Оптика

 Г.С. Ландсберг




                птика




ИЗДАНИЕ СЕДЬМОЕ, СТЕРЕОТИПНОЕ



Допущено Министерством образования Российской Федерации в качестве учебного пособия для студентов физических специальностей высших учебных заведений

МОСКВА ФИЗМАТЛИТ®
2017

УДК 535
ББК 22.34
     Л22
   Ландсберг Г.С. Оптика. Учеб. пособие: Для вузов. — 7-е изд., стереот. — М.: ФИЗМАТЛИТ, 2017. — 852 с. — ISBN 978-5-9221-1742-5.

   Седьмое, стереотипное издание учебного пособия по основам оптики. Пятое издание (1976 г.) было переработано и существенно дополнено учениками и сотрудниками Г. С. Ландсберга. Последнее подготовленное автором издание (четвертое) вышло в 1957 г. Основа книги — лекции, прочитанные автором на физическом факультете Московского государственного университета и затем в Московском физико-техническом институте.
   Для студентов физических специальностей высших учебных заведений.
   Табл. 23. Ил. 511.



























ISBN 978-5-9221-1742-5

(О ФИЗМАТЛИТ, 2006, 2010, 2017

ОГЛАВЛЕНИЕ

Предисловие к шестому изданию................................. 10
От издательства к пятому изданию ............................. 10
Из предисловия к третьему изданию............................. 11
Из предисловия ко второму изданию............................. 12
Из предисловия к первому изданию.............................. 12



ВВЕДЕНИЕ

Глава I. Краткое историческое введение................ 13
§ 1. Осповпые законы оптики (13). § 2. Главнейшие этапы развития оптических теорий (16).

Глава II. Волны....................................... 24
§ 3. Образование волны. Волновое уравнение (24). § 4. Монохроматические колебания и волны. Понятие о разложении Фурье (27). § 5. Энергия, переносимая электромагнитной волной (34). § 6. Классификация волн. Понятие о поляризации волн (37).

Глава III. Фотометрические понятия и единицы ......... 39
§ 7. Осповпые понятия (39). § 8. Переход от энергетических величии к световым (47). § 9. Единицы для световых измерений (48). § 10. Световые измерения (фотометрия) (51).



ИНТЕРФЕРЕНЦИЯ СВЕТА

Глава IV. Когерентность............................. 57
§ 11. Введение (57). § 12. Понятие о когерентности. Интерференция колебаний (57). § 13. Интерференция волн (60). § 14. Осуществление когерентных воли в оптике (63). § 15. Осповпые характеристики интерференционных схем (65). § 16. Различные иптерферепциоппые схемы (70). § 17. Значение размеров источника света. Пространственная когерентность (74). § 18. Роль поляризации при интерференции поперечных волп (80). § 19. Кажущиеся парадоксы в явлениях интерференции воли (81). § 20. Оптическая длила пути. Таутохропизм оптических систем (82). § 21. Интерференция пемопохроматических световых пучков (84). § 22. Частично когерентный свет (86).

Глава V. Стоячие световые волны.....................104
§ 23. Образование стоячих волн. Опыты Випера (104). § 24. Цветная фотография по методу Липпмапа (108).

ОГЛАВЛЕНИЕ

Глава VI. Локализация полос интерференции..............110
§ 25. Цвета топких пластипок (110). § 26. Кольца Ныотопа (115).
§ 27. Интерференция в плоскопараллельных пластинках. Полосы равного наклона (117).

Глава VII. Интерференционные приборы и применения интерференции ............................................120
§ 28. Интерферометр Жамепа (120). § 29. Интерферометр Майкельсо-па (123). § 30. Иптерферепциоппые приборы с многократно разделенными световыми пучками (125). § 31. Интерференция при большой разности хода (131). § 32. Некоторые применения иптерферепциоппых методов исследования (133).



ДИФРАКЦИЯ СВЕТА

Глава VIII. Принцип Гюйгенса и его применения...........138
§ 33. Принцип Гюйгепса-Фрепеля (138). § 34. Зоппая пластипка (143).
§ 35. Графическое вычисление результирующей амплитуды (145). § 36. Простейшие дифракциоппые проблемы (147). § 37. Спираль Корию и применение ее для графического решения дифракционных задач (152).
§ 38. Замечания относительно принципа Гюйгепса-Фрепеля (154).

Глава IX. Дифракция в параллельных лучах (дифракция Фраунгофера)............................................158
§ 39. Дифракция Фраунгофера от щели (158). § 40. Влияние ширины щели па дифракционную картипу (164). § 41. Влияние размеров источника света (164). § 42. Дифракция от прямоугольного и круглого отверстий (167). § 43. Гауссовы пучки (169). § 44. Дифракция па двух щелях (175).
§ 45. Интерферометр Рэлея. Измерение углового диаметра звезд (177).
§ 46. Дифракционная решетка (182). § 47. Наклошюе падение лучей па решетку (187). § 48. Фазовые решетки (189). § 49. Эшелон Майкельсо-па (192). § 50. Характеристики спектральных аппаратов и сравнение их между собой (194). § 51. Роль спектрального аппарата при анализе светового импульса (201).

Глава X. Дифракция на многомерных структурах............205
§ 52. Дифракционная решетка как одномерная структура (205). § 53. Дифракция па двумерных структурах (206). § 54. Дифракциоппые явления па трехмерпых структурах (208). § 55. Дифракция рентгеновских лучей (211). § 56. Дифракция световых волн па ультраакустических волнах (212).

Глава XI. Голография....................................215
§ 57. Введение (215). § 58. Голографирование плоской волпы (217).
§ 59. Голографирование сферической волпы (219). § 60. Голограммы Фрепеля трехмерпых объектов (221). § 61. Голограмма как элемент идеальной оптической системы. Получение увеличенных изображений (227). § 62. Голограммы Фурье (233). § 63. Разрешающая способность голографических систем (235). § 64. Качество голографических изо-

ОГЛАВЛЕНИЕ

5

бражепий (237). § 65. Объемные голограммы (метод Деписюка) (240). § 66. Цветные голографические изображения (243). § 67. Применение голографии. Голографическая интерферометрия (244).



ГЕОМЕТРИЧЕСКАЯ ОПТИКА

Глава XII. Основные положения геометрической (лучевой) оптики .................................................249

§ 68. Введение (249). § 69. Принцип ферма (250). § 70. Основные определения. Закоп преломления и отражения. Принцип взаимности (253).
§ 71. Преломление (и отражение) па сферической поверхности (256).
§ 72. Фокусы сферической поверхности (258). § 73. Изображение малых предметов при преломлении па сферической поверхности (260).
§ 74. Увеличение. Теорема Лаграпжа-Гельмгольца. (260). § 75. Центрированная оптическая система (262). § 76. Преломление в липзе. Общая формула липзы (263). § 77. Фокусные расстояния топкой липзы (265).
§ 78. Изображение в топкой липзе. Увеличение (267). § 79. Идеальные оптические системы (268).

Глава XIII. Аберрации оптических систем..................276

§ 80. Введение (276). § 81. Каустическая поверхность. Характер ее симметрии (277). § 82. Аберрации, обусловленные широкими пучками лучей (277). § 83. Аберрации, обусловленные топкими внеосевыми паклоппы-ми пучками лучей (280). § 84. Астигматизм, обусловленный асимметрией системы (283). § 85. Апланатизм. Условие синусов (284). § 86. Аберрации, обусловленные зависимостью показателя преломления от длины волны (хроматические аберрации) (286).

Глава XIV. Оптические инструменты........................291

§ 87. Роль диафрагм (291). § 88. Апертурная диафрагма, входной и выходной зрачки (292). § 89. Диафрагма поля зрепия. Люки (295). § 90. Фотографический аппарат (296). § 91. Глаз как оптическая система (297).
§ 92. Оптические инструменты, вооружающие глаз (301). § 93. Проекционные устройства (307). § 94. Спектральные аппараты (309). § 95. Восприятие света. «Ночезрительпая труба» М.В. Ломоносова (312).

Глава XV. Дифракционная теория оптических инструментов 316

§ 96. Разрешающая сила объектива (317). § 97. Разрешающая сила микроскопа (319). § 98. Электронный микроскоп (327). § 99. Метод темного поля (ультрамикроскопия). Метод фазового контраста (331). § 100. Дифракционные явления в спектрографах (хроматическая разрешающая сила) (335).



ПОЛЯРИЗАЦИЯ СВЕТА

Глава XVI. Естественный и поляризованный свет....338

§ 101. Поперечпость световых воли (338). § 102. Распространение света через турмалин (340). § 103. Поляризация при отражении и преломле-

ОГЛАВЛЕНИЕ

пии света па границе двух диэлектриков (342). § 104. Ориентация электрического вектора в поляризованном свете (344). § 105. Закон Малюса (345). § 106. Естественный свет (346).

Глава XVII. Поляризация при двойном лучепреломлении . 347
§ 107. Двойное лучепреломление и поляризация света при прохождении через кристалл исландского шпата (347). § 108. Поляризационные приспособления (351).

Глава XVIII. Интерференция поляризованных лучей............354
§ 109. Опыты Фрепеля и Араго и их значение для упругой теории света (354). § ПО. Эллиптическая и круговая поляризация света (356). § 111. Внутренняя структура естественного света (359). § 112. Обнаружение и анализ эллиптически-циркулярпо-поляризоваппого света (361).



ШКАЛА ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫХ ВОЛН

Глава XIX. Инфракрасные, ультрафиолетовые и рентгеновские лучи..........................................365
§ 113. Инфракрасные и ультрафиолетовые лучи (365). § 114. Открытие рентгеновских лучей и методы их получения и наблюдения (368). § 115. Поглощение рентгеновского излучения (369). § 116. Природа рентгеновских лучей (371). § 117. Дифракция рентгеновских лучей па кристаллической решетке (372). § 118. Спектрография рентгеновских лучей (373).
§ 119. Сплошной рентгеновский спектр. Понятие о характеристических лучах (376). § 120. Оптика рентгеновских лучей (377). § 121. Шкала электромагнитных воли (378).



СКОРОСТЬ СВЕТА

Глава XX. Скорость света и методы ее определения........380
§ 122. Значение опытов по определению скорости света и первая попытка Галилея (380). § 123. Астрономические методы определения скорости света (381). § 124. Лабораторные методы определения скорости света (385). § 125. Фазовая и групповая скорости света (389).

Глава XXI. Явление Доплера.............................393
§ 126. Введение (393). § 127. Явление Доплера в акустике (394). § 128. Явление Доплера в оптике (397).

Глава XXII. Оптика движущихся сред ....................401
§ 129. Принцип относительности в механике и формулы преобразования Галилея (401). § 130. Электродинамика движущихся сред (403).
§ 131. Основы специальной теории относительности (412). § 132. Формулы преобразования теории относительности (414). § 133. Выводы из формул преобразования теории относительности (418). § 134. Общие выводы (425).

ОГЛАВЛЕНИЕ

7

РАСПРОСТРАНЕНИЕ СВЕТА ЧЕРЕЗ ГРАНИЦУ ДВУХ СРЕД

Глава XXIII. Отражение и преломление света на границе двух диэлектриков.....................................428
§ 135. Отражение и преломление па границе двух диэлектриков. Формулы Фрепеля (428). § 136. Поляризация света при прохождении через границу двух диэлектриков. Наглядная интерпретация закона Брюстера (436).

Глава XXIV. Полное внутреннее отражение..............439
§ 137. Явление полного внутреннего отражения (439). § 138. Исследование отраженной волны. Эллиптическая поляризация (440). § 139. Исследование преломленной волпы (443).

Глава XXV. Основы металлооптики......................445
§ 140. Характеристика оптических свойств металла (445). § 141. Оптические постоянные металлов и их определение (447).


ОПТИКА АНИЗОТРОПНЫХ СРЕД

Глава XXVI. Основы кристаллооптики...................451
§ 142. Анизотропные среды (451). § 143. Оптические свойства анизотропной среды (455). § 144. Поверхность волпы (лучевая) и поверхность нормалей (458). § 145. Одноосные и двуоспые кристаллы (461).
§ 146. Построение Гюйгепса для анизотропных сред (464). § 147. Экспериментальные данные о распространении света в одпооспых кристаллах (466). § 148. Цвета кристаллических пластинок и интерференция поляризованных лучей (470). § 149. Эффекты пространственной дисперсии. Оптическая анизотропия кубических кристаллов (475).

Глава XXVII. Искусственная анизотропия...............478
§ 150. Введение (478). § 151. Анизотропия, возникающая при деформациях (479). § 152. Двойное лучепреломление в электрическом поле (явление Керра) (480). § 153. Двойное лучепреломление в магпитпом поле (явление Коттоп-Мутопа (489).



МОЛЕКУЛЯРНАЯ ОПТИКА

Глава XXVIII. Дисперсия и абсорбция света............490
§ 154. Трудности электромагнитной теории Максвелла (490). § 155. Дисперсия света. Методы наблюдения и результаты (492). § 156. Основы теории дисперсии (498). § 157. Поглощение (абсорбция) света (513).
§ 158. Ширила спектральных лилий и затухание излучения (520).

Глава XXIX. Рассеяние света..........................524
§ 159. Прохождение света через оптически неоднородную среду (524).
§ 160. Молекулярное рассеяние света (530). § 161. Спектры молекулярного рассеяния света (539). § 162. Комбинационное рассеяние света (546).

ОГЛАВЛЕНИЕ

Глава XXX. Вращение плоскости поляризации...............552
§ 163. Введение (552). § 164. Вращение плоскости поляризации в кристаллах (553). § 165. Уточнение методов определения вращательной способности (555). § 166. Вращение плоскости поляризации в аморфных веществах (556). § 167. Сахариметрия (558). § 168. Теория вращения плоскости поляризации (559). § 169. Магпитпое вращение плоскости поляризации (563).

Глава XXXI. Явление Зеемана.............................565
§ 170. Сущность явлепия Зеемапа (565). § 171. Элементарная теория явления Зеемапа (567). § 172. Аномальный (сложный) эффект Зеемапа (570). § 173. Обратный эффект Зеемапа. Его связь с явлением Фарадея (572). § 174. Явление Штарка (573).



ДЕЙСТВИЯ СВЕТА

Глава XXXII. Фотоэлектрический эффект.................576
§ 175. Введение (576). § 176. Законы фотоэффекта (578). § 177. Уравнение Эйпштейпа. Гипотеза световых кваптов (581). § 178. Обоснование гипотезы световых кваптов в явлениях фотоэффекта (582). § 179. Зависимость силы фототока от длипы световой волпы (586). § 180. Внутренний фотоэффект (590). § 181. Фотоэлементы и их применения (591).


Глава XXXIII. Явление Комптона........................594
§ 182. Сущность явлепия Комптопа и его законы (594). § 183. Теория явлепия Комптопа (595). § 184. Эффект Доплера и гипотеза световых кваптов (598).

Глава XXXIV. Давление света...........................601
§ 185. Экспериментальное изучение давления света (601). § 186. Давление света в рамках теории фотопов (604). § 187. Роль светового давления в некоторых космических явлениях (604).

Глава XXXV. Химические действия света.................605
§ 188. Введение (605). § 189. Осповпые законы фотохимии (607). § 190. Сенсибилизированные фотохимические реакции (610). § 191. Основы фотографии (610). § 192. Сенсибилизация фотографических пластинок (613). § 193. Восприятие света глазом (614).



ТЕПЛОВОЕ ИЗЛУЧЕНИЕ


Глава XXXVI. Законы теплового излучения...................621
§ 194. Тепловое излучение (621). § 195. Тепловое излучение и правило Прево (623). § 196. Закоп Кирхгофа (625). § 197. Применение закона Кирхгофа. Абсолютно черпое тело (628). § 198. Излучение печерпых тел (631). § 199. Закоп Стефапа-Больцмапа (632). § 200. Закоп смещения Вила (633). § 201. Формула излучения Плапка (635).

ОГЛАВЛЕНИЕ

9

Глава XXXVII. Применения законов теплового излучения . 638 § 202. Оптическая пирометрия (638). § 203. Источники света (643).


ЛЮМИНЕСЦЕНЦИЯ

Глава XXXVIII. Излучение атомов и молекул. Спектральные закономерности..................................647

§ 204. Линейчатые спектры (647). § 205. Спектральные закономерности (648). § 206. Модели атома Дж. Дж. Томсопа и Резерфорда (653).
§ 207. Постулаты Бора (655). § 208. Атом водорода (657). § 209. Резо-папспое излучение (661). § 210. Длительность возбужденного состояния (663). § 211. Радиационные процессы в квантовой теории атома. Вывод формулы Плапка по Эйпштейпу (664). § 212. Возбуждение свечения пагревапием (675). § 213. Полосатые спектры молекул в видимой и ультрафиолетовой областях (677). § 214. Ипфракраспые спектры молекул (681).

Глава XXXIX. Фотолюминесценция .....................682

§ 215. Флуоресценция молекул (682). § 216. Фотолюминесценция жидкостей и твердых тел. Спектральный состав люминесценции. Правило Стокса (684). § 217. Длительность фотолюминесценции (689). § 218. Определение люминесценции и критерий длительности (692). § 219. Излучение Вавилова-Черепкова (693). § 220. Кристаллические фосфоры (696). § 221. Люмипесцептпый анализ (698).



ЛАЗЕРЫ, НЕЛИНЕЙНАЯ ОПТИКА

Глава XL. Оптические квантовые генераторы............699

§ 222. Излучение электромагнитных волн совокупностью когерентных источников (701). § 223. Поглощение и усиление излучения, распространяющегося в среде (704). § 224. Эффект насыщения (706). § 225. Принцип действия оптического квантового генератора (708). § 226. Описание устройства и работы рубинового оптического квантового генератора (713). § 227. Гелий-пеоповый лазер непрерывного действия (720).
§ 228. Спектр излучения оптических квантовых генераторов (722). § 229. Конфигурация поля, создаваемого оптическими квантовыми генераторами (729). § 230. Генерация сверхкоротких импульсов света (737). § 231. Лазеры па красителях (742).

Глава XLI. Нелинейная оптика.........................745

§ 232. Самофокусировка (746). § 233. Самодифракция (750). § 234. Распространение группы воли в пелипейпой среде (753). § 235. Основы теории пелипейпой дисперсии (757). § 236. Генерация кратпых, суммарных и разностных гармопик (761). § 237. Отражение волн в пелипейпой оптике (769). § 238. Параметрические пелипейпые явления (773). § 239. Выпуждеппое комбипациоппое рассеяние света (776).


Упражнения.............................................782
Предметный указатель...................................844

ПРЕДИСЛОВИЕ К ШЕСТОМУ ИЗДАНИЮ


   Предыдущее — первое посмертное — издание фундаментального курса оптики Г.С. Ландсберга было переработано и существенно дополнено новым фактическим материалом учениками и сотрудниками Григория Самуиловича. Редакционное участие в пом приняли Ф.С. Лапдсбсрг-Барышапская, С.Г. Раутиап и И.А. Яковлев. В свет это издание вышло в 1976 г. Последнее подготовленное с а м и м автором — в 1957 г.
   Учитывая немеркнущую ценность учебного пособия по основам оптики и отсутствие учебников подобного масштаба, издательство сочло возможным выпустить в свет шестое издание «Оптики» Г.С. Ландсберга без изменений.



ОТ ИЗДАТЕЛЬСТВА К ПЯТОМУ ИЗДАНИЮ

   Общий курс оптики академика Г.С. Ландсберга (1890-1957) вышел в свет впервые в 1940 году. Основным материалом, определившим содержание книги, послужили лекции автора па физическом факультете Московского государственного университета, литографированные еще в 1935 году.
   При подготовке последующих изданий Г.С. Ландсберг использовал дальнейшее развитие своего курса в Московском физико-техническом институте. Со времени выхода первого издания книга неоднократно перерабатывалась и дополнялась, и последнее подготовленное автором (четвертое) издание книги вышло в свет в 1957 году.
   Несмотря па свое давнее для современного учебника физики происхождение, книга Г.С. Ландсберга сохранила до наших дней ведущее место в учебной литературе по основам оптики. Однако последние 15-20 лет ознаменовались крупнейшими научными достижениями в физической н прикладной оптике, уже вошедшими в систему ее преподавания. Поэтому перед выпуском в свет нового, пятого, издания «Оптики» потребовалось дополнить книгу новым фактическим материалом и частично изменить изложение некоторых ее глав, сохраняя общую структуру и стиль учебника по возможности неизменными.
   Настоящее издание книги, пересмотренное и дополненное группой учеников и бывших сотрудников Г.С. Ландсберга, наряду с частично модернизированной трактовкой прежнего материала, содержит изложение физических основ новых направлений оптики, сложившихся за последние годы. Подавляющая часть материала, введенного в книгу, непосредственно или косвенно связана с созданном оптических квантовых генераторов (лазеров).