39. عناصر البصريات الهندسية. القوانين الأساسية للبصريات. انعكاس كامل.
بصريات (من اليونانية. optike - البصرية) - قسم من الفيزياء التي تدرس طبيعة وخصائص الضوء ، وعمليات الإشعاع وانتشارها ، وتفاعل الضوء مع المادة. تدرس البصريات مجموعة واسعة من الموجات الكهرومغناطيسية ، التي تغطي المناطق فوق البنفسجية والمرئية والأشعة تحت الحمراء.
1. 1. عناصر البصريات الهندسية.
البصريات الهندسية - هذا هو فرع من الفيزياء التي يتم تمثيل شعاع الضوء بواسطة خط مستقيم تنتشر على طوله الطاقة الضوئية. تُستخدم قوانين البصريات الهندسية لإنشاء الصور عندما يمر الضوء عبر النظام البصري. هذه هي القوانين التالية:
1. قانون الانتشار المستقيم للضوء يشير إلى أنه في وسط شفاف متجانس ، ينتشر الضوء بشكل مستقيم ، كما يتضح من وجود ظل له حدود حادة من جسم غير شفاف يضيء بمصدر صغير للضوء.
2. قانون استقلال أشعة الضوء. عندما يتم دمجها مع الآخرين ، يتصرف كل شعاع ضوئي بشكل مستقل عن الأشعة الأخرى ، أي مبدأ التراكب هو الصحيح.
إذا سقطت شعاع من الضوء على حدود اثنين من وسائط شفافة ، ثم يتم تقسيم شعاع الحادث 1 إلى انعكاس 2 والانكسار 3 (الشكل 1.1). زوايا أنا, أنا’ و صوتسمى زوايا الإصابة والانعكاس والانكسار ، على التوالي.
3. قانون انعكاس الضوء. شعاع الضوء الساقط على حدود وسيطتين ، العادي المرسوم إلى نقطة الإصابة ، والحزمة المنعكسة تقع في نفس الطائرة ؛ زاوية السقوط تساوي زاوية الانعكاس أنا = أنا’ (الشكل 1.1).
4. قانون انكسار الضوء. تقع حادثة أشعة على الواجهة بين وسطين ، شعاع منكسر ، واستعادة طبيعية عند نقطة الإصابة في نفس الطائرة ؛ نسبة الجيب لزاوية السقوط إلى جيب زاوية الانكسار هي ثابت لوسطتين معينتين (قانون سنيل):
حيث ن 21 هو مؤشر نسبي للبيئة الثانية بالنسبة إلى الأولى.
ن 21 = ن 2 /ن 1 ,
حيث ن 2 و ن 1 - مؤشرات الانكسار المطلقة للوسائط الثانية والأولى.
مؤشر الانكسار المطلق مادة تسمى قيمة n ، تساوي نسبة سرعة الضوء في الفراغ إلى سرعة الضوء υ في بيئة معينة: ن= ج/ υ
. اسمحوا في البيئة الأولى ن 1 = ج/ υ
1 ، والثاني ن 2 = ج/ υ
2 ثم 
. وبالتالي ، فإن المعنى المادي لمؤشر الانكسار النسبي هو أنه يُظهر عدد المرات التي تكون فيها سرعة الضوء في وسط ما أكبر من مثيله في وسيلة أخرى.
ظاهرة الانعكاس الداخلي الكلي.
ال 
تعتبر المادة ذات مؤشر الانكسار المطلق أكبر كثافة بصريًا. دع شعاع الضوء يمر من وسيطة ذات كثافة ضوئية إلى وسيلة أقل كثافة بصريًا ، أي ن 2 < ن 1. ويترتب على ذلك من قانون سنيل أنا< ص. إذا قمت بزيادة زاوية الإصابة (الشكل 1.2) ، يمكنك العثور على هذه الزاوية أنا العلاقات العامة ، والتي زاوية الانكسار ص يصبح مساوياً لـ "/ 2 (الأشعة 3-3"). هذه الزاوية أنا العلاقات العامة ودعا حد. في زوايا الإصابة أنا >
أنا لم يعد شعاع الضوء يمر إلى الوسيط الثاني ، ولكنه ينعكس تمامًا من الواجهة. وتسمى هذه الظاهرة انعكاس داخلي كامل. وهكذا ، فإن ظاهرة الانعكاس الداخلي الكلي لا تُلاحظ إلا عند الانتقال من الكثافة إلى الوسيلة الأقل كثافة ومتى أنا >
أنا إلخ. إذا ، على سبيل المثال ، تمر الحزمة من الزجاج ( ن 1 \u003d 1.5) في الهواء ( ن 2 \u003d 1) ، زاوية الحد من الإصابة هي º 42º.
تُستخدم ظاهرة الانعكاس الداخلي الكلي على نطاق واسع في المناظير والمناظير والألياف البصرية ومقاييس الإنكسار.
الصفحة 1
تكمن ظاهرة الانعكاس الداخلي الكلي في قلب الألياف البصرية ، حيث يتم إرسال الصورة نتيجة انعكاس متعددة من جدران الألياف ، في حين يتم الاحتفاظ بنسبة تصل إلى 99 ٪ من شدة الضوء الحادث.
تكمن ظاهرة الانعكاس الداخلي التام في الألياف البصرية. ينتشر الضوء على طول الألياف ذات معامل الانكسار العالي مقارنة بالبيئة ، وبسبب الانعكاس الداخلي التام ، فإنه لا يخرج ، مكررًا ثني الألياف (انظر الفصل).
تحدث ظاهرة الانعكاس الداخلي الكلي عندما تمر شعاع الضوء من وسط كثيف بصريًا إلى وسط ذي كثافة منخفضة. يظهر الشكل التوضيحي مخططًا لتقسيم شعاع الضوء الساقط إلى مكونات منعكسة ومنكسرة لحالة الانعكاس الداخلي. 7.1. وفقًا لقانون Snell ، تصبح زاوية الانكسار معقدة بشرط أن تتجاوز زاوية السقوط 6 قيمة حرجة معينة تحددها المساواة Oi p arcsin 2I - تتوافق حزمة الانتشار الموازية للواجهة مع القيمة الحرجة للزاوية.
ظاهرة الانعكاس الداخلي الكلي ، والتي تتحكم في انتشار الضوء في الألياف الضوئية ، كانت معروفة في القرن التاسع عشر. تم تصنيع الألياف الزجاجية الأولى بدون غلاف في عشرينيات القرن العشرين ، إلا أن تطور الألياف البصرية لم يبدأ إلا في الخمسينيات ، عندما أدى استخدام طبقة الكسوة إلى تحسن كبير في خصائص الألياف البصرية. ثم تطورت الألياف الضوئية بسرعة بشكل رئيسي بهدف استخدام كابلات الألياف الزجاجية الضوئية لنقل الصور. يقدم كتاب Kapani ، الذي نشر عام 1967 ، لمحة عامة عن النجاحات التي تحققت في ذلك الوقت في مجال الألياف البصرية.
كانت ظاهرة الانعكاس الداخلي التام ، التي تتحكم في انتشار الضوء في الألياف الضوئية ، معروفة في القرن التاسع عشر. تم تصنيع الألياف الزجاجية الأولى بدون غلاف في عشرينيات القرن العشرين ، إلا أن تطور الألياف البصرية لم يبدأ إلا في الخمسينيات ، عندما أدى استخدام طبقة الكسوة إلى تحسن كبير في خصائص الألياف البصرية. ثم تطورت الألياف الضوئية بسرعة بشكل رئيسي بهدف استخدام كابلات الألياف الزجاجية الضوئية لنقل الصور. يقدم كتاب Kapani ، الذي نشر عام 1967 ، لمحة عامة عن النجاحات التي تحققت في ذلك الوقت في مجال الألياف البصرية.
ظاهرة الانعكاس الداخلي الكامل تستخدم على نطاق واسع في الممارسة العملية. هذا هو الأساس لبناء العديد من المنشورات العاكسة البصرية. نفس الظاهرة تكمن وراء إضاءة السكتات الدماغية المودعة على شبكات أدوات القياس البصرية (الشكل.
تُستخدم ظاهرة الانعكاس الداخلي الكلي على نطاق واسع في الحالات التي يكون فيها من الضروري إجراء نقل تدفقات الضوء دون فقدان الشدة. في الفيزياء النووية ، يتم استخدام وسيت أو غيرها من الألياف البلاستيكية لنقل الضوء المنبعث من بلورة متلألئة عندما يمر الجسيم المؤين عبر المضاعف الضوئي ، حيث يتم تحويل هذا الضوء إلى إشارة كهربائية مفيدة. غالبًا ما يكون موقع المضخم الضوئي بعيدًا عن البلورة المتلألئة بسبب نقص المساحة أو بسبب الحقول المغناطيسية التي تشوه قراءاتها. إذا كان الحجم العرضي للألياف كبيرًا مقارنة بطول الموجة ، عندئذ يكون الاعتبار المذكور أعلاه للحدود المسطحة صحيحًا تقريبًا. إذا كانت الأبعاد المستعرضة للعزل الكهربائي مرتبة حسب الطول الموجي ، عندئذ يكون من الضروري مراعاة خاصة مع مراعاة هندسة الألياف المعينة.
يتم استخدام ظاهرة الانعكاس الداخلي الكلي في الألياف البصرية المرنة. إذا تم توجيه الضوء إلى نهاية قضيب زجاجي رفيع (ليف) ، فستتجاوز الزوايا التي تسقط عليها الأشعة على جدران القضيب الزاوية المحددة.
تشرح ظاهرة الانعكاس الداخلي الكلي تجربة العرض التوضيحي المذهلة الموضحة في الشكل. 24.2. يحدث الضوء بواسطة شعاع متوازي أفقي على طول مجرى مائي يتدفق بحرية من فتحة في الجدار الجانبي للسفينة.
تشرح ظاهرة الانعكاس الداخلي الكلي تجربة العرض التوضيحي المذهلة الموضحة في الشكل. 24.2. يحدث الضوء بواسطة شعاع متوازي أفقي على طول مجرى مائي يتدفق بحرية من فتحة في الجدار الجانبي للسفينة. نظرًا لظاهرة الانعكاس الداخلي التام ، لا يمكن للضوء الخروج من خلال السطح الجانبي ويتبع طول مجرى الهواء ، والذي يشبه دليل الضوء المنحني.
يتيح لك استخدام ظاهرة الانعكاس الداخلي التام إنشاء المرايا المخروطية اللازمة بوسائل أبسط بكثير. على سبيل المثال ، يمكن استبدال المرآة المخروطية بمنشور مخروطي بفتحة أسطوانية للعينة. النظر في تحول سطح أسطواني إلى واحد مسطح. يختلف الوضع مع الدوائر عندما يكون قسم الأسطوانة عبارة عن طائرات.
النظر في ظاهرة الانعكاس الداخلي الكلي ، ودور الأشعة الزائدة والمائلة ، وقيمة الأغماد الأولى في الألياف وحجمها ، وفقدان الطاقة في الألياف بسبب الامتصاص والانعكاسات في الواجهة بين النواة والغمد ، بالإضافة إلى عدد من الأحكام والمفاهيم والتعاريف الأخرى التي تسمح عند التقريب الأول ، احصل على فكرة عن انتشار أشعة الضوء عبر الألياف الضوئية ونقل الطاقة الضوئية والصور بواسطة حزم الألياف.
تطبيق الانعكاس الكامل
نشاط
المنظار الرقمي
هنا هو الجدة الفنية.
تم استبدال القناة البصرية التقليدية للنظارات الحالية بكاميرات الفيديو عالية الدقة واتصالات الألياف البصرية. يتم نقل المعلومات من كاميرات المراقبة في الهواء الطلق في الوقت الحقيقي إلى شاشة عريضة في مركز مركزي.
تجري الاختبارات على متن الغواصة SSN 767 هامبتون نوع لوس أنجلوس. يغير النموذج الجديد تمامًا ممارسة العمل باستخدام المنظار الذي ظل يتطور منذ عقود. يعمل الضابط المسؤول الآن مع الكاميرات المثبتة على ذراع الرافعة ، وضبط الشاشة باستخدام عصا التحكم ولوحة المفاتيح.
بالإضافة إلى العرض في المنشور المركزي ، يمكن عرض الصورة من المنظار على عدد كبير بشكل تعسفي من شاشات العرض في أي غرفة من القارب. تتيح الكاميرات مراقبة قطاعات مختلفة من الأفق في وقت واحد ، مما يزيد بشكل كبير من معدل استجابة الساعة للتغيرات في الموقف التكتيكي على السطح.
كيف نفسر "لعبة الحجارة"؟ في المجوهرات ، يتم تحديد وجه الحجارة بحيث يكون هناك انعكاس كامل للضوء على كل وجه.
تفسر الظاهرة الداخلية الكاملة ظاهرة السراب
السراب ظاهرة بصرية في الغلاف الجوي: انعكاس الضوء بواسطة الحدود بين طبقات حرارة الهواء المختلفة بشكل حاد. بالنسبة للمراقب ، فإن مثل هذا الانعكاس يتكون في حقيقة أنه مع كائن بعيد (أو جزء من السماء) ، تكون صورته الوهمية مرئية ، متغيرة بالنسبة للكائن.
يتم تمييز الميراج إلى أسفل ، مرئية تحت الكائن ، العلوي منها فوق الكائن ، والجانب الجانبي. لوحظ السراب العلوي فوق سطح الأرض الباردة ، والسراب السفلي أعلى من سطح مستو محموم ، وغالبًا ما يكون طريقًا صحراويًا أو أسفلتًا. صورة وهمية للسماء تخلق وهم الماء على السطح. لذا ، فإن الطريق الذي يمتد إلى مسافة يبدو رطبًا في يوم صيف حار. ويلاحظ في بعض الأحيان سراب جانبي بالقرب من الجدران الساخنة أو الصخور.