Оптиканың геометриялық негізгі заңдары

1. Түзу сызықты жарықтың қолдану заңы;

2. Жарықтың шағылу заңы;

3. Жарықтың сыну заңы.

Геометрикалық оптиканы толқынды оптикалық шектелген деп қарастыруға болады.

Оптика бөлімі, қозғалу энергиясының жарық сәулесі сияқты бағытталуын жарық энергиясы негізінде қолданылуы геометриялық оптика деп аталады. Геометриялық оптиканың негізгі заңы жарықтың физикалық табиғаттын орнатудан көп бұрын белгілі болды.

Түзу сызықты жарық заңы оптикалық біртекті ортада түзу сызықты жарық қолданылғанда орынды. Бұл заңды кенет көлеңкеде түссіз емес денелердің жарықталуы кезінде кіші өлшемді жарық («нүктелік көз») көзі кезінде қолданады. Нәтижесінде тар жарық шоғыры пайда болатын жарықтың өтуі алыс көзден үлкен емес саңылау ішінен басқа атақты әдіс дәлелдеулері қызмет етуі мүмкін. Бұл әдіс жарық сәулесін геометриялық сызық ретінде ұсынылған жарық бойында қолданылады.

Мөлшерлері үлкен ұзындықтағы толқындармен салыстырғанда, жарықтың аз бөлігі өтетін болса, жарық сәулесі мәнін жоғалтады, нәтижесінде түзу сызықты заңды қолдану да бұзылады. Сол себептен толқындық оптика ұмтылған кезде геометриялық оптикаға сүйенеді.

Жарық екі түссіз заттар арасында бөлшектеніп шағылады, жарық энергиясы шағылғаннан кейін жаңа бағытта қолданылады.

Жарықтың шағылу заңы: екі заттың бөлінген жеріне перпендекуляр нүктеге түскен және шағылған сәуленің шағылу бұрышы түсу бұрышына тең.

Жарықтың сыну заңы: түскен және шағылған сәуле, сонымен қатар қалпына келген сәуленің түсу нүктесі екі заттың шекарасына перпендекуляр бір жазықтықта жатады. Берілген тұрақты екі заттың d түсу бұрышының синусының сыну бұрышының синусына қатынасы сыну көрсеткішін береді:

. (4.18)

Екінші заттың біріншіге қатынасы сынудың қатынасының көрсеткіші n тұрақты мөлшерін айтады. Заттың вакуумға байланысты сыну көрсеткіш абсолютті сыну көрсеткіші деп аталады.

Екі заттың сыну көрсеткіштерінің қатынасы олардың абсолютті сыну көрсеткішіне тең:

. (4.19)

Шағылу және сыну заңдары толқынды физикамен түсіндіріледі. Сыну толқынының бір заттан келесі затқа өту кезіндегі жылдамдығының өзгеруі толқын түсінігі бойынша анықталатын болса, онда сынудың физикалық көрсеткіші бірінші заттағы толқын жылдамдығының екінші заттағы толқын жылдамдығына қатынасымен анықталады:

. (4.20)

Сынудың абсолютті көрсеткіші вакуумдегі жарық жылдамдығының с заттағы жарық жылдамдығына қатынасымен анықталады:

. (4.21)

Заттағы абсолютті шағылуының аз көрсеткішін беріктігі аз деп айтады. Оптикалық беріктігі жоғары ортадан оптикалық беріктігі аз ортаға жарықтың өтуі кезінде (мысалға, шыныдан ауаға) , сынған сәуленің толық шағылуының пайда болуын байқауға болады (4.5-сурет). түсу бұрышы үшін .

4.5-сурет. Оптикалық беріктігі жоғары ортадан оптикалық беріктігі аз ортаға жарықтың өтуі кезінде сынған сәуленің толық шағылуы

Шағылу және сыну заңдары:

мұндағы - бірінші ортаның абсолютті сыну көрсеткіші, шыны-ауа шекарасының арасы үшін қиын бұрыштың мәні , су-ауа үшін қиын бұрыштың мәні тең.

Егер екінші орта ауа болып табылатын болса ( ), онда формуланы келесі түрде жазады:

, (4.22)

Толық ішкі шағылу құбылысы көптеген оптикалық құрылғыларда қолданыс тапқан. Ол өзімен бірге жұқа (бірнеше микрометрден миллиметрге дейін) еркін иілетін оптикалық түссіз материалды жіптерден (шыны, кварц) тұрады. 4.6-суретте су-ауа арасындағы ішкі толық шағылу көрсетілген, мұндағы S-жарықтың нүктелік көзі.

4.6-сурет. Су-ауа арасындағы ішкі толық шағылу

Жібекті жарық өткізгішті құрастыру қызығырақ және оны тәжірибеде қолдану маңызды болып табылады. Жарық толық ішкі шағылысудың есебінен бүйір кеңістіктен жарық өткізгіш торына түсетін жарық қолданылуы мүмкін (4.7-сурет). Ғылыми-техникалық бағытта айналысатын және оптикалық жарық өткізгіш жібекті оптика деп аталады.

4.7-сурет. Жібекті жарық өткізгіште жарықтың қолданылуы

Қатты иілу кезінде жібектің толық ішкі шағылу заңы бұзылады және жібекке бүйірлік кеңістіктен жарық бөлініп шығады.