Fizinė optika: istorija, dažni terminai, įstatymai, programos
Fizinė optika - tai optikos dalis, kuri tiria šviesos ir fizinių reiškinių, kurie suprantami tik iš bangų modelio, bangų pobūdį. Ji taip pat tiria interferencijos, poliarizacijos, difrakcijos ir kitų reiškinių, kurių negalima paaiškinti iš geometrinės perspektyvos, reiškinius.
Bangų modelis šviesą apibrėžia kaip elektromagnetinę bangą, kurios elektriniai ir magnetiniai laukai yra statmenai vienas kito atžvilgiu.
Šviesos bangos elektrinis laukas ( E ) veikia panašiai kaip ir jo magnetinis laukas ( B ), tačiau elektromagnetinis laukas viršija magnetinį lauką Maxwell santykiu (1831-1879), kuris nurodo:
E = cB
Kur c = bangos sklidimo greitis.
Fizinė optika nepaaiškina atomų absorbcijos ir emisijos spektro. Priešingai, kvantinė optika nagrinėja šių fizinių reiškinių tyrimą.
Istorija
Fizinės optikos istorija prasideda Grimaldi (1613-1663) atliktais eksperimentais, kurie pastebėjo, kad apšviesto objekto atspindėtas šešėlis buvo platesnis ir apsuptas spalvų juostelių.
Stebėtas reiškinys vadinamas difrakcija. Jo eksperimentinis darbas paskatino jį pakelti šviesos bangų prigimtį, prieštaraujant Izaoko Niutono koncepcijai, vyraujančiai XVIII a.
Niutono paradigma nustatė, kad šviesa elgėsi kaip mažų korpusų spindulys, judantis dideliu greičiu tiesiomis trajektorijomis.
Robertas Hookas (1635–1703) savo spalvas ir lūžio tyrimus gino šviesos bangų prigimtį, o tai rodo, kad šviesa elgėsi kaip garso banga, sparčiai sklindanti beveik akimirksniu per materialinę terpę.
Vėliau Huygens (1629-1695), remdamasis Hooke idėjomis, įtvirtino šviesos teoriją savo Traité de la lumière (1690 m.), Kuriame jis daro prielaidą, kad šviesos kūnų skleidžiamos šviesos bangos sklinda per subtilios ir elastingos terpės, vadinamos eteriu .
Huigenso bangos teorija aiškina atspindžio, refrakcijos ir difrakcijos reiškinius daug geriau nei Niutono korpusinės teorijos ir rodo, kad šviesos greitis mažėja, kai vyksta nuo mažiau tankios terpės iki tankesnio.
Huygens idėjos laikui bėgant mokslininkai nepriėmė dviejų priežasčių. Pirmasis buvo tai, kad neįmanoma tinkamai paaiškinti eterio apibrėžimo , o antrasis buvo Niutono prestižas aplink jo teoriją apie mechaniką, kuri turėjo įtakos didžiajai daliai mokslininkų nuspręsti paremti korpusinę šviesos paradigmą.
Bangos teorijos renesansas
XIX a. Pradžioje Tomás Young (1773–1829 m.) Sugebėjo gauti mokslinę bendruomenę priimti Huigenso bangų modelį iš jo šviesos trikdžių eksperimento rezultatų. Eksperimentas leido nustatyti skirtingų spalvų bangos ilgius.
1818 m. Fresnellas (1788–1827) permąstė Huygens bangų teoriją pagal trukdžių principą. Jis taip pat paaiškino šviesos dvikovos reiškinį, kuris leido jam patvirtinti, kad šviesa yra skersinė banga.
1808 m. Arago (1788-1853) ir Malus (1775-1812) paaiškino bangos modelio šviesos poliarizacijos reiškinį.
1849 m. Fizeau (1819-1896) ir 1862 m. Foucalt (1819-1868) eksperimentiniai rezultatai leido patikrinti, ar šviesa sparčiau plinta ore nei vandenyje, prieštaraujant Newton pateiktam paaiškinimui.
1872 m. Maxwellas paskelbė savo traktatą apie elektros energiją ir magnetizmą, kuriame jis apibūdino lygtis, kurios sintezavo elektromagnetizmą. Iš savo lygčių jis gavo bangų lygtį, leidžiančią analizuoti elektromagnetinės bangos elgesį.
Maxwellas nustatė, kad elektromagnetinės bangos sklidimo greitis yra susijęs su dauginimo terpe ir sutampa su šviesos greičiu, ir daro išvadą, kad šviesa yra elektromagnetinė banga.
Galiausiai, 1888 m. Hertz (1857-1894) sugeba gaminti ir aptikti elektromagnetines bangas ir patvirtina, kad šviesa yra elektromagnetinės bangos tipas.
Ką studijuoja fizinė optika?
Fizinė optika tiria reiškinius, susijusius su šviesos bangų pobūdžiu, tokiais kaip interferencija, difrakcija ir poliarizacija.
Trikdžiai
Trikdžiai yra reiškinys, pagal kurį du ar daugiau šviesos bangų yra toje pačioje erdvės vietoje, kartu suformuojant ryškias ir tamsias šviesas.
Ryškios juostos atsiranda, kai pridedamos kelios bangos, kad būtų sukurta didesnės amplitudės banga. Šio tipo trukdžiai vadinami konstruktyviais trukdžiais.
Kai bangos yra susietos su žemesnės amplitudės banga, interferencija vadinama destruktyviu trikdžiu, ir atsiranda tamsios šviesos juostos.
Spalvų juostų paskirstymo būdas vadinamas trikdžių modeliu. Interferenciją galima stebėti muilo burbuliukuose arba drėgno kelio alyvos sluoksniuose.
Difrakcija
Difrakcijos fenomenas yra keitimo krypties pakeitimas, kurį patiria šviesos bangos, kai jis pasiekia kliūtį ar diafragmą, pakeičiantį jo amplitudę ir fazę.
Kaip ir interferencijos reiškinys, difrakcija yra nuoseklių bangų superpozicijos rezultatas. Dvi ar daugiau šviesos bangų yra nuoseklios, kai jos svyruoja tuo pačiu dažniu, palaikydamos pastovią fazės santykį.
Kadangi kliūtis yra mažesnė ir mažesnė, palyginti su bangos ilgiu, nustatant šviesos bangos spindulių pasiskirstymą kliūtyje, difrakcijos fenomenas viršija atspindžio ir refrakcijos fenomeną.,
Poliarizacija
Poliarizacija - tai fizinis reiškinys, kuriuo banga vibruoja viena kryptimi, statmena plokštumai, kuriuose yra elektros laukas. Jei banga neturi fiksuotos sklidimo krypties, sakoma, kad banga nėra poliarizuota. Yra trys poliarizacijos tipai: tiesinė poliarizacija, apykaitinė poliarizacija ir elipsinė poliarizacija.
Jei banga vibruoja lygiagrečiai fiksuotai linijai, apibūdinančiai tiesią liniją poliarizacijos plokštumoje, sakoma, kad ji yra tiesiškai poliarizuota.
Kai bangos elektrinis lauko vektorius apibūdina apskritimą plokštumoje, statmenoje toje pačioje sklidimo krypčiai, išlaikydamas jo pastovumą, sakoma, kad banga yra cirkuliariai poliarizuota.
Jei bangos elektrinis lauko vektorius apibūdina elipsę plokštumoje, statmenoje toje pačioje sklidimo kryptyje, sakoma, kad banga yra elipsinė poliarizacija.
Dažnai terminai fizinėje optikoje
Polarizatorius
Tai filtras, leidžiantis tiktai tam tikrai šviesos daliai, kuri yra nukreipta per tam tikrą kryptį, praeiti pro tą bangą, kuri nukreipta į kitas kryptis.
Bangų priekis
Tai yra geometrinis paviršius, kuriame visos bangos dalys turi tą pačią fazę.
Bangos amplitudė ir fazė
Amplitudė yra didžiausia bangos pailgėjimas. Bangos fazė yra vibracijos būklė. Du bangos yra fazės, kai jos turi tą pačią vibracijos būseną.
Brewster kampas
Tai yra šviesos dažnio kampas, kurio dėka iš šaltinio atsispindi šviesos banga yra visiškai poliarizuota.
Infraraudonųjų spindulių ryšys
Šviesa, nematoma žmogaus akies elektromagnetinės spinduliuotės spektre nuo 700 nm iki 1000 μm.
Šviesos greitis
Tai yra vakuuminės bangos sklidimo greičio konstanta, kurios vertė yra 3 × 108 m / s. Šviesos greičio vertė kinta, kai ji skleidžia medžiagą.
Bangos ilgis
Atstumo tarp keteros ir kito kraigo arba tarp slėnio ir kito bangos slėnio matavimas.
Ultravioletiniai
Ne matoma elektromagnetinė spinduliuotė, kurios spektras yra mažesnis kaip 400 nm.
Fizinės optikos įstatymai
Štai keletas fizinės optikos įstatymų, kurie apibūdina poliarizacijos ir trukdžių reiškinius
Fresnelio ir Arago įstatymai
1. Dvi šviesos bangos su linijinėmis, koherentinėmis ir ortogoninėmis poliarizacijomis nesikiša viena į kitą, kad susidarytų trukdžių modelis.
2. Dvi šviesos bangos su linijinėmis poliarizacijomis, nuoseklios ir lygiagrečios, gali trukdyti erdvės regionui.
3. Dvi natūralios šviesos bangos, turinčios linijines, nekoherentines ir ortogonines poliarizacijas, netrukdo viena kitai suformuoti trukdžių modelį.
Maluso įstatymas
Maluso įstatyme nustatyta, kad poliarizatoriaus perduodamos šviesos intensyvumas yra tiesiogiai proporcingas kampo kosminio kvadrato, kuris sudaro poliarizatoriaus perdavimo ašį, ir atsitiktinės šviesos poliarizacijos ašies. Kitaip tariant:
I = I 0 cos2θ
I = poliarizatoriaus perduodamos šviesos kiekis
θ = kampas tarp transmisijos ašies ir įsijungiančios spindulio poliarizacijos ašies
I 0 = atsitiktinės šviesos intensyvumas
Brewster įstatymas
Paviršiaus atspindėtas šviesos spindulys yra visiškai poliarizuotas, įprasta link šviesos dažnio plokštumos, kai kampas, formuojantis lempą, atsispindusią lūžio spinduliu, yra lygus 90 °.
Programos
Kai kurios fizinės optikos taikomosios studijos yra skystųjų kristalų tyrimas, optinių sistemų projektavimas ir optinė metrologija.
Skystieji kristalai
Skystieji kristalai yra medžiagos, palaikomos tarp kietosios būsenos ir skystos būsenos, kurių molekulės turi dipolio momentą, kuris sukelia ant jų nukritusios šviesos poliarizaciją. Iš šio objekto buvo sukurti skaičiuoklės ekranai, monitoriai, nešiojamieji kompiuteriai ir mobilieji telefonai.
Optinių sistemų projektavimas
Dažnai optinės sistemos naudojamos kasdieniame gyvenime, moksle, technologijų ir sveikatos srityse. Optinės sistemos leidžia apdoroti, įrašyti ir perduoti informaciją iš šviesos šaltinių, pvz., Saulės, LED, volframo lempos ar lazerio. Optinių sistemų pavyzdžiai yra difraktometras ir interferometras.
Optinė metrologija
Ji yra atsakinga už didelės skiriamosios gebos fizinių parametrų matavimus, pagrįstus šviesos banga. Šie matavimai atliekami interferometrais ir lūžio instrumentais. Medicinos srityje metrologija naudojama nuolatiniam pacientų gyvybinių požymių stebėjimui.
Naujausi fizinės optikos tyrimai
Kerkerio optomechaninis efektas (AV Poshakinskiy1 ir AN Poddubny, 2019 m. Sausio 15 d.)
Poshakinskiy ir Poddubny (1) parodė, kad nanoskalės dalelės, turinčios vibracinį judėjimą, gali pasireikšti optiniu-mechaniniu poveikiu, panašiu į tai, ką 1983 m. Pasiūlė Kerkeris ir kt. (2).
„Kerker“ efektas yra optinis reiškinys, kurio metu gaunama stipri šviesos, išsibarsčiusios magnetinėmis sferinėmis dalelėmis, kryptys. Ši kryptis reikalauja, kad dalelės turi tokį pat intensyvumą kaip ir elektrinės jėgos.
„Kerker“ efektas yra teorinis pasiūlymas, kuriam reikalingos medžiagos, turinčios magnetinių ir elektrinių charakteristikų, kurios šiuo metu nėra gamtoje, o Poshakinskiy ir Poddubny pasiekė tą patį poveikį nanometrinėse dalelėse, be reikšmingo magnetinio atsako, kuris vibruoja erdvėje.
Autoriai parodė, kad dalelių vibracijos gali sukurti magnetinius ir elektrinius poliarizacijas, kurios trukdo tinkamu būdu, nes dalelės sudėtyje yra tokio pat dydžio magnetinio ir elektrinio poliškumo komponentai, kai atsižvelgiama į neelastingą šviesos sklaidą.
Autoriai siūlo optinio-mechaninio poveikio taikymą nanoskalės optiniuose įrenginiuose, juos naudojant vibruojant akustinėmis bangomis.
Ekstrakorporinė optinė komunikacija (DR Dhatchayeny ir YH Chung, 2019 m. Gegužės mėn.)
„Dhatchayeny“ ir „Chung“ (3) siūlo eksperimentinę ekstrakorporinės optinės komunikacijos sistemą (OEBC), kuri gali perduoti gyvybiškai svarbių ženklų informaciją žmonėms per „Android“ technologijas turinčius mobiliuosius telefonus. Sistema susideda iš jutiklių rinkinio ir diodų koncentratoriaus (LED matrica).
Jutikliai yra išdėstyti įvairiose kūno dalyse, kad būtų galima nustatyti, apdoroti ir perduoti gyvybinius požymius, tokius kaip pulsas, kūno temperatūra ir kvėpavimo dažnis. Duomenys renkami per LED matricą ir perduodami per mobiliojo telefono kamerą su optine programa.
LED matrica skleidžia šviesą Rayleigh Gans Debye (RGB) dispersijos bangos ilgio diapazone. Kiekviena spinduliuotės spalva ir spalvų deriniai yra susiję su gyvybiniais ženklais.
Autorių siūloma sistema gali palengvinti gyvybinių ženklų stebėjimą patikimai, atsižvelgiant į tai, kad eksperimentinių rezultatų klaidos buvo minimalios.
