§ 3.1. Световая волна
Шкала электромагнитных волн. В этом разделе будет рассмотрен круг явлений, в основе которых лежит волновая природа света. Различают несколько видов электромагнитных волн: радиоволны, оптический диапазон, рентгеновское и гамма-излучения. В дальнейшем нас будет интересовать главным образом оптический диапазон длин волн. Его подразделяют на инфракрасное излучение…….. $\lambda=1$ мм $\div 0,76$ мкм, видимое излучение (свет)……. $\lambda=0,76 \div 0,40$ мкм, ультрафиолетовое излучение…. $\lambda=0,40 \div 0,01$ мкм.

Соответствующие длины волн указаны в вакууме.
Кривая видности. В видимом диапазоне действие света на глаз (световое ощущение) весьма сильно зависит от длины волны. Чувствительность среднего нормального человеческого глаза к свету разной длины волны характеризуют кривой видности (более точное название – кривая относительной спектральной чувствительности). Ее график показан на рис. 3.1, где $V_{\lambda}$ – относительная спектральная чувствительность. Наиболее чувствителен глаз к свету с длиной волны 555 нм (зеленая часть спектра). Для этой длины волны принято $V_{\lambda}=1$.
Pис. 3.1

При одинаковом потоке энергии оцениваемая зрительно интенсивность света других длин волн оказывается меньшей. Вне интервала видимых длин волн $V_{\lambda}=0$.

Для характеристики интенсивности света с учетом его способности вызывать зрительное ощущение (что определяет функция $V_{\lambda}$ ) вводят понятие светового потока Ф. Для длины волны $\lambda$ световой поток
\[
\Phi=V_{\lambda} \Phi_{
i},
\]

где $\Phi_{9}$ – соответствующий поток энергии. Размерность светового потока совпадает с размерностью потока энергии (Вт).

Показатель преломления. Электромагнитная волна характеризуется векторами $\mathbf{E}$ и $\mathbf{H}$. Поскольку практически все действия света связаны с вектором $\mathbf{E}$, принято говорить о световом векторе, имея в виду вектор $\mathbf{E}$.

Модуль амплитуды светового вектора мы будем обозначать буковой $A$, а иногда $E_{m}$.
Показатель преломления $n$ некоторой среды определяют как
\[
n=c / v,
\]

где $c$ – скорость света в вакууме, $v$ – фазовая скорость в данной среде. Сопоставление с формулой (2.7) дает:
\[
n=\sqrt{\varepsilon} \text {, }
\]

что справедливо для подавляющего большинства прозрачных веществ, у которых $\mu \approx 1$.

Последняя формула связывает оптические свойства вещества с его электрическими свойствами. Заметим, что $\varepsilon$ зависит от частоты электромагнитной волны. Этим объясняется дисперсия све$m a$, т. е. зависимость $n$ (или $v$ ) от частоты (или длины волны).

Показатель преломления $n$ характеризует оптическую плотность среды. Среду с бо́льшим показателем преломления называют оптически более плотной.

В веществе длина волны $\lambda^{\prime}=v / v=c / n v=\lambda / n$. Таким образом, длина волны света в среде с показателем преломления $n$ равна
\[
\lambda^{\prime}=\lambda / n \text {. }
\]

Интенсивность волны. Световую волну характеризуют интенсивностью I – это модуль среднего по времени значения плотности потока энергии. Плотность потока электромагнитной энергии определяется, как мы уже знаем, вектором Пойнтинга $\mathbf{S}$ как
\[
I=\langle\mathbf{S}\rangle \sim E_{m} H_{m} .
\]

Согласно (2.14), $H_{m} \sim \sqrt{\varepsilon} E_{m}=n E_{m}$, поэтому формулу (3.5) можно записать так:
\[
I \sim n E_{m}^{2}=n A^{2} .
\]

Линии, ортогональные волновым поверхностям, называют лучами. Вектор Пойнтинга направлен в каждой точке по касательной к лучу. Это, однако, относится только к изотропным средам.

Виды световых волн. Световые волны являются электромагнитными, поэтому они поперечны. Однако обычно они не обнаруживают асимметрии относительно направления распространения. Это связано с тем, что в свете, испускаемом обычными источниками – этот свет называют естественным колебания светового вектора происходят поочередно в самых разных направлениях, перпендикулярных направлению распространения.

По классическим представлениям излучение светящегося тела (газа) слагается из волн, испускаемых его атомами. Излучение отдельного атома продолжается порядка $10^{-8}$ с и представляет собой, как говорят, цуг волн протяженностью в среднем порядка 3 м. Излучив, атом через некоторое время, придя в возбужденное состояние, излучает опять и т. д. Одновременно излучает множество атомов. Порожденные ими цуги волн, налагаясь друг на друга, образуют испускаемую телом световую волну. Направления колебаний для каждого цуга ориентированы случайным образом. Поэтому в результирующей световой волне колебания светового вектора происходят в разных направлениях с равной вероятностью. Это надо понимать так, что при прохождении световой волны через некоторую точку колебания светового вектора быстро и беспорядочно сменяют друг друга. Но в пре-

Pис. 3.2
делах некоторого короткого времени мы имеем дело со световым вектором, направление колебаний которого сохраняется, затем направление колебаний меняется на другое и т. д. При этом модуль светового вектора остается неизменным. Условно это изображают как на рис. 3.2 , где направление распространения волны перпендикулярно плоскости рисунка.

Свет, в котором направление колебаний светового вектора упорядочено каким-либо образом, называют поляризованным. Если колебания светового вектора происходят только в одной плоскости, свет называют плоско- (или линейно-) поляризованным.

Если конец светового вектора описывает эллипс, то такой свет называют эллиптически-поляризованным (в частности, поляризованным по кругу).

Создание принципиально нового источника света – лазера позволило получить плоско-поляризованный свет с высокой степенью монохроматичности. Использование такого источника света сильно упростило экспериментальное решение многих вопросов, связанных с интерференцией, дифракцией и др.