ВОЛОКОННАЯ ОПТИКА теория и практика

Электромагнитные волны

Электромагнитные волны включают в себя комбинацию электрических и магнитных полей. Рассмотрим электрический заряд. Он создает вокруг себя электрическое поле. Если заряд движется, он создает магнитное поле. Было теоретически показано и эксперимен­тально подтверждено, что эти электрические и магнитные поля объединяются и вызывают возмущение, которое распространяется через пространство и называется электромагнит­ной волной. Эта волна является самораспространяющейся, поскольку изменяющееся электрическое поле вызывает изменение магнитного поля, которое затем вызывает новое изменение электрического поля и т. д. Таким образом, происходит постоянный обмен энергией между электрическим и магнитным полями.

Когда электромагнитная волна сталкивается с материей, ее электрические и магнитные поля заставляют заряженные частицы этой материи колебаться таким же образом, как в исходной волне. Это позволяет энергии передаваться через материал без перемещения самой материи. Все электромагнитные волны обладают следующими свойствами.

• Они создаются движущимися зарядами.

• Они являются поперечными волнами, в которых электрическое и машитное поля взаимно перпендикулярны и перпендикулярны направлению распространения волн.

• Они не требуют для своего распространения какого-либо материала, но могут распро­страняться сквозь материал без перемещения вещества.

• Они все движутся в свободном пространстве с одинаковой относительной скоростью, которая называется скоростью св, ета.

Количественно поведение электромагнитных волн описывается уравнениями Максвелла, однако их рассмотрение выходит за рамки данной книги, где мы концентрируемся на прак­тических приложениях, а не на отвлеченной теории.

2.5.2. Фотоны

Фотоны рассматриваются как дискретные частицы электромагнитной энергии. Планк предположил, что энергия излучается вспышками, называемыми «квантами», в которых количество энергии пропорционально частоте. Это выражается формулой

Q = hf

где h - постоянная Планка (6,63 х 10"34 Джоуль/сек.).

Квант света называется фотоном. У фотона есть некоторые свойства частицы, поскольку он дискретен и конечен. Свет, однако, это также и волна, что можно наблюдать в эффектах дифракции и интерференции. Таким образом оказывается, что свет одновременно частица и волна. Это противоречие, поскольку частица конечная и дискретная, тогда как волна беско­нечная и непрерывная. Физики рассматривают обе теории как взаимно дополняющие друг друга, но не применяют их одновременно! Этот эффект известен как партикулярно-волно­вой дуализм света, а обе физические модели равно верны и полезны в описании различных оптических эффектов. Интересно заметить, что в обоих моделях имеются части, не согла­сующиеся друг с другом.

Свет в виде фотонов или волн движется в свободном пространстве, со скоростью примерно 300000 км/с (3 х 108 м/с). Многие эффекты можно лучше рассмотреть, представляя свет как лучи, движущиеся по прямым линиям между оптическими компонентами или через них. Лучи изменяются (отражаются, преломляются, рассеиваются и т. д.) на оптических поверхностях утих устройств. Такое оптическое поведение объясняется в главе 3.