OPTINĖ FIZIKA: ISTORIJA, DAŽNI TERMINAI, ĮSTATYMAI, PROGRAMOS - FIZINIS - 2025

Į bangų optika yra dalis optinis studijuoja bangų pobūdį šviesos ir fizinius reiškinius, kad tik suprasti iš bangų modelį. Taip pat tiriami trukdžių, poliarizacijos, difrakcijos ir kiti reiškiniai, kurių neįmanoma paaiškinti iš geometrinės optikos.

Bangos modelis apibūdina šviesą kaip elektromagnetinę bangą, kurios elektriniai ir magnetiniai laukai svyruoja statmenai vienas kitam.

Elektromagnetinė banga

Šviesos bangos elektrinis laukas (E) veikia panašiai kaip jos magnetinis laukas (B), tačiau elektrinis laukas vyrauja magnetiniame lauke dėl Maksvelio santykio (1831–1879), kuris nustato:

Kur c = bangos plitimo greitis.

Fizinė optika nepaaiškina atomų absorbcijos ir emisijos spektro. Kita vertus, kvantinė optika skirta šių fizikinių reiškinių tyrimui.

Istorija

Fizinės optikos istorija prasideda nuo eksperimentų, kuriuos atliko Grimaldi (1613–1663), kuris pastebėjo, kad apšviesto objekto metamas šešėlis pasirodė platesnis ir buvo apsuptas spalvotomis juostelėmis.

Stebėtą reiškinį jis pavadino difrakcija. Eksperimentinis darbas paskatino jį pasiūlyti šviesos bangos pobūdį, priešingai nei Izaoko Newtono samprata, vyravusi XVIII a.

Niutono paradigma nustatė, kad šviesa elgėsi kaip mažų kraujo kūnelių spindulys, einantis dideliu greičiu tiesiais keliais.

Robertas Hooke'as (1635–1703), tirdamas spalvą ir refrakciją, gynė šviesos bangos prigimtį ir teigė, kad šviesa elgiasi kaip garso banga, sklindanti greitai akimirksniu per materialią terpę.

Vėliau Huygensas (1629–1695), remdamasis Hooke'o idėjomis, savo „Traité de la lumière“ (1690) įtvirtino šviesos bangų teoriją, kurioje jis manė, kad šviesos kūnų skleidžiamos šviesos bangos sklinda per subtilios ir elastingos terpės, vadinamos eteriu.

Huygenso bangų teorija atspindžio, refrakcijos ir difrakcijos reiškinius paaiškina daug geriau nei Niutono korpuskuliarinė teorija ir parodo, kad šviesos greitis mažėja pereinant iš ne tokios tankios terpės į tankesnę.

Tuo metu Huygenso idėjos nebuvo priimtos dėl dviejų priežasčių. Pirmasis buvo neįmanoma tinkamai paaiškinti eterio apibrėžimo, o antrasis buvo Niutono prestižas aplink jo mechanikos teoriją, kuri paveikė didžiąją dalį mokslininkų nusprendus palaikyti korpuskuliarinę šviesos paradigmą.

Bangos teorijos atgimimas

XIX amžiaus pradžioje Tomui Youngui (1773–1829) pavyko priversti mokslo bendruomenę priimti Huygenso bangos modelį, pagrįstą jo šviesos trukdžių eksperimento rezultatais. Eksperimentas leido nustatyti skirtingų spalvų bangų ilgius.

1818 m. Fresnellis (1788–1827) pakartojo Huygenso bangų teoriją interferencijos principo prasme. Jis taip pat paaiškino šviesos dvigubo lūžio fenomeną, kuris leido patvirtinti, kad šviesa yra skersinė banga.

1808 m. Arago (1788–1853) ir Malusas (1775–1812) paaiškino šviesos poliarizacijos reiškinį iš bangos modelio.

1849 m. Fizeau (1819–1896) ir 1862 m. Foucalt (1819–1868) eksperimentiniai rezultatai leido patikrinti, ar šviesa ore sklinda greičiau nei vandenyje, ir tai prieštarauja Niutono paaiškinimams.

1872 m. Maksvelas paskelbė savo traktatą apie elektrą ir magnetizmą, kuriame jis paskelbė lygtis, kurios sintezuoja elektromagnetizmą. Iš savo lygčių jis gavo bangų lygtį, kuri leido jam išanalizuoti elektromagnetinės bangos elgseną.

Maksvelas nustatė, kad elektromagnetinės bangos sklidimo greitis yra susijęs su sklidimo terpe ir sutampa su šviesos greičiu, padarydamas išvadą, kad šviesa yra elektromagnetinė banga.

Galiausiai 1888 m. Hertzui (1857–1894) pavyko sukurti ir aptikti elektromagnetines bangas ir patvirtinti, kad šviesa yra elektromagnetinių bangų rūšis.

Ką mokosi fizinė optika?

Fizikinė optika tiria reiškinius, susijusius su šviesos bangos pobūdžiu, tokius kaip trukdžiai, difrakcija ir poliarizacija.

Trukdžiai

Interferencija yra reiškinys, kai du ar daugiau šviesos bangų sutampa, egzistuoja tame pačiame erdvės regione ir sudaro ryškios ir tamsios šviesos juostas.

Ryškios juostos sukuriamos, kai kelios bangos pridedamos kartu, kad būtų sukurta didesnė amplitudės banga. Šis trukdžių tipas vadinamas konstruktyviu trukdžiu.

Kai bangos sutampa, kad susidarytų mažesnės amplitudės banga, trukdžiai vadinami destruktyviaisiais trukdžiais, ir susidaro tamsios šviesos juostos.

Trukdžiai

Spalvotų juostų pasiskirstymas vadinamas trikdžių modeliu. Trikdžius galima pastebėti muilo burbuluose ar aliejaus sluoksniuose šlapiame kelyje.

Difrakcija

Difrakcijos reiškinys yra sklidimo krypties pasikeitimas, kurį patiria šviesos banga, atsitrenkusi į kliūtį ar angą, pakeisdama jos amplitudę ir fazę.

Kaip ir trukdžių reiškinys, difrakcija yra koherentinių bangų superpozicijos rezultatas. Dvi ar daugiau šviesos bangų yra koherentinės, kai jos virpa tuo pačiu dažniu, palaikydamos pastovų fazių santykį.

Kliūtis tampa mažesnė, palyginti su bangos ilgiu, todėl difrakcijos reiškinys vyrauja atspindžio ir refrakcijos fenomeno atžvilgiu nustatant šviesos bangos spindulių pasiskirstymą, kai tik jis susiduria su kliūtimi .

Poliarizacija

Poliarizacija yra fizinis reiškinys, kurio metu banga vibruoja viena kryptimi statmenai plokštumai, kurioje yra elektrinis laukas. Jei banga neturi fiksuotos sklidimo krypties, sakoma, kad banga nėra poliarizuota. Yra trys poliarizacijos tipai: tiesinė poliarizacija, apskrito poliarizacija ir elipsinė poliarizacija.

Jei banga vibruoja lygiagrečiai fiksuotai linijai, apibūdinančiai tiesę poliarizacijos plokštumoje, ji sako, kad linijiškai poliarizuota.

Kai bangos elektrinio lauko vektorius apibūdina apskritimą plokštumoje, statmenoje ta pačiai sklidimo krypčiai, išlaikant pastovų jo dydį, banga sako, kad ji yra apskrito poliarizuota.

Jei bangos elektrinio lauko vektorius apibūdina elipsę plokštumoje, statmenoje ta pačiai sklidimo krypčiai, banga yra sakoma, kad elipsiškai poliarizuota.

Dažni fizinės optikos terminai

Poliarizacija

Tai yra filtras, leidžiantis pro jį praskristi tik tam tikra kryptimi nukreiptai šviesos daliai, neleidžiant pro jas praeiti kitoms kryptims nukreiptoms bangoms.

Bangos priekis

Tai yra geometrinis paviršius, kuriame visos bangos dalys turi vienodą fazę.

Bangos amplitudė ir fazė

Amplitudė yra didžiausias bangos pailgėjimas. Bangos fazė yra vibracijos būsena tam tikru momentu. Dvi bangos yra fazėje, kai jų vibracijos būsena yra vienoda.

Brewsterio kampas

Tai šviesos kritimo kampas, kuriuo šviesos šaltinis, atspindimas iš šaltinio, yra visiškai poliarizuotas.

Infraraudonųjų spindulių

Žmogaus akiai nematyta šviesa elektromagnetinės radiacijos spektre nuo 700 nm iki 1000 μm.

Šviesos greitis

Tai šviesos bangos sklidimo greičio konstanta vakuume, kurios vertė yra 3 × 10 ⁸ m / s. Šviesos greičio vertė kinta, kai jis plinta materialioje terpėje.

Bangos ilgis

Atstumo tarp rutulio ir kito rėžio arba tarp slėnio ir kito bangos slėnio, sklindant išmatuoti.

Ultravioletinis

Nematoma elektromagnetinė spinduliuotė, kurios bangos ilgis yra mažesnis kaip 400 nm.

Fizikinės optikos įstatymai

Žemiau yra paminėti kai kurie fizinės optikos dėsniai, apibūdinantys poliarizacijos ir trukdžių reiškinius

Fresnelio ir Arago įstatymai

1. Dvi šviesos bangos, turinčios linijinę, koherentinę ir stačiakampę poliarizacijas, nesikiša viena į kitą, sudarydamos trukdžių modelį.
2. Dvi šviesos bangos, turinčios linijinę, koherentinę ir lygiagrečiąją poliarizacijas, gali įsiterpti į erdvės sritį.
3. Dvi natūralios šviesos bangos su tiesine, nekoherentine ir ortogonaline poliarizacijomis netrukdo viena kitai, kad sudarytų trukdžių modelį.

Maluso įstatymas

Maluso įstatyme teigiama, kad poliarizatoriaus skleidžiamos šviesos stipris yra tiesiogiai proporcingas kampo, kuris sudaro poliarizatoriaus perdavimo ašį ir kritusios šviesos poliarizacijos ašį, kosinuso kvadratui. Kitaip tariant:

I = poliarizatoriaus skleidžiamos šviesos stipris

θ = kampas tarp perdavimo ašies ir kritančio spindulio poliarizacijos ašies

I ₀ = kritinis šviesos stipris

Maluso įstatymas

Brewsterio įstatymas

Šviesos pluoštas, kurį atspindi paviršius, yra visiškai poliarizuotas normalios šviesos kritimo plokštumos kryptimi, kai kampas tarp atspindėto ir refrakcijuoto pluošto yra lygus 90 °.

Brewsterio įstatymas

Programos

Kai kurie fizikinės optikos taikymo būdai yra skystųjų kristalų tyrimai, optinių sistemų projektavimas ir optinė metrologija.

Skystieji kristalai

Skystieji kristalai yra medžiagos, laikomos kietoje ir skystoje būsenose, kurių molekulės turi dipolio momentą, sukeliantį ant jų krintančios šviesos poliarizaciją. Iš šio turto buvo sukurti ekranai skaičiuotuvams, monitoriams, nešiojamiesiems kompiuteriams ir mobiliesiems telefonams.

Skaitmeninis laikrodis su skystųjų kristalų ekranu (LCD)

Optinių sistemų projektavimas

Optinės sistemos dažnai naudojamos kasdieniame gyvenime, mokslo, technologijų ir sveikatos priežiūros srityse. Optinės sistemos suteikia galimybę apdoroti, įrašyti ir perduoti informaciją iš šviesos šaltinių, tokių kaip saulė, LED, volframo lempa ar lazeris. Optinių sistemų pavyzdžiai yra difraktometras ir interferometras.

Optinė metrologija

Ji yra atsakinga už aukštos skiriamosios gebos fizinių parametrų matavimus, atsižvelgiant į šviesos bangą. Šie matavimai atliekami naudojant interferometrus ir lūžio rodmenis. Medicinos srityje metrologija naudojama nuolat stebėti pacientų gyvybinius požymius.

Naujausi fizinės optikos tyrimai

Optomechaninis Kerkerio efektas (AV Poshakinskiy1 ir AN Poddubny, 2019 m. Sausio 15 d.)

Poshakinskiy ir Poddubny (1) parodė, kad nanometrinės dalelės, turinčios vibracinį judesį, gali pasireikšti optiniu-mechaniniu efektu, panašiu į tą, kurį 1983 m. Pasiūlė Kerkeris ir kiti (2).

Kerkerio efektas yra optinis reiškinys, kurį sudaro stiprios šviesos, išsklaidytos sferinių magnetinių dalelių, kryptingumas. Šis kryptingumas reikalauja, kad dalelės būtų tokio pat intensyvumo kaip elektrinės jėgos.

Kerkerio efektas yra teorinis pasiūlymas, reikalaujantis medžiagų dalelių, turinčių magnetinių ir elektrinių savybių, kurių gamtoje šiuo metu nėra. Poshakinskiy ir Poddubny pasiekė tą patį poveikį nanometrinėms dalelėms, neturinčioms reikšmingo magnetinio atsako, kurios vibruoja erdvėje.

Autoriai parodė, kad dalelių virpesiai gali sukurti tinkamai trukdančias magnetines ir elektrines poliarizacijas, nes dalelėje indukuojami tokio paties dydžio magnetiniai ir elektriniai poliškumo komponentai, kai atsižvelgiama į neelastingą šviesos išsibarstymą.

Autoriai siūlo taikyti optinį-mechaninį efektą nanometriniuose optiniuose įrenginiuose, priversdami juos vibruoti veikiant akustinėms bangoms.

Ekstrasporinė optinė komunikacija (DR Dhatchayeny ir YH Chung, 2019 m. Gegužė)

Dhatchayeny ir Chung (3) siūlo eksperimentinę ekstrakorporinio optinio ryšio (OEBC) sistemą, galinčią perduoti žmonių gyvybinius ženklus per programas mobiliuosiuose telefonuose su „Android“ technologija. Sistemą sudaro jutiklių rinkinys ir diodų šakotuvas (LED masyvas).

Jutikliai yra dedami ant įvairių kūno dalių, kad galėtų aptikti, apdoroti ir perduoti gyvybinius požymius, tokius kaip pulsas, kūno temperatūra ir kvėpavimo dažnis. Duomenys renkami per LED matricą ir perduodami per mobiliojo telefono kamerą kartu su optiniu prietaisu.

Šviesos diodų rinkinys skleidžia šviesą Rayleigh Gans Debye (RGB) sklidimo bangų ilgių diapazone. Kiekviena skleidžiamos šviesos spalva ir spalvų deriniai yra susiję su gyvybiniais požymiais.

Autorių pasiūlyta sistema gali patikimai palengvinti gyvybinių požymių stebėjimą, nes klaidos eksperimento rezultatuose buvo minimalios.

Nuorodos

1. Optomechaninis Kerkerio efektas. Poshakinskiy, AV ir Poddubny, A N. 1, 2019, „Physical Review X“, 9 tomas, p. 2160-3308.
2. Elektromagnetinis sklaida magnetinėmis sferomis. Kerker, M., Wang, DS ir Giles, L. L., 1982, „Journal of the Optical Society of America“, 73 tomas.
3. Optinis išorinis kūno ryšys naudojant išmaniųjų telefonų kameras perduodant žmogaus gyvybinius ženklus. Dhatchayeny, D ir Chung, Y. 2019, 15, Appl. Opt., 58 tomas.
4. Al-Azzawi, A. Fizikinės optikos principai ir praktika. Boca Raton, FL: CRC spaudos grupė „Taylor & Francis“, 2006 m.
5. Grattan-Guiness, I. Matematinių mokslų istorijos ir filosofijos papildomoji enciklopedija. Niujorkas, JAV: Routledge, 1994, II tomas.
6. Akhmanov, SA ir Nikitin, S Yu. Fizinė optika. Niujorkas: Oxford University Press, 2002 m.
7. Lipsonas, A, Lipsonas, SG ir Lipsonas, H. Fizinė optika. Kembridžas, JK: „Cambridge University Press“, 2011 m.
8. Mickelson, A R. Fizinė optika. Niujorkas: „Springer Science + Business Media“, 1992 m.
9. Jenkins, FA ir White, H E. Optikos pagrindai. NY: McGraw Hill aukštasis mokslas, 2001 m.