OPTISK FYSIK: HISTORIA, FREKVENTA TERMER, LAGAR, APPLIKATIONER - FYSISK - 2025

Den fysiska optiken är en del av det optiska som studerar ljusets vågkaraktär och de fysiska fenomen som bara förstås från vågmodellen. Den studerar också fenomenen interferens, polarisering, diffraktion och andra fenomen som inte kan förklaras utifrån geometrisk optik.

Vågmodellen definierar ljus som en elektromagnetisk våg vars elektriska och magnetiska fält oscillerar vinkelrätt mot varandra.

Elektromagnetisk våg

Ljusvågens elektriska fält (E) bete sig på samma sätt som det magnetiska fältet (B), men det elektriska fältet dominerar över magnetfältet på grund av Maxwells förhållande (1831–1879), vilket fastställer följande:

Där c = vågens förökningshastighet.

Fysisk optik förklarar inte atomens absorptions- och emissionsspektrum. Å andra sidan behandlar kvantoptik studien av dessa fysiska fenomen.

Historia

Den fysiska optikens historia börjar med experimenten utförda av Grimaldi (1613-1663), som observerade att skuggan som kastades av ett upplyst objekt verkade bredare och var omgiven av färgade ränder.

Han kallade det observerade fenomenet diffraktion. Hans experimentella arbete ledde till att han föreslog ljusets vågkaraktär, i motsats till Isaac Newtons uppfattning som rådde under 1700-talet.

Det Newtoniska paradigmet fastställde att ljuset uppförde sig som en stråle av små kroppar som färdades med hög hastighet i rätlinjiga banor.

Robert Hooke (1635-1703) försvarade ljusets vågkaraktär, i sina studier på färg och brytning, och konstaterade att ljus uppförde sig som en ljudvåg som snabbt spridit nästan omedelbart genom ett materiellt medium.

Senare konsoliderade Huygens (1629–1695), baserat på Hookes idéer, vågteorin om ljus i sin Traité de la lumière (1690), där han antar att ljusvågorna som utsänds av lysande kroppar sprider sig genom av ett subtilt och elastiskt medium som kallas eter.

Huygens vågteori förklarar fenomenen reflektion, brytning och diffraktion mycket bättre än Newtons corpuskulära teori och visar att ljusets hastighet minskar när den passerar från ett mindre tätt medium till en tätare.

Huygens idéer accepterades inte av forskare vid den tiden av två skäl. Den första var oförmågan att på ett tillfredsställande sätt förklara definitionen av eter, och den andra var Newtons prestige kring hans teori om mekanik som påverkade en stor majoritet av forskare att besluta att stödja det corpuskulära ljusets paradigm.

Återfödelse av vågteori

I början av 1800-talet lyckades Tomas Young (1773–1829) få det vetenskapliga samhället att acceptera Huygens vågmodell baserat på resultaten från hans ljusinterferensexperiment. Experimentet gjorde det möjligt att bestämma våglängderna för de olika färgerna.

År 1818 omarbetade Fresnell (1788–1827) Huygens vågteori när det gäller interferensprincipen. Han förklarade också fenomenet ljusbrytning av ljus, vilket tillät honom att bekräfta att ljus är en tvärgående våg.

År 1808 förklarade Arago (1788–1853) och Malus (1775-1812) fenomenet polarisering av ljus från vågmodellen.

De experimentella resultaten av Fizeau (1819-1896) 1849 och Foucalt (1819-1868) 1862 gjorde det möjligt att verifiera att ljus sprider sig snabbare i luft än i vatten, vilket strider mot förklaringen från Newton.

1872 publicerade Maxwell sin avhandling om elektricitet och magnetism, där han uttalade ekvationerna som syntetiserar elektromagnetism. Från sina ekvationer erhöll han vågekvationen som tillät honom att analysera beteendet hos en elektromagnetisk våg.

Maxwell fann att utbredningshastigheten för en elektromagnetisk våg är relaterad till förökningsmediet och sammanfaller med ljusets hastighet och drog slutsatsen att ljus är en elektromagnetisk våg.

Slutligen lyckades Hertz (1857–1894) 1888 producera och upptäcka elektromagnetiska vågor och bekräfta att ljus är en typ av elektromagnetisk våg.

Vad studerar fysisk optik?

Fysisk optik studerar fenomen relaterade till ljusets vågkaraktär, såsom interferens, diffraktion och polarisering.

Interferens

Interferens är fenomenet genom vilket två eller flera ljusvågor överlappar varandra, som existerar i samma område i rymden och bildar band av starkt och mörkt ljus.

Ljusa band produceras när flera vågor läggs samman för att producera en större amplitudvåg. Denna typ av störningar kallas konstruktiv störning.

När vågor överlappar varandra för att producera en lägre amplitudvåg kallas störningen destruktiv interferens och band av mörkt ljus produceras.

Interferens

Hur de färgade banden fördelas kallas interferensmönstret. Störningar kan ses i såpbubblor eller oljelagrar på en våt väg.

Diffraktion

Fenomenet med diffraktion är den förändring i utbredningsriktningen som ljusvågen upplever när den träffar ett hinder eller öppning och ändrar dess amplitud och fas.

Precis som fenomenet interferens är diffraktion resultatet av superpositionen av koherenta vågor. Två eller flera ljusvågor är koherenta när de svänger med samma frekvens och upprätthåller ett konstant fasförhållande.

När hindret blir mindre och mindre jämfört med våglängden dominerar diffraktionsfenomenet över reflektions- och brytningsfenomenet vid bestämning av ljusvågstrålarnas fördelning när det träffar hindret .

Polarisering

Polarisering är det fysiska fenomenet genom vilket vågen vibrerar i en enda riktning vinkelrätt mot planet som innehåller det elektriska fältet. Om vågen inte har en fast utbredningsriktning sägs det att vågen inte är polariserad. Det finns tre typer av polarisering: linjär polarisering, cirkulär polarisering och elliptisk polarisering.

Om vågen vibrerar parallellt med en fast linje som beskriver en rak linje i polarisationsplanet sägs den vara linjärt polariserad.

När den elektriska fältvektorn hos vågen beskriver en cirkel i planet vinkelrätt mot samma utbredningsriktning och håller dess storlek konstant, sägs vågen vara cirkulärt polariserad.

Om vågens elektriska fältvektor beskriver en ellips i planet vinkelrätt mot samma utbredningsriktning, sägs vågen vara elliptiskt polariserad.

Vanliga termer inom fysisk optik

polarise

Det är ett filter som endast låter en del av ljuset som är orienterad i en enda specifik riktning passera genom det utan att låta de vågor som är orienterade i andra riktningar passera igenom.

Vågfront

Det är den geometriska ytan där alla delar av en våg har samma fas.

Vågamplitud och fas

Amplitude är en vågs maximala töjning. En vågs fas är vibrationstillståndet på ett ögonblick av tiden. Två vågor är i fas när de har samma vibrationstillstånd.

Brewster vinkel

Det är ljusinsidens vinkel genom vilken ljusvågen reflekterad från källan är helt polariserad.

Infraröd

Ljus som inte är synligt för det mänskliga ögat i det elektromagnetiska strålningsspektrumet från 700 nm till 1000 μm.

Ljushastighet

Det är en hastighetskonstant för utbredning av ljusvågen i vakuum vars värde är 3 × 10 ⁸ m / s. Värdet på ljusets hastighet varierar när det sprider sig i ett material.

Våglängd

Ett mått på avståndet mellan en vapen och en annan vapen eller mellan en dal och en annan vågdal när den sprider sig.

Ultraviolett

Ej synlig elektromagnetisk strålning med spektrum av våglängder mindre än 400 nm.

Lagar för fysisk optik

Nedan nämns några lagar om fysisk optik som beskriver fenomenen polarisation och interferens

Fresnell och Arago lagar

1. Två ljusvågor med linjära, koherenta och ortogonala polarisationer stör inte varandra för att bilda ett interferensmönster.
2. Två ljusvågor med linjära, koherenta och parallella polarisationer kan interferera i ett rymdområde.
3. Två vågor av naturligt ljus med linjära, icke koherenta och ortogonala polarisationer stör inte varandra för att bilda ett interferensmönster.

Malus Law

Malus's lag säger att ljusstyrkan som överförs av en polarisator är direkt proportionell mot kvadratet för kosinusens vinkel som bildar polarisatorns överföringsaxel och polarisationsaxeln för det infallande ljuset. Med andra ord:

I = ljusstyrka som överförs av polarisatorn

θ = Vinkel mellan transmissionsaxeln och polarisationsaxeln för den infallande strålen

I ₀ = Incident ljusintensitet

Malus Law

Brewsters lag

Ljusstrålen reflekterad av en yta är helt polariserad, i den riktning som är normal mot ljusets incidensplan, när vinkeln som den reflekterade strålen bildar med den brytade strålen är lika med 90 °.

Brewsters lag

tillämpningar

Några av tillämpningarna av fysisk optik är i studien av flytande kristaller, i utformningen av optiska system och i optisk metrologi.

Flytande kristaller

Flytande kristaller är material som hålls mellan det fasta tillståndet och det flytande tillståndet, vars molekyler har ett dipolmoment som inducerar en polarisering av ljuset som faller på dem. Från den här egenskapen har skärmar för kalkylatorer, skärmar, bärbara datorer och mobiltelefoner utvecklats.

Digital klocka med LCD-skärm (flytande kristall)

Optisk systemdesign

Optiska system används ofta i vardagen, vetenskap, teknik och sjukvård. Optiska system gör det möjligt att bearbeta, registrera och överföra information från ljuskällor som sol, LED, volframlampa eller laser. Exempel på optiska system är diffraktometern och interferometern.

Optisk metrologi

Det ansvarar för att utföra mätningar med hög upplösning av fysiska parametrar baserat på ljusvågen. Dessa mätningar görs med interferometrar och brytningsinstrument. Inom det medicinska området används metrologi för att ständigt övervaka de vitala tecknen hos patienter.

Nyare forskning inom fysisk optik

Optomekanisk Kerker-effekt (AV Poshakinskiy1 och AN Poddubny, 15 januari 2019)

Poshakinskiy och Poddubny (1) demonstrerade att nanometriska partiklar med vibrationsrörelse kan manifestera en optisk-mekanisk effekt liknande den som föreslogs av Kerker et al (2) 1983.

Kerker-effekten är ett optiskt fenomen som består i att få en stark riktning av ljus spridda av sfäriska magnetpartiklar. Denna riktning kräver att partiklarna har magnetiska svar med samma intensitet som de elektriska krafterna.

Kerker-effekten är ett teoretiskt förslag som kräver materialpartiklar med magnetiska och elektriska egenskaper som för närvarande inte finns i naturen. Poshakinskiy och Poddubny uppnådde samma effekt på nanometriska partiklar, utan betydande magnetiskt svar, som vibrerar i rymden.

Författarna visade att partikelvibrationer kan skapa lämpliga störande magnetiska och elektriska polarisationer, eftersom magnetiska och elektriska polaritetskomponenter av samma storleksordning induceras i partikeln när inelastisk spridning av ljus beaktas.

Författarna föreslår applicering av den optiska-mekaniska effekten i nanometriska optiska enheter genom att få dem att vibrera genom applicering av akustiska vågor.

Extrakorporeal optisk kommunikation (DR Dhatchayeny och YH Chung, maj 2019)

Dhatchayeny och Chung (3) föreslår ett experimentellt extrakorporealt optiskt kommunikationssystem (OEBC) som kan överföra vital teckeninformation från människor genom applikationer på mobiltelefoner med Android-teknik. Systemet består av en uppsättning sensorer och en diodnav (LED-array).

Sensorer placeras på olika delar av kroppen för att upptäcka, bearbeta och kommunicera vitala tecken såsom puls, kroppstemperatur och andningsfrekvens. Informationen samlas in via LED-arrayen och överförs via mobiltelefonkameran med den optiska appen.

LED-arrayen avger ljus i Rayleigh Gans Debye (RGB) spridningsvåglängdsområdet. Varje färg och färgkombinationer av det avgivna ljuset är relaterade till vitala tecken.

Systemet som föreslagits av författarna kan underlätta övervakningen av vitala tecken på ett tillförlitligt sätt, eftersom felen i experimentresultaten var minimala.

referenser

1. Optomechanical Kerker Effect. Poshakinskiy, AV och Poddubny, A N. 1, 2019, Physical Review X, Vol. 9, pp. 2160-3308.
2. Elektromagnetisk spridning med magnetiska sfärer. Kerker, M, Wang, DS och Giles, C L. 6, 1982, Journal of the Optical Society of America, vol. 73.
3. Optisk extra-kroppskommunikation med smarttelefonkameror för överföring av vitala tecken från människor. Dhatchayeny, D och Chung, Y. 15, 2019, Appl. Opt., Vol. 58.
4. Al-Azzawi, A. Principer och praxis för fysisk optik. Boca Raton, FL: CRC Press Taylor & Francis Group, 2006.
5. Grattan-Guiness, I. Companion Encyclopedia of the Mathematical Sciences: s historia och filosofi. New York, USA: Routledge, 1994, Vol. II.
6. Akhmanov, SA och Nikitin, S Yu. Fysisk optik. New York: Oxford University Press, 2002.
7. Lipson, A, Lipson, SG och Lipson, H. Physical Optics. Cambridge, Storbritannien: Cambridge University Press, 2011.
8. Mickelson, A R. Physical Optics. New York: Springer Science + Business Media, 1992.
9. Jenkins, FA och White, H E. Fundamentals of Optics. NY: McGraw Hill Higher Education, 2001.