света, комбинационное рассеяние света (открытое в 1928 Л. И. Мандельштамом и Г. С. Ландсбергом и независимо Ч. В. Раманом ) и огромное число др. явлений взаимодействия света с веществом, известных ко времени формирования квантовой теории и открытых в последующие годы. Поэтому переход к квантовым представлениям был следующим существенным шагом в О., которую в её дальнейшем развитии нельзя рассматривать изолированно от квантовой физики вообще.

  В современной О. квантовые представления не противополагаются волновым, а органически сочетаются в квантовой механике и квантовой электродинамике , Исключительное значение квантовая механика имеет для спектроскопии, позволившей получить обширные сведения о строении атомов, молекул и конденсированных сред, а также о протекающих в них процессах. Это стало возможным благодаря развитию квантовой теории в трудах Н. Бора , М. Борна , Э. Шрёдингера , В. Гейзенберга , В. Паули , П. Дирака , Э. Ферма , Л. Д. Ландау , В. А. Фока и многих др. физиков. Квантовая теория позволила дать интерпретацию спектрам атомов, молекул и ионов, объяснить воздействие электрических, магнитных и акустических полей на спектры, установить зависимость характера спектра от условий возбуждения и т.д. Примером обратного влияния О. на развитие самой квантовой теория может служить вызванное необходимостью объяснения спектральных закономерностей открытие собственного момента количества движения – спина – и связанного с ним собственного магнитного момента у электрона (С. Гаудсмит , Дж. Уленбек , 1925) и др. частиц и ядер атомов, повлекшее за собой установление Паули принципа (1925) и, в свою очередь, истолкование сверхтонкой структуры спектров (Паули, 1928). Т. о., построение двух из наиболее фундаментальных теорий современной физики – квантовой механики и специальной теории относительности – было стимулировано в первую очередь проблемами, возникшими при развитии О., и основывалось на наблюдении и анализе оптических явлений.

  Примером успехов новой О. является оптическая ориентация (ориентация магнитных моментов) атомов фотонами, отдающими им свой спин при поглощении, (А. Кастлер , 1953). Наиболее важное событие современной О. – экспериментальное обнаружение и создание методов генерации вынужденного излучения атомов и молекул, предсказанного Эйнштейном в 1916 (см. также Излучение ). Вынужденно испущенный фотон дублирует фотон, вызвавший переход, и, если имеется запас возбуждённых систем, превышающий число поглощающих (т. н. активная среда с инверсией населённостей энергетических состояний атомов или молекул), этот процесс может многократно повторяться, т. е. происходит усиление исходного светового потока (оптического сигнала). Добавление к такому квантовому усилителю оптической обратной связи (например, путём возвращения части излучения с помощью системы зеркал) превращает его в оптический квантовый генератор (лазер). Первые квантовые генераторы (в сантиметровом диапазоне длин волн – мазеры) были созданы А. М. Прохоровым , Н. Г. Басовым и Ч. Таунсом в 1954. В 1960 был построен первый лазер на рубине, вскоре в том же году – первый газоразрядный лазер на смеси гелия и неона, а в 1962 – полупроводниковые лазеры. Важность этих основополагающих работ была немедленно оценена и за ними последовали многочисленные исследования свойств вынужденного излучения и возможностей его генерации. Было установлено, что, используя различные методы получения инверсной населённости, можно строить лазеры на твёрдых, жидких, газообразных и плазменных средах. Их появление стимулировало развитие таких традиционных областей О., как спектроскопия, люминесценция, фотохимия, привело к возникновению совершенно новых научных и технических направлений (нелинейная и параметрическая О., силовая О., оптическая обработка материалов) и к модификации уже развивавшихся направлений (например, оптической связи и оптической локации), сделало возможным практическую реализацию и широкое применение ранее высказанных идей (голография), позволило распространить методы О. на решение задач, не свойственных ей раньше (например, проблема управляемого термоядерного синтеза ), и тем самым подтвердило динамичность О., свойственную наукам, находящимся на переднем крае знаний.

  Лит.: Ландсберг Г. С., Оптика. 4 изд., М., 1957 (Общий курс физики, т. 3); Борн М., Вольф Э., Основы оптики, пер. с англ., 2 изд., М., 1973; Тудоровский А. И., Теория оптических приборов, 2 изд., ч. 1—2, М. – Л., 1948—52: Герцбергер М., Современная геометрическая оптика, пер. с англ., М., 1962; Квазиоптика, пер. с англ., под ред. Б. Каценеленбаума и В. Шевченко, М., 1966; Сороко Л. М., Основы голографии и когерентной оптики, М., 1971; Бломберген Н., Нелинейная оптика, пер. с англ., М., 1966; Действие излучения большой мощности на металлы, под ред. А. М. Бонч-Бруевича и М. А. Ельяшевича, М., 1970; Гарбуни М., Физика оптических явлений, пер. с англ., М., 1967; Ахманов С. А., Хохлов Р. В., Проблемы нелинейной оптики, М., 1964; Вавилов С. И., Экспериментальные основания теории относительности, М. – Л., 1928; Ньютон И., Оптика..., 2 изд., М., 1954; Калверт Дж., Питтс Дж., Фотохимия, пер. с англ., М., 1968; Ельяшевич М. А., Атомная и молекулярная спектроскопия, М., 1962; 3оммерфельд А., Оптика, пер. с нем., М., 1953; Лорентц Г. А., Теория электронов и ее применение к явлениям света и теплового излучения, пер. с англ., М., 1953; Клаудер Дж., Сударшан Э., Основы квантовой оптики, пер. с англ., М., 1970; Вавилов С. И., Микроструктура света, М., 1950.

  А. М. Бонч-Бруевич.