Optyka fizyczna: historia, częste terminy, prawa, zastosowania
Optyka fizyczna jest częścią optyki, która bada falową naturę światła i zjawisk fizycznych, które są zrozumiałe tylko z modelu falowego. Bada także zjawiska interferencji, polaryzacji, dyfrakcji i innych zjawisk, których nie można wyjaśnić z perspektywy geometrycznej.
Model falowy definiuje światło jako falę elektromagnetyczną, której pola elektryczne i magnetyczne oscylują prostopadle do siebie.
Pole elektryczne ( E ) fali świetlnej zachowuje się podobnie do swojego pola magnetycznego ( B ), ale pole elektryczne dominuje nad polem magnetycznym w relacji Maxwella (1831-1879), która stwierdza, że:
E = cB
Gdzie c = szybkość propagacji fali.
Optyka fizyczna nie wyjaśnia widma absorpcji i emisji atomów. Natomiast optyka kwantowa zajmuje się badaniem tych zjawisk fizycznych.
Historia
Historia optyki fizycznej zaczyna się od eksperymentów przeprowadzonych przez Grimaldiego (1613-1663), który zauważył, że cień rzucany przez oświetlony obiekt był szerszy i otoczony paskami kolorów.
Obserwowane zjawisko zwane dyfrakcją. Jego eksperymentalna praca doprowadziła go do podniesienia falowej natury światła, w przeciwieństwie do koncepcji Izaaka Newtona, która panowała w XVIII wieku.
Newtonowski paradygmat ustalił, że światło zachowywało się jak promień małych ciałek, które poruszały się z dużą prędkością w prostych trajektoriach.
Robert Hooke (1635-1703) bronił falowej natury światła w swoich badaniach nad kolorem i refrakcją, sugerując, że światło zachowuje się jak fala dźwiękowa rozprzestrzeniająca się szybko niemal natychmiast za pośrednictwem ośrodka materialnego.
Później Huygens (1629-1695), oparty na ideach Hooke'a, skonsolidował falową teorię światła w swoim Traité de la lumière (1690), w którym zakłada, że fale świetlne emitowane przez świetliste ciała są propagowane przez subtelnego i elastycznego medium zwanego eterem .
Teoria fal Huygensa wyjaśnia zjawiska odbicia, załamania i dyfrakcji znacznie lepiej niż teoria korpuskularna Newtona i pokazuje, że prędkość światła maleje, gdy przechodzi się z ośrodka mniej gęstego do gęstszego.
Pomysły Huygensa nie zostały zaakceptowane przez naukowców tamtych czasów z dwóch powodów. Pierwszą z nich była niemożność zadowalającego wyjaśnienia definicji eteru, a drugim był prestiż Newtona wokół jego teorii mechaniki, która wpłynęła na zdecydowaną większość naukowców, aby zdecydować się na poparcie korpuskularnego paradygmatu światła.
Renesans teorii fal
Na początku XIX wieku Tomásowi Youngowi (1773–1829) udało się skłonić społeczność naukową do zaakceptowania falowego modelu Huygensa z wyników jego eksperymentu interferencji światła. Eksperyment pozwolił określić długości fal różnych kolorów.
W 1818 r. Fresnell (1788-1827) ponownie przemyślał teorię fal Huygensa pod względem zasady interferencji. Wyjaśnił również zjawisko dwójłomności światła, co pozwoliło mu stwierdzić, że światło jest falą poprzeczną.
W 1808 roku Arago (1788-1853) i Malus (1775-1812) wyjaśnili zjawisko polaryzacji światła z modelu falowego.
Eksperymentalne wyniki Fizeau (1819-1896) w 1849 r. I Foucalta (1819-1868) w 1862 r. Umożliwiły zweryfikowanie, że światło rozprzestrzenia się szybciej w powietrzu niż w wodzie, zaprzeczając wyjaśnieniom Newtona.
W 1872 r. Maxwell opublikował swój traktat o elektryczności i magnetyzmie, w którym przedstawił równania syntetyzujące elektromagnetyzm. Z jego równań uzyskał równanie falowe, które pozwoliło nam przeanalizować zachowanie fali elektromagnetycznej.
Maxwell odkrył, że prędkość propagacji fali elektromagnetycznej jest związana z medium propagacji i pokrywa się z prędkością światła, dochodząc do wniosku, że światło jest falą elektromagnetyczną.
Wreszcie Hertz (1857-1894) w 1888 r. Udaje się wytworzyć i wykryć fale elektromagnetyczne i potwierdza, że światło jest rodzajem fali elektromagnetycznej.
Co studiuje optyka fizyczna?
Optyka fizyczna bada zjawiska związane z falową naturą światła, takie jak interferencja, dyfrakcja i polaryzacja.
Zakłócenia
Interferencja jest zjawiskiem, w którym dwie lub więcej fal świetlnych nakłada się na współistnienie w tym samym obszarze przestrzeni, tworząc pasma jasnego i ciemnego światła.
Jasne pasma pojawiają się, gdy dodaje się kilka fal, aby wytworzyć falę o większej amplitudzie. Ten typ zakłóceń nazywany jest interferencją konstruktywną.
Gdy fale nakładają się na siebie, aby wytworzyć falę o niższej amplitudzie, interferencja nazywana jest interferencją destrukcyjną i powstają pasma ciemnego światła.
Sposób rozprowadzania pasm kolorów nazywany jest wzorem interferencji. Zakłócenia można zaobserwować w baniek mydlanych lub w warstwach olejowych mokrej drogi.
Dyfrakcja
Zjawisko dyfrakcji jest zmianą kierunku propagacji, której doświadcza fala świetlna, gdy uderza w przeszkodę lub otwór zmieniając jej amplitudę i fazę.
Podobnie jak zjawisko interferencji, dyfrakcja jest wynikiem superpozycji fal spójnych. Dwie lub więcej fal świetlnych są spójne, gdy oscylują z tą samą częstotliwością, zachowując stałą zależność fazową.
Ponieważ przeszkoda staje się coraz mniejsza w porównaniu z długością fali, zjawisko dyfrakcji dominuje nad zjawiskiem odbicia i refrakcji w określaniu rozkładu promieni fali świetlnej po uderzeniu w przeszkodę,
Polaryzacja
Polaryzacja to zjawisko fizyczne, w którym fala wibruje w jednym kierunku prostopadłym do płaszczyzny zawierającej pole elektryczne. Jeśli fala nie ma ustalonego kierunku propagacji, mówi się, że fala nie jest spolaryzowana. Istnieją trzy rodzaje polaryzacji: polaryzacja liniowa, polaryzacja kołowa i polaryzacja eliptyczna.
Jeśli fala wibruje równolegle do linii stałej opisującej linię prostą w płaszczyźnie polaryzacji, mówi się, że jest spolaryzowana liniowo.
Gdy wektor pola elektrycznego fali opisuje okrąg w płaszczyźnie prostopadłej do tego samego kierunku propagacji, zachowując stałą jego wielkości, mówi się, że fala jest spolaryzowana kołowo.
Jeśli wektor pola elektrycznego fali opisuje elipsę w płaszczyźnie prostopadłej do tego samego kierunku propagacji, mówi się, że fala jest spolaryzowana eliptycznie.
Częste terminy w optyce fizycznej
Polaryzator
Jest to filtr, który pozwala tylko części światła, które są zorientowane w jednym określonym kierunku, przejść przez niego bez puszczania tych fal, które są zorientowane w innych kierunkach.
Fala frontowa
Jest to geometryczna powierzchnia, na której wszystkie części fali mają tę samą fazę.
Amplituda i faza fali
Amplituda to maksymalne wydłużenie fali. Faza fali to stan wibracji w chwili czasu. Dwie fale są w fazie, gdy mają ten sam stan wibracji.
Kąt Brewstera
Jest to kąt padania światła, za pomocą którego fala światła odbitego od źródła jest całkowicie spolaryzowana.
Podczerwień
Światło niewidoczne dla ludzkiego oka w widmie promieniowania elektromagnetycznego od 700 nm do 1000 μm.
Prędkość światła
Jest to stała prędkości propagacji fali świetlnej w próżni, której wartość wynosi 3 × 108 m / s. Wartość prędkości światła zmienia się, gdy propaguje się w ośrodku materialnym.
Długość fali
Pomiar odległości między grzbietem a innym grzbietem lub między doliną a inną doliną fali w celu jej propagacji.
Ultraviolet
Niewidoczne promieniowanie elektromagnetyczne o widmie długości fali poniżej 400 nm.
Prawa optyki fizycznej
Oto niektóre prawa optyki fizycznej opisujące zjawisko polaryzacji i zakłóceń
Prawa Fresnella i Arago
1. Dwie fale świetlne o liniowej, spójnej i prostopadłej polaryzacji nie zakłócają się wzajemnie, tworząc wzór interferencji.
2. Dwie fale świetlne o polaryzacji liniowej, spójne i równoległe mogą zakłócać obszar przestrzeni.
3. Dwie fale światła naturalnego o liniowej, niespójnej i prostopadłej polaryzacji nie zakłócają się wzajemnie, tworząc wzór interferencji.
Prawo Malusa
Prawo Malusa stwierdza, że natężenie światła transmitowanego przez polaryzator jest wprost proporcjonalne do kwadratu cosinusa kąta, który tworzy oś transmisyjną polaryzatora i oś polaryzacji padającego światła. Innymi słowy:
I = I 0 cos2θ
I = Ilość światła transmitowanego przez polaryzator
θ = Kąt między osią transmisji a osią polaryzacji wiązki padającej
I 0 = Natężenie padającego światła
Prawo Brewstera
Wiązka światła odbijana przez powierzchnię jest całkowicie spolaryzowana, w kierunku prostopadłym do płaszczyzny padania światła, gdy kąt tworzący wiązkę odbijaną przez załamaną wiązkę jest równy 90 °.
Aplikacje
Niektóre zastosowania optyki fizycznej dotyczą badania ciekłych kryształów, projektowania układów optycznych i metrologii optycznej.
Ciekłe kryształy
Ciekłe kryształy są materiałami utrzymywanymi między stanem stałym a stanem ciekłym, których cząsteczki mają moment dipolowy, który wywołuje polaryzację światła padającego na nie. Z tej nieruchomości powstały ekrany kalkulatorów, monitory, laptopy i telefony komórkowe.
Projektowanie układów optycznych
Często systemy optyczne są używane w życiu codziennym, nauce, technologii i zdrowiu. Systemy optyczne umożliwiają przetwarzanie, nagrywanie i przesyłanie informacji ze źródeł światła, takich jak słońce, dioda LED, lampa wolframowa lub laser. Przykładami układów optycznych są dyfraktometr i interferometr.
Metrologia optyczna
Odpowiada za wykonywanie pomiarów parametrów fizycznych w wysokiej rozdzielczości na podstawie fali świetlnej. Pomiary te są wykonywane za pomocą interferometrów i instrumentów refrakcyjnych. W dziedzinie medycyny metrologia służy do stałego monitorowania parametrów życiowych pacjentów.
Ostatnie badania w dziedzinie optyki fizycznej
Efekt optomechaniczny Kerkera (AV Poshakinskiy1 i AN Poddubny, 15 stycznia 2019)
Poshakinskiy i Poddubny (1) wykazali, że nanocząstki o ruchu wibracyjnym mogą wykazywać efekt optyczno-mechaniczny podobny do tego zaproponowanego przez Kerkera i in. (2) w 1983 roku.
Efekt Kerkera jest zjawiskiem optycznym, które polega na uzyskaniu silnej kierunkowości światła rozproszonego przez magnetyczne cząstki sferyczne. Ta kierunkowość wymaga, aby cząstki miały reakcje magnetyczne o takiej samej intensywności jak siły elektryczne.
Efekt Kerkera jest propozycją teoretyczną, która wymaga cząstek materialnych o właściwościach magnetycznych i elektrycznych, które obecnie nie istnieją w przyrodzie Poshakinskiy i Poddubny osiągnęli ten sam efekt w cząstkach nanometrycznych, bez znaczącej reakcji magnetycznej, który wibruje w przestrzeni.
Autorzy wykazali, że wibracje cząstki mogą tworzyć polaryzacje magnetyczne i elektryczne, które zakłócają się w odpowiedni sposób, ponieważ składniki cząsteczki magnetycznej i elektrycznej tego samego rzędu wielkości są indukowane w cząstce, gdy rozważane jest nieelastyczne rozpraszanie światła.
Autorzy proponują zastosowanie efektu optyczno-mechanicznego w nanoskalowych urządzeniach optycznych, wprawiając je w wibracje przez zastosowanie fal akustycznych.
Pozaustrojowa komunikacja optyczna (DR Dhatchayeny i YH Chung, maj 2019)
Dhatchayeny i Chung (3) proponują eksperymentalny system pozaustrojowej komunikacji optycznej (OEBC), który może przekazywać informacje o życiowych objawach ludzi poprzez aplikacje w telefonach komórkowych z technologią Android. System składa się z zestawu czujników i koncentratora diodowego (matryca LED).
Czujniki są umieszczone na różnych częściach ciała, aby wykrywać, przetwarzać i przekazywać sygnały życiowe, takie jak tętno, temperatura ciała i częstość oddechów. Dane są zbierane przez tablicę LED i przesyłane przez kamerę telefonu komórkowego z aplikacją optyczną.
Macierz LED emituje światło w zakresie długości fal dyspersji Rayleigha Gansa Debye'a (RGB). Każde połączenie kolorów i kolorów emitowanego światła jest związane z objawami życiowymi.
System zaproponowany przez autorów może w sposób niezawodny ułatwić monitorowanie parametrów życiowych, ponieważ błędy w wynikach eksperymentów były minimalne.
