ОПТИЧНА ФИЗИКА: ИСТОРИЯ, ЧЕСТИ ТЕРМИНИ, ЗАКОНИ, ПРИЛОЖЕНИЯ - ФИЗИЧЕСКИ - 2025

На физически оптиката е част от оптичните изучаване на вълна природа на светлината и физичните явления, които само разбират от модела на вълна. Той също така изучава явленията на интерференция, поляризация, дифракция и други явления, които не могат да бъдат обяснени от геометричната оптика.

Моделът на вълната определя светлината като електромагнитна вълна, чиито електрически и магнитни полета се колебаят перпендикулярно един на друг.

Електромагнитна вълна

Електрическото поле (E) на светлинната вълна се държи по подобен начин на магнитното му поле (B), но електрическото поле преобладава над магнитното поле поради връзката на Максуел (1831-1879), което установява следното:

Където c = скорост на разпространение на вълната.

Физическата оптика не обяснява спектъра на поглъщане и излъчване на атомите. От друга страна, квантовата оптика се занимава с изучаването на тези физически явления.

история

Историята на физическата оптика започва с експериментите, проведени от Грималди (1613-1663), който наблюдава, че сянката, хвърлена от осветен предмет, изглежда по-широка и е заобиколена от цветни ивици.

Той нарече наблюдаваната феномен дифракция. Експерименталната му работа го накара да предложи вълновата природа на светлината, за разлика от концепцията на Исак Нютон, която надделяваше през 18 век.

Нютоновата парадигма установи, че светлината се държи като лъч от малки корпускули, които пътуват с висока скорост по праволинейни пътеки.

Робърт Хук (1635-1703) защитава вълновата природа на светлината в своите изследвания за цвят и пречупване, заявявайки, че светлината се държи като звукова вълна, разпространяваща се бързо, почти мигновено през материална среда.

По-късно Хюгенс (1629–1695) въз основа на идеите на Хук консолидира вълновата теория на светлината в своята Traité de la lumière (1690), в която той предполага, че светлинните вълни, излъчвани от светещи тела, се разпространяват през на фина и еластична среда, наречена етер.

Вълновата теория на Хюйгенс обяснява феномените на отражение, пречупване и дифракция много по-добре от корпускуларната теория на Нютон и показва, че скоростта на светлината намалява при преминаване от по-малко плътна среда към по-плътна.

Идеите на Хюйгенс не бяха приети от учените по две причини. Първият е неспособността да обясни задоволително определението на етера, а вторият - престижът на Нютон около неговата теория на механиката, която повлия на огромно мнозинство учени да решат да подкрепят корпускуларната парадигма на светлината.

Прераждане на теорията на вълните

В началото на 19 век Томаш Йънг (1773–1829) успява да накара научната общност да приеме вълновия модел на Хюйгенс въз основа на резултатите от експеримента му за светлинни смущения. Експериментът даде възможност да се определят дължините на вълните на различните цветове.

През 1818 г. Френел (1788–1827) възобновява теорията на вълните на Хюйгенс по отношение на принципа на интерференция. Той обясни и феномена на двулъчепрекъсване на светлината, което му позволи да потвърди, че светлината е напречна вълна.

През 1808 г. Араго (1788–1853) и Малус (1775–1812) обясняват феномена на поляризацията на светлината от вълновия модел.

Експерименталните резултати на Fizeau (1819-1896) през 1849 г. и Foucalt (1819-1868) през 1862 г. показват, че светлината се разпространява по-бързо във въздуха, отколкото във водата, което противоречи на обяснението, дадено от Нютон.

През 1872 г. Максуел публикува своя Трактат за електричеството и магнетизма, в който излага уравненията, които синтезират електромагнетизма. От уравненията си той получи вълновото уравнение, което му позволи да анализира поведението на електромагнитна вълна.

Максуел установява, че скоростта на разпространение на електромагнитна вълна е свързана със средата за разпространение и съвпада със скоростта на светлината, заключавайки, че светлината е електромагнитна вълна.

Накрая Херц (1857–1894) през 1888 г. успява да произведе и открие електромагнитни вълни и потвърди, че светлината е вид електромагнитна вълна.

Какво изучава физическата оптика?

Физическата оптика изучава явленията, свързани с вълновата природа на светлината, като интерференция, дифракция и поляризация.

смущения

Интерференцията е явлението, при което две или повече светлинни вълни се припокриват, съжителстващи в един и същ район на пространството, образувайки ленти от ярка и тъмна светлина.

Ярките ленти се получават, когато се добавят множество вълни, за да се получи по-голяма амплитудна вълна. Този тип интерференция се нарича конструктивна интерференция.

Когато вълните се припокриват, за да произведат вълна с по-ниска амплитуда, интерференцията се нарича разрушителна интерференция и се получават ленти от тъмна светлина.

смущения

Начинът, по който се разпределят цветните ленти, се нарича модел на смущения. Смущенията могат да се видят в сапунени мехурчета или маслени слоеве по мокър път.

дифракция

Явлението на дифракцията е промяната в посоката на разпространение, която светлинната вълна изпитва, когато удари препятствие или отвор, променяйки своята амплитуда и фаза.

Подобно на явлението интерференция, дифракцията е резултат от суперпозицията на кохерентни вълни. Две или повече светлинни вълни са съгласувани, когато се колебаят със същата честота, поддържайки постоянна фазова връзка.

Тъй като препятствието става все по-малко и по-малко в сравнение с дължината на вълната, дифракционният феномен преобладава над явлението отражение и пречупване при определяне на разпределението на лъчите на светлинната вълна, след като удари препятствието.,

поляризация

Поляризацията е физическото явление, чрез което вълната вибрира в една посока, перпендикулярна на равнината, съдържаща електрическото поле. Ако вълната няма фиксирана посока на разпространение, се казва, че вълната не е поляризирана. Има три типа поляризация: линейна поляризация, кръгова поляризация и елиптична поляризация.

Ако вълната вибрира успоредно на фиксирана линия, описваща права линия в равнината на поляризация, се казва, че е линейна поляризация.

Когато векторът на електрическото поле на вълната описва окръжност в равнината, перпендикулярна на същата посока на разпространение, като поддържа нейната величина постоянна, се казва, че вълната е кръгово поляризирана.

Ако векторът на електрическото поле на вълната описва елипса в равнината, перпендикулярна на същата посока на разпространение, се казва, че вълната е елиптично поляризирана.

Чести термини във физическата оптика

Поляризиращ

Това е филтър, който позволява само част от светлината, която е ориентирана в една конкретна посока, да преминава през него, без да пропуска тези вълни, които са ориентирани в други посоки.

Вълна отпред

Това е геометричната повърхност, в която всички части на една вълна имат една и съща фаза.

Амплитуда и фаза на вълната

Амплитудата е максималното удължение на вълната. Фазата на една вълна е състоянието на вибрация в даден момент. Две вълни са във фаза, когато имат същото състояние на вибрация.

Ъгъл на Брюстър

Това е ъгълът на падане на светлината, чрез който светлинната вълна, отразена от източника, е напълно поляризирана.

Инфрачервен

Светлина, която не се вижда от човешкото око в спектъра на електромагнитното излъчване от 700 nm до 1000 μm.

Скорост на светлината

Това е константа на скоростта на разпространение на светлинната вълна във вакуум, чиято стойност е 3 × 10 ⁸ m / s. Стойността на скоростта на светлината варира, когато тя се разпространява в материална среда.

дължина на вълната

Мярка за разстоянието между гребен и друг гребен или между долина и друга долина на вълната, докато тя се разпространява.

ултравиолетов

Невидимо електромагнитно излъчване със спектър на дължината на вълната под 400 nm.

Закони на физическата оптика

По-долу са споменати някои закони на физическата оптика, които описват явленията на поляризация и смущения

Закони на Френел и Араго

1. Две светлинни вълни с линейна, кохерентна и ортогонална поляризация не пречат една на друга да образуват интерферентен модел.

2. Две светлинни вълни с линейна, кохерентна и паралелна поляризация могат да се намесят в дадена област на пространството.

3. Две вълни от естествена светлина с линейна, некохерентна и ортогонална поляризация не се намесват една в друга, за да образуват интерферентен модел.

Закон за малус

Законът на Малус гласи, че интензитетът на светлината, предавана от поляризатор, е пряко пропорционален на квадрата на косинуса на ъгъла, който образува оста на предаване на поляризатора и оста на поляризация на падащата светлина. С други думи:

I = интензитет на светлината, предавана от поляризатора

θ = Ъгъл между оста на предаване и оста на поляризация на падащия лъч

I ₀ = интензитет на инцидентна светлина

Закон за малус

Закон на Брюстър

Светлинният лъч, отразен от повърхност, е напълно поляризиран в посока, нормална към равнината на падане на светлината, когато ъгълът между отразения лъч и пречупения лъч е равен на 90 °.

Закон на Брюстър

Приложения

Някои от приложенията на физическата оптика са в изучаването на течни кристали, в проектирането на оптични системи и в оптичната метрология.

Течни кристали

Течните кристали са материали, които се задържат между твърдото и течното състояние, чиито молекули имат диполен момент, който индуцира поляризация на светлината, която пада върху тях. От това свойство са разработени екрани за калкулатори, монитори, лаптопи и мобилни телефони.

Цифров часовник с течен кристал (LCD)

Проектиране на оптични системи

Оптичните системи често се използват в ежедневието, науката, технологиите и здравеопазването. Оптичните системи позволяват да се обработва, записва и предава информация от източници на светлина като слънце, LED, волфрамова лампа или лазер. Примери за оптични системи са дифрактометърът и интерферометърът.

Оптична метрология

Той е отговорен за извършване на измервания на физически параметри с висока разделителна способност въз основа на светлинната вълна. Тези измервания се правят с интерферометри и рефрактивни инструменти. В медицинската област метрологията се използва за постоянно наблюдение на жизнените показатели на пациентите.

Последни изследвания във физическата оптика

Оптомеханичен ефект на Керкер (AV Poshakinskiy1 и AN Poddubny, 15 януари 2019 г.)

Poshakinskiy и Poddubny (1) показват, че нанометричните частици с вибрационно движение могат да проявят оптично-механичен ефект, подобен на този, предложен от Kerker et al (2) през 1983 г.

Ефектът на Керкер е оптичен феномен, който се състои в получаване на силна насоченост на светлината, разсеяна от магнитни сферични частици. Тази насоченост изисква частиците да имат магнитни реакции със същата интензивност като електрическите сили.

Ефектът на Керкер е теоретично предложение, което изисква материални частици с магнитни и електрически характеристики, които понастоящем не съществуват в природата. Poshakinskiy и Poddubny постигнаха същия ефект върху нанометричните частици, без значителна магнитна реакция, които вибрират в пространството.

Авторите показаха, че вибрациите на частиците могат да създадат по подходящ начин смущаващи магнитни и електрически поляризации, защото в частицата се индуцират магнитни и електрически полярни компоненти с еднакъв порядък, когато се има предвид нееластичното разсейване на светлината.

Авторите предлагат прилагането на оптико-механичния ефект в нанометричните оптични устройства, като ги карат да вибрират чрез прилагане на акустични вълни.

Екстракорпорална оптична комуникация (DR Dhatchayeny и YH Chung, май 2019 г.)

Dhatchayeny и Chung (3) предлагат експериментална система за екстракорпорална оптична комуникация (OEBC), която може да предава информация за жизнени знаци на хората чрез приложения на мобилни телефони с Android технология. Системата се състои от набор от сензори и диоден хъб (LED масив).

Сензорите се поставят на различни части на тялото, за да открият, обработват и предават жизненоважни признаци като пулс, телесна температура и честота на дишане. Данните се събират чрез LED масива и се предават през камерата на мобилния телефон с оптичното приложение.

LED масивът излъчва светлина в диапазона на разсейване на дължината на вълната на Rayleigh Gans Debye (RGB). Всяка комбинация от цветове и цветове на излъчената светлина са свързани с жизнени знаци.

Предложената от авторите система може да улесни надеждния мониторинг на жизнените показатели, тъй като грешките в експерименталните резултати бяха минимални.

Препратки

1. Оптомеханичен ефект на Kerker. Poshakinskiy, AV и Poddubny, A N. 1, 2019, Physical Review X, vol. 9, pp. 2160-3308.
2. Електромагнитно разсейване чрез магнитни сфери. Kerker, M, Wang, DS и Giles, C L. 6, 1982, Journal of the Optical Society of America, том 73.
3. Оптична комуникация с допълнително тяло с помощта на смартфон камери за предаване на жизненоважни знаци от човека. Dhatchayeny, D и Chung, Y. 15, 2019, Appl. Опт., Том 58.
4. Al-Azzawi, A. Принципи и практики на физическата оптика. Boca Raton, FL: CRC Press Taylor & Francis Group, 2006.
5. Гратън-Гинес, I. Дружествена енциклопедия на историята и философията на математическите науки. Ню Йорк, САЩ: Routledge, 1994, том II.
6. Ахманов, SA и Никитин, S Yu. Физическа оптика. Ню Йорк: Oxford University Press, 2002.
7. Lipson, A, Lipson, SG и Lipson, H. Physical Optics. Кеймбридж, Великобритания: Cambridge University Press, 2011.
8. Mickelson, A R. Physical Optics. Ню Йорк: Springer Science + Business Media, 1992.
9. Jenkins, FA и White, H E. Основи на оптиката. NY: McGraw Hill Higher Education, 2001.