ОПТИЧНА ФІЗИКА: ІСТОРІЯ, ЧАСТІ ТЕРМІНИ, ЗАКОНИ, ПРОГРАМИ - ФІЗИЧНІ - 2025

У фізичних оптиками є частиною оптичного вивчення хвильової природи світла і фізичних явищ , які тільки зрозуміле з хвильової моделі. Він також вивчає явища інтерференції, поляризації, дифракції та інші явища, які неможливо пояснити з геометричної оптики.

Хвильова модель визначає світло як електромагнітну хвилю, електричні та магнітні поля коливаються перпендикулярно один одному.

Електромагнітна хвиля

Електричне поле (Е) світлової хвилі поводиться аналогічно своєму магнітному полю (В), але електричне поле переважає над магнітним полем завдяки зв’язку Максвелла (1831-1879), яка встановлює наступне:

Де c = швидкість поширення хвилі.

Фізична оптика не пояснює спектр поглинання та випромінювання атомів. З іншого боку, квантова оптика займається вивченням цих фізичних явищ.

Історія

Історія фізичної оптики починається з експериментів, проведених Грімальді (1613-1663), який зауважив, що тінь, відкинута освітленим предметом, виявляється ширшою і оточена кольоровими смугами.

Він назвав дифракцію спостережуваного явища. Експериментальна робота змусила його запропонувати хвильову природу світла, на відміну від концепції Ісаака Ньютона, що панувала протягом 18 століття.

Нютонівська парадигма встановила, що світло поводиться як промінь дрібних тілець, які рухаються з великою швидкістю прямолінійними стежками.

Роберт Гук (1635-1703) захищав хвильову природу світла у своїх дослідженнях кольору та заломлення, заявивши, що світло поводиться як звукова хвиля, що швидко поширюється майже миттєво через матеріальне середовище.

Пізніше Гюйгенс (1629–1695), спираючись на ідеї Гука, закріпив хвильову теорію світла у своїй «Traité de la lumière» (1690), в якій він припускав, що світлові хвилі, випромінювані світними тілами, поширюються через тонкого та еластичного середовища, що називається ефіром.

Хвильова теорія Гюйгенса пояснює явища відображення, заломлення та дифракції набагато краще, ніж корпускулярна теорія Ньютона, і показує, що швидкість світла зменшується при переході від менш щільного середовища до більш щільного.

Ідеї ​​Гюйгенса вчені тоді не сприйняли з двох причин. Перша - неможливість задовільно пояснити визначення ефіру, а друга - престиж Ньютона щодо його теорії механіки, яка вплинула на переважну більшість вчених вирішити підтримати корпускулярну парадигму світла.

Відродження хвильової теорії

На початку 19 століття Томасу Янгу (1773–1829) вдалося змусити наукове співтовариство прийняти хвильову модель Гюйгенса на основі результатів його експерименту над світловими перешкодами. Експеримент дозволив визначити довжини хвиль різних кольорів.

У 1818 р. Фреснелл (1788–1827) переробив хвильову теорію Гюйгенса з точки зору інтерференційного принципу. Він також пояснив явище переломлення світла, що дозволило йому підтвердити, що світло є поперечною хвилею.

У 1808 р. Араго (1788–1853) та Малус (1775–1812) пояснили явище поляризації світла з хвильової моделі.

Експериментальні результати Фізе (1819-1896) у 1849 р. Та Фукальта (1819-1868) у 1862 р. Показали, що світло поширюється швидше у повітрі, ніж у воді, що суперечить поясненню, даному Ньютоном.

У 1872 р. Максвелл опублікував трактат про електрику та магнетизм, в якому виклав рівняння, що синтезують електромагнетизм. З його рівнянь він отримав хвильове рівняння, яке дозволило йому проаналізувати поведінку електромагнітної хвилі.

Максвелл встановив, що швидкість поширення електромагнітної хвилі пов'язана з середовищем поширення і збігається зі швидкістю світла, зробивши висновок, що світло - це електромагнітна хвиля.

Нарешті, Герцу (1857–1894) у 1888 р. Вдалося створити та виявити електромагнітні хвилі та підтвердити, що світло є типом електромагнітної хвилі.

Що вивчає фізична оптика?

Фізична оптика вивчає явища, пов'язані з хвильовим характером світла, такі як перешкоди, дифракція та поляризація.

Перешкоди

Інтерференція - це явище, при якому дві або більше світлових хвиль перетинаються, співіснуючи в одній області простору, утворюючи смуги яскравого і темного світла.

Яскраві смуги утворюються, коли множинні хвилі додаються разом для отримання більшої амплітудної хвилі. Цей тип інтерференції називається конструктивною інтерференцією.

Коли хвилі перекриваються для отримання хвилі меншої амплітуди, інтерференція називається руйнівною інтерференцією, і утворюються смуги темного світла.

Перешкоди

Спосіб розподілу кольорових смуг називається інтерференційним малюнком. Перешкоди можна побачити у мильних бульбашках або шарах олії на мокрій дорозі.

Дифракція

Явище дифракції - це зміна напрямку поширення, яку зазнає світлова хвиля, коли вона потрапляє на перешкоду чи відкривається, змінюючи свою амплітуду та фазу.

Як і явище інтерференції, дифракція є результатом суперпозиції когерентних хвиль. Дві або більше світлових хвиль є когерентними, коли вони коливаються з однаковою частотою, підтримуючи постійну фазову залежність.

Оскільки перешкода стає меншою та меншою порівняно з довжиною хвилі, явище дифракції переважає над явищем відбиття та заломлення при визначенні розподілу променів світлової хвилі, коли вона потрапляє на перешкоду. .

Поляризація

Поляризація - це фізичне явище, за допомогою якого хвиля вібрує в одному напрямку, перпендикулярному площині, що містить електричне поле. Якщо хвиля не має фіксованого напрямку поширення, то кажуть, що хвиля не поляризована. Існує три типи поляризації: лінійна поляризація, кругова поляризація та еліптична поляризація.

Якщо хвиля вібрує паралельно фіксованій лінії, що описує пряму лінію в площині поляризації, вона, як кажуть, лінійно поляризована.

Коли вектор електричного поля хвилі описує коло в площині, перпендикулярної до того самого напрямку поширення, зберігаючи його величину постійною, хвиля, як кажуть, має кругову поляризацію.

Якщо вектор електричного поля хвилі описує еліпс у площині, перпендикулярній до того ж напрямку поширення, хвиля, як кажуть, еліптично поляризована.

Часті терміни у фізичній оптиці

Поляризація

Це фільтр, який дозволяє проходити крізь нього лише частину світла, орієнтовану в одному конкретному напрямку, не пропускаючи крізь нього ті хвилі, які орієнтовані в інших напрямках.

Хвиля фронт

Це геометрична поверхня, на якій всі частини хвилі мають однакову фазу.

Амплітуда і фаза хвилі

Амплітуда - максимальне подовження хвилі. Фаза хвилі - це стан вібрації в момент часу. Дві хвилі знаходяться у фазі, коли вони мають однаковий стан вібрації.

Кут Брюстера

Це кут падіння світла, за допомогою якого світлова хвиля, відбита від джерела, повністю поляризується.

Інфрачервоний

Світло, не видиме людському оці в спектрі електромагнітного випромінювання від 700 нм до 1000 мкм.

Швидкість світла

Це константа швидкості поширення світлової хвилі у вакуумі, значення якої 3 × 10 ⁸ м / с. Значення швидкості світла змінюється, коли він поширюється в матеріальному середовищі.

Довжина хвилі

Міра відстані між гребенем та іншим гребенем або між долиною та іншою долиною хвилі під час поширення.

Ультрафіолет

Невидиме електромагнітне випромінювання зі спектром довжин хвиль менше 400 нм.

Закони фізичної оптики

Нижче згадуються деякі закони фізичної оптики, які описують явища поляризації та перешкод

Закони Френелла та Араго

1. Дві світлові хвилі з лінійною, когерентною та ортогональною поляризаціями не заважають одна одній утворювати інтерференційну картину.
2. Дві хвилі світла з лінійною, когерентною і паралельною поляризацією можуть втручатися в область простору.
3. Дві хвилі природного світла з лінійною, некогерентною та ортогональною поляризаціями не заважають одна одній утворювати інтерференційну картину.

Закон про малус

Закон Малуса зазначає, що інтенсивність світла, що передається поляризатором, прямо пропорційна квадрату косинуса кута, який утворює вісь пропускання поляризатора та вісь поляризації падаючого світла. Іншими словами:

I = інтенсивність світла, що передається поляризатором

θ = Кут між віссю передачі та віссю поляризації падаючого променя

I ₀ = інтенсивність світла, що падає

Закон про малус

Закон Брюстера

Світловий промінь, відбитий поверхнею, повністю поляризований у напрямку, нормальному до площини падіння світла, коли кут між відбитим променем та заломленим променем дорівнює 90 °.

Закон Брюстера

Програми

Деякі сфери застосування фізичної оптики є у вивченні рідких кристалів, у проектуванні оптичних систем та в оптичній метрології.

Рідкі кристали

Рідкі кристали - це матеріали, які зберігаються між твердим та рідким станом, молекули яких мають дипольний момент, що індукує поляризацію світла, що падає на них. З цієї властивості були розроблені екрани для калькуляторів, моніторів, ноутбуків та мобільних телефонів.

Цифрові годинники з рідкокристалічним дисплеєм (LCD)

Дизайн оптичних систем

Оптичні системи часто використовуються в побуті, науці, техніці та охороні здоров'я. Оптичні системи дозволяють обробляти, записувати та передавати інформацію з джерел світла, таких як сонце, світлодіод, вольфрамова лампа або лазер. Прикладами оптичних систем є дифрактометр та інтерферометр.

Оптична метрологія

Він відповідає за проведення вимірювань фізичних параметрів високої роздільної здатності на основі світлової хвилі. Ці вимірювання проводяться за допомогою інтерферометрів і заломлюючих приладів. У медичній галузі метрологія використовується для постійного спостереження за життєвими ознаками пацієнтів.

Останні дослідження фізичної оптики

Оптомеханічний ефект Керкера (А. В. Пошакінський1 та А. Н. Піддубний, 15 січня 2019 р.)

Пошакінський і Піддубний (1) показали, що нанометричні частинки з вібраційним рухом можуть проявляти оптико-механічний ефект, аналогічний тому, який запропонували Керкер та ін (2) у 1983 році.

Ефект Керкера - це оптичне явище, яке полягає в отриманні сильної спрямованості світла, розсіяного сферичними магнітними частинками. Ця спрямованість вимагає, щоб у частинок були магнітні реакції тієї ж інтенсивності, що й електричні сили.

Ефект Керкера - це теоретична пропозиція, що вимагає, щоб матеріальні частинки з магнітними та електричними характеристиками, які наразі не існують у природі, Пошакінський та Піддубний досягли однакового впливу на нанометричні частинки, без значної магнітної реакції, що вібрують у просторі.

Автори показали, що коливання частинок можуть створювати належним чином перешкоджаючі магнітні та електричні поляризації, тому що магнітні та електричні компоненти полярності однакового розміру індукуються в частинці, коли розглядається нееластичне розсіювання світла.

Автори пропонують застосувати оптико-механічний ефект у нанометричних оптичних пристроях, зробивши їх вібруючими при застосуванні акустичних хвиль.

Екстракорпоральна оптична комунікація (DR Dhatchayeny та YH Chung, травень 2019)

Dhatchayeny і Chung (3) пропонують експериментальну систему екстракорпорального оптичного зв’язку (OEBC), яка може передавати життєво важливу інформацію людей через додатки на мобільних телефонах за допомогою технології Android. Система складається з набору датчиків і діодного маточини (світлодіодний масив).

Датчики розміщуються на різних частинах тіла для виявлення, обробки та передачі життєво важливих ознак, таких як пульс, температура тіла та частота дихання. Дані збираються через світлодіодний масив і передаються через камеру мобільного телефону з оптичним додатком.

Світлодіодний масив випромінює світло в діапазоні розсіювання довжини хвилі Rayleigh Gans Debye (RGB). Кожна комбінація кольорів і кольорів випромінюваного світла пов'язана з життєвими ознаками.

Запропонована авторами система може полегшити моніторинг життєвих ознак надійно, оскільки помилки в експериментальних результатах були мінімальними.

Список літератури

1. Оптомеханічний ефект Керкера. Пошакінський, А. В. і Піддубний, А Н. 1, 2019, Фізичний огляд X, т. 9, с. 2160-3308.
2. Електромагнітне розсіювання магнітними сферами. Керкер, М., Ван, DS і Giles, C L. 6, 1982, Journal of Optical Society of America, том 73.
3. Оптична комунікація поза тілом за допомогою камер смартфона для передачі життєвих знаків людини. Dhatchayeny, D and Chung, Y. 15, 2019, додаток. Опт., Т. 58.
4. Аль-Аззаві, А. Принципи та практики фізичної оптики. Бока Ратон, штат Флорида: CRC Press Taylor & Francis Group, 2006.
5. Граттан-Гіннес, І. Супутня енциклопедія історії та філософії математичних наук. Нью-Йорк, США: Routledge, 1994, т. II.
6. Ахманов, С. А. і Нікітін, Ю. Ю. Фізична оптика. Нью-Йорк: Oxford University Press, 2002.
7. Ліпсон, А, Ліпсон, С. Г. та Ліпсон, Х. Фізична оптика. Кембридж, Великобританія: Cambridge University Press, 2011.
8. Міккельсон, А. Р. Фізична оптика. Нью-Йорк: Springer Science + Business Media, 1992.
9. Дженкінс, Ф.А. та Білий, Н. Е. Основи оптики. NY: Вища освіта McGraw Hill, 2001.