Fysisk optikkhistorie, hyppige vilkår, lover, applikasjoner

De Fysisk optikk Det er den delen av optikken som studerer den bølgende naturen til lys og fysiske fenomener som bare forstås fra den bølgende modellen. Den studerer også fenomenene interferens, polarisering, diffraksjon og andre fenomener som ikke kan forklares fra det geometriske perspektivet.

Den bølgende modellen definerer lys som en elektromagnetisk bølge hvis elektriske og magnetiske felt varierer vinkelrett på hverandre.

Elektromagnetisk bølge [av Lennart Kudling Raphaël DeKnop (https: // Commons.Wikimedia.org/wiki/fil: elektromagnetisk_wave_color.Pdf)]

Det elektriske feltet (OG) Lysbølge oppfører seg på samme måte som magnetfeltet (B), men det elektriske feltet på magnetisk dominerer ved forholdet mellom Maxwell (1831-1879) som etablerer følgende:

OG= CB

Hvor c = Bølgeforplantningshastighet.

Fysisk optikk forklarer ikke spekteret av absorpsjon og utslipp av atomer. På den annen side, kvanteoptikk hvis du tar opp studiet av disse fysiske fenomenene.

[TOC]

Historie

Historien til fysisk optikk begynner med eksperimentene utført av Grimaldi (1613-1663), som observerte at skyggen projisert av et opplyst objekt var bredere og var omgitt av fargede striper.

Det observerte fenomenet kalte ham diffraksjon. Hans eksperimentelle arbeid førte til at han løftet lysets bølgende natur, i motsetning til unnfangelsen av Isaac Newton som dominerte i løpet av 1700 -tallet.

Det newtonske paradigmet slo fast at lyset oppførte seg som en stråle av små korpuskler som beveget seg med høy hastighet i rettlinjede bane.

Robert Hooke (1635-1703) forsvarte den bølgende naturen til lys, i sine studier om farge og refraksjon, og uttalte at lyset oppførte seg som en lydbølge som raskt forplanter seg nesten øyeblikkelig gjennom et materielt medium.

Senere Huygens (1629-1695), basert på Hooke's ideer, konsoliderte den bølgende teorien om lys i hans Jeg trekk de la lumière (1690) der lysbølgene som sendes ut av de lysende kroppene, blir forplantet gjennom et subtilt og elastisk medium som kalles eter.

Huygens 'bølgende teori forklarer fenomenene refleksjon, brytning og diffraksjon mye bedre enn Newtons korpuskulære teori, og viser at lysets hastighet avtar ved å bevege seg fra et mindre tett til ett mer tett medium.

Huygens 'ideer ble ikke akseptert av forskere fra tiden av to grunner. Den første var umuligheten av å tilfredsstillende forklare definisjonen av eter, Og den andre var Newtons prestisje rundt teorien hans om mekanikk som påvirket et stort flertall av forskere til å bestemme seg for å støtte det korpuskulære lysets paradigme.

Renessanse av bølgende teori

På begynnelsen av 1800-tallet får Tomas Young (1773-1829) det vitenskapelige samfunnet til å akseptere den ondskapsfulle modellen av huygener fra resultatene av det lette interferenseksperimentet. Eksperimentet tillot å bestemme bølgelengdene til de forskjellige fargene.

I 1818 tenker Fresnell (1788-1827) den bølgende teorien om huygens basert på interferensprinsippet. Han forklarte også fenomenet Birrefringencia de la Luz, som tillot ham å bekrefte at lys er en tverrbølge.

I 1808 forklarte Arago (1788-1853) og Malus (1775-1812) fenomenet polarisering av lys fra den bølgende modellen.

De eksperimentelle resultatene fra Fizeau (1819-1896) i 1849 og Foucalt (1819-1868) i 1862 tillot å bekrefte at lyset sprer seg raskere i luften enn i vannet, og motsier forklaringen gitt av Newton.

Kan tjene deg: det som er relativt og absolutt ruhet?

I 1872 publiserer Maxwell sin Traktat om strøm og magnetisme, der det uttaler ligningene som syntetiserer elektromagnetisme. Fra ligningene hans oppnådde han bølgeforlikningen som tillot å analysere oppførselen til en elektromagnetisk bølge.

Maxwell fant at forplantningshastigheten til en elektromagnetisk bølge er relatert til forplantningsmediet og sammenfaller med lysets hastighet, og konkluderer med at lys er en elektromagnetisk bølge.

Til slutt klarer Hertz (1857-1894) i 1888 å produsere og oppdage elektromagnetiske bølger og bekrefte at lys er en elektromagnetisk bølgetype.

Hva studerer fysisk optikk?

Fysiske optikkstudier Fenomener relatert til den bølgende naturen til lys, for eksempel interferens, diffraksjon og polarisering.

Innblanding

Interferens er fenomenet som to eller flere lysbølger overlapper sammen sameksisterende i samme romområde, og danner lyse og mørke lysbånd.

De lyse båndene oppstår når flere bølger blir lagt til for å produsere en høyere bølge. Denne typen forstyrrelser kalles konstruktiv interferens.

Når bølgene overlapper hverandre for å produsere en lavere breddebølge, kalles interferensen destruktiv interferens, og bånd av mørkt lys produseres.

Interferens [ved induktivlast (https: // commons.Wikimedia.org/wiki/fil: konstruktiv_inferanse.Svg)]

Måten fargede bånd distribueres kalles interferensmønster. Interferensen kan sees i såpeboblene eller i oljelagene på en våt vei.

Diffraksjon

Fenomenet diffraksjon er endringen i forplantningsretningen som lysbølgen opplever ved å påvirke et hinder eller åpne for å endre dens amplitude og fase.

I likhet med forstyrrelsesfenomenet er diffraksjon resultatet av overlappingen av sammenhengende bølger. To eller flere lysbølger er konsistente når de varierer med samme frekvens ved å opprettholde et konstant faseforhold.

Når hindringen øker.

Polarisering

Polarisering er det fysiske fenomenet som bølgen vibrerer i en retning vinkelrett på planet som inneholder det elektriske feltet. Hvis bølgen ikke har en fast forplantningsretning, sies det at bølgen ikke er polarisert. Det er tre typer polarisering: lineær polarisering, sirkulær polarisering og elliptisk polarisering.

Hvis bølgen vibrerer parallelt med en fast linje som beskriver en rett linje i polarisasjonsplanet, sies det at det er lineært polarisert.

Når bølgeelektriske felt beskriver en sirkel i planet vinkelrett på den samme utbredelsesretningen, og holder størrelsen konstant, sies det at bølgen er sirkulært polarisert.

Hvis bølgeelektrisk feltvektor beskriver en ellipse i planet vinkelrett på den samme utbredelsesretningen, sies det at bølgen er elliptisk polarisert.

Hyppige termer i fysisk optikk

Polarisering

Det er et filter som bare tillater en del av lyset som er orientert i en enkelt spesifikk retning gjennom det uten å savne de bølgene som er orientert i andre retninger.

Kan tjene deg: gratis kroppsdiagram

Bølge foran

Det er den geometriske overflaten der alle deler av en bølge har samme fase.

Amplitude og bølgefase

Amplituden er den maksimale forlengelsen av en bølge. Fasen av en bølge er vibrasjonstilstanden på et øyeblikk av tid. To bølger er i fase når de har samme vibrasjonstilstand.

Brewster vinkel

Det er forekomstvinkelen til lys som den reflekterte lysbølgen er fullstendig polarisert.

Infrarød

Lys som ikke er synlig av det menneskelige øyet i det 700 elektromagnetiske strålingsspekteretnm 1000μm.

Lyshastighet

Det er en konstant av forplantningshastigheten til den lysende bølgen i tomrommet, hvis verdi er 3 × 10⁸m/s. Lysets lys varierer når du sprer seg i et materielt medium.

Bølgelengde

Mål på avstanden mellom en kam og en annen kam eller mellom en dal og en annen bølgedal for å spre seg.

Ultraviolet

Ikke -synlig elektromagnetisk stråling med bølgelengdespektrum mindre enn 400nm.

Fysiske optikklover

Noen lover om fysisk optikk som beskriver fenomenene polarisering og interferens er nevnt nedenfor

Fresnell og Arago Laws

1. To lysbølger med lineære, sammenhengende og ortogonale polarisasjoner forstyrrer ikke hverandre for å danne et interferensmønster.
2. To bølger av lys med lineære, sammenhengende og parallelle polarisasjoner kan forstyrre i et område av rommet.
3. To naturlige lysbølger med lineære, ikke -koherente og ortogonale polarisasjoner forstyrrer ikke hverandre for å danne et interferensmønster.

Malus lov

Malusloven slår fast at lysintensiteten som overføres av en polarisator er direkte proporsjonal med kvadratet av kosinien i vinkelen som danner aksen for overføring av polarisatoren og polarisasjonsaksen til lyshendelsen. Med andre ord:

I = i₀Cos²θ

I =Lysets glede overført av polarisatoren

θ = Vinkel mellom transmisjonsaksen og polarisasjonsaksen til den innfallende bjelken

Yo₀ = Hendelseslysintensitet

Malus Law [av Freshneesz (https: // Commons.Wikimedia.org/wiki/fil: malus_law.Svg)]

Brewster Law

Lysstrålen reflektert av en overflate er fullstendig polarisert, i normal retning til forekomstplanet, når vinkelen som danner strålen reflektert med den brytede strålen er lik 90 °.

Brewster Law [av Pajs (https: // Commons.Wikimedia.org/wiki/fil: Brewsters-vinkel.Svg)]

applikasjoner

Noen av de fysiske optikkapplikasjonene er i studiet av flytende krystaller, i utformingen av optiske systemer og optisk metrologi.

Flytende krystaller

Flytende krystaller er materialer mellom fast tilstand og flytende tilstand, hvis molekyler har et dipolmoment som induserer en polarisering av lyset som påvirker dem. Fra denne egenskapen er kalkulatorskjermer, skjermer, bærbare datamaskiner og mobiltelefoner blitt utviklet.

Digital klokke med flytende krystallskjerm (LCD) [av BBCLCD (https: // Commons.Wikimedia.org/wiki/fil: casio_lcd_watch_f-e10.Jpg)]

Optisk systemdesign

Ofte brukes optiske systemer i hverdagen, innen vitenskap, teknologi og helse. Optiske systemer tillater prosessering, registrering og overføring av informasjon fra kilder til slik som solen, LED, wolframlampen eller laseren. Eksempler på optiske systemer er diffraktometer og interferometer.

Optisk metrologi

Det er ansvarlig for å foreta målinger av høye oppløsninger av fysiske parametere basert på lysbølgen. Disse målingene er gjort med interferometre og refraksjonsinstrumenter. I det medisinske området brukes metrologi til å utføre konstant overvåking av pasientens vitale tegn.

Det kan tjene deg: magnetisering: orbital og spinn magnetisk øyeblikk, eksempler

Nyere forskning innen fysisk optikk

Optomekanisk Kerker -effekt (a. V. Poshakinskiy1 og a. N. Poddubny, 15. januar 2019)

Poshakinskiy og Poddubny (1) viste at nanometriske partikler med vibrasjonsbevegelse kan manifestere en optisk-mekanisk effekt som den som ble foreslått av Kerker et al (2) i 1983.

Kerker -effekten er et optisk fenomen som består i å oppnå en sterk retning av lyset spredt av magnetiske sfæriske partikler. Denne retningaliteten krever at partiklene har magnetiske responser av samme intensitet som de elektriske kreftene.

Kerker -effekten er et teoretisk forslag som krever materialpartikler med magnetiske og elektriske egenskaper som foreløpig ikke eksisterer i Posthakinskiy og poddubny natur oppnådde samme effekt på nanometriske partikler, uten betydelig magnetisk respons, som vibrerer i rommet.

Forfatterne demonstrerte at vibrasjonene i partikkelen kan skape magnetiske og elektriske polarisasjoner som forstyrrer riktig.

Forfatterne foreslår anvendelse av den optisk-mekaniske effekten på nanometriske optiske enheter når de får dem til å vibrere ved anvendelse av akustiske bølger.

Ekstrakorporal optisk kommunikasjon (D. R. Dhatchayeny og Y. H. Chung, mai 2019)

Dhatchayeny og Chung (3) foreslår et eksperimentelt system med ekstrakorporal optisk kommunikasjon (OEBC) som kan overføre informasjon om viktige tegn på mennesker gjennom applikasjoner på mobiltelefoner med Android -teknologi. Systemet består av et sett med sensorer og en diodkonsentrator (LED -arrangement).

Sensorene er plassert i forskjellige deler av kroppen for å oppdage, behandle og kommunisere vitale tegn som puls, kroppstemperatur og luftveisfrekvens. Dataene blir samlet inn gjennom LED -arrangementet og overføres gjennom mobiltelefonkameraet med den optiske applikasjonen.

LED -arrangementet avgir lys i området for spredningsbølgelengder RayLight Gans Debye (RGB). Hver farge- og fargekombinasjoner som sendes ut er relatert til vitale tegn.

Systemet som er foreslått av forfatterne kan lette overvåking av vitale tegn pålitelig, siden feil i eksperimentelle resultater var minimale.

Referanser

1. Optomekanisk Kerker -effekt. Poshakinskiy, a v og poddubny, a n. 1, 2019, Physical Review X, Vol. 9, s. 2160-3308.
2. Elektromagnetisk spredning av magnetiske kuler. Kerker, M, Wang, D S og Giles, C L. 6, 1982, Journal of the Optical Society of America, Vol. 73.
3. Optisk ekstra-kroppskommunikasjon ved hjelp av smarttelefonkameraer for overføring av humant tegn. Dhatchayeny, D og Chung, og. 15, 2019, Appl. OPT., Vol. 58.
4. Al-azzawi, a. Fysiske optikkprinsipper og praksis. Boca Raton, FL: CRC Press Taylor & Francis Group, 2006.
5. Grattan-guiness, i. Følgesvenn Encyclopedia of the History and Philosophyof the Mathematical Sciences. New York, USA: Routledge, 1994, vol. Ii.
6. Akhmanov, S A og Nikitin, S Yu. Fysisk optikk. New York: Oxford University Press, 2002.
7. Lipson, A, Lipson, S G og Lipson, H. Fysisk optikk. Cambridge, Storbritannia: Cambridge University Press, 2011.
8. Mickelson, r. Fysisk optikk. New York: Springer Science+Business Media, 1992.
9. Jenkins, f a og hvit, h e. Grunnleggende om optikk. NY: McGraw Hill Higher Education, 2001.