В пособии последовательно развиты основные следствия электромагнитной теории света и должное внимание уделено эксперименту. Изложение свойств электромагнитных волн базируется на уравнениях Максвелла. В пособии даны элементы кристаллооптики, электронная теория дисперсии, подробно рассмотрены такие важные физические явления, как интерференция и дифракция света, изложены основы теории относительности и элементы квантовой оптики.

Предназначается для студентов университетов. Может быть полезно для специалистов, работающих в области физической оптики.

При подготовке к переизданию книги «Волновая оптика» был сохранен её основной план и дополнены некоторые разделы. Наиболее существенным дополнением явилось рассмотрение основ фотонной теории (гл. VIII), позволившее охарактеризовать важнейшее свойство света — его дуализм и оценить границы применимости электромагнитной теории света, изложению которой посвящены основные разделы этой книги. Кроме того, включение в книгу сведений о термодинамике излучения, формуле Планка, законах фотоэффекта и свойствах приёмников света должно способствовать более широкому использованию этого учебного пособия в университетах и втузах. Подробно исследованы основания геометрической оптики (§ 6.2) с целью установления неразрывной связи этого раздела с электромагнитной теорией, а также решения некоторых важных задач. Заметно расширено описание светового давления (§2.6) и голографии (§6.10), а также некоторых других вопросов, в изложение которых пришлось внести существенные изменения в связи с последними достижениями оптики и атомной физики. К числу таких проблем относится, например, реализованная совсем недавно возможность прецизионного измерения скорости света в вакууме.

Последовательность изложения материала осталась в основном прежней, но подробному изложению интерференции и дифракции во втором издании предшествует небольшая IV глава, посвящённая основам электронной теории дисперсии…

Автор
Предисловие ко второму изданию

Эта книга представляет собой несколько расширенное изложение одного из разделов курса общей физики, который автор читал последние годы на физическом факультете Ленинградского университета. При построении курса была сделана попытка такого изложения основных проблем оптики, которое в максимальной степени облегчило бы слушателям дальнейшее более подробное изучение этих вопросов и в то же время удовлетворяло бы требованию единства теории и эксперимента. Зго требование совершенно обязательно при первичном ознакомлении студентов-физиков с основами науки.

Следует иметь в виду, что физики не едины в вопросе о том, каким должно быть содержание университетского курса общей физики, и за последнее время изданы книги, которые могут быть охарактеризованы как поисковые. Эта книга также является поиском способа более или менее современного изложения такого классического раздела физики, как волновая оптика.

При решении этой задачи возникают трудности и часто приходится принимать компромиссное решение. Так, например, при исследовании проблем классической волновой оптики нельзя игнорировать открывшуюся ныне возможность использования когерентных источников света, хотя затруднительно детальное исследование фундаментального понятия когерентности (как это сделано, например, в монографии Борна и Вольфа, рассчитанной на более подготовленного читателя). Неизбежны также разрывы в логике, связанные с необходимостью использования квантовых понятий при изложении некоторых вопросов. Стремясь ограничить круг таких проблем, мы, например, не рассматривали принципы действия оптических квантовых генераторов (лазеров), хотя не однократно сравнивали действие таких когерентных источников света с обычными некогерентными. В силу этих же соображений сведены к минимуму обращения к проблемам атомной спектроскопии, иллюстрирующие возможность применения рассматриваемых оптических методов.

Мы сочли целесообразным отойти от обычной последовательности изучения основных разделов оптики. Изложение начинается с тех проблем, которые могут быть описаны с помощью плоских электромагнитных волн, условия возникновения и распространения которых в однородных диэлектриках получаются при решении классических уравнений Максвелла, обобщающих предшествующую данному курсу элементарную теорию электричества. При освоении электромагнитной теории света сразу выявляется поляризация световой волны, а использование граничных условий для уравнений Максвелла позволяет провести детальный анализ преломления и отражения волны на границе двух диэлектриков (формулы Френеля и их следствия). Решается ряд важных задач, в том числе достаточно подробно исследуется полное внутреннее отражение электромагнитных волн и его приложения.

В гл. III исследуются условия прохождения электромагнитной волны в анизотропном диэлектрике (оптика кристаллов); преобразование плоской поляризации в эллиптическую, вращение плоскости поляризации. Даётся качественное представление о молекулярной теории вращения.

В рамках этой же идеализации (плоские монохроматические волны) можно рассмотреть ряд существенных вопросов (например, элементы оптики металлов, давление света и др.). Но для понимания интерференции и дифракции электромагнитных волн такого описания уже недостаточно, поэтому водятся квазимонохроматические волны («хаотически модулированные колебания»). При введении этих понятий законы возникновения и распространения электромагнитных волн дополняют условиями обрыва колебаний оптических электронов в атоме и другими причинами, определяющими время когерентности. В рамках этой схемы обосновывается когерентность колебаний для точечных источников света в пределах одного цуга волн, а затем выявляются условия пространственной когерентности, при которых может наблюдаться стационарная интерференционная картина от реальных источников.

После этого уже не представляет труда исследовать экспериментальные методы наблюдения интерференции световых волн (гл. IV). При этом проводится приближённая оценка времени когерентности для обычного источника света и лазера по изменению видимости интерференционной картины, получаемой с помощью интерферометра Майкельсона. Большее внимание уделено интерферометру Фабри-Перо, широко используемому в спектроскопии и позволяющему охарактеризовать проникновение радиофизических идей в современную оптику.

Дифракция световых волн (гл. V) базируется в пособии на подробном, но полуколичественном исследовании принципа Гюйгенса-Френеля. Это подготовляет читателя к усвоению более строгого метода Кирхгофа. В то же время часть задач на дифракцию (например, распределение интенсивности, даваемое дифракционной решёткой) сосчитана до конца, что облегчает их понимание. Подробнее, чем это обычно делается, рассмотрены особенности современных решёток с профилированным штрихом.

Один из разделов этой главы посвящён вопросу о дифракции частично когерентного света. Понятие о степени когерентности исследуется в приложении к задаче о дифракции квазимонохроматической волны на двух отверстиях (опыт Юнга). При изложении основ дифракционной теории оптических инструментов кратко охарактеризован новый метод получения изображения — голография.

При таком построении курса естественным является дальнейший переход к объяснению разнообразных физических явлений, связанных с учётом действия поля световой волны на электроны и ионы. Эти приложения электронной теории существенны для решения многих принципиальных вопросов: кроме традиционного рассмотрения электронной теории дисперсии исследуется вращение плоскости поляризации и решаются некоторые другие задачи.

При описании оптических экспериментов с движущимися телами даны подробные приложения эффекта Доплера. Экспериментальные основы специальной теории относительности и анализ следствий постулатов Эйнштейна приведены весьма кратко. Это, очевидно, целесообразно, так как в рамках данного курса трудно добавить по этим проблемам что-либо существенное к многочисленным монографиям и широко известным руководствам по оптике. По тем же причинам из пособия исключены основы фотометрии и геометрической оптики.

Квантовая теория света подробно рассматривается во многих руководствах по атомной физике и затрагивается в заключение лишь в связи с обсуждением границ применимости электромагнитной теории света…

Н. И. Калитеевский
Предисловие к первому изданию

Книги на ту же тему

1. Теория волн, Виноградова М. Б., Руденко О. В., Сухоруков А. П., 1979
2. Математическая теория распространения электромагнитных волн, Бейтмен Г., 1958
3. Теория электромагнитных волн: Лекционный курс для радиофизиков, Семёнов А. А., 1962
4. Неоднородные оптические волноводы, Содха М. С., Гхатак А. К., 1980
5. Оптика Ньютона, Погребысская Е. И., 1981
6. Структура оптического изображения: Дифракционная теория и влияние когерентности света, Марешаль А., Франсон М., 1964
7. Вопросы теории плазмы. Выпуск 9, Михайловский А. Б., ред., 1979
8. Оптика микроструктурированных волокон, Желтиков А. М., 2004
9. Методы расчёта оптических систем. — 2-е изд., доп. и перераб., Слюсарев Г. Г., 1969
10. Техническая оптика, Русинов М. М., 1961