OPTIČKA FIZIKA: POVIJEST, ČESTI POJMOVI, ZAKONI, PRIMJENE - FIZIČKA - 2024

The fizičke optika je dio optičkog proučavanja valne prirode svjetlosti i fizičke fenomene koji se samo shvatiti iz valova modela. Proučava i pojave smetnji, polarizacije, difrakcije i druge pojave koje se ne mogu objasniti iz geometrijske optike.

Valni model definira svjetlost kao elektromagnetski val čija električna i magnetska polja osciliraju okomito jedni prema drugima.

Elektromagnetski val

Električno polje (E) svjetlosnog vala ponaša se na sličan način kao i njegovo magnetsko polje (B), ali električno polje prevladava nad magnetskim poljem zbog Maxwellove veze (1831-1879), koja uspostavlja sljedeće:

Gdje je c = brzina širenja vala.

Fizička optika ne objašnjava spektar apsorpcije i emisije atoma. S druge strane, kvantna optika se bavi proučavanjem ovih fizičkih fenomena.

Povijest

Povijest fizičke optike započinje eksperimentima koje je izveo Grimaldi (1613-1663), koji je primijetio da se sjena koju je bacio osvijetljeni predmet pojavljuje šire i okružena je obojenim prugama.

Nazvao je difrakciju promatrane pojave. Njegov eksperimentalni rad natjerao ga je da predloži val svjetlosti, za razliku od koncepcije Isaaca Newtona koja je prevladavala tijekom 18. stoljeća.

Newtonovska paradigma utvrdila je da se svjetlost ponaša poput zrake malih tjelesa koje su se kretale velikom brzinom pravougaonim stazama.

Robert Hooke (1635-1703) branio je valnu prirodu svjetlosti u svojim studijama boje i loma, navodeći da se svjetlost ponaša poput zvučnog vala koji se brzo širi gotovo trenutno kroz materijalni medij.

Kasnije je Huygens (1629.-1695.), Na temelju Hookeovih ideja, učvrstio valnu teoriju svjetlosti u svom Traité de la lumière (1690) u kojem je pretpostavio da svjetlosni valovi koje zrače svjetlosna tijela šire kroz suptilnog i elastičnog medija zvanog eter.

Huygensova teorija valova objašnjava pojave refleksije, refrakcije i difrakcije mnogo bolje od Newtonove korpuskularne teorije i pokazuje da se brzina svjetlosti smanjuje pri prelasku iz manje guste sredine u gušće.

Huygensove ideje znanstvenici tada nisu prihvatili iz dva razloga. Prvo je bilo nemoguće zadovoljavajuće objasniti definiciju etera, a drugo je bio prestiž Newtona oko njegove teorije mehanike koja je utjecala na ogromnu većinu znanstvenika koji su odlučili podržati korpuskularnu paradigmu svjetla.

Rođenje teorije valova

U ranom 19. stoljeću, Tomas Young (1773.-1829.) Uspio je naučnu zajednicu natjerati da prihvati Huygensov valni model na temelju rezultata njegovog eksperimenta smetnji svjetlosti. Eksperiment je omogućio određivanje valnih duljina različitih boja.

Godine 1818. Fresnell (1788–1827) ponovno je postavio Huygensovu valnu teoriju u smislu načela interferencije. Objasnio je i fenomen bifrefencije svjetlosti, što mu je omogućilo da potvrdi da je svjetlost poprečni val.

1808. Arago (1788–1853) i Malus (1775–1812) objasnili su fenomen polarizacije svjetlosti iz valnog modela.

Eksperimentalni rezultati Fizeaua (1819.-1896.) 1849. i Foucalta (1819-1868) 1862. omogućili su provjeru da se svjetlost širi brže u zraku nego u vodi, što je u suprotnosti s objašnjenjem Newtona.

1872. Maxwell je objavio svoj Traktat o električnoj energiji i magnetizmu, u kojem je iznio jednadžbe koje sintetiziraju elektromagnetizam. Iz njegovih jednadžbi dobio je jednadžbu vala koja mu je omogućila analizu ponašanja elektromagnetskog vala.

Maxwell je otkrio da je brzina širenja elektromagnetskog vala povezana sa širenjem medija i da se podudara sa brzinom svjetlosti, zaključujući da je svjetlost elektromagnetski val.

Konačno, Hertz (1857.-1894.) 1888. uspio je proizvesti i detektirati elektromagnetske valove i potvrditi da je svjetlost vrsta elektromagnetskog vala.

Što proučava fizička optika?

Fizička optika proučava fenomene vezane za valnu prirodu svjetlosti, poput interferencija, difrakcije i polarizacije.

interferencija

Interferencija je pojava u kojoj se dva ili više svjetlosnih valova preklapaju, koegzistiraju u istoj zoni prostora, tvoreći trake jarke i tamne svjetlosti.

Svijetle trake nastaju kada se dodaju više valova kako bi se stvorio veći val amplitude. Ova vrsta interferencije naziva se konstruktivnim smetnjama.

Kada se valovi preklapaju da bi proizveli val niže amplitude, smetnja se naziva destruktivna smetnja i stvaraju se pojave tamne svjetlosti.

interferencija

Način na koji se raspoređuju obojene trake naziva se interferencijski uzorak. Smetnje se mogu vidjeti u mjehurićima sapuna ili slojevima ulja na mokroj cesti.

difrakcija

Fenomen difrakcije je promjena smjera širenja koju svjetlosni val doživljava kada pogodi prepreku ili otvor, mijenjajući svoju amplitudu i fazu.

Kao i pojava smetnji, difrakcija je rezultat superpozicije koherentnih valova. Dva ili više svjetlosnih valova koherenti su kada osciliraju istom frekvencijom održavajući konstantan fazni odnos.

Kako prepreka postaje sve manja i manja u odnosu na valnu duljinu, fenomen difrakcije prevladava nad fenomenom refleksije i refrakcije u određivanju raspodjele zraka svjetlosnog vala nakon što pogodi prepreku.,

Polarizacija

Polarizacija je fizički fenomen kojim val vibrira u jednom smjeru okomitom na ravninu koja sadrži električno polje. Ako val nema fiksni smjer širenja, kaže se da val nije polariziran. Postoje tri vrste polarizacije: linearna polarizacija, kružna polarizacija i eliptična polarizacija.

Ako val vibrira paralelno s fiksnom linijom koja opisuje ravnu liniju u ravnini polarizacije, kaže se da je linearno polarizirana.

Kad vektor električnog polja vala opisuje krug u ravnini okomito na isti smjer širenja, održavajući svoju magnitude konstantnom, val se kaže da je kružno polariziran.

Ako vektor električnog polja vala opisuje elipsu u ravnini okomito na isti smjer širenja, kaže se da je val eliptično polariziran.

Česti pojmovi u fizikalnoj optici

polarizacijom

To je filter koji omogućava da kroz njega prođe samo dio svjetlosti koji je orijentiran u jednom određenom smjeru, a da ne propušta te valove koji su orijentirani u drugim smjerovima.

Val ispred

To je geometrijska površina na kojoj svi dijelovi vala imaju istu fazu.

Amplituda i faza vala

Amplituda je najveće produljenje vala. Faza vala je stanje vibracije u trenu. Dva vala su u fazi kada imaju isto stanje vibracije.

Brewster kut

To je kut upadanja svjetlosti pod kojim se svjetlosni val odražen od izvora potpuno polarizira.

Infracrveni

Svjetlost koja nije vidljiva ljudskom oku u spektru elektromagnetskog zračenja od 700 nm do 1000 μm.

Brzina svjetlosti

To je konstanta brzine širenja svjetlosnog vala u vakuumu čija je vrijednost 3 × 10 ⁸ m / s. Vrijednost brzine svjetlosti varira kad se širi u materijalnom mediju.

Valna duljina

Mjera udaljenosti između grebena i drugog grebena ili između doline i druge doline vala dok se širi.

ultraljubičast

Nevidljivo elektromagnetsko zračenje sa spektrom valnih duljina manjim od 400 nm.

Zakoni fizičke optike

Ispod su navedeni neki zakoni fizičke optike koji opisuju pojave polarizacije i interferencije

Zakoni Fresnell i Arago

1. Dva svjetlosna vala s linearnom, koherentnom i pravokutnom polarizacijom ne ometaju se međusobno kako bi formirala interferencijski uzorak.

2. Dva svjetlosna vala s linearnom, koherentnom i paralelnom polarizacijom mogu se miješati u područje prostora.

3. Dva vala prirodne svjetlosti s linearnom, nekoherentnom i pravokutnom polarizacijom ne ometaju se međusobno kako bi formirali interferencijski uzorak.

Zakon o malusima

Malusov zakon kaže da je intenzitet svjetlosti koji prenosi polarizer izravno proporcionalan kvadratu kosinusa kuta koji tvori os prijenosa polarizatora i osi polarizacije upadne svjetlosti. Drugim riječima:

I = intenzitet svjetlosti koji prenosi polarizer

θ = Kut između osi prijenosa i osi polarizacije padajućeg snopa

I ₀ = Intenzitet svjetla

Zakon o malusima

Brewsterov zakon

Svjetlosni snop koji se reflektira od površine potpuno je polariziran, u smjeru normalnom prema ravnini upada svjetla, kada je kut između reflektirane zrake i refrakcijske zrake jednak 90 °.

Brewsterov zakon

Prijave

Neke su primjene fizikalne optike u istraživanju tekućih kristala, u dizajnu optičkih sustava i u optičkoj metrologiji.

Tečni kristali

Tekući kristali su materijali koji se zadržavaju između čvrstog i tekućeg stanja, čije molekule imaju dipolni trenutak koji inducira polarizaciju svjetlosti koja pada na njih. Iz ovog su svojstva razvijeni zasloni za računale, monitore, prijenosna računala i mobitele.

Digitalni sat s tekućim kristalnim zaslonom (LCD)

Dizajn optičkih sustava

Optički se sustavi često koriste u svakodnevnom životu, znanosti, tehnologiji i zdravstvu. Optički sustavi omogućuju obradu, snimanje i prijenos informacija iz izvora svjetlosti kao što su sunce, LED, volframova svjetiljka ili laser. Primjeri optičkih sustava su difraktometar i interferometar.

Optička metrologija

Odgovorna je za provođenje mjerenja fizičkih parametara visoke rezolucije na temelju svjetlosnog vala. Ta se mjerenja izrađuju pomoću interferometra i refrakcijskih instrumenata. U području medicine, metrologija se koristi za stalno praćenje vitalnih znakova pacijenata.

Najnovija istraživanja fizikalne optike

Optomehanički Kerker efekt (AV Poshakinskiy1 i AN Poddubny, 15. siječnja 2019.)

Poshakinskiy i Poddubny (1) pokazali su da nanometrijske čestice s vibracijskim gibanjem mogu očitovati optičko-mehanički učinak sličan onome koji su predložili Kerker i sur. (2) 1983. godine.

Kerkerov efekt je optička pojava koja se sastoji u postizanju snažne usmjerenosti svjetlosti raspršene kuglastim magnetskim česticama. Ova usmjerenost zahtijeva da čestice imaju magnetske reakcije istog intenziteta kao i električne sile.

Kerkerov efekt je teoretski prijedlog koji zahtijeva da materijalne čestice s magnetskim i električnim karakteristikama kakve trenutno ne postoje u prirodi.Poshakinskiy i Poddubny postignu isti učinak na nanometrijske čestice, bez značajnog magnetskog odziva, koje vibriraju u prostoru.

Autori su pokazali da vibracije čestica mogu stvoriti na odgovarajući način interferirajuću magnetsku i električnu polarizaciju, jer se u čestici induciraju magnetske i električne polaritetne komponente istog reda veličine kada se razmatra neelastično raspršivanje svjetlosti.

Autori predlažu primjenu optičko-mehaničkog učinka u nanometričkim optičkim uređajima čineći ih da vibriraju primjenom akustičkih valova.

Izvanbračna optička komunikacija (DR Dhatchayeny i YH Chung, svibanj 2019.)

Dhatchayeny i Chung (3) predlažu eksperimentalni sustav ekstrakorporativne optičke komunikacije (OEBC) koji može prenositi vitalne podatke o ljudima putem aplikacija na mobilnim telefonima s Android tehnologijom. Sustav se sastoji od niza senzora i diodnog čvorišta (LED niz).

Senzori se postavljaju na razne dijelove tijela kako bi otkrili, obrađivali i komunicirali vitalne znakove poput pulsa, tjelesne temperature i brzine disanja. Podaci se prikupljaju kroz LED niz i prenose se putem kamere mobilnog telefona s optičkom aplikacijom.

LED niz emitira svjetlost u rasponu valnih duljina raspršivanja Rayleigh Gans Debye (RGB). Svaka kombinacija boja i boja emitirane svjetlosti povezana je s vitalnim znakovima.

Sustav koji su predložili autori može olakšati praćenje vitalnih znakova na pouzdan način, jer su pogreške u eksperimentalnim rezultatima bile minimalne.

Reference

1. Optomehanički Kerker efekt. Poshakinskiy, AV i Poddubny, A N. 1, 2019, Fizički pregled X, svezak 9, str. 2160-3308.
2. Elektromagnetsko raspršivanje magnetskim sferama. Kerker, M, Wang, DS i Giles, C L. 6, 1982, Journal of the Optical Society of America, vol. 73.
3. Optička komunikacija s dodatnim tijelom pomoću kamera sa pametnim telefonima za prijenos vitalnog znaka. Dhatchayeny, D i Chung, 15. siječnja 2019., Appl. Opt., Svezak 58.
4. Al-Azzawi, A. Načela i prakse fizičke optike. Boca Raton, FL: CRC Press Taylor & Francis Group, 2006.
5. Grattan-Guiness, I. Popratna enciklopedija povijesti i filozofije matematičkih znanosti. New York, SAD: Routledge, 1994, svezak II.
6. Akhmanov, SA i Nikitin, S Yu. Fizička optika. New York: Oxford University Press, 2002.
7. Lipson, A, Lipson, SG i Lipson, H. Fizička optika. Cambridge, Velika Britanija: Cambridge University Press, 2011.
8. Mickelson, A. R. Fizička optika. New York: Springer Science + Business Media, 1992.
9. Jenkins, FA i White, H E. Osnove optike. NY: McGraw Hill visoko obrazovanje, 2001.