Большая Советская Энциклопедия (ОП)

Явление поляризации света лежит в основе ряда методов исследования структуры вещества с помощью многочисленных поляризационных приборов . По изменению степени поляризации (деполяризации) света при рассеянии и люминесценции можно судить о тепловых и структурных флуктуациях в веществе, флуктуациях концентрации растворов, о внутри- и межмолекулярной передаче энергии, структуре и расположении излучающих центров и т.д. Широко применяется поляризационно-оптический метод исследования напряжений в объёмах и на поверхностях твёрдых тел, в котором эти (механические) напряжения определяются по изменению поляризации отражённого или прошедшего через тело света. В кристаллооптике поляризационные методы используются для изучения структуры кристаллов, в химической промышленности — как контрольные при производстве оптически-активных веществ (см. также Сахариметрия ), в минералогии и петрографии — для идентификации минералов, в оптическом приборостроении — для повышения точности отсчётов приборов (например, фотометров ).

Широкое распространение получили высокочувствительные спектральные приборы с дифракционной решёткой в качестве диспергирующего элемента (монохроматоры ,спектрографы ,спектрофотометры и др.), использующие явление дифракции света. Дифракция на ультразвуковых волнах в прозрачных средах позволяет определять упругие константы вещества, а также создать акустооптические модуляторы света (см. Модуляция света ).

Оптические методы, заключающиеся в анализе рассеяния света (особенно мутными средами ), имеют большое значение для молекулярной физики и её приложений. Так, нефелометрия даёт возможность получать данные о межмолекулярном взаимодействии в растворах, определять размеры и молекулярный вес макромолекул полимеров , а также частиц в коллоидных системах ,взвесях и аэрозолях . Последнее весьма важно для атмосферной оптики , оптики красок и порошков. Ценные сведения об энергетической структуре молекул и свойствах тел дают изучение комбинационного рассеяния света ,Мандельштама — Бриллюэна рассеяния и вынужденного рассеяния света , обнаруженного благодаря использованию лазеров.

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.