Zgodovina fizične optike, pogosti izrazi, zakoni, aplikacije

The Fizična optika Del optike je, ki preučuje valovito naravo svetlobnih in fizičnih pojavov, ki jih razumemo le iz valovitega modela. Preučuje tudi pojave motenj, polarizacije, difrakcije in drugih pojavov, ki jih ni mogoče razložiti z geometrijske perspektive.

Utemalni model definira svetlobo kot elektromagnetni val, katerega električna in magnetna polja se medsebojno razlikujejo.

Elektromagnetni val [avtor Lennart Kudling Raphaël Deknop (https: // commons.Wikimedia.org/wiki/datoteka: electromagnet_wave_color.Pdf)]

Električno polje (In) Svetlobni val se obnaša podobno kot njihovo magnetno polje (B), vendar električno polje na magnetni prevladuje odnos Maxwella (1831-1879), ki določa naslednje:

In= CB

Kje c = Hitrost širjenja valov.

Fizikalna optika ne pojasnjuje spektra absorpcije in emisije atomov. Po drugi strani pa kvantna optika, če se lotite preučevanja teh fizikalnih pojavov.

[TOC]

Zgodovina

Zgodovina fizične optike se začne s poskusi, ki jih je izvedel Grimaldi (1613-1663), ki je opazil, da je senca, ki jo projicira osvetljeni predmet.

Opažen pojav ga je označil za difrakcijo. Njegovo eksperimentalno delo ga je pripeljalo do tega, da je dvignil valovito naravo svetlobe v nasprotju s konceptom Isaaca Newtona, ki je prevladoval v 18. stoletju.

Newtonska paradigma je ugotovila, da se svetloba obnaša kot žarek majhnih trupov, ki se je z visoko hitrostjo premikala v pravokotnih usmeritvah.

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

Kasneje Huygens (1629-1695), ki temelji na Hookeovih idejah, je utrdil valovito teorijo svetlobe v svoji I Trait de la lumière (1690), v katerem se svetlobni valovi, ki jih oddajajo svetlobna telesa, širijo s subtilnim in elastičnim medijem eter.

Huygens 'valovita teorija pojasnjuje pojave odseva, loma in difrakcije veliko bolje kot Newtonova korpuskularna teorija in dokazuje, da se hitrost svetlobe zmanjšuje s premikanjem iz manj gostega na enega bolj gostega medija.

Ideje Huygena niso sprejeli takratnih znanstvenikov iz dveh razlogov. Prva je bila nemogoče zadovoljivo razlagati definicijo eter, In drugi je bil Newtonov prestiž okoli svoje teorije o mehaniki, ki je vplivala na veliko večino znanstvenikov, ki so se odločili za podporo korpuskularne paradigme svetlobe.

Renesansa valovite teorije

Na začetku 19. stoletja Tomas Young (1773-1829) dobi znanstveno skupnost, da sprejme model Huygena iz rezultatov eksperimenta. Poskus je omogočil določitev valovnih dolžin različnih barv.

Leta 1818 Fresnell (1788-1827) je premislil o valoviti teoriji huygenov na podlagi načela motenj. Pojasnil je tudi pojav Birrefringia de la Luz, ki mu je omogočil, da potrdi, da je svetloba prečni val.

Leta 1808 Arago (1788-1853) in Malus (1775-1812) sta pojasnila pojav polarizacije svetlobe iz valovitega modela.

Eksperimentalni rezultati Fizeauja (1819-1896) leta 1849 in Foucalt (1819-1868) leta 1862 so dovolili preveriti, ali se svetloba širi v zraku hitreje kot v vodi, v nasprotju z razlago Newtona.

Vam lahko služi: kaj je relativno in absolutno hrapavost?

Leta 1872 Maxwell objavi svoje Pogodba o električni energiji in magnetizmu, v katerem izgovarja enačbe, ki sintetizirajo elektromagnetizem. Iz svojih enačb je dobil valovno enačbo, ki je omogočila analizo vedenja elektromagnetnega vala.

Maxwell je ugotovil, da je hitrost širjenja elektromagnetnega vala povezana s razmnoževalnim medijem in sovpada s hitrostjo svetlobe, pri čemer je ugotovil, da je svetloba elektromagnetni val.

Nazadnje Hertz (1857-1894) leta 1888 uspe izdelati in zaznati elektromagnetne valove in potrdi, da je svetloba elektromagnetni val.

Kaj študira fizična optika?

Študije fizikalne optike, povezane z valovito naravo svetlobe, kot so motnje, difrakcija in polarizacija.

Vmešavanje

Motnje je pojav, s katerim se dva ali več svetlobnih valov prekrivata v istem območju prostora, ki tvori svetle in temne svetlobe.

Svetli pasovi se pojavijo, ko dodamo več valov, da nastanejo višji val. Ta vrsta motenj se imenuje konstruktivna motnja.

Ko se valovi prekrivajo, da nastanejo val nižje širine, se moten.

Motnje [z induktiveload (https: // commons.Wikimedia.org/wiki/datoteka: konstruktivno_timensko.SVG)]

Način, kako se barvni pasovi porazdelijo, se imenuje interferenčni vzorec. Motnje je mogoče videti v milnih mehurčkih ali v oljnih plasteh mokre ceste.

Difrakcija

Pojav difrakcije je sprememba smeri širjenja, ki jo svetlobni val doživi tako, da vpliva na oviro ali odpiranje, ki spreminja njegovo amplitudo in fazo.

Tako kot pojav motenj je tudi difrakcija rezultat prekrivanja skladnih valov. Dva ali več svetlobnih valov sta dosledna, če se gibljeta z enako frekvenco z ohranjanjem stalnega faznega razmerja.

Ko se ovira povečuje.

Polarizacija

Polarizacija je fizični pojav, s katerim val vibrira v eni smeri, pravokotno na ravnino, ki vsebuje električno polje. Če val nima fiksne smeri širjenja, se reče, 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 polarizacijski ravnini, je rečeno, da je linearno polariziran.

Ko valovno električno polje opisuje krog v ravnini, pravokotni na isto smer širjenja.

Če vektor valovnega električnega polja opisuje elipso v ravnini, pravokotni na isto smeri širjenja.

Pogosti izrazi v fizični optiki

Polariziranje

To je filter, ki omogoča le del svetlobe, ki je usmerjen v eno samo specifično smeri, skozi njega prehaja, ne da bi pri tem manjkali tisti valovi, ki so usmerjeni v druge smeri.

Vam lahko služi: brezplačni diagram telesa

Valovno spredaj

To je geometrijska površina, v kateri imajo vsi deli vala isto fazo.

Amplituda in valovna faza

Amplituda je največja raztezanje vala. Faza vala je stanje vibracij v trenutku. Dva vala sta v fazi, ko imata isto vibracijsko stanje.

Brewster kot

Je kot vpadni kot, skozi katerega je odsevni svetlobni val popolnoma polariziran.

Infrardeče

Svetloba ni vidna s človeškim očesom v 700 elektromagnetnem spektru sevanjanm 1000μm.

Hitrost svetlobe

To je konstanta hitrosti širjenja svetlobnega vala v praznini, katere vrednost je 3 × 10⁸gospa. Svetloba svetlobe se pri širjenju v materialnem mediju razlikuje.

Valovna dolžina

Merilo razdalje med enim grebenom in drugim grebenom ali med eno dolino in drugo valovno dolino za širjenje.

Ultravijolični

Nevidno elektromagnetno sevanje s spektrom valovne dolžine manj kot 400nm.

Zakoni o fizični optiki

Spodaj so omenjeni nekateri zakoni fizične optike, ki opisujejo pojave polarizacije in motenj

Fresnell in Arago zakoni

1. Dva vala svetlobe z linearnim, koherentnim in pravokotnim polarizacijam se ne motita, da bi tvorila vzorec motenj.
2. Dva vala svetlobe z linearnim, skladnim in vzporednim polarizacijam se lahko vmešavata v območje prostora.
3. Dva naravna svetlobna vala z linearnim, nekoherentnim in pravokotnim polarizacijam ne motita drug drugega, da bi tvorila vzorec motenj.

Malus zakon

Zakon o Malusu določa, da je intenzivnost svetlobe, ki jo prenaša polarizator. Z drugimi besedami:

I = i₀cos²θ

I =Pomembnost svetlobe, ki jo prenaša polarizer

θ = Kot med osi prenosa in polarizacijskim osi vpadajočega žarka

Yo₀ = Incident intenzivnost svetlobe

Malus zakon [avtor Freshneesz (https: // commons.Wikimedia.org/wiki/datoteka: malus_law.SVG)]

Brewster Law

Svetlobni žarek, ki se odraža s površino, je popolnoma polariziran, v normalni smeri do ravnine svetlobe, ko je kot, ki tvori žarek, odbit z lomljenim snopom.

Brewster Law [avtor Pajs (https: // commons.Wikimedia.org/wiki/datoteka: Brewsters-kota.SVG)]

Prijave

Nekatere aplikacije za fizično optiko so v preučevanju tekočih kristalov, v zasnovi optičnih sistemov in optične metrologije.

Tekoči kristali

Tekoči kristali so materiali med trdnim in tekočim stanjem, katerih molekule imajo dipolski trenutek, ki povzroči polarizacijo svetlobe, ki vpliva nanje. Iz te lastnosti so bili razviti zasloni kalkulatorja, monitorjev, prenosnikov in mobilnih telefonov.

Digitalna ura s tekočim kristalnim zaslonom (LCD) [avtor BBCLCD (https: // commons.Wikimedia.org/wiki/datoteka: casio_lcd_watch_f-e10.JPG)]

Oblikovanje optičnih sistemov

Optični sistemi se pogosto uporabljajo v vsakdanjem življenju, v znanosti, tehnologiji in zdravju. Optični sistemi omogočajo obdelavo, registracijo in prenos informacij iz virov, kot so sonce, LED, volframova svetilka ali laser. Primeri optičnih sistemov so difraktometer in interferometer.

Optična metrologija

Odgovoren je za meritve visoke ločljivosti fizičnih parametrov, ki temeljijo na svetlobnem valu. Te meritve so narejene z interferometri in lovskimi instrumenti. Na medicinskem področju se meroslovje uporablja za stalno spremljanje pacientovih vitalnih znakov.

Lahko vam služi: magnetizacija: orbitalni in vrteni magnetni trenutek, primeri

Nedavne raziskave fizične optike

Optomechanični Kerker učinek (a. V. Poshakinskiy1 in a. N. Poddubny, 15. januar 2019)

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

Kerkerjev učinek je optični pojav, ki je sestavljen iz močne usmerjenosti svetlobe, ki jo razpršijo magnetni sferični delci. Ta usmeritev zahteva, da imajo delci magnetne odzive enake intenzivnosti kot električne sile.

Kerkerjev učinek je teoretični predlog, ki zahteva materialne delce z magnetnimi in električnimi lastnostmi, ki trenutno ne obstajajo v naravi Posthakinskiy in Poddubny, je dosegel enak učinek na nanometrične delce, brez pomembnega magnetnega odziva, ki vibrira v vesolju.

Avtorji so dokazali, da lahko vibracije delca ustvarijo magnetne in električne polarizacije, ki se pravilno vmešavajo, ker se inducira v delcu magnetne in električne polarnosti istega vrstnega reda, ko se upošteva neelastična disperzija svetlobe.

Avtorji predlagajo uporabo optično-mehanskega učinka na nanometrične optične naprave, ko jih vibrirajo z uporabo akustičnih valov.

Zunajkolna optična komunikacija (d. R. Dhatchayeny in y. H. Chung, maj 2019)

Dhatchayeny in Chung (3) predlagata eksperimentalni sistem zunajkorporativne optične komunikacije (OEBC), ki lahko posreduje informacije o vitalnih znakih ljudi prek aplikacij na mobilnih telefonih z Android Technology. Sistem je sestavljen iz niza senzorjev in koncentratorja diod (LED razporeditev).

Senzorji so nameščeni v različnih delih telesa, da zaznajo, predelajo in sporočajo vitalne znake, kot so impulz, telesna temperatura in hitrost dihanja. Podatki se zbirajo z razporeditvijo LED in se z optično aplikacijo prenašajo prek kamere mobilnega telefona.

LED razporeditev oddaja svetlobo v območju razpršenih valovnih dolžin Rayleight Gans Debye (RGB). Vsaka barvna in barvna kombinacije so povezane z vitalnimi znaki.

Sistem, ki ga predlagajo avtorji, lahko zanesljivo olajša spremljanje vitalnih znakov, saj so bile napake v eksperimentalnih rezultatih minimalne.

Reference

1. Optomehanični učinek Kerkerja. Poshakinskiy, A V in Poddubny, n. 1, 2019, fizični pregled X, Vol. 9, str. 2160-3308.
2. Elektromagnetno razprševanje z magnetnimi sferami. Kerker, M, Wang, D S in Giles, C L. 6, 1982, Journal of Optical Society of America, Vol. 73.
3. Optična komunikacija z dodatnim telesom z uporabo pametnih kamer za prenos človeškega vitalnega znaka. Dhatchayeny, D in Chung, in. 15, 2019, Appl. Opt., Vol. 58.
4. Al-Azzawi, a. Načela in prakse fizične optike. Boca Raton, FL: CRC Press Taylor & Francis Group, 2006.
5. Grattan-Guiness, tj. Spremljevalna enciklopedija zgodovine in filozofija matematičnih znanosti. New York, ZDA: Routledge, 1994, Vol. Ii.
6. Akhmanov, s a in nikitin, s yu. Fizična optika. New York: Oxford University Press, 2002.
7. Lipson, A, Lipson, S G in Lipson, H. Fizična optika. Cambridge, Velika Britanija: Cambridge University Press, 2011.
8. Mickelson, r. Fizična optika. New York: Springer Science+Business Media, 1992.
9. Jenkins, F A in White, H E. Osnove optike. NY: McGraw Hill Higher Education, 2001.