[Silver]

Сергей Транковский

Один из создателей волновой теории света, выдающийся французский физик Огюстен Жан Френель родился в маленьком городке близ Парижа в 1788 году. Он рос болезненным мальчиком. Учителя считали его бестолковым: в восьмилетнем возрасте не умел читать и с трудом мог запомнить урок. Однако в средней школе у Френеля проявились замечательные способности к математике, особенно к геометрии. Получив инженерное образование, он с 1809 года участвовал в проектировании и строительстве дорог и мостов в разных департаментах страны. Однако его интересы и возможности были гораздо шире простой инженерной деятельности в провинциальной глуши. Френель хотел заниматься наукой; особенно его интересовала оптика, теоретические основы которой только-только начали складываться. Он исследовал поведение световых лучей, проходящих сквозь узкие отверстия, огибающих тонкие нити и края пластинок. Объяснив особенности возникающих при этом картин, Френель в 1818-1819 годах создал свою теорию оптической интерференции и дифракции — явлений, возникающих по причине волновой природы света.

В начале XIX века европейские морские государства решили совместными усилиями усовершенствовать маяки — важнейшие навигационные устройства того времени. Во Франции для этой цели была создана специальная комиссия, и работать в ней ввиду богатого инженерного опыта и глубокого знания оптики пригласили Френеля.

Свет маяка должен быть виден далеко, поэтому маячный фонарь поднимают на высокую башню. А чтобы собрать его свет в лучи, фонарь нужно поместить в фокус либо вогнутого зеркала, либо собирающей линзы, причём довольно большой. Зеркало, конечно, можно сделать любого размера, но оно даёт только один луч, а свет маяка должен быть виден отовсюду. Поэтому на маяках ставили порой полтора десятка зеркал с отдельным фонарём в фокусе каждого зеркала. Вокруг одного фонаря можно смонтировать несколько линз, но сделать их необходимого — большого — размера практически невозможно. В стекле массивной линзы неизбежно будут неоднородности, она потеряет форму под действием собственной тяжести, а из-за неравномерного нагрева может лопнуть.


Собрать свет в узкий луч можно при помощи вогнутого зеркала (а) или линзы (б), поместив источник света в точку фокуса. У сферического зеркала она лежит на расстоянии половины радиуса кривизны зеркала


Собирающую линзу можно представить как набор призм, которые отклоняют световые лучи в одну точку - фокус. Многократно увеличив число этих призм, соответственно уменьшив их размер, мы получим практически плоскую линзу - линзу Френеля

Нужны были новые идеи, и комиссия, пригласив Френеля, сделала правильный выбор: в 1819 году он предложил конструкцию составной линзы, лишённую всех недостатков, присущих линзе обычной. Френель рассуждал, вероятно, так. Линзу можно представить в виде набора призм, которые преломляют параллельные световые лучи — отклоняют их на такие углы, что после преломления они сходятся в точке фокуса. Значит, вместо одной большой линзы можно собрать конструкцию в виде тонких колец из отдельных призм треугольного сечения.

Френель не только рассчитал форму профилей колец, он также разработал технологию и проконтролировал весь процесс их создания, нередко исполняя обязанности простого рабочего (подчинённые оказались крайне неопытными). Его усилия дали блестящий результат. «Яркость света, которую даёт новый прибор, удивила моряков», — писал Френель друзьям. И даже англичане — давние конкуренты французов на море — признали, что конструкции французских маяков оказались самыми лучшими. Их оптическая система состояла из восьми квадратных линз Френеля со стороной 2,5 м, имевших фокусное расстояние 920 мм.

С тех пор прошло 190 лет, но конструкции, предложенные Френелем, остаются непревзойдённым техническим устройством, и не только для маяков и речных бакенов. В виде линз Френеля до недавнего времени делали стёкла различных сигнальных фонарей, автомобильных фар, светофоров, деталей лекционных проекторов. И уж совсем недавно появились лупы в виде линеек из прозрачного пластика с еле заметными круговыми бороздками. Каждая такая бороздка — миниатюрная кольцевая призма; а все вместе они образуют собирающую линзу, которая может работать и как лупа, увеличивая предмет, и как объектив фотоаппарата, создавая перевёрнутое изображение. Такая линза способна собрать свет Солнца в маленькое пятнышко и поджечь сухую доску, не говоря уж о листке бумаги (особенно чёрной).

Линза Френеля может быть не только собирающей (положительной), но и рассеивающей (отрицательной) — для этого нужно кольцевые призмы-бороздки на куске прозрачного пластика сделать другой формы. Причём отрицательная френелевская линза с очень коротким фокусным расстоянием имеет широкое поле зрения, в нём в уменьшенном виде помещается кусок пейзажа, в два-три раза больший, чем охватывает невооружённый глаз. Такие «минусовые» пластинки-линзы используют вместо панорамных зеркал заднего вида в больших автомобилях типа микроавтобусов и универсалов.

Грани миниатюрных призмочек можно покрыть зеркальным слоем — скажем, напылив алюминий. Тогда линза Френеля превращается в зеркало, выпуклое или вогнутое. Изготовленные с использованием нанотехнологий, такие зеркала применяют в телескопах, работающих в рентгеновском диапазоне. А отштампованные в гибком пластике зеркала и линзы для видимого света настолько просты в изготовлении и дёшевы, что их выпускают буквально километрами в виде лент для оформления витрин или штор для ванных комнат.


Первая линза френеля была квадратной


Конструкция осветительной системы маяка (чертёж Френеля). Свет горелки F фокусируют линзы L и L', отражённые зеркалами М. Свет горелки, распространяющийся вниз, отражается в нужном направлении системой зеркал (показаны пунктиром). Всю систему вращает вокруг вертикальной оси поворотный механизм


Были попытки использовать линзы Френеля при создании плоских объективов для фотоаппаратов. Но на пути конструкторов встали трудности технического характера. Белый свет в призме разлагается в спектр; то же происходит и в миниатюрных призмочках линзы Френеля. Поэтому она имеет существенный недостаток — так называемую хроматическую аберрацию. Из-за неё на краях изображений предметов появляется радужная кайма. В хороших объективах кайму ликвидируют, ставя дополнительные линзы. Так же можно было бы поступить и с френелевской линзой, но плоского объектива тогда уже не получится.


Френелевская линза-линейка фокусирует солнечные лучи не хуже, а даже лучше (потому что она больше) обычной стеклянной линзы. Солнечные лучи, собранные ею, мгновенно прожигают сухую сосновую доску.
Огюстен Френель вошёл в историю науки и техники не только и не столько благодаря изобретению своей линзы. Его исследования и созданная на их основе теория окончательно подтвердили волновую природу света и разрешили важнейшую проблему физики того времени — нашли причину прямолинейного распространения света. Работы Френеля легли в основу современной оптики. Попутно он предсказал и объяснил несколько парадоксальных оптических явлений, которые тем не менее несложно проверить и теперь.

Зонная пластинка Френеля

Давний спор исследователей о природе света — волновая она или корпускулярная — в общих чертах разрешился в конце XVII века, когда Христиан Гюйгенс издал свой «Трактат о свете» (1690). Гюйгенс считал, что каждая точка пространства (в его описании — эфира), через которую проходит световая волна, становится источником вторичных волн. Поверхность, их огибающая, — это распространяющийся волновой фронт. Принцип Гюйгенса решал задачи отражения и преломления света, но не смог объяснить хорошо известное явление — его прямолинейное распространение. Парадоксальным образом причиной этого было то, что Гюйгенс не рассматривал отступления от прямолинейности — дифракцию света (огибание препятствий) и его интерференцию (сложение волн).

Этот недостаток восполнил в 1818—1819 годах Огюстен Френель, инженер по образованию и физик по интересам. Он дополнил принцип Гюйгенса процессом интерференции вторичных волн (введённых Гюйгенсом чисто формально, то есть для удобства расчётов, без физического содержания). За счёт их сложения и возникает фронт результирующей волны, реальная поверхность, на которой волна имеет заметную интенсивность.

Поскольку все вторичные волны порождены одним источником, они имеют одинаковые фазы, то есть когерентны. Френель предложил мысленно разбить поверхность сферической волны, идущей из одной точки О, на зоны такого размера, чтобы разность расстояний от краёв соседних зон до некой выбранной точки F были равны λ/2. Лучи, исходящие из соседних зон, в точку F придут в противофазе и при сложении ослабят друг друга до полного исчезновения.

Обозначив амплитуду колебаний световой волны, пришедшей из зоны m как Sm, суммарное значение амплитуды колебаний в точке F

S = S0-S1+S2-S3+S4+...+Sm=S0-(S1-S2)-(S3-S4)-...-(Sm-1-Sm)

Поскольку S0>S1>S2>S3>S4... выражения в скобках положительны и S меньше, чем S0. Но насколько меньше? Расчёты суммы знакопеременного ряда, которые провёл американский физик Роберт Вуд, показывают, что S=S0/2±Sm/2. А поскольку вклад дальней зоны чрезвычайно мал, интенсивность света дальних зон, поступая в противофазе, уменьшает действие центральной зоны в два раза.


Зонные пластинки Френеля. Слева - открыты нечетные зоны, справа - чётные

Поэтому, если центральную зону закрыть маленьким диском, освещённость в центре тени не изменится: туда за счёт дифракции попадёт свет из следующих зон. Увеличивая размер диска и последовательно закрывая следующие зоны, можно убедиться в том, что в центре тени будет оставаться яркое пятно. Это теоретически доказал в 1818 году Симеон Дени Пуассон и посчитал свидетельством ошибочности теории Френеля. Однако эксперименты, которые проделали Доменик Араго и Френель, пятно обнаружили. С тех пор оно называется пятном Пуассона.

Для успеха опыта необходимо, чтобы края диска точно совпадали с границами зон. Поэтому на практике используют миниатюрный шарик от подшипника, наклеенный на стекло.

Ещё один парадокс волновых свойств света. Поставим на пути луча экран с маленьким отверстием. Если его размер равен диаметру центральной зоны Френеля, освещённость за экраном будет больше, чем без него. Но если размер отверстия охватит и вторую зону, свет от неё придёт в противофазе, и при сложении со светом из центральной зоны волны взаимно уничтожатся. Увеличивая диаметр отверстия, можно уменьшить освещённость за ним до нуля!

Итак, суммарная амплитуда всей сферической волны меньше, чем амплитуда, создаваемая одной центральной зоной. А поскольку площадь центральной зоны меньше 1 мм2, получается, что световой поток идёт в виде очень узкого луча, то есть прямолинейно. Так теория Френеля с волновой точки зрения объяснила закон прямолинейного распространения света.

Хорошим примером, иллюстрирующим метод Френеля, служит опыт с его зонной пластинкой, которая работает как собирающая линза.

На большом листе бумаги нарисуем ряд концентрических кругов с радиусами, пропорциональными корням квадратным из чисел натурального ряда (1, 2, 3, 4...). При этом площади всех получившихся колец будут равны площади центрального круга. Зальём тушью кольца через одно, причём неважно, оставить ли центральную зону светлой или сделать её чёрной. Получившуюся чёрно-белую кольцевую структуру сфотографируем с большим уменьшением. На негативе получится зонная пластинка Френеля. Диаметр её центральной зоны определяет формула D=0,95√λF, где λ — длина волны света, F — фокусное расстояние линзы-пластинки. При λ=0,64 мкм (красный свет) и F=1 м D≈0,8 мм. Если центральную зону такой пластинки навести на яркую лампочку, то вся она начнёт светиться подобно собирающей линзе. Если её скомбинировать с окуляром из слабой линзы, получится подзорная труба, способная дать резкое изображение нити накаливания лампочки. А из двух зонных пластинок можно построить телескоп по схеме Галилея (объектив — пластинка с большим фокусным расстоянием, окуляр — с малым). Он даёт прямое изображение, как театральный бинокль.

Из всего изложенного становится понятно, как малое отверстие может играть роль объектива, именуемого стенопом или пинхолом. Оно соответствует центральной зоне фазовой пластинки Френеля. Именно поэтому стеноп не имеет никаких аберраций, кроме хроматической, — ведь сквозь неё лучи проходят без искажений.

Световая волна, прошедшая сквозь зонную пластинку, даёт результирующую амплитуду S=S0+S2+S4+... — в два раза большую, чем свободная волна: зонная пластинка работает как собирающая линза. Ещё больший эффект получится, если не задерживать свет чётных зон, а изменить его фазу на обратную. Интенсивность света при этом возрастает в четыре раза.

Такую пластинку в 1898 году изготовил Роберт Вуд покрыв стекло слоем лака и сняв его с нечётных зон, так что разность хода лучей в них составляла λ/2. Стеклянную пластинку, покрытую лаком, он поместил на вращающийся столик. Резец — им служила граммофонная игла — срезал слои лака, для внешних зон было достаточно одного прохода иглы, а на внутренних игла двигалась по узкой спирали, последовательно снимая несколько сливающихся бороздок. Диаметр зон и их ширину контролировали в микроскоп.

Интересно было бы попробовать сделать такую пластинку, используя диск проигрывателя.

Напоследок ещё один парадокс волновой оптики. Как уже говорилось, совершенно неважно, прозрачна центральная зона или нет. Это значит, что роль объектива-стенопа (или пинхола) может играть не только маленькое отверстие, но и крошечный шарик, диаметр которого равен размеру центральной зоны Френеля.



Сергей Транковский.

Журнал «Наука и жизнь», №5-2009.



Обновлено 31.03.2010 19:00