OPTIKAI FIZIKA: TÖRTÉNELEM, GYAKORI KIFEJEZÉSEK, TÖRVÉNYEK, ALKALMAZÁSOK - FIZIKAI - 2026

A fizikai optika a fény hullám jellegét és a fizikai jelenségeket tanulmányozó optikai része, amelyet csak a hullámmodell alapján értettek meg. Megvizsgálja továbbá az interferencia, a polarizáció, a diffrakció és más olyan jelenségek jelenlétét is, amelyek a geometriai optikából nem magyarázhatók meg.

A hullámmodell a fényt olyan elektromágneses hullámként határozza meg, amelynek elektromos és mágneses tere merőlegesen oszlik.

Elektromágneses hullám

A fényhullám elektromos mezője (E) ugyanúgy viselkedik, mint a mágneses tere (B), de az elektromos mező túlnyomórészt a mágneses mező fölött van, Maxwell kapcsolatának (1831–1879) köszönhetően, amely meghatározza a következőt:

Ahol c = a hullám terjedésének sebessége.

A fizikai optika nem magyarázza az atomok abszorpciós és emisszióspektrumát. Másrészt a kvantumoptika foglalkozik e fizikai jelenségek tanulmányozásával.

Történelem

A fizikai optika története Grimaldi (1613-1663) által végzett kísérletekkel kezdődik, akik megfigyelték, hogy a megvilágított tárgy árnyéka szélesebbnek tűnik és színes csíkokkal körülvéve.

A megfigyelt jelenséget diffrakciónak hívta. Kísérleti munkája arra késztette, hogy javasolja a fény hullám jellegét, szemben Isaac Newton koncepciójával, amely a 18. században uralkodott.

A newtoni paradigma megállapította, hogy a fény úgy viselkedik, mint egy olyan kis testület sugárzása, amely nagy sebességgel halad egyenes vonalban.

Robert Hooke (1635-1703) a színhullám és a refrakció vizsgálata során megvédte a fény hullám jellegét, kijelentve, hogy a fény úgy viselkedik, mint egy hanghullám, amely szinte azonnal, az anyag közegén gyorsan terjed.

Később Huygens (1629–1695), Hooke ötleteire építve, a fényhullám elméletét beillesztette Traité de la lumière-be (1690), amelyben feltételezi, hogy a világító testek által kibocsátott fényhullámok keresztülterjednek éternek nevezett finom és elasztikus közeg.

Huygens hullámelmélete sokkal jobban magyarázza a reflexió, a refrakció és a diffrakció jelenségeit, mint Newton corpuscular elmélete, és megmutatja, hogy a fénysebesség csökken, ha egy kevésbé sűrű közegről egy sűrűbbre halad át.

Huygens ötleteit a tudósok akkoriban két okból nem fogadták el. Az egyik lehetetlen volt az éter meghatározásának kielégítő magyarázata, a második pedig Newton presztízsét mutatta a mechanikaelmélete körül, amely a tudósok túlnyomó többségére befolyásolta a fény corpuscularis paradigmájának támogatását.

Hullámelmélet újjászületése

A 19. század elején Tomas Youngnak (1773–1829) sikerült rávennie a tudományos közösséget arra, hogy elfogadja Huygens hullámmodelljét fényinterferencia-kísérletének eredményei alapján. A kísérlet lehetővé tette a különböző színek hullámhosszának meghatározását.

1818-ban Fresnell (1788–1827) megismételte Huygens hullámelméletét az interferencia elve szempontjából. Elmagyarázta a fény kettős törés jelenségét is, amely megengedte neki, hogy megerősítse, hogy a fény egy keresztirányú hullám.

1808-ban Arago (1788–1853) és Malus (1775–1812) magyarázta a fény polarizációjának jelenségét a hullámmodellből.

Az 1849-es Fizeau (1819-1896) és az 1862-es Foucalt (1819-1868) kísérleti eredményei azt mutatták, hogy a fény gyorsabban terjed a levegőben, mint a vízben, ellentmondva a Newton magyarázatának.

1872-ben Maxwell közzétette a villamos energiáról és a mágnesességről szóló értekezését, amelyben megemlítette az elektromágnesesség szintetizáló egyenleteit. Az egyenleteiből megkapta azt a hullámagyenletet, amely lehetővé tette számára az elektromágneses hullám viselkedésének elemzését.

Maxwell megállapította, hogy az elektromágneses hullám terjedésének sebessége összefügg a terjedési közeggel, és egybeesik a fény sebességével, megállapítva, hogy a fény elektromágneses hullám.

Végül Hertznek (1857–1894) 1888-ban sikerült előállítania és detektálnia az elektromágneses hullámokat, és megerősíti, hogy a fény egy elektromágneses hullám típusa.

Mit tanul a fizikai optika?

A fizikai optika a fény hullám természetével kapcsolatos jelenségeket, például interferenciát, diffrakciót és polarizációt vizsgálja.

Interferencia

Az interferencia az a jelenség, amikor két vagy több fényhullám átfedésben van, és ugyanazon a térségi régióban létezik, és erős és sötét fény sávokat képez.

Világos sávok jönnek létre, ha több hullámot összeadnak, hogy nagyobb amplitúdójú hullámot kapjanak. Az interferencia típusát konstruktiv interferenciának nevezzük.

Amikor a hullámok átfedésben vannak, hogy alacsonyabb amplitúdójú hullámot kapjanak, az interferenciát pusztító interferenciának nevezzük, és sötét fény sávok jönnek létre.

Interferencia

A színes sávok eloszlásának módját az interferencia mintának nevezzük. Az interferencia észlelhető a szappanbuborékokban vagy az olajrétegekben egy nedves úton.

fényelhajlás

A diffrakció jelensége a terjedési irány változása, amelyet a fényhullám tapasztal, amikor egy akadályt vagy nyílást eltalál, megváltoztatva annak amplitúdóját és fázisát.

Az interferencia jelenségéhez hasonlóan a diffrakció a koherens hullámok szuperpozíciójának eredménye. Két vagy több fényhullám koherens, amikor ugyanazzal a frekvenciával oszcillálnak, állandó fázisviszony mellett.

Mivel az akadály egyre kisebb lesz a hullámhosszhoz képest, a diffrakciós jelenség elsősorban a visszaverődés és a refrakció jelensége fölött van a fényhullám sugarai eloszlásának meghatározásakor, amikor az akadályba ütközik..

Polarizáció

A polarizáció az a fizikai jelenség, amelynek során a hullám egyetlen irányban rezeg, merőlegesen az elektromos mezőt tartalmazó síkra. Ha a hullámnak nincs rögzített terjedési iránya, akkor azt mondják, hogy a hullám nem polarizált. Három típusú polarizáció létezik: lineáris polarizáció, körkörös polarizáció és elliptikus polarizáció.

Ha a hullám egy rögzített vonallal párhuzamosan rezeg, amely egyenes vonalat ír le a polarizációs síkban, akkor azt lineárisan polarizáltnak tekintik.

Amikor a hullám elektromos mezővektora egy kört mutat egy síkban, amely merőleges az ugyanazon terjedési irányra, miközben nagysága állandó, a hullám körkörösen polarizálódik.

Ha a hullám elektromos mezővektore egy azonos ellipszis irányára merőleges síkban egy ellipszist ír le, akkor a hullám elliptikusan polarizálódik.

Gyakori kifejezések a fizikai optikában

polarizáló

Ez egy szűrő, amely lehetővé teszi, hogy a fénynek csak egy meghatározott irányba orientált része áthaladjon rajta anélkül, hogy az egyéb irányba orientált hullámok átmennének.

Hullám eleje

Ez a geometriai felület, amelyben a hullám minden részének azonos fázisa van.

Hullám amplitúdója és fázisa

Az amplitúdó egy hullám maximális megnyúlása. A hullám fázisa a rezgés egy pillanatnyi állapota. Két hullám fázisban van, amikor ugyanaz a rezgés.

Brewster-szög

Ez a fény beesési szöge, amellyel a forrásból visszavert fényhullám teljes mértékben polarizálódik.

Infravörös

Az emberi szem számára nem látható fény az elektromágneses sugárzás spektrumában 700 nm-től 1000 μm-ig terjed.

A fény sebessége

Ez a fényhullám terjedésének sebességállandója vákuumban, amelynek értéke 3 × ¹⁰⁸ m / s. A fénysebesség értéke változik, ha az anyag közegben terjed.

Hullámhossz

A címer és egy másik címer vagy a völgy és egy másik hullámvölgy közötti távolság mérése, ahogy terjed.

Ultraibolya

Nem látható elektromágneses sugárzás 400 nm-nél kisebb hullámhossz-spektrummal.

A fizikai optika törvényei

Az alábbiakban néhány fizikai optika törvényét említjük, amelyek leírják a polarizáció és az interferencia jelenségeit

Fresnell és Arago törvények

1. Két lineáris, koherens és ortogonális polarizációjú fényhullám nem zavarja egymást interferenciamintázat kialakítása céljából.

2. Két fényhullám, lineáris, koherens és párhuzamos polarizációval zavarhatja meg a tér egy régióját.

3. A természetes fény két hulláma lineáris, nem koherens és ortogonális polarizációval nem zavarja egymást interferenciamintázat kialakítása céljából.

Malus törvény

A Malus törvénye szerint a polarizátor által továbbított fény intenzitása közvetlenül arányos a szög koszinuszának négyzetével, amely a polarizátor átviteli tengelyét és a beeső fény polarizációs tengelyét képezi. Más szavakkal:

I = a polarizátor által továbbított fény intenzitása

θ = Szög a továbbítási tengely és a beeső sugár polarizációs tengelye között

I ₀ = eső fényerősség

Malus törvény

Brewsteri törvény

A felület által visszatükrözött fénysugár teljes mértékben polarizálódik, a fény beesési síkjához viszonyított irányba, ha a visszavert fény és a megtörött fény közötti szög 90 °.

Brewsteri törvény

Alkalmazások

A fizikai optika néhány felhasználási területe a folyadékkristályok tanulmányozása, az optikai rendszerek tervezése és az optikai metrológia.

Folyékony kristályok

A folyékony kristályok olyan anyagok, amelyeket a szilárd és a folyékony állapot között tartanak, és amelyeknek a molekuláinak olyan dipól-nyomatéka van, amely rájuk eső fény polarizációját indukálja. Ebből a tulajdonságból kiszámítók, monitorok, laptopok és mobiltelefonok képernyőit fejlesztették ki.

Digitális óra folyadékkristályos kijelzővel (LCD)

Optikai rendszerek tervezése

Az optikai rendszereket gyakran használják a mindennapi életben, a tudományban, a technológiában és az egészségügyben. Az optikai rendszerek lehetővé teszik az információk feldolgozását, rögzítését és továbbítását olyan fényforrásokból, mint a nap, a LED, a wolframlámpa vagy a lézer. Az optikai rendszerekre példa a difraktométer és az interferométer.

Optikai metrológia

Feladata a fizikai paraméterek nagy felbontású mérése a fényhullám alapján. Ezeket a méréseket interferométerekkel és törésmérőkkel végezzük. Az orvosi területen a metrológiát a betegek életképességének folyamatos figyelemmel kísérésére használják.

Legújabb kutatások a fizikai optikában

Optomechanikai Kerker-hatás (AV Poshakinskiy1 és AN Poddubny, 2019. január 15)

Poshakinskiy és Poddubny (1) kimutatták, hogy a vibrációs mozgással bíró nanometrikus részecskék optikai-mechanikai hatást mutathatnak, mint amit Kerker és társai (2) 1983-ban javasoltak.

A Kerker-effektus egy optikai jelenség, amely a gömb alakú mágneses részecskék által szétszórt fény erős irányultságának eléréséből áll. Ez az irányultság megköveteli, hogy a részecskék mágneses válaszai ugyanolyan intenzitásúak legyenek, mint az elektromos erők.

A Kerker-hatás egy elméleti javaslat, amely megköveteli a természetben jelenleg nem létező mágneses és elektromos tulajdonságokkal rendelkező anyagrészecskéket. Poshakinskiy és Poddubny ugyanazt a hatást érte el a nanometrikus részecskékre, jelentős mágneses válasz nélkül, amelyek az űrben rezegnek.

A szerzők bebizonyították, hogy a részecske rezgése megfelelő zavaró mágneses és elektromos polarizációt hozhat létre, mivel a részecskék ugyanolyan nagyságrendű mágneses és elektromos polaritású komponenseket indukálnak a részecskékben, amikor figyelembe vesszük a fény rugalmatlan szétszóródását.

A szerzők javasolják az optikai-mechanikai hatás alkalmazását nanometrikus optikai eszközökben úgy, hogy akusztikus hullámok alkalmazásával rezgésbe hozzák őket.

Extrakorporális optikai kommunikáció (DR Dhatchayeny és YH Chung, 2019. május)

Dhatchayeny és Chung (3) egy kísérleti, testnél kívüli optikai kommunikációs (OEBC) rendszert javasolnak, amely továbbítja az emberek létfontosságú jelinformációit az Android technológiájú mobiltelefonok alkalmazásai révén. A rendszer egy szenzorkészletből és egy dióda-elosztóból (LED-elrendezés) áll.

Az érzékelőket a test különböző részeire helyezik el, hogy felismerjék, feldolgozzák és közöljék az olyan életképességű jeleket, mint például az pulzus, a testhőmérséklet és a légzési sebesség. Az adatokat a LED-elrendezésen keresztül gyűjtik, és az optikai alkalmazás segítségével továbbítják a mobiltelefon-kamerán.

A LED tömb fényt bocsát ki a Rayleigh Gans Debye (RGB) szórási hullámhossz-tartományban. A kibocsátott fény minden egyes színe és színkombinációja életfontosságú jelekhez kapcsolódik.

A szerzők által javasolt rendszer megbízható módon megkönnyítheti az életfontosságú jelek monitorozását, mivel a kísérleti eredmények hibái minimálisak voltak.

Irodalom

1. Optomechanical Kerker Effect. Poshakinskiy, AV és Poddubny, A. N., 2019., Physical Review X, 9. kötet, pp. 2160-3308.
2. Elektromágneses szórás a mágneses gömbök által. Kerker, M., Wang, DS és Giles, C. L., 6, 1982, Journal of Optical Society of America, 73. kötet.
3. Optikai test nélküli kommunikáció okostelefonok segítségével az emberi életjel továbbítására. Dhatchayeny, D. és Chung, Y. 15, 2019, Appl. Opt., 58. kötet.
4. Al-Azzawi, A. Fizikai optika alapelvei és gyakorlatai. Boca Raton, FL: CRC Press Taylor & Francis Csoport, 2006.
5. Grattan-Guiness, I. A matematikai tudományok története és filozófiája kísérő enciklopédia. New York, USA: Routledge, 1994, II. Kötet.
6. Akhmanov, SA és Nikitin, S Yu. Fizikai optika. New York: Oxford University Press, 2002.
7. Lipson, A, Lipson, SG és Lipson, H. Physical Optics. Cambridge, Egyesült Királyság: Cambridge University Press, 2011.
8. Mickelson, A R. Fizikai optika. New York: Springer Science + Business Media, 1992.
9. Jenkins, FA és White, H E. Optika alapjai. NY: McGraw Hill Felsőoktatás, 2001.