OPTIČNA FIZIKA: ZGODOVINA, POGOSTI IZRAZI, ZAKONI, APLIKACIJE - FIZIČNO - 2026

Za fizične optika je del optična študij valovno naravo svetlobe in fizikalnih pojavov, ki razume samo od modela valov. Proučuje tudi pojave motenj, polarizacije, difrakcije in druge pojave, ki jih iz geometrijske optike ni mogoče razložiti.

Model valov definira svetlobo kot elektromagnetno valovanje, katerega električno in magnetno polje niha pravokotno drug na drugega.

Elektromagnetno valovanje

Električno polje (E) svetlobnega vala se obnaša podobno kot njegovo magnetno polje (B), vendar električno polje prevladuje nad magnetnim poljem zaradi Maxwellovega odnosa (1831–1879), ki določa naslednje:

Kjer je c = hitrost širjenja vala.

Fizikalna optika ne pojasnjuje absorpcijskega in emisijskega spektra atomov. Po drugi strani se kvantna optika ukvarja s preučevanjem teh fizikalnih pojavov.

Zgodovina

Zgodovina fizikalne optike se začne s poskusi, ki jih je izvedel Grimaldi (1613-1663), ki je opazil, da se senca, ki jo je vrgel osvetljeni predmet, zdi širša in obdana z barvnimi črtami.

Poimenoval je difrakcijo opazovanega pojava. Njegovo eksperimentalno delo ga je pripeljalo do tega, da je predlagal valovno naravo svetlobe v nasprotju s konceptom Isaaca Newtona, ki je prevladoval v 18. stoletju.

Newtonova paradigma je ugotovila, da se svetloba obnaša kot žarek majhnih telesnih teles, ki potujejo z veliko hitrostjo po pravokotni poti.

Robert Hooke (1635-1703) je v svojih študijah o barvi in ​​lomljenosti zagovarjal valovno naravo svetlobe in izjavil, da se svetloba obnaša kot zvočni val, ki se širi hitro v trenutku skozi materialni medij.

Pozneje je Huygens (1629–1695) na podlagi Hookeovih idej utrpel valovno teorijo svetlobe v svojem Traité de la lumière (1690), v katerem je domneval, da se svetlobni valovi, ki jih oddajajo svetlobna telesa, širijo skozi subtilnega in elastičnega medija, imenovanega eter.

Huygenska teorija valov pojasni pojave odboja, loma in difrakcije veliko bolje kot Newtonova telesna teorija in kaže, da se svetlobna hitrost zmanjšuje pri prehodu iz manj gostega medija v gostejši.

Huygenske ideje znanstveniki takrat niso sprejeli iz dveh razlogov. Prvo je bilo nemogoče zadovoljivo razložiti definicijo etra, drugo pa je bil prestiž Newtona okoli njegove teorije mehanike, ki je vplivala na veliko večino znanstvenikov, da so se odločili podpreti telesno paradigmo svetlobe.

Ponovno rojstvo teorije valov

V zgodnjem 19. stoletju je Tomasu Youngu (1773–1829) znanstvena skupnost uspela pridobiti Huygensov model valovanja na podlagi rezultatov njegovega eksperimenta svetlobe. Poskus je omogočil določitev valovnih dolžin različnih barv.

Leta 1818 je Fresnell (1788–1827) ponovno postavil Huygenovo valovno teorijo v smislu načela interference. Pojasnil je tudi pojav birefringence svetlobe, ki mu je omogočil, da je pritrdil, da je svetloba prečni val.

Leta 1808 sta Arago (1788–1853) in Malus (1775–1812) razložila pojav polarizacije svetlobe iz valovnega modela.

Eksperimentalni rezultati Fizeaua (1819-1896) leta 1849 in Foucalta (1819-1868) leta 1862 so omogočili preverjanje, ali se svetloba širi hitreje v zraku kot v vodi, kar je v nasprotju s pojasnilom, ki ga je dal Newton.

Leta 1872 je Maxwell objavil svoj Pravilnik o elektriki in magnetizmu, v katerem je navedel enačbe, ki sintetizirajo elektromagnetizem. Iz svojih enačb je dobil valovno enačbo, ki mu je omogočala analizo vedenja elektromagnetnega valovanja.

Maxwell je ugotovil, da je hitrost širjenja elektromagnetnega vala povezana s širjenjem medija in sovpada s hitrostjo svetlobe, sklepa, da je svetloba elektromagnetno valovanje.

Končno je Hertz (1857–1894) leta 1888 uspel izdelati in zaznati elektromagnetne valove in potrditi, da je svetloba vrsta elektromagnetnega valovanja.

Kaj proučuje fizikalna optika?

Fizikalna optika proučuje pojave, povezane z valovno naravo svetlobe, kot so motnje, difrakcija in polarizacija.

Vmešavanje

Interferenca je pojav, pri katerem se dva ali več svetlobnih valov prekrivata in soobstajata v istem območju prostora in tvorita pasove svetle in temne svetlobe.

Svetli pasovi nastanejo, če se skupaj doda več valov, da nastane večji val amplitude. Ta vrsta motenj se imenuje konstruktivna interferenca.

Ko se valovi prekrivajo, da bi ustvarili valovanje z nižjo amplitudo, se motnja imenuje destruktivna interferenca in nastanejo pasovi temne svetlobe.

Vmešavanje

Način razdeljevanja barvnih pasov imenujemo motenjski vzorec. Motnje lahko opazimo v milnih mehurčkih ali oljnih plasteh na mokri cesti.

Difrakcija

Fenomen difrakcije je sprememba smeri širjenja, ki jo svetlobni val doživi, ​​ko zadene oviro ali se odpre, pri čemer spremeni svojo amplitudo in fazo.

Tako kot pojav motnje je tudi difrakcija rezultat superpozicije koherentnih valov. Dva ali več svetlobnih valov sta koherentna, kadar nihata z isto frekvenco in vzdržujeta konstantno fazno razmerje.

Ko je ovira manjša in manjša v primerjavi z valovno dolžino, pojav difrakcije prevladuje nad pojavom refleksije in loma pri določanju porazdelitve žarkov svetlobnega vala, ko zadene oviro. .

Polarizacija

Polarizacija je fizični pojav, s katerim val vibrira v eni smeri, pravokotni na ravnino, ki vsebuje električno polje. Če val nima določene smeri širjenja, rečemo, da val ni polariziran. Obstajajo tri vrste polarizacije: linearna polarizacija, krožna polarizacija in eliptična polarizacija.

Če val vibrira vzporedno s fiksno črto, ki opisuje ravno črto v ravnini polarizacije, naj bi bilo linearno polarizirano.

Kadar vektor električnega polja vala opisuje krog v ravnini, pravokotni na isto smer širjenja, pri čemer ohranja svojo magnitudo konstantno, se pravi, da je val krožno polariziran.

Če vektor električnega polja vala opisuje elipso v ravnini, pravokotni na isto smer širjenja, je rečeno, da je val eliptično polariziran.

Pogosti izrazi v fizikalni optiki

Polariziranje

To je filter, ki omogoča, da skozi njega preide le del svetlobe, usmerjen v eno samo določeno smer, ne da bi pustil, da bi skozi valove prešli tisti valovi, ki so usmerjeni v drugih smereh.

Vala spredaj

Je geometrijska površina, na kateri imajo vsi deli vala isto fazo.

Amplituda in faza valovanja

Amplituda je največje raztezanje vala. Faza vala je stanje vibracij v trenutku. Dva vala sta v fazi, ko imata enako stanje vibracij.

Brewster kot

To je kot vpadanja svetlobe, s katerim je svetlobni val, ki se odbija od vira, popolnoma polariziran.

Infrardeči

Svetloba, ki človeškemu očesu ni vidna v spektru elektromagnetnega sevanja od 700 nm do 1000 μm.

Hitrost svetlobe

Gre za konstanto hitrosti širjenja svetlobnega vala v vakuumu, katere vrednost je 3 × 10 ⁸ m / s. Vrednost hitrosti svetlobe se spreminja, ko se razmnožuje v materialnem mediju.

Valovna dolžina

Meritev razdalje med grebenom in drugim grebenom ali med dolino in drugo dolino vala, ko se širi.

Ultravijolično

Nevidno elektromagnetno sevanje s spektrom valovnih dolžin manj kot 400 nm.

Zakoni fizikalne optike

Spodaj so navedeni nekateri zakoni fizikalne optike, ki opisujejo pojave polarizacije in motenj

Zakoni Fresnell in Arago

1. Dva svetlobna vala z linearno, koherentno in pravokotno polarizacijo ne ovirata drug drugega, da tvorita interferenčni vzorec.
2. Dva območja svetlobe z linearno, koherentno in vzporedno polarizacijo lahko motijo ​​v območju prostora.
3. Dva vala naravne svetlobe z linearno, nekoherentno in pravokotno polarizacijo ne ovirata drug drugega, da tvorita interferenčni vzorec.

Zakon o malusu

Malusov zakon pravi, da je intenzivnost svetlobe, ki jo odda polarizer, sorazmerna s kvadratom kosinusa kota, ki tvori os prenosa polarizerja in os polarizacije vpadne svetlobe. Z drugimi besedami:

I = intenzivnost svetlobe, ki jo odda polarizer

θ = Kot med prenosno osjo in polarizacijsko osjo vpadnega žarka

I ₀ = intenzivnost svetlobe

Zakon o malusu

Brewsterjev zakon

Svetlobni žarek, ki ga odbija površina, je popolnoma polariziran, in sicer v smeri, normalni proti ravnini vpadanja svetlobe, ko je kot med odsevanim in s prelomljenim žarom enak 90 °.

Brewsterjev zakon

Prijave

Nekatere uporabe fizikalne optike so v preučevanju tekočih kristalov, pri oblikovanju optičnih sistemov in v optični meroslovju.

Tekoči kristali

Tekoči kristali so materiali, ki se zadržujejo med trdnim in tekočim stanjem, katerih molekule imajo dipolni moment, ki povzroči polarizacijo svetlobe, ki pade na njih. Iz te lastnosti so bili razviti zasloni za kalkulatorje, monitorje, prenosnike in mobilne telefone.

Digitalna ura z zaslonom s tekočimi kristali (LCD)

Oblikovanje optičnih sistemov

Optični sistemi se pogosto uporabljajo v vsakdanjem življenju, znanosti, tehnologiji in zdravstvu. Optični sistemi omogočajo obdelavo, snemanje in prenos informacij iz virov svetlobe, kot so sonce, LED, volframova svetilka ali laser. Primera optičnih sistemov sta difraktometer in interferometer.

Optično meroslovje

Odgovoren je za izvajanje meritev fizičnih parametrov z visoko ločljivostjo na osnovi svetlobnega vala. Te meritve so narejene z interferometri in lomnimi instrumenti. Na medicinskem področju se meroslovje uporablja za stalno spremljanje vitalnih znakov pacientov.

Najnovejše raziskave fizikalne optike

Optomehanski Kerkerjev učinek (AV Poshakinskiy1 in AN Poddubny, 15. januar 2019)

Poshakinskiy in Poddubny (1) sta pokazala, da lahko nanometrični delci z vibracijskim gibanjem kažejo optično-mehanski učinek, podoben tistemu, ki sta ga leta 1983 predlagala Kerker in sod. (2).

Kerkerjev učinek je optični pojav, ki sestoji iz pridobivanja močne usmeritve svetlobe, ki jo razkropijo sferični magnetni delci. Ta usmeritev zahteva, da imajo delci magnetne odzive enake intenzitete kot električne sile.

Kerkerjev učinek je teoretični predlog, ki zahteva, da materialni delci z magnetnimi in električnimi lastnostmi, ki trenutno ne obstajajo v naravi, Poshakinskiy in Poddubny dosežeta enak učinek na nanometrične delce, brez pomembnega magnetnega odziva, ki vibrirajo v vesolju.

Avtorji so pokazali, da lahko vibracije delcev ustvarijo ustrezne moteče magnetne in električne polarizacije, ker se v delcu pri obravnavi neelastičnega sipanja svetlobe inducirajo magnetne in električne polarne komponente istega reda.

Avtorji predlagajo uporabo optično-mehaničnega učinka v nanometričnih optičnih napravah tako, da z uporabo akustičnih valov vibrirajo.

Izvenkolesna optična komunikacija (DR Dhatchayeny in YH Chung, maj 2019)

Dhatchayeny in Chung (3) predlagata eksperimentalni sistem zunajtelesne optične komunikacije (OEBC), ki lahko prek aplikacij na mobilnih telefonih s tehnologijo Android prenaša informacije o vitalnih znakih ljudi. Sistem je sestavljen iz nabora senzorjev in diodnega vozlišča (LED matrika).

Senzorji so nameščeni na različnih delih telesa, da zaznajo, obdelujejo in sporočajo vitalne znake, kot so pulz, telesna temperatura in hitrost dihanja. Podatki se zbirajo prek LED matrike in z optično aplikacijo prenašajo preko kamere mobilnega telefona.

LED niz oddaja svetlobo v območju razprševanja valovne dolžine Rayleigh Gans Debye (RGB). Vsaka barvna in barvna kombinacija oddajane svetlobe je povezana z vitalnimi znaki.

Sistem, ki so ga predlagali avtorji, lahko na zanesljiv način olajša spremljanje vitalnih znakov, saj so bile napake v eksperimentalnih rezultatih minimalne.

Reference

1. Optomehanski učinek Kerkerja. Poshakinskiy, AV in Poddubny, A N. 1, 2019, Fizični pregled X, letnik 9, str. 2160-3308.
2. Elektromagnetno razprševanje magnetnih sfer. Kerker, M, Wang, DS in Giles, C L. 6, 1982, Journal of the Optical Society of America, letnik 73.
3. Optična komunikacija zunaj telesa s pomočjo pametnih kamer za prenos človeškega vitalnega znaka. Dhatchayeny, D in Chung, Y. 15, 2019, Appl. Opt., Letnik 58.
4. Al-Azzawi, A. Načela in prakse fizične optike. Boca Raton, FL: CRC Press Taylor & Francis Group, 2006.
5. Grattan-Guiness, I. Zgodovinska enciklopedija zgodovine in filozofije matematičnih znanosti. New York, ZDA: Routledge, 1994, letnik II.
6. Akhmanov, SA in Nikitin, S Yu. Fizikalna optika. New York: Oxford University Press, 2002.
7. Lipson, A, Lipson, SG in Lipson, H. Fizikalna optika. Cambridge, Velika Britanija: Cambridge University Press, 2011.
8. Mickelson, A. R. Fizikalna optika. New York: Springer Science + Business Media, 1992.
9. Jenkins, FA in White, H E. Osnove optike. NY: McGraw Hill High Education, 2001.