OPTISK FYSIK: HISTORIE, HYPPIGE UDTRYK, LOVE, APPLIKATIONER - FYSISK - 2025

Den fysiske optik er en del af den optiske undersøgelse af bølgen af ​​lys og de fysiske fænomener, der kun forstås fra bølgemodellen. Den studerer også fænomenerne interferens, polarisering, diffraktion og andre fænomener, der ikke kan forklares ud fra geometrisk optik.

Bølgemodellen definerer lys som en elektromagnetisk bølge, hvis elektriske og magnetiske felter svinger vinkelret på hinanden.

Elektromagnetisk bølge

Det elektriske felt (E) i lysbølgen opfører sig på en lignende måde som dets magnetfelt (B), men det elektriske felt dominerer over magnetfeltet på grund af Maxwells forhold (1831-1879), som etablerer følgende:

Hvor c = bølgens udbredelseshastighed.

Fysisk optik forklarer ikke atomernes absorptions- og emissionsspektrum. På den anden side adresserer kvanteoptik undersøgelsen af ​​disse fysiske fænomener.

Historie

Historien om fysisk optik begynder med eksperimenterne udført af Grimaldi (1613-1663), der observerede, at skyggen, der blev kastet af et belyst objekt, forekom bredere og var omgivet af farvede striber.

Han kaldte det observerede fænomen diffraktion. Hans eksperimentelle arbejde førte til, at han foreslog lysets bølgende natur i modsætning til Isaac Newtons opfattelse, der hersket i løbet af 1700-tallet.

Det Newtonske paradigme konstaterede, at lys opførte sig som en stråle af små korpuskler, der kørte med høj hastighed i retlinjære stier.

Robert Hooke (1635-1703) forsvarede bølgen af ​​lyset i sine studier på farve og brydning og sagde, at lys opførte sig som en lydbølge, der hurtigt udbredte sig næsten øjeblikkeligt gennem et materielt medium.

Senere konsoliderede Huygens (1629–1695), baseret på Hookes ideer, bølgeteorien om lys i hans Traité de la lumière (1690), hvor han antog, at lysbølgerne udsendt af lysende kropper forplantes gennem af et subtilt og elastisk medium kaldet ether.

Huygens 'bølgeteori forklarer fænomenerne reflektion, brydning og diffraktion meget bedre end Newtons korpuskulære teori og viser, at lysets hastighed falder, når den går fra et mindre tæt medium til et tættere.

Huygens 'ideer blev ikke accepteret af forskere på det tidspunkt af to grunde. Den første var umuligheden af ​​tilfredsstillende at forklare definitionen af ​​eter, og den anden var Newtons prestige omkring hans mekaniksteori, der påvirkede et stort flertal af forskere til at beslutte at støtte det corpuskulære lysparadigme.

Genfødsel af bølgeteori

I det tidlige 19. århundrede lykkedes det Tomas Young (1773-1829) at få det videnskabelige samfund til at acceptere Huygens 'bølgemodel baseret på resultaterne af hans lysinterferenseksperiment. Eksperimentet gjorde det muligt at bestemme bølgelængderne for de forskellige farver.

I 1818 gentog Fresnell (1788–1827) Huygens 'bølgeteori med hensyn til interferensprincippet. Han forklarede også fænomenet lysbrydning, som gjorde det muligt for ham at bekræfte, at lys er en tværgående bølge.

I 1808 forklarede Arago (1788–1853) og Malus (1775-1812) fænomenet polarisering af lys fra bølgemodellen.

De eksperimentelle resultater af Fizeau (1819-1896) i 1849 og Foucalt (1819-1868) i 1862 gjorde det muligt at verificere, at lys forplantes hurtigere i luft end i vand, hvilket modsætter Newtons forklaring.

I 1872 offentliggjorde Maxwell sin afhandling om elektricitet og magnetisme, hvor han sagde ligningerne, der syntetiserer elektromagnetisme. Fra sine ligninger opnåede han bølgeforligningen, der gjorde det muligt for ham at analysere en elektromagnetisk bølgs opførsel.

Maxwell fandt, at udbredelseshastigheden for en elektromagnetisk bølge er relateret til forplantningsmediet og falder sammen med lysets hastighed, og konkluderede, at lys er en elektromagnetisk bølge.

Endelig lykkedes Hertz (1857–1894) i 1888 at producere og detektere elektromagnetiske bølger og bekræfte, at lys er en type elektromagnetisk bølge.

Hvad studerer fysisk optik?

Fysisk optik studerer de fænomener, der er relateret til bølgen af ​​lys, såsom interferens, diffraktion og polarisering.

Interferens

Interferens er det fænomen, hvormed to eller flere lysbølger overlapper hinanden og eksisterer i samme område af rummet og danner bånd af lyst og mørkt lys.

Lyse bånd produceres, når flere bølger sættes sammen for at producere en større amplitude-bølge. Denne type interferens kaldes konstruktiv interferens.

Når bølger overlapper hinanden for at frembringe en bølge med lavere amplitude, kaldes interferensen destruktiv interferens, og der dannes bånd med mørkt lys.

Interferens

Den måde, de farvede bånd fordeler på, kaldes interferensmønsteret. Interferens kan ses i sæbebobler eller olielag på en våd vej.

diffraktion

Fænomenet med diffraktion er ændringen i udbredelsesretningen, som lysbølgen oplever, når den rammer en forhindring eller åbning, og ændrer dens amplitude og fase.

Som fænomenet interferens er diffraktion resultatet af superpositionen af ​​sammenhængende bølger. To eller flere lysbølger er sammenhængende, når de svinger med den samme frekvens, idet de opretholder et konstant faseforhold.

Efterhånden som hindringen bliver mindre og mindre sammenlignet med bølgelængden, dominerer diffraktionsfænomenet over reflektions- og brydningsfænomenet ved bestemmelse af fordelingen af ​​lysbølgens stråler, når det rammer forhindringen.

Polarisering

Polarisering er det fysiske fænomen, hvormed bølgen vibrerer i en enkelt retning vinkelret på det plan, der indeholder det elektriske felt. Hvis bølgen ikke har en fast udbredelsesretning, siges det, at bølgen ikke er polariseret. Der er tre typer polarisering: lineær polarisering, cirkulær polarisering og elliptisk polarisering.

Hvis bølgen vibrerer parallelt med en fast linje, der beskriver en lige linje i polarisationsplanet, siges det at være lineært polariseret.

Når bølgens elektriske feltvektor beskriver en cirkel i planet vinkelret på den samme udbredelsesretning og holder dens størrelse konstant, siges bølgen at være cirkulært polariseret.

Hvis den elektriske feltvektor af bølgen beskriver en ellipse i planet vinkelret på den samme forplantningsretning, siges bølgen at være elliptisk polariseret.

Hyppige vilkår i fysisk optik

polariserende

Det er et filter, der kun tillader en del af lyset, der er orienteret i en bestemt specifik retning, at passere gennem det uden at lade de bølger, der er orienteret i andre retninger, passere igennem.

Bølgefront

Det er den geometriske overflade, hvor alle dele af en bølge har den samme fase.

Wave amplitude og fase

Amplitude er den maksimale forlængelse af en bølge. En bølgefase er vibrationstilstanden på et øjeblik. To bølger er i fase, når de har den samme vibrationstilstand.

Brewster vinkel

Det er lysforekomsten, hvormed lysbølgen, der reflekteres fra kilden, er fuldt polariseret.

Infrarød

Lys, der ikke er synligt for det menneskelige øje i det elektromagnetiske strålingsspektrum fra 700 nm til 1000 μm.

Lysets hastighed

Det er en hastighedskonstant for udbredelse af lysbølgen i vakuum, hvis værdi er 3 × ¹⁰⁸ m / s. Værdien af ​​lysets hastighed varierer, når den forplanter sig i et materiale.

Bølgelængde

Et mål for afstanden mellem en kam og en anden kam eller mellem en dal og en anden bølgedal, når den forplantes.

Ultraviolet

Ikke-synlig elektromagnetisk stråling med spektrum af bølgelængder mindre end 400 nm.

Lover om fysisk optik

Nedenfor er nævnt nogle love om fysisk optik, der beskriver fænomenerne polarisering og interferens

Fresnell og Arago-love

1. To lysbølger med lineære, kohærente og ortogonale polariseringer forstyrrer ikke hinanden til at danne et interferensmønster.

2. To bølger af lys med lineære, sammenhængende og parallelle polariseringer kan forstyrre et område af rummet.

3. To bølger af naturligt lys med lineære, ikke-kohærente og ortogonale polariseringer forstyrrer ikke hinanden til at danne et interferensmønster.

Malus Law

Malus 'lov angiver, at intensiteten af ​​lys, der transmitteres af en polarisator, er direkte proportional med kvadratet af kosinus i den vinkel, der danner transmissionsaksen for polarisatoren og polarisationsaksen for det indfaldende lys. Med andre ord:

I = lysintensitet transmitteret af polarisatoren

θ = Vinkel mellem transmissionsaksen og polarisationsaksen for den indfaldende stråle

I ₀ = Tilfældig lysintensitet

Malus Law

Brewster's Law

Lysstrålen reflekteret af en overflade er fuldstændigt polariseret i den retning, der er normal til lysets forekomstplan, når vinklen, som den reflekterede stråle udgør med den brydede stråle, er lig med 90 °.

Brewster's Law

Applikationer

Nogle af anvendelserne af fysisk optik er i studiet af flydende krystaller, i designet af optiske systemer og i optisk metrologi.

Flydende krystaller

Flydende krystaller er materialer, der holdes mellem fast tilstand og flydende tilstand, hvis molekyler har et dipolmoment, der inducerer en polarisering af lyset, der falder på dem. Fra denne egenskab er der udviklet skærme til regnemaskiner, skærme, bærbare computere og mobiltelefoner.

Digital ur med flydende krystaldisplay (LCD)

Optisk systemdesign

Optiske systemer bruges ofte i hverdagen, videnskab, teknologi og sundhedsydelser. Optiske systemer tillader, at information behandles, registreres og transmitteres fra lyskilder som solen, LED, wolframlampen eller laser. Eksempler på optiske systemer er diffraktometeret og interferometeret.

Optisk metrologi

Det er ansvarligt for udførelse af højopløsningsmålinger af fysiske parametre baseret på lysbølgen. Disse målinger foretages med interferometre og brydningsinstrumenter. På det medicinske område anvendes metrologi til konstant at overvåge de vitale tegn på patienter.

Seneste forskning i fysisk optik

Optomekanisk Kerker-effekt (AV Poshakinskiy1 og AN Poddubny, 15. januar 2019)

Poshakinskiy og Poddubny (1) viste, at nanometriske partikler med vibrerende bevægelse kan manifestere en optisk-mekanisk virkning svarende til den, der blev foreslået af Kerker et al (2) i 1983.

Kerker-effekten er et optisk fænomen, der består i at opnå en stærk retningsbestemmelse af lys spredt med sfæriske magnetiske partikler. Denne retningsbestemmelse kræver, at partiklerne har magnetiske reaktioner med samme intensitet som de elektriske kræfter.

Kerker-effekten er et teoretisk forslag, der kræver materialepartikler med magnetiske og elektriske egenskaber, der i øjeblikket ikke findes i naturen. Poshakinskiy og Poddubny opnåede den samme effekt på nanometriske partikler, uden væsentlig magnetisk respons, som vibrerer i rummet.

Forfatterne viste, at partikelvibrationer kan skabe passende interfererende magnetiske og elektriske polariseringer, fordi magnetiske og elektriske polaritetskomponenter af samme størrelsesorden induceres i partiklen, når man tænker på uelastisk spredning af lys.

Forfatterne foreslår anvendelse af den optisk-mekaniske effekt i nanometriske optiske enheder ved at få dem til at vibrere ved anvendelse af akustiske bølger.

Ekstrakorporeal optisk kommunikation (DR Dhatchayeny og YH Chung, maj 2019)

Dhatchayeny og Chung (3) foreslår et eksperimentelt ekstrakorporalt optisk kommunikationssystem (OEBC), der kan overføre vigtige tegnoplysninger fra mennesker gennem applikationer på mobiltelefoner med Android-teknologi. Systemet består af et sæt sensorer og en diodehub (LED-array).

Sensorer placeres på forskellige dele af kroppen for at detektere, behandle og kommunikere vitale tegn såsom puls, kropstemperatur og åndedrætsfrekvens. Dataene indsamles gennem LED-matrixen og transmitteres via mobiltelefonkameraet med den optiske app.

LED-arrayet udsender lys i Rayleigh Gans Debye (RGB) spredningsbølgelængdeområdet. Hver farve- og farvekombinationer af det udsendte lys er relateret til vitale tegn.

Det af forfatterne foreslåede system kan lette overvågningen af ​​vitale tegn på en pålidelig måde, da fejlene i de eksperimentelle resultater var minimale.

Referencer

1. Optomekanisk Kerker-effekt. Poshakinskiy, AV og Poddubny, A N. 1, 2019, Physical Review X, Vol. 9, pp. 2160-3308.
2. Elektromagnetisk spredning med magnetiske kugler. Kerker, M, Wang, DS og Giles, C L. 6, 1982, Journal of the Optical Society of America, bind 73.
3. Optisk kommunikation uden krop ved hjælp af smartphonekameraer til transmission af menneskelige vitale tegn. Dhatchayeny, D og Chung, Y. 15, 2019, Appl. Opt., Bind 58.
4. Al-Azzawi, A. Principper og praksis for fysisk optik. Boca Raton, FL: CRC Press Taylor & Francis Group, 2006.
5. Grattan-Guiness, I. Companion Encyclopedia of the Mathematical Sciences 'historie og filosofi. New York, USA: Routledge, 1994, bind II.
6. Akhmanov, SA og Nikitin, S Yu. Fysisk optik. New York: Oxford University Press, 2002.
7. Lipson, A, Lipson, SG og Lipson, H. Physical Optics. Cambridge, UK: Cambridge University Press, 2011.
8. Mickelson, A R. Fysisk optik. New York: Springer Science + Business Media, 1992.
9. Jenkins, FA og White, H E. Fundamentals of Optics. NY: McGraw Hill Higher Education, 2001.