OPTINEN FYSIIKKA: HISTORIA, YLEISET TERMIT, LAIT, SOVELLUKSET - FYYSINEN - 2026

Fyysinen optiikka on osa optisen tutkia aallon luonne valon ja fysikaalisia ilmiöitä, että vain ymmärretään aaltomalli. Se tutkii myös häiriöiden, polarisaation, diffraktion ilmiöitä ja muita ilmiöitä, joita ei voida selittää geometrisestä optiikasta.

Aallomalli määrittelee valon sähkömagneettiseksi aaltoksi, jonka sähkö- ja magneettikentät värähtelevät kohtisuorassa toisiinsa nähden.

Sähkömagneettinen aalto

Valoaallon sähkökenttä (E) käyttäytyy samalla tavalla kuin sen magneettikenttä (B), mutta sähkökenttä on vallitseva magneettikentän yläpuolella johtuen Maxwellin suhteesta (1831–1879), joka vahvistaa seuraavan:

Missä c = aallon etenemisnopeus.

Fysikaalinen optiikka ei selitä atomien absorptio- ja emissiospektriä. Toisaalta kvanttioptiikka on tarkoitettu näiden fysikaalisten ilmiöiden tutkimiseen.

Historia

Fyysisen optiikan historia alkaa Grimaldin (1613-1663) suorittamista kokeista, jotka havaitsivat, että valaistun esineen heittämä varjo näytti leveämmältä ja sitä ympäröivät värilliset raidat.

Hän kutsui havaittua ilmiön diffraktiota. Hänen kokeellinen työ sai hänet ehdottamaan valon aalto-luonnetta toisin kuin Isaac Newtonin käsitys, joka vallitsi 1700-luvulla.

Newtonin paradigma totesi, että valo käyttäytyi kuin pienten runkojen säde, joka kulki suurella nopeudella suoraviivaisilla poluilla.

Robert Hooke (1635-1703) puolusti valon aallon luonnetta värejä ja taittoa koskevissa tutkimuksissaan, että valo käyttäytyi kuin ääniaalto, joka etenee nopeasti melkein hetkessä materiaalin välityksellä.

Myöhemmin Huygens (1629–1695) vahvisti Hooken ideoihin perustuen valoaaltoteorian Traité de la lumièressä (1690), jossa hän oletti, että valaistuskappaleiden lähettämät valoaallot leviävät läpi hienovaraista ja elastista väliainetta, jota kutsutaan eetteriksi.

Huygensin aaltoteoria selittää heijastus-, taitto- ja diffraktioilmiöitä paljon paremmin kuin Newtonin verisolujen teoria ja osoittaa, että valon nopeus laskee siirryttäessä vähemmän tiheästä väliaineesta tiheämmälle.

Tutkijat eivät tuolloin hyväksyneet Huygensin ajatuksia kahdesta syystä. Ensimmäinen oli mahdotonta selittää tyydyttävästi eetterin määritelmää, ja toinen oli Newtonin arvovalta hänen mekaniikan teoriansa ympärillä, mikä vaikutti valtaosaan tutkijoista päättämään tukea valon verisoluparadigmaan.

Aaltoteorian uudestisyntyminen

1800-luvun alkupuolella Tomas Young (1773–1829) onnistui saamaan tiedeyhteisön hyväksymään Huygensin aaltomallin hänen valohäiriökokeensa tulosten perusteella. Koe antoi mahdolliseksi määrittää eri värien aallonpituudet.

Vuonna 1818 Fresnell (1788–1827) toisti Huygensin aaltoteorian häiriöperiaatteen kannalta. Hän selitti myös valon kahtaistaitumisen ilmiötä, joka antoi hänelle mahdollisuuden vakuuttaa, että valo on poikittainen aalto.

Vuonna 1808 Arago (1788–1853) ja Malus (1775–1812) selittivät valon polarisaation ilmiötä aaltomallista.

Fizeaun (1819-1896) vuonna 1849 ja Foucaltin (1819-1868) vuonna 1862 kokeelliset tulokset osoittivat, että valo leviää nopeammin ilmassa kuin vedessä, ristiriidassa Newtonin antaman selityksen kanssa.

Vuonna 1872 Maxwell julkaisi tutkimuksensa sähköstä ja magnetismista, jossa hän esitti yhtälöt, jotka syntetisoivat sähkömagneettisuuden. Yhtälöistään hän sai aaltoyhtälön, jonka avulla hän pystyi analysoimaan sähkömagneettisen aallon käyttäytymistä.

Maxwell havaitsi, että sähkömagneettisen aallon etenemisnopeus on suhteessa etenemisväliaineeseen ja vastaa valon nopeutta, päätelmällä, että valo on sähkömagneettinen aalto.

Viimeinkin Hertz (1857–1894) vuonna 1888 onnistui tuottamaan ja havaitsemaan sähkömagneettiset aallot ja vahvistamaan, että valo on eräs sähkömagneettinen aalto.

Mitä fyysinen optiikka opiskelee?

Fysikaalinen optiikka tutkii valon aaltoiluun liittyviä ilmiöitä, kuten häiriöitä, diffraktiota ja polarisaatiota.

häiriö

Häiriö on ilmiö, jossa kaksi tai useampia valoaaltoja menevät päällekkäin ja esiintyvät samanaikaisesti samalla avaruusalueella muodostaen kirkkaan ja tumman valon kaistoja.

Kirkkaita kaistoja syntyy, kun useita aaltoja lisätään yhteen suuremman amplitudiaallon tuottamiseksi. Tämän tyyppisiä häiriöitä kutsutaan rakentaviksi häiriöiksi.

Kun aallot menevät päällekkäin pienemmän amplitudin aallon tuottamiseksi, häiriöitä kutsutaan tuhoisiksi häiriöiksi ja syntyy tumman valon kaistoja.

häiriö

Tapaa, jolla värilliset kaistat jakautuvat, kutsutaan häiriökuvioksi. Häiriöitä voi nähdä saippuakuplissa tai öljykerroksissa märällä tiellä.

diffraktio

Diffraktio-ilmiö on leviämissuunnan muutos, jota valoaalto kokee, kun se osuu esteeseen tai aukkoon, muuttaen sen amplitudia ja vaihetta.

Kuten häiriöilmiö, diffraktio on seurausta koherenttien aaltojen superpositiosta. Kaksi tai useampia valoaaltoja ovat koherentteja, kun ne värähtelevät samalla taajuudella ylläpitäen vakiona vaihesuhdetta.

Kun este pienenee aallonpituuteen verrattuna, diffraktioilmiö on vallitseva heijastus- ja taitekertoimen suhteen määritettäessä valonsäteiden säteilyjakaumaa heti osuessaan esteeseen..

Polarisaatio

Polarisaatio on fyysinen ilmiö, jonka avulla aalto värähtelee yhdessä suunnassa kohtisuorassa sähkökentän sisältävään tasoon nähden. Jos aallolla ei ole kiinteää etenemissuuntaa, sanotaan, että aalto ei ole polarisoitunut. Polarisaatiota on kolme tyyppiä: lineaarinen polarisaatio, pyöreä polarisaatio ja elliptinen polarisaatio.

Jos aalto värähtelee yhdensuuntaisen kiinteän viivan kanssa, joka kuvaa suoraa viivaa polarisaatiotasossa, sen sanotaan olevan polaroituneena lineaarisesti.

Kun aallon sähkökenttävektori kuvaa ympyrää tasossa, joka on kohtisuorassa samaan etenemissuuntaan pitäen sen suuruus vakiona, aallon sanotaan olevan poikkileikkaukseltaan pyöreä.

Jos aallon sähkökenttävektori kuvaa ellipsiä tasossa, joka on kohtisuorassa samaan etenemissuuntaan, aallon sanotaan olevan elliptisesti polarisoitunut.

Fyysisen optiikan säännölliset termit

polarisoivasta

Se on suodatin, jonka avulla vain osa tiettyyn suuntaan suuntautuneesta valosta voi kulkea sen läpi päästämättä muihin suuntiin suuntautuneita aaltoja läpi.

Aalto edessä

Se on geometrinen pinta, jolla kaikilla aallon osilla on sama vaihe.

Aallon amplitudi ja vaihe

Amplitudi on aallon enimmäisvenymä. Aallon vaihe on värähtelytila ​​hetkessä. Kaksi aaltoa ovat vaiheessa, kun niiden värähtelytila ​​on sama.

Brewster-kulma

Se on valon tulokulma, jolla lähteestä heijastunut valoaalto on täysin polarisoitunut.

Infrapuna

Valo, jota ihmisen silmä ei näe, sähkömagneettisen säteilyn spektrissä 700 - 1000 μm.

Valon nopeus

Se on valoaallon etenemisnopeuden vakio tyhjiössä, jonka arvo on 3 × ¹⁰⁸ m / s. Valon nopeuden arvo vaihtelee, kun se leviää aineellisessa väliaineessa.

Aallonpituus

Mitta etäisyydelle harjanteen ja toisen harjanteen välillä tai laakson ja toisen aallonlaakson välillä eteneessä.

Ultravioletti

Ei-näkyvä sähkömagneettinen säteily, jonka aallonpituus on alle 400 nm.

Fyysisen optiikan lait

Alla on mainittu joitain fyysisen optiikan lakeja, jotka kuvaavat polarisaation ja häiriöiden ilmiöitä

Fresnellin ja Aragon lait

1. Kaksi valoaalloa, joilla on lineaarinen, koherentti ja ortogonaalinen polarisaatio, eivät häiritse toisiaan muodostaen häiriökuviota.

2. Kaksi valoaaltoa, joilla on lineaariset, koherentit ja rinnakkaiset polarisaatiot, voivat häiritä avaruusaluetta.

3. Kaksi luonnollisen valon aaltoa, joissa on lineaariset, epäkoherentit ja ortogonaaliset polarisaatiot, eivät häiritse toisiaan muodostaen häiriökuviota.

Malus-laki

Malusin lain mukaan polarisaattorin välittämä valon voimakkuus on suoraan verrannollinen sen kulman kosinin ruutuun, joka muodostaa polarisaattorin läpäisyakselin ja tulevan valon polarisaatioakselin. Toisin sanoen:

I = polarisaattorin lähettämä valon voimakkuus

θ = Kulku siirtoakselin ja tulevan säteen polarisaatioakselin välillä

I ₀ = Taustavalon voimakkuus

Malus-laki

Brewsterin laki

Pinnan heijastama valonsäde on täysin polarisoitunut suuntaan, joka on normaali valon kohdenpinnan tasoon nähden, kun heijastuneen säteen ja taitetyn säteen välinen kulma on yhtä suuri kuin 90 °.

Brewsterin laki

Sovellukset

Jotkut fyysisen optiikan sovelluksista ovat nestekiteiden tutkimuksessa, optisten järjestelmien suunnittelussa ja optisessa metrologiassa.

Nestekiteet

Nestekiteet ovat kiinteän tilan ja nestemäisen tilan välillä pidettäviä materiaaleja, joiden molekyyleillä on dipolimomentti, joka indusoi niihin valon polarisaation. Tästä ominaisuudesta on kehitetty laskimien, näyttöjen, kannettavien ja matkapuhelimien näytöt.

Digitaalikello nestekidenäytöllä (LCD)

Optisten järjestelmien suunnittelu

Optisia järjestelmiä käytetään usein arjessa, tieteessä, tekniikassa ja terveydenhuollossa. Optisten järjestelmien avulla tietoa voidaan käsitellä, tallentaa ja lähettää valonlähteistä, kuten aurinko, LED, volframilamppu tai laser. Esimerkkejä optisista järjestelmistä ovat difraktometri ja interferometri.

Optinen metrologia

Se vastaa fysikaalisten parametrien korkean resoluution mittaamisesta valoaallon perusteella. Nämä mittaukset tehdään interferometreillä ja taitekertoimilla. Lääketieteen alalla metrologiaa käytetään jatkuvasti seuraamaan potilaiden elintoimintoja.

Viimeaikainen fyysisen optiikan tutkimus

Optomekaaninen Kerker-vaikutus (AV Poshakinskiy1 ja AN Poddubny, 15. tammikuuta 2019)

Poshakinskiy ja Poddubny (1) osoittivat, että nanometriset hiukkaset, joilla on värähtelyliike, voivat osoittaa optisen-mekaanisen vaikutuksen, joka on samanlainen kuin mitä Kerker et al (2) ehdottivat vuonna 1983.

Kerker-ilmiö on optinen ilmiö, joka muodostuu pallomaisten magneettisten hiukkasten hajottaman valon voimakkaasta suunnasta. Tämä suuntaus vaatii, että hiukkasilla on sama voimakkuus kuin sähkövoimilla.

Kerker-efekti on teoreettinen ehdotus, joka vaatii materiaalihiukkasia, joilla on magneettisiä ja sähköisiä ominaisuuksia, joita tällä hetkellä ei ole luonnossa. Poshakinskiy ja Poddubny saavuttivat saman vaikutuksen nanometrisiin hiukkasiin ilman merkittävää magneettista vastetta, jotka värähtelevät avaruudessa.

Kirjoittajat osoittivat, että hiukkasten värähtelyt voivat luoda asianmukaisesti häiritseviä magneettisiä ja sähköisiä polarisaatioita, koska hiukkasessa indusoidaan saman suuruusluokan magneettiset ja sähköiset polaarisuuskomponentit, kun huomioidaan valon joustamaton sironta.

Kirjoittajat ehdottavat optisen-mekaanisen vaikutuksen soveltamista nanometrisissä optisissa laitteissa saattamalla ne värisemään akustisten aaltojen avulla.

Kehon ulkopuolinen optinen viestintä (DR Dhatchayeny ja YH Chung, toukokuu 2019)

Dhatchayeny ja Chung (3) ehdottavat kokeellista kehon ulkopuolista optista viestintäjärjestelmää (OEBC), joka voi välittää ihmisten elintärkeitä tietoja Android-tekniikalla varustettujen matkapuhelinten sovellusten kautta. Järjestelmä koostuu sarjaan antureita ja diodi-napa (LED-ryhmä).

Anturit asetetaan kehon eri osille tunnistamaan, käsittelemään ja välittämään elintärkeitä merkkejä, kuten pulssi, kehon lämpötila ja hengitysnopeus. Tiedot kerätään LED-ryhmän kautta ja välitetään matkapuhelimen kameran kautta optisen sovelluksen avulla.

LED-ryhmä säteilee valoa Rayleigh Gans Debye (RGB) -hajotusaallonpituusalueella. Jokainen säteilevän valon väri ja väriyhdistelmät liittyvät elintoimintoihin.

Tekijöiden ehdottama järjestelmä voi helpottaa elintoimintojen seurantaa luotettavalla tavalla, koska virheet kokeellisissa tuloksissa olivat vähäiset.

Viitteet

1. Optomekaaninen Kerker-efekti. Poshakinskiy, AV ja Poddubny, A N. 1, 2019, Physical Review X, osa 9, s. 2160-3308.
2. Sähkömagneettinen sironta magneettipallojen avulla. Kerker, M, Wang, DS ja Giles, C, L. 6, 1982, Journal of Optical Society of America, osa 73.
3. Optinen kehon ulkopuolinen viestintä älypuhelimien kameroilla ihmisen elintoimintojen siirtoon. Dhatchayeny, D ja Chung, Y. 15, 2019, Appi. Opt., Osa 58.
4. Al-Azzawi, A. Fyysisen optiikan periaatteet ja käytännöt. Boca Raton, FL: CRC Press Taylor & Francis -ryhmä, 2006.
5. Grattan-Guiness, I. Matemaattisten tieteiden historian ja filosofian seuralainen tietosanakirja. New York, USA: Routledge, 1994, osa II.
6. Akhmanov, SA ja Nikitin, S Yu. Fyysinen optiikka. New York: Oxford University Press, 2002.
7. Lipson, A, Lipson, SG ja Lipson, H. Fyysinen optiikka. Cambridge, UK: Cambridge University Press, 2011.
8. Mickelson, A R. Fyysinen optiikka. New York: Springer Science + Business Media, 1992.
9. Jenkins, FA ja White, H E. Optiikan perusteet. NY: McGraw Hill -yliopisto, 2001.