OPTISKĀ FIZIKA: VĒSTURE, BIEŽIE TERMINI, LIKUMI, LIETOJUMI - FIZISKĀ - 2025

Par fizisko optika ir daļa no optiskā pētot par gaismas viļņu dabu un fizikālas parādības, ka tikai saprot no viļņu modeli. Tajā tiek pētītas arī traucējumu, polarizācijas, difrakcijas un citas parādības, kuras nevar izskaidrot no ģeometriskās optikas.

Viļņu modelis gaismu definē kā elektromagnētisku vilni, kura elektriskie un magnētiskie lauki svārstās perpendikulāri viens otram.

Elektromagnētiskais vilnis

Gaismas viļņa elektriskais lauks (E) izturas līdzīgi tā magnētiskajam laukam (B), bet Maksvela attiecību dēļ (1831–1879) elektriskais lauks dominē pār magnētisko lauku, kas nosaka:

Kur c = viļņa izplatīšanās ātrums.

Fizikālā optika neizskaidro atomu absorbcijas un emisijas spektru. No otras puses, kvantu optika pievēršas šo fizisko parādību izpētei.

Vēsture

Fizikālās optikas vēsture sākas ar eksperimentiem, ko veica Grimaldi (1613-1663), kurš novēroja, ka apgaismota objekta mestā ēna ir plašāka un to ieskauj krāsainas svītras.

Viņš nosauca novērotās parādības difrakciju. Viņa eksperimentālais darbs lika viņam ierosināt gaismas viļņa raksturu pretstatā Īzaka Ņūtona koncepcijai, kas valdīja 18. gadsimtā.

Ņūtona paradigma atklāja, ka gaisma izturējās kā mazu asinsķermenīšu stari, kas lielu ātrumu pārvietojās taisnā ceļā.

Roberts Hoks (1635–1703), veicot pētījumus par krāsu un refrakciju, aizstāvēja gaismas viļņu raksturu, norādot, ka gaisma izturējās kā skaņas vilnis, kas gandrīz acumirklī izplatās caur materiālo vidi.

Vēlāk Huygens (1629–1695), balstoties uz Hooke idejām, savā Traité de la lumière (1690) nostiprināja gaismas viļņu teoriju, kurā viņš uzskatīja, ka gaismas ķermeņu izstarotie gaismas viļņi izplatās caur smalku un elastīgu barotni, ko sauc par ēteri.

Hjūgena viļņu teorija daudz labāk nekā Ņūtona korpuskulārā teorija izskaidro refleksijas, refrakcijas un difrakcijas parādības un parāda, ka gaismas ātrums samazinās, pārejot no mazāk blīvas vides uz blīvāku.

Hjūgena idejas tolaik zinātnieki nepieņēma divu iemeslu dēļ. Pirmais bija nespēja pietiekami izskaidrot ētera definīciju, bet otrais bija Ņūtona prestižs ap viņa mehānikas teoriju, kas ietekmēja lielāko daļu zinātnieku, lai viņi izlemtu atbalstīt gaismā asinsķermenīšu paradigmu.

Viļņu teorijas atdzimšana

19. gadsimta sākumā Tomasam Youngam (1773–1829) izdevās panākt, lai zinātnieku aprindās tiktu pieņemts Huigena viļņu modelis, pamatojoties uz viņa gaismas traucējumu eksperimenta rezultātiem. Eksperiments ļāva noteikt dažādu krāsu viļņu garumus.

1818. gadā Fresnell (1788–1827) atkārtoja Huygens viļņu teoriju attiecībā uz iejaukšanās principu. Viņš arī izskaidroja gaismas divkāršās noārdīšanās fenomenu, kas ļāva viņam apstiprināt, ka gaisma ir šķērsvirziens.

1808. gadā Arago (1788–1853) un Malus (1775–1812) izskaidroja gaismas viļņu modeļa polarizācijas parādību.

Fizeau (1819-1896) 1849. gadā un Foucalt (1819-1868) eksperimentālie rezultāti 1862. gadā ļāva pārliecināties, ka gaisma izplatās ātrāk gaisā nekā ūdenī, kas ir pretrunā ar Ņūtona sniegto skaidrojumu.

1872. gadā Maksvels publicēja traktātu par elektrību un magnētismu, kurā viņš izteica vienādojumus, kas sintezē elektromagnētismu. No saviem vienādojumiem viņš ieguva viļņu vienādojumu, kas ļāva viņam analizēt elektromagnētiskā viļņa izturēšanos.

Maksvels atklāja, ka elektromagnētiskā viļņa izplatīšanās ātrums ir saistīts ar izplatīšanās vidi un sakrīt ar gaismas ātrumu, secinot, ka gaisma ir elektromagnētiskais vilnis.

Visbeidzot, Hercam (1857–1894) 1888. gadā izdevās radīt un atklāt elektromagnētiskos viļņus un apstiprināt, ka gaisma ir elektromagnētisko viļņu tips.

Ko studē fiziskā optika?

Fizikālā optika pēta parādības, kas saistītas ar gaismas viļņu raksturu, piemēram, traucējumus, difrakciju un polarizāciju.

Iejaukšanās

Traucējumi ir parādība, kurā divi vai vairāki gaismas viļņi pārklājas, līdzāspastāvējot vienā un tajā pašā telpas reģionā, veidojot spilgtas un tumšas gaismas joslas.

Spilgtas joslas tiek ražotas, ja tiek apvienoti vairāki viļņi, lai iegūtu lielāku amplitūdas viļņu. Šāda veida traucējumus sauc par konstruktīviem traucējumiem.

Kad viļņi pārklājas, lai iegūtu zemākas amplitūdas viļņus, traucējumus sauc par destruktīviem traucējumiem, un tiek izveidotas tumšas gaismas joslas.

Iejaukšanās

Krāsaino joslu sadalījuma veidu sauc par traucējumu modeli. Traucējumus var redzēt ziepju burbuļos vai eļļas slāņos uz slapja ceļa.

Difrakcija

Difrakcijas parādība ir izplatīšanās virziena izmaiņas, ko piedzīvo gaismas vilnis, kad tas nonāk šķēršlī vai atverē, mainot tā amplitūdu un fāzi.

Tāpat kā traucējumu parādība, difrakcija ir koherentu viļņu superpozīcijas rezultāts. Divi vai vairāki gaismas viļņi ir koherenti, kad tie oscilējas ar tādu pašu frekvenci, saglabājot nemainīgu fāzes attiecību.

Tā kā šķērslis kļūst mazāks un mazāks, salīdzinot ar viļņa garumu, difrakcijas parādība ir dominējoša pār refleksijas un refrakcijas parādību, nosakot gaismas viļņa staru sadalījumu, tiklīdz tas ir saskāries ar šķērsli. .

Polarizācija

Polarizācija ir fiziska parādība, ar kuras palīdzību vilnis vibrē vienā virzienā perpendikulāri plaknei, kurā atrodas elektriskais lauks. Ja vilnim nav fiksēta izplatīšanās virziena, tiek teikts, ka vilnim nav polarizācijas. Pastāv trīs polarizācijas veidi: lineārā polarizācija, apļveida polarizācija un elipsveida polarizācija.

Ja vilnis vibrē paralēli fiksētai līnijai, kas apraksta taisnu līniju polarizācijas plaknē, tiek uzskatīts, ka tā ir lineāri polarizēta.

Ja viļņa elektriskā lauka vektors apraksta apli plaknē, kas ir perpendikulāra tam pašam izplatīšanās virzienam, saglabājot nemainīgu tā amplitūdu, tiek uzskatīts, ka vilnis ir apļveida polarizēts.

Ja viļņa elektriskā lauka vektors apraksta elipsi plaknē, kas ir perpendikulāra tam pašam izplatīšanās virzienam, tiek uzskatīts, ka vilnis ir eliptiski polarizēts.

Biežie termini fizikālajā optikā

Polarizējoša

Tas ir filtrs, kas tikai tai gaismas daļai, kas ir orientēta vienā noteiktā virzienā, ļauj tam iziet cauri, neļaujot cauri tiem viļņiem, kas ir orientēti citos virzienos.

Vilnis priekšā

Tā ir ģeometriskā virsma, kurā visām viļņa daļām ir vienāda fāze.

Viļņa amplitūda un fāze

Amplitūda ir maksimālais viļņa pagarinājums. Viļņa fāze ir vibrācijas stāvoklis vienā mirklī. Divi viļņi ir fāzē, kad tiem ir vienāds vibrācijas stāvoklis.

Brewster leņķis

Tas ir gaismas krišanas leņķis, pēc kura gaismas avots, ko atstaro no avota, ir pilnībā polarizēts.

Infrasarkanais

Gaisma, kas cilvēka acij nav redzama elektromagnētiskā starojuma spektrā no 700 nm līdz 1000 μm.

Gaismas ātrums

Tā ir gaismas viļņa izplatīšanās ātruma konstante vakuumā, kuras vērtība ir 3 × 10 ⁸ m / s. Gaismas ātruma vērtība mainās, kad tas izplatās materiālā vidē.

Viļņa garums

Attāluma mērījums starp virsu un citu virsu vai starp ieleju un citu viļņa ieleju, kad tā izplatās.

Ultravioletais

Neredzams elektromagnētiskais starojums ar viļņu garuma spektru, mazāku par 400 nm.

Fizikālās optikas likumi

Zemāk ir minēti daži fizikālās optikas likumi, kas apraksta polarizācijas un traucējumu parādības

Fresnell un Arago likumi

1. Divi gaismas viļņi ar lineāru, koherentu un ortogonālu polarizāciju netraucē viens otru, veidojot traucējumus.
2. Divi gaismas viļņi ar lineāru, koherentu un paralēlu polarizāciju var radīt traucējumus telpas telpā.
3. Divi dabiskās gaismas viļņi ar lineāru, nekoherentu un ortogonālu polarizāciju netraucē viens otru, veidojot traucējumus.

Malus likums

Malusa likums nosaka, ka polarizatora pārraidītās gaismas intensitāte ir tieši proporcionāla leņķa kosinusa kvadrātam, kas veido polarizatora pārraides asi un krītošās gaismas polarizācijas asi. Citiem vārdiem sakot:

I = polarizatora pārraidītās gaismas intensitāte

θ = leņķis starp transmisijas asi un krītošā starojuma polarizācijas asi

I ₀ = negadījuma gaismas intensitāte

Malus likums

Brewster likums

Gaismas stars, ko atstaro virsma, ir pilnībā polarizēts virzienā pret normālo gaismas krišanas plakni, kad leņķis, ko atstarotais stars veido ar refrakcijas staru, ir vienāds ar 90 °.

Brewster likums

Lietojumprogrammas

Daži no fizikālās optikas pielietojumiem ir šķidro kristālu izpēte, optisko sistēmu projektēšana un optiskā metroloģija.

Šķidrie kristāli

Šķidrie kristāli ir materiāli, kas tiek turēti starp cietu un šķidru stāvokli, un kuru molekulām ir dipola moments, kas izraisa uz tām krītošās gaismas polarizāciju. No šī īpašuma ir izstrādāti kalkulatora ekrāni, monitori, klēpjdatori un mobilie tālruņi.

Digitālais pulkstenis ar šķidro kristālu displeju (LCD)

Optisko sistēmu projektēšana

Optiskās sistēmas bieži izmanto ikdienas dzīvē, zinātnē, tehnoloģijās un veselības aprūpē. Optiskās sistēmas ļauj apstrādāt, reģistrēt un pārraidīt informāciju no gaismas avotiem, piemēram, saules, LED, volframa lampas vai lāzera. Optisko sistēmu piemēri ir difraktometrs un interferometrs.

Optiskā metroloģija

Tas ir atbildīgs par fizisko parametru augstas izšķirtspējas mērījumu veikšanu, pamatojoties uz gaismas viļņu. Šie mērījumi tiek veikti ar interferometriem un refrakcijas instrumentiem. Medicīnas jomā metroloģiju izmanto, lai pastāvīgi uzraudzītu pacientu dzīvībai svarīgās pazīmes.

Jaunākie pētījumi fizikālā optikā

Optomehāniskais Kerkera efekts (AV Poshakinskiy1 un AN Poddubny, 2019. gada 15. janvāris)

Poshakinskiy un Poddubny (1) parādīja, ka nanometriskās daļiņas ar vibrācijas kustību var izjust optiski-mehānisku efektu, kas līdzīgs tam, ko 1983. gadā ierosināja Kerker et al (2).

Kerkera efekts ir optiska parādība, kas sastāv no spēcīgas gaismas virziena iegūšanas, ko izkliedē sfēriskas magnētiskas daļiņas. Šī virziena pakāpe prasa, lai daļiņām būtu tādas pašas intensitātes magnētiskās atbildes kā elektriskajiem spēkiem.

Kerkera efekts ir teorētisks priekšlikums, kas prasa materiāla daļiņas ar magnētiskām un elektriskām īpašībām, kuras dabā patlaban nepastāv. Poshakinskiy un Poddubny panāca tādu pašu efektu uz nanometriskām daļiņām bez nozīmīgas magnētiskās atbildes, kas vibrē telpā.

Autori parādīja, ka daļiņu vibrācijas var radīt attiecīgi traucējošas magnētiskās un elektriskās polarizācijas, jo, ņemot vērā gaismas neelastīgo izkliedi, daļiņā tiek ierosinātas tādas pašas magnētiskās un elektriskās polaritātes sastāvdaļas.

Autori piedāvā optiski-mehānisko efektu pielietot nanometriskās optiskajās ierīcēs, padarot tās vibrācijas, pielietojot akustiskos viļņus.

Ārpuskorporālā optiskā komunikācija (DR Dhatchayeny un YH Chung, 2019. gada maijs)

Dhatchayeny un Chung (3) ierosina eksperimentālu ārpuskorporālā optiskā sakaru (OEBC) sistēmu, kas var pārraidīt cilvēku dzīvībai svarīgo pazīmju informāciju, izmantojot lietojumprogrammas mobilajos tālruņos ar Android tehnoloģiju. Sistēma sastāv no sensoru komplekta un diodes centrmezgla (LED masīva).

Sensori tiek novietoti uz dažādām ķermeņa daļām, lai noteiktu, apstrādātu un paziņotu tādas dzīvībai svarīgas pazīmes kā pulss, ķermeņa temperatūra un elpošanas ātrums. Dati tiek savākti, izmantojot LED masīvu, un ar optiskās lietotnes palīdzību tiek pārsūtīti caur mobilā tālruņa kameru.

LED bloks izstaro gaismu Raileigh Gans Debye (RGB) izkliedes viļņu garuma diapazonā. Katra izstarotās gaismas krāsa un krāsu kombinācijas ir saistītas ar dzīvības pazīmēm.

Autoru piedāvātā sistēma var ticami atvieglot dzīvībai svarīgo pazīmju uzraudzību, jo kļūdas eksperimenta rezultātos bija minimālas.

Atsauces

1. Optomehāniskais Kerkera efekts. Poshakinskiy, AV un Poddubny, A N. 1, 2019, Fiziskais apskats X, 9. sēj., 1. lpp. 2160-3308.
2. Elektromagnētiskā izkliede pa magnētiskajām sfērām. Kerker, M, Wang, DS un Giles, C. L., 6, 1982, Journal of the Optical Society of America, 73. sēj.
3. Optiska saziņa ārpus ķermeņa, izmantojot viedtālruņu kameras, lai pārraidītu cilvēka dzīvības zīmes. Dhatchayeny, D un Chung, Y. 15, 2019, Appl. Opt., 58. sējums.
4. Al-Azzawi, A. Fizikālās optikas principi un prakse. Boca Raton, FL: CRC Press Taylor & Francis grupa, 2006. gads.
5. Grattan-Guiness, I. Matemātisko zinātņu vēstures un filozofijas pavadošā enciklopēdija. Ņujorka, ASV: Routledge, 1994, II sējums.
6. Akhmanov, SA un Nikitin, S Yu. Fiziskā optika. Ņujorka: Oxford University Press, 2002. gads.
7. Lipsons, A, Lipsons, SG un Lipsons, H. Fiziskā optika. Kembridža, Lielbritānija: Cambridge University Press, 2011.
8. Miķelsons, A R. Fizikālā optika. Ņujorka: Springer Science + Business Media, 1992.
9. Dženkinss, FA un White, H E. Optikas pamati. NY: McGraw Hill augstākā izglītība, 2001.