Текст книги "Большая Советская Энциклопедия (ОП)"
Автор книги: Большая Советская Энциклопедия
Жанр:
Энциклопедии
сообщить о нарушении
Текущая страница: 18 (всего у книги 22 страниц)
Оптическая сила
Опти'ческая си'ла , характеризует преломляющую способность осесимметричных линз и систем таких линз. О. с. есть величина, обратная фокусному расстоянию системы: j= n ’/f ’ = –n /f , где n ’ и n – преломления показатели сред, расположенных соответственно за и перед системой; f и f ’ — заднее и переднее фокусные расстояния системы, отсчитываемые от её главных плоскостей (см. Кардинальные точки оптической системы). Для системы, находящейся в воздухе (n = n ’ » 1), j равна 1/f ’. Следовательно, О. с. системы (или отдельной линзы) тем больше, чем сильнее эта система преломляет лучи света (чем меньше её фокусное расстояние). О. с. измеряется в диоптриях (м–1 ); она положительна для собирающих систем и отрицательна для рассеивающих. Особенно широко понятием О. с. пользуются в диоптрике глаза и очковой оптике (см. также Линза ,Очки ).
Оптическая теорема
Опти'ческая теоре'ма , устанавливает связь между уменьшением интенсивности волны, распространяющейся в среде, и полным сечением рассеяния этой волны. О. т. первоначально была сформулирована в физической оптике и выражала мнимую часть показателя преломления (описывающую поглощение света) через полное сечение рассеяния света на рассеивающих центрах – осцилляторах. В квантовой механике О. т. вытекает из т. н. условия унитарности (условия равенства единице полной вероятности всех возможных процессов, происходящих в системе) и связывает мнимую часть амплитуды упругого рассеяния вперёд, Imf (0), с полным сечением s рассеяния частицы (на силовом центре или на др. частице):
Imf (0) = 
(р – импульс налетающей частицы в системе центра инерции). О. т. используется для установления связи между непосредственно измеряемыми на опыте характеристиками рассеяния частиц.
В. П. Павлов.
Оптическая толщина
Опти'ческая толщина' (оптическая толща) среды t, безразмерная величина, характеризующая ослабление оптического излучения в среде за счёт совместного действия поглощения света и рассеяния света (но без учёта эффектов усиления излучения, обусловленного многократным рассеянием). Для оптически однородной среды t = el , где e – объёмный ослабления показатель среды (равный сумме показателей поглощения и рассеяния), l – геометрическая длина пути светового луча в ней; в неоднородной среде, в которой e зависит от координат, t = òedl (интегрирование производится вдоль пути луча света). Через О. т. записывается модифицированный закон Бугера (см. Поглощение света ), учитывающий, помимо поглощения света, и его рассеяние: F = Fe –1 (F и F — соответственно поток излучения , падающий на среду в виде параллельного пучка лучей, и поток, выходящий из среды по тому же направлению). Часто (это разграничение условно) слой вещества, для которого t > 1, называются оптически толстым, слой с t < 1 – оптически тонким. О. т. слоя среды связана с его прозрачностью Т соотношением t = – ln Т , а с его регулярной оптической плотностью D = – lg Т соотношением D = 0,434 t. В общем случае t есть функция частоты n (длины волны l) излучения: t = t(n) = t*(l). Однако часто выделяют значение О. т. для излучения одной единственной частоты (О. т. для монохроматического потока излучения). Понятием О. т. широко пользуются, описывая процессы рассеяния и поглощения света, при изучении мутных сред , в теории переноса излучения (в частности, в астрофизике и физике земной атмосферы) и т.д.
Оптически-активные вещества
Опти'чески-акти'вные вещества' , среды, обладающие естественной оптической активностью . О.-а. в. подразделяются на 2 типа. Относящиеся к 1-му из них оптически активны в любом агрегатном состоянии (сахара', камфора, винная кислота), ко 2-му – активны только в кристаллической фазе (кварц, киноварь). У веществ 1-го типа оптическая активность обусловлена асимметричным строением их молекул, 2-го типа – специфической ориентацией молекул (ионов) в элементарных ячейках кристалла (асимметрией поля сил, связывающих частицы в кристаллической решётке). Кристаллы О.-а. в. всегда существуют в двух формах – правой и левой; при этом решётка правого кристалла зеркально-симметрична решётке левого и не может быть пространственно совмещена с нею (т. н. энантиоморфные формы, см. Энантиоморфизм ). Оптической активности правой и левой форм О.-а. в. 2-го типа имеют разные знаки (и равны по абсолютной величине при одинаковых внешних условиях), поэтому их называется оптическими антиподами (иногда так называют и кристаллы О.-а. в. 1-го типа).
Молекулы правого и левого О.-а. в. 1-го типа являются оптическими изомерами (см. Изомерия ,Стереохимия ), т. е. по своему строению представляют собой зеркальные отражения друг друга. Их можно отличить одну от другой, в то время как частицы оптических антиподов (О.-а. в. 1-го типа) просто неразличимы (идентичны). Физические и химические свойства чистых оптических изомеров совершенно одинаковы в отсутствии какого-либо асимметричного агента, реагирующего на зеркальную асимметрию молекул. Продукт химической реакции без участия такого агента – всегда смесь оптических изомеров в равных количествах, т. н. рацемат. Физические свойства рацемата и чистых оптических изомеров зачастую различны. Например, температура плавления рацемата несколько ниже, чем чистого изомера. Рацемат разделяют на чистые изомеры либо отбором энантиоморфных кристаллов, либо в химической реакции с участием асимметричного агента – чистого изомера или асимметричного катализатора, либо микробиологически. Последнее свидетельствует о наличии асимметричных агентов в биологических процессах и связано со специфическим и пока не нашедшим удовлетворительного объяснения свойством живой природы строить белки из левых оптических изомеров аминокислот – 19 из 20 жизненно важных аминокислот оптически активны. (Применительно к О.-а. в. 1-го типа термины «левый» и «правый» – L и D – условны в том смысле, что не соответствуют непосредственно направлению вращения плоскости поляризации в них, в отличие от этих же терминов – l и d – для О.-а. в. 2-го типа или терминов «левовращающий» и «правовращающий».) Физиологическое и биохимическое действие оптических изомеров часто совершенно различно. Например, белки, синтезированные искусств, путём из D-amинокислот, не усваиваются организмом; бактерии сбраживают лишь один из изомеров, не затрагивая другой; L -никотин в несколько раз ядовитее D -никотина. Удивительный феномен преимущественной роли только одной из форм оптических изомеров в биологических процессах может иметь фундаментальное значение для выяснения путей зарождения и эволюции жизни на Земле.
Широкая распространённость в природе, активное участие в процессах жизнедеятельности и высокая чувствительность методов исследования, основанных на дисперсии оптической активности, объясняют особый интерес к О.-а. в.
С. Г. Пржибельский.
Оптические двойные звёзды
Опти'ческие двойны'е звёзды , звёзды, находящиеся почти на одном луче зрения, но удалённые друг от друга в пространстве на значительные расстояния. На небесной сфере О. д. з. расположены рядом, имея вид двойных звёзд . Отличаются от последних тем, что не составляют физической системы.
Оптические переменные звёзды
Опти'ческие переме'нные звёзды , переменные звёзды , блеск которых изменяется вследствие изменения условий их видимости. К О. п. з. относятся затменные переменные звёзды, представляющие собой двойные звёзды с компонентами, периодически затмевающими друг друга при их движении вокруг общего центра тяжести.
Оптические системы
Опти'ческие систе'мы (методы расчёта), совокупности оптических деталей (линз, зеркал, призм, пластинок, диспергирующих элементов), образующие изображения оптические предметов на приёмниках световой энергии (глаз, светочувствительный слой, фотоэлемент и т.д.) или преобразующие по заданным законам пучки световых лучей (осветительные системы). Расчёт О. с. состоит в подыскании конструктивных элементов (радиусов кривизны, преломления показателей и дисперсии стекол или иных прозрачных материалов, расстояний между линзами и их толщин), при которых О. с. обладает требуемыми характеристиками: числовой апертурой , угловым или линейным полем зрения ,увеличением оптическим , размерами, качеством изображения или разрешающей способностью , распределением световой энергии. Этот расчёт выполняется в два этапа.
Сначала методами параксиальной оптики (см. Параксиальный пучок лучей ) производят расчёт общего расположения оптических деталей и их размеров (габаритный расчёт). В результате определяются число компонентов О. с., расстояния между ними, их диаметры и фокусные расстояния, на основе чего составляют эскизный проект системы, уточняют её размеры и вес. Иногда при габаритном расчёте выясняется, что построить О. с. принципиально невозможно (не выполняются какие-либо общие законы энергетики или противоречивы требования). На втором этапе расчёта определяются конструктивные элементы отдельных узлов О. с. из условия устранения её аберраций (см. Аберрации оптических систем ). Количество исправляемых аберраций связано как с назначением О. с., так и с её основными характеристиками. Например, в астрономических объективах (состоят из 2—3 линз), в которых мал угол поля зрения и велико фокусное расстояние при малом относительном отверстии, исправляются только сферическая аберрация ,хроматическая аберрация и кома . В фотографических объективах велики и относительное отверстие, и угол поля зрения; в них нужно откорригировать большее число аберраций (от 7 и более), и этим объясняется сложность их конструкции (современные светосильные объективы состоят из 10—15 линз). Ещё сложнее (20—25 линз) объективы с переменным фокусным расстоянием, в которых аберрации должны быть исправлены для нескольких значений фокусного расстояния. В первом приближении расчёт выполняется на основе теории аберраций 3-го порядка; окончательная подгонка делается на ЭВМ, для которых разработаны специальные программы. Критерием качества изображений служат либо значения поперечной или волновой аберрации, либо величина частотно-контрастной характеристики , которая должна быть задана заранее.
Лит . см. при ст. Объектив .
Г. Г. Слюсарев.
Оптические стандарты частоты
Опти'ческие станда'рты частоты' , квантовые стандарты частоты оптического диапазона. О. с. ч. по сравнению с квантовыми стандартами частоты радиодиапазона имеют важные преимущества: более высокую стабильность частоты ~10–13 , а в перспективе ~10–15 – 10–16 (в диапазоне СВЧ – 10–12 ); возможность создания в одном приборе эталонов частоты (т. е. времени) и длины (интерферометрические измерения длины волны).
Основным элементом О. с. ч. является газовый лазер (2 на рис. 1 ), работающий в спец. режиме, который позволяет выделять из относительно широкой спектральной линии (см. Ширина спектральных линии ) чрезвычайно узкие пики, фиксирующие положение вершины спектральной линии n (центральной частоты перехода). Спектральные линии газа в оптическом диапазоне из-за Доплера эффекта имеют тонкую структуру. Они состоят из смещённых линий однородной ширины, излучаемых отдельными атомами (рис. 2 ). В слабых световых полях эта структура не проявляется. В мощных же полях происходит избирательное поглощение энергии частицами, обладающими определённой скоростью, в результате чего в контуре спектральной линии «выжигаются» узкие провалы (минимумы мощности излучения) с шириной Г, равной однородной ширине линии (рис. 3 ). Т. к. в резонаторе лазера распространяются 2 волны, бегущие навстречу друг другу, то каждая из них резонансно поглощается «своей» группой атомов, отличающихся.знаком проекции скорости на ось резонатора: ±k , где k = с (n– n )/n . Поэтому в спектральной линии выжигаются 2 провала. Только если генерация лазера возбуждается на частоте резонатора, соответствующей вершине спектральной линии n , обе бегущие волны поглощаются одними и теми же частицами и 2 провала сливаются в 1 (рис. 4 ).
Этот эффект, обнаруженный в 1962—63 американскими учёными У. Ю. Лэмбом и У. Р. Беннеттом, дал возможность принять в качестве репера частоты частоту генерации лазера, «привязанную» к частоте n квантового перехода не по доплеровской ширине (2 на рис. 2 ), а по однородной ширине Г линии, что даёт точность ~10–10 – 10–11 . Однако эта точность не была бы достигнута, если бы не был ослаблен эффект смещения (сдвиг) спектральной линии, обусловленный соударениями частиц газа между собой, что возможно при уменьшении давления. Для этого в резонатор лазера вводится ячейка с поглощающим газом (3 на рис. 1 ). Если при изменении частоты генерации в центре спектральной линии излучения появляется минимум мощности (рис. 4 ), то в центре линии поглощения этот же эффект приводит к максимуму мощности той же однородной ширины Г (рис. 5 , а). Благодаря низкому давлению в поглощающей ячейке (10–3мм рт . ст ., или 0,13 н /м2 ) эта частота стабильна. Осуществленный О. с. ч. с гелий-неоновой усиливающей и метановой поглощающей ячейками (l = 3,39 мкм ) имеет g = 300–500 кгц и относительную стабильность частоты ~10–13 , что означает поддержание частоты ~1014гц с точностью до 10 гц .
Дальнейший прогресс в развитии О. с. ч. связан с возможностью выделения ещё более узких линий, фиксирующих частоту квантовых переходов на несколько порядков уже однородной ширины Г спектральной линии. Это осуществляется в лазере с кольцевым резонатором, работающем как в одноволновом, так и в двухволновом режимах (рис. 6 ). При этом мощность излучения лазера из-за эффектов спектрального «выгорания» линии, пространственного выгорания среды и фазового взаимодействия на частотах, близких к центральной частоте перехода, перераспределяется между волнами разных типов. Это приводит к возникновению узких резонансных пиков, которые могут быть на несколько порядков более узкими и более резкими, чем в случае пиков мощности линейного лазера. Воспроизводимость частоты кольцевых лазеров с метановой поглощающей ячейкой такая же, как и в случае линейных лазеров. Существуют и др. методы стабилизации частоты лазеров.
Лит.: Квантовая электроника. Маленькая энциклопедия, М., 1969; Басов Н. Г., Беленов Э. М., Сверхузкие спектральные линии и квантовые стандарты частоты, «Природа», 1972, № 12.
Э. М. Беленов.
Рис. 6. Схема оптического стандарта частоты, основанного на лазере с кольцевым резонатором.
Рис. 5. а. Появление минимума мощности в центре линии излучения сопровождается появлением максимума мощности в центре линии поглощения. б. Осциллограмма интенсивности бегущих волн гелий-неонового лазера с поглощающей метановой ячейкой в зависимости от частоты генерации; на центральной частоте спектральной линии метана у обеих волн возникают пики мощности.
Рис. 1. Схема оптического стандарта частоты с гелий-неоновым лазером и поглощающей ячейкой: 1 – зеркала оптического резонатора; 2 – ячейка лазера с активным газом; 3 – ячейка с поглощающим газом; 4 – приёмник излучения; 5 – система обратной связи.
Рис. 4. Слияние двух провалов в один.
Рис. 3. «Выжигание провалов» в контуре спектральной линии.
Рис. 2. Структура спектральной линии газа в оптическом диапазоне: 1 – линии однородной ширины Г, излучаемые отдельными атомами и смещённые из-за эффекта Доплера; 2 – контур спектральной линии газа; 3 – резонансная кривая резонатора; n – собственная частота резонатора; n – частота, соответствующая вершине спектральной линии.
Оптический гироскоп
Опти'ческий гироско'п , см. в ст. Квантовый гироскоп .
Оптический измерительный прибор
Опти'ческий измери'тельный прибо'р в машиностроении, средство измерения, в котором визирование (совмещение границ контролируемого размера с визирной линией, перекрестием и т.п.) или определение размера осуществляется с помощью устройства с оптическим принципом действия. Различают три группы О. и. п.: приборы с оптическим способом визирования и механическим (или др., но не оптическим) способом отсчёта перемещения; приборы с оптическим способом визирования и отсчёта перемещения; приборы, имеющие механический контакт с измеряемым объектом, с оптическим способом определения перемещения точек контакта.
Из приборов первой группы распространение получили проекторы для измерения и контроля деталей, имеющих сложный контур, небольшие размеры (например, шаблоны, детали часового механизма и т.п.). В машиностроении применяются проекторы с увеличением 10, 20, 50, 100 и 200, имеющие размер экрана от 350 до 800 мм по диаметру или по одной из сторон. Т. н. проекционные насадки устанавливают на микроскопах, металлообрабатывающих станках, различных приборах. Инструментальные микроскопы (рис. 1 ) наиболее часто используют для измерения параметров резьбы. Большие модели инструментальных микроскопов обычно снабжаются проекционным экраном или бинокулярной головкой для удобства визирования.
Наиболее распространённый прибор второй группы – универсальный измерительный микроскоп УИМ, в котором измеряемая деталь перемещается на продольной каретке, а головной микроскоп – на поперечной. Визирование границ проверяемых поверхностей осуществляется с помощью головного микроскопа, контролируемый размер (величина перемещения детали) определяется по шкале обычно с помощью отсчётных микроскопов. В некоторых моделях УИМ применено проекционно-отсчётное устройство. К этой же группе приборов относится компаратор интерференционный .
Приборы третьей группы применяют для сравнения измеряемых линейных величин с мерами или шкалами. Их объединяют обычно под общим назв. компараторы . К этой группе приборов относятся оптиметр ,оптикатор ,измерительная машина , контактный интерферометр, оптический длиномер и др. В контактном интерферометре (разработан впервые И. Т. Уверским в 1947 на заводе «Калибр» в Москве) используется интерферометр Майкельсона (см. в ст. Интерферометр ), подвижное зеркало которого жестко связано с измерительным стержнем. Перемещение стержня при измерении вызывает пропорциональное перемещение интерференционные полос, которое отсчитывается по шкале. Эти приборы (горизонтального и вертикального типа) наиболее часто применяют для относительных измерений длин концевых мер при их аттестации. В оптическом длиномере (длиномер Аббе) вместе с измерительным стержнем (рис. 2 ) перемещается отсчётная шкала. При измерении абсолютным методом размер, равный перемещению шкалы, определяется через окуляр или на проекционном устройстве с помощью нониуса.
Перспективным направлением в разработке новых типов О. и. п. является оснащение их электронными отсчитывающими устройствами, позволяющими упростить отсчёт показаний и визирование, получать показания, усреднённые или обработанные по определённым зависимостям, и т.п.
Лит.: Справочник по технике линейных измерений, пер. с нем., М., 1959; Оптические приборы для измерения линейных и угловых величин в машиностроении, М., 1964.
Н. Н. Марков.
Рис. 1. Инструментальный микроскоп: 1 – головка со штриховой продольной сеткой; 2 – стойка; 3 – микропара; 4 – стол для установки детали.
Рис. 2. Оптический длиномер: 1 – проекционное устройство; 2 – измерительный стержень; 3 – измеряемая деталь.
Оптический институт
Опти'ческий институ'т им. С. И. Вавилова государственный (ГОИ), научно-исследовательское учреждение, в котором ведутся работы в области оптики и её технического применений. Основан в Ленинграде в 1918. Основателем, первым директором и научным руководителем ГОИ был академик Д. С. Рождественский; в 1932—45 научное руководство осуществлял академик С. И. Вавилов, в 1945—56 – академик А. Н. Теренин. В ГОИ начинали научную деятельность и работали многие известные учёные, среди них академик И. В. Гребенщиков, А. А. Лебедев, В. А. Фок, И. В. Обреимов; в настоящее время (1973) здесь работают академик В. П. Линник и члены-корреспонденты П. П. Феофилов и Ю. Н. Денисюк.
ГОИ внёс большой вклад в развитие советской оптики. В нём выполнены ставшие классическими работы по спектроскопии атомов различных элементов и фундаментальные исследования процессов люминесценции, фотохимии и фотосинтеза, позволившие получить многие сведения о строении молекул, а также работы по спектроскопии активированных кристаллов.
ГОИ – научно-исследовательская центр оптико-механической промышленности. В институте разработаны составы и технология производства оптических материалов и решены задачи механической обработки стекла и формообразования поверхностей оптических деталей высокой точности. Проведены важные исследования по оптотехнике, фотометрии и светотехнике: предложены и разработаны разнообразные интерференционные методы и приборы для прецизионных измерений в астрономии и технике, бесконтактные оптические приборы для контроля формы и микрогеометрии обрабатываемых поверхностей в машиностроении. Изобретена менисковая система для зеркально-линзовых объективов. Созданы оптические источники света большой яркости.
В ГОИ впервые была объяснена природа скрытого фотографического изображения, предложена и исследована электрохимическая теория проявления, разработаны методы и приборы для испытания сенситометрических свойств фотографических материалов.
В ГОИ впервые в СССР разработаны методы и созданы прецизионные машины для изготовления высококачественных дифракционных решёток, организовано их производство, построен первый советский электронный микроскоп и первый в мире геодезический светодальномер. В ГОИ впервые в СССР созданы методы регистрации изображения в трёхмерной среде. В институте основана советская школа вычислительной оптики.
В. Д. Михалевский.
