Электромагнитная теория света
В этой части курса излагаются основные положения электромагнитной теории света — теории, лежащей в основе классической картины оптических явлений. Мы начинаем с формулировки уравнений Максвелла. Именно эти уравнения дали особенно убедительные доказательства электромагнитной природы света: “Скорость поперечных волновых колебаний в нашей гипотетической среде, вычисленная из электромагнитных опытов Кольрауша и Вебера, столь близко совпадает со скоростью света, вычисленной из опытов Физо, что мы едва ли можем отказаться от вывода, что свет состоит из поперечных колебаний той же самой среды, которая является причиной электрических и магнитных явлений” (Д. К. Максвелл, “Электромагнитная теория света”). Конкретные “оптические” результаты этого раздела относятся прежде всего к световым волнам в вакууме. Особый акцент сделан на описании и свойствах двух волновых процессов — плоской и сферической гармонических волн. Хотя сами по себе эти волны являются в значительной мере математической абстракцией, их роль в описании оптических явлений трудно переоценить. Во многих случаях реальный световой пучок можно рассматривать как квазиплоскую квазигар- моническую волну. Сложные волновые пучки можно разложить в спектр по плоским гармоническим волнам. Как суперпозицию сферических волн можно часто представить поле излучения реальной среды, состоящей из возбужденных атомов и молекул.
Следствиями уравнений Максвелла являются законы сохранения и вытекающие из них представления о потоке энергии, потоке импульса и момента импульса, переносимых световой волной. Экспериментальная регистрация этих величин (в частности, регистрация обусловленного потоком импульса светового давления) сыграла важную роль в установлении электромагнитной природы света. Вместе с тем можно без преувеличения сказать, что энергия и импульс световых волн приобрели исключительно большое значение в современной лазерной оптике. Стремление к получению все больших значений мощности и энергии световых пучков, к реализации предельных возможностей концентрации световой энергии во времени и в пространстве уже на протяжении более чем двадцати лет составляет одну из главных тенденций развития лазерной физики и техники. В настоящее время созданы лазеры, способные генерировать световые вспышки с энергией до 105 Дж. Получены световые импульсы длительностью 4,5 х 10~15 с, а фокусировка лазерного излучения возможна на площадку вплоть до 10~8 см2. В результате удается получить мощность светового излучения 1015 Вт и интенсивность 1021 Вт/см2. Уникальные возможности концентрации световой энергии открыли совершенно новые перспективы перед оптикой. Стали реальностью сильные воздействия световых волн на вещество, приводящие к его быстрому, в том числе “холодному”, плавлению, а также к мгновенному испарению, образованию высокотемпературной плазмы, сильному сжатию. Поэтому лекции, посвященные энергии и импульсу световой волны, иллюстрируются примерами, относящимися к таким новым областям как лазерная технология, оптическая левитация, лазерный термоядерный синтез.
