OPTISK FYSIKK: HISTORIE, HYPPIGE VILKÅR, LOVER, APPLIKASJONER - FYSISK - 2026

Den fysiske optikken er en del av det optiske studiet av bølgen natur lys og fysiske fenomener som bare forstått fra bølgemodellen. Den studerer også fenomenene interferens, polarisering, diffraksjon og andre fenomener som ikke kan forklares ut fra geometrisk optikk.

Bølgemodellen definerer lys som en elektromagnetisk bølge hvis elektriske og magnetiske felt svinger vinkelrett på hverandre.

Elektromagnetisk bølge

Det elektriske feltet (E) til lysbølgen oppfører seg på en lignende måte som dets magnetiske felt (B), men det elektriske feltet dominerer over magnetfeltet på grunn av Maxwells forhold (1831–1879), som etablerer følgende:

Hvor c = bølgeens forplantningshastighet.

Fysisk optikk forklarer ikke absorpsjon og emisjonsspekter for atomer. På den annen side adresserer kvanteoptikk studiet av disse fysiske fenomenene.

Historie

Historien om fysisk optikk begynner med eksperimentene utført av Grimaldi (1613-1663), som observerte at skyggen som ble kastet av et opplyst objekt, virket bredere og var omgitt av fargede striper.

Han kalte det observerte fenomenet diffraksjon. Hans eksperimentelle arbeid førte til at han foreslo lysets bølgende natur, i motsetning til Isaac Newtons oppfatning som rådde i løpet av 1700-tallet.

Det Newtonske paradigmet slo fast at lyset oppførte seg som en stråle av små lik som reiste i høy hastighet i rettlinjede stier.

Robert Hooke (1635-1703) forsvarte bølgenes natur, i sine studier på farge og brytning, og uttalte at lys oppførte seg som en lydbølge som raskt forplantet seg nesten øyeblikkelig gjennom et materielt medium.

Senere konsentrerte Huygens (1629–1695), basert på Hookes ideer, bølgeteorien om lys i sin Traité de la lumière (1690) der han antok at lysbølgene som ble avgitt av lysende legemer, forplanter seg gjennom av et subtilt og elastisk medium kalt eter.

Huygens 'bølgeteori forklarer fenomenene refleksjon, brytning og diffraksjon mye bedre enn Newtons corpuskulære teori, og viser at lysets hastighet avtar når man beveger seg fra et mindre tett medium til et tettere.

Huygens ideer ble ikke akseptert av forskere på det tidspunktet av to grunner. Den første var umuligheten av å tilfredsstillende forklare definisjonen av eter, og den andre var prestisjen til Newton rundt hans teori om mekanikk som påvirket et stort flertall av forskere til å bestemme seg for å støtte det corpuskulære lysparadigmet.

Gjenfødsel av bølgeteori

På begynnelsen av 1800-tallet lyktes Tomas Young (1773–1829) å få det vitenskapelige samfunnet til å godta Huygens 'bølgemodell basert på resultatene fra hans lysinterferenseksperiment. Eksperimentet gjorde det mulig å bestemme bølgelengdene til de forskjellige fargene.

I 1818 omformerte Fresnell (1788–1827) Huygens 'bølgeteori når det gjelder interferensprinsippet. Han forklarte også fenomenet lysbrytning, som gjorde at han kunne bekrefte at lys er en tverrbølge.

I 1808 forklarte Arago (1788–1853) og Malus (1775-1812) fenomenet polarisering av lys fra bølgemodellen.

De eksperimentelle resultatene av Fizeau (1819-1896) i 1849 og Foucalt (1819-1868) i 1862 viste at lys forplantes raskere i luft enn i vann, i strid med forklaringen gitt av Newton.

I 1872 publiserte Maxwell sin avhandling om elektrisitet og magnetisme, der han uttalte ligningene som syntetiserer elektromagnetisme. Fra ligningene hans oppnådde han bølgeforlikningen som tillot ham å analysere atferden til en elektromagnetisk bølge.

Maxwell fant at forplantningshastigheten til en elektromagnetisk bølge er relatert til forplantningsmediet og sammenfaller med lysets hastighet, og konkluderte med at lys er en elektromagnetisk bølge.

Til slutt lyktes Hertz (1857–1894) i 1888 å produsere og oppdage elektromagnetiske bølger og bekrefte at lys er en type elektromagnetisk bølge.

Hva studerer fysisk optikk?

Fysisk optikk studerer fenomenene relatert til bølgen natur av lys, for eksempel interferens, diffraksjon og polarisering.

Innblanding

Interferens er fenomenet som to eller flere lysbølger overlapper hverandre, som eksisterer i samme område av rommet, og danner bånd av sterkt og mørkt lys.

Lyse bånd produseres når flere bølger legges sammen for å produsere en større amplitude-bølge. Denne type interferens kalles konstruktiv interferens.

Når bølger overlapper hverandre for å produsere en bølge med lavere amplitude, kalles forstyrrelsen destruktiv interferens, og det produseres bånd med mørkt lys.

Innblanding

Måten de fargede båndene er fordelt på kalles interferensmønsteret. Forstyrrelse kan sees i såpebobler eller oljelag på en våt vei.

diffraksjon

Fenomenet med diffraksjon er endringen i forplantningsretningen som lysbølgen opplever når den treffer et hinder eller åpning, og endrer amplitude og fase.

I likhet med fenomenet interferens er diffraksjon et resultat av superposisjonen av sammenhengende bølger. To eller flere lysbølger er koherente når de svinger med samme frekvens og opprettholder et konstant faseforhold.

Etter hvert som hinderet blir mindre og mindre sammenlignet med bølgelengden, dominerer diffraksjonsfenomenet over refleksjons- og brytningsfenomenet når det gjelder å bestemme fordelingen av lysbølgestrålene når den treffer hindringen. .

polarisering

Polarisering er det fysiske fenomenet som bølgen vibrerer i en enkelt retning vinkelrett på planet som inneholder det elektriske feltet. Hvis bølgen ikke har en fast utbredelsesretning, sies det at bølgen ikke er polarisert. Det er tre typer polarisering: lineær polarisering, sirkulær polarisering og elliptisk polarisering.

Hvis bølgen vibrerer parallelt med en fast linje som beskriver en rett linje i polarisasjonsplanet, sies den å være lineært polarisert.

Når den elektriske feltvektoren til bølgen beskriver en sirkel i planet vinkelrett på samme forplantningsretning, og holder dens størrelse konstant, sies bølgen å være sirkulært polarisert.

Hvis den elektriske feltvektoren til bølgen beskriver en ellipse i planet vinkelrett på samme forplantningsretning, sies bølgen å være elliptisk polarisert.

Hyppige vilkår i fysisk optikk

polariserende

Det er et filter som bare lar en del av lyset som er orientert i en bestemt retning gå gjennom det uten å la bølgene som er orientert i andre retninger passere.

Bølgefronten

Det er den geometriske overflaten der alle deler av en bølge har samme fase.

Bølgeamplitude og fase

Amplitude er den maksimale forlengelsen av en bølge. Fasen av en bølge er vibrasjonstilstanden på et øyeblikk. To bølger er i fase når de har samme vibrasjonstilstand.

Brewster vinkel

Det er innfallsvinkelen til lys som lysbølgen som reflekteres fra kilden er fullstendig polarisert.

infrarød

Lys ikke synlig for det menneskelige øyet i det elektromagnetiske strålingsspekteret fra 700 nm til 1000 μm.

Lysets hastighet

Det er en hastighetskonstant for utbredelse av lysbølgen i vakuum, hvis verdi er 3 × ¹⁰⁸ m / s. Verdien på lysets hastighet varierer når den forplanter seg i et materiale.

bølgelengde

Et mål på avstanden mellom en kam og en annen kam eller mellom en dal og en annen bølgedal når den forplanter seg.

Ultrafiolett

Ikke synlig elektromagnetisk stråling med spekter av bølgelengder mindre enn 400 nm.

Lover for fysisk optikk

Nedenfor er nevnt noen lover for fysisk optikk som beskriver fenomenene polarisering og interferens

Fresnell og Arago lover

1. To lysbølger med lineære, koherente og ortogonale polarisasjoner forstyrrer ikke hverandre for å danne et interferensmønster.
2. To bølger av lys med lineære, koherente og parallelle polarisasjoner kan forstyrre seg i et område av rommet.
3. To bølger med naturlig lys med lineære, ikke-koherente og ortogonale polarisasjoner forstyrrer ikke hverandre for å danne et interferensmønster.

Malus Law

Malus 'lov sier at intensiteten av lys som overføres av en polarisator er direkte proporsjonal med kvadratet av kosinus i vinkelen som danner overføringsaksen for polarisatoren og polarisasjonsaksen for det innfallende lyset. Med andre ord:

I = lysintensitet som overføres av polarisatoren

θ = Vinkel mellom transmisjonsaksen og polarisasjonsaksen til den innfallende bjelken

I ₀ = Tilfeldig lysintensitet

Malus Law

Brewster's Law

Lysstrålen som reflekteres av en overflate er fullstendig polarisert, i retningen normal til lysets forekomstplan, når vinkelen mellom den reflekterte strålen og den refrakterte strålen er lik 90 °.

Brewster's Law

applikasjoner

Noen av anvendelsene av fysisk optikk er i studiet av flytende krystaller, i utformingen av optiske systemer og i optisk metrologi.

Flytende krystaller

Flytende krystaller er materialer som holdes mellom faststoff og flytende tilstand, hvis molekyler har et dipolmoment som induserer en polarisering av lyset som faller på dem. Fra denne eiendommen er det utviklet skjermer for kalkulatorer, skjermer, bærbare datamaskiner og mobiltelefoner.

Digital klokke med flytende krystall display (LCD)

Optisk systemdesign

Optiske systemer brukes ofte i hverdagen, vitenskap, teknologi og helsevesen. Optiske systemer gjør det mulig å behandle, registrere og overføre informasjon fra lyskilder som sol, LED, wolframlampe eller laser. Eksempler på optiske systemer er diffraktometeret og interferometeret.

Optisk metrologi

Det er ansvarlig for å utføre høye oppløsningsmålinger av fysiske parametere basert på lysbølgen. Disse målingene gjøres med interferometre og brytningsinstrumenter. I det medisinske området brukes metrologi for kontinuerlig å overvåke de vitale tegnene til pasienter.

Nyere forskning innen fysisk optikk

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

Poshakinskiy og Poddubny (1) viste at nanometriske partikler med vibrasjonsbevegelse kan manifestere en optisk-mekanisk effekt som den som ble foreslått av Kerker et al (2) i 1983.

Kerker-effekten er et optisk fenomen som består i å oppnå en sterk retningsbestemmelse av lys spredt av sfæriske magnetiske partikler. Denne retningskraften krever at partiklene har magnetiske responser med samme intensitet som de elektriske kreftene.

Kerker-effekten er et teoretisk forslag som krever materialpartikler med magnetiske og elektriske egenskaper som for tiden ikke eksisterer i naturen. Poshakinskiy og Poddubny oppnådde den samme effekten på nanometriske partikler, uten betydelig magnetisk respons, som vibrerer i rommet.

Forfatterne demonstrerte at partikkelvibrasjoner kan skape hensiktsmessige forstyrrende magnetiske og elektriske polarisasjoner, fordi komponenter av elektrisk og magnetisk polaritet av samme størrelsesorden blir indusert i partikkelen når uelastisk spredning av lys vurderes.

Forfatterne foreslår anvendelse av den optisk-mekaniske effekten i nanometriske optiske enheter ved å få dem til å vibrere ved bruk av akustiske bølger.

Ekstrakorporeal optisk kommunikasjon (DR Dhatchayeny og YH Chung, mai 2019)

Dhatchayeny og Chung (3) foreslår et eksperimentelt ekstrakorporealt optisk kommunikasjonssystem (OEBC) som kan overføre vital tegninformasjon til mennesker gjennom applikasjoner på mobiltelefoner med Android-teknologi. Systemet består av et sett sensorer og en diodehub (LED-array).

Sensorer plasseres på forskjellige deler av kroppen for å oppdage, behandle og kommunisere vitale tegn som puls, kroppstemperatur og respirasjonsfrekvens. Dataene blir samlet inn via LED-matrisen og overført gjennom mobiltelefonkameraet med den optiske appen.

LED-arrayen avgir lys i Rayleigh Gans Debye (RGB) -spredningsbølgelengdeområdet. Hver farge og fargekombinasjon av det utsendte lyset er relatert til vitale tegn.

Systemet som er foreslått av forfatterne, kan lette overvåkningen av vitale tegn på en pålitelig måte, siden feilene i forsøksresultatene var minimale.

referanser

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 kuler. Kerker, M, Wang, DS og Giles, C L. 6, 1982, Journal of the Optical Society of America, bind 73.
3. Optisk ekstra kroppskommunikasjon ved hjelp av smarttelefonkameraer for overføring av vitale skilt. Dhatchayeny, D og Chung, 15. september 2019, Appl. Opt., Bind 58.
4. Al-Azzawi, A. Prinsipper og praksis for fysisk optikk. Boca Raton, FL: CRC Press Taylor & Francis Group, 2006.
5. Grattan-Guiness, I. Companion Encyclopedia of the History and Philosophy of the Mathematical Sciences. New York, USA: Routledge, 1994, bind II.
6. Akhmanov, SA og Nikitin, S Yu. Fysisk optikk. New York: Oxford University Press, 2002.
7. Lipson, A, Lipson, SG og Lipson, H. Physical Optics. Cambridge, Storbritannia: Cambridge University Press, 2011.
8. Mickelson, A R. Fysisk optikk. New York: Springer Science + Business Media, 1992.
9. Jenkins, FA og White, H E. Fundamentals of Optics. NY: McGraw Hill Higher Education, 2001.