OPTICKÁ FYZIKA: HISTÓRIA, ČASTÉ POJMY, ZÁKONY, APLIKÁCIE - FYZICKÝ - 2026

Tieto fyzikálne optika je súčasťou optického študovania vlnovej povahy svetla a fyzikálne javy, ktoré iba pochopiť z modelu vlny. Študuje tiež javy interferencie, polarizácie, difrakcie a ďalšie javy, ktoré nemožno vysvetliť z geometrickej optiky.

Vlnový model definuje svetlo ako elektromagnetickú vlnu, ktorej elektrické a magnetické pole osciluje kolmo na seba.

Elektromagnetická vlna

Elektrické pole (E) svetelnej vlny sa správa podobne ako jeho magnetické pole (B), ale elektrické pole prevláda nad magnetickým poľom v dôsledku Maxwellovho vzťahu (1831 - 1879), ktorý stanovuje toto:

Kde c = rýchlosť šírenia vlny.

Fyzikálna optika nevysvetľuje absorpčné a emisné spektrum atómov. Na druhej strane kvantová optika sa zaoberá štúdiom týchto fyzikálnych javov.

histórie

História fyzikálnej optiky sa začína experimentami Grimaldiho (1613-1663), ktorí pozorovali, že tieň vrhnutý osvetleným objektom sa javil širší a bol obklopený farebnými pruhmi.

Nazval difrakciu pozorovaného javu. Jeho experimentálna práca ho viedla k tomu, aby navrhol vlnovú povahu svetla, na rozdiel od koncepcie Izáka Newtona, ktorá prevládala v 18. storočí.

Newtonovské paradigma potvrdilo, že svetlo sa správalo ako lúč malých teliesok, ktoré sa pohybovali vysokou rýchlosťou po priamkových cestách.

Robert Hooke (1635 - 1703) vo svojich štúdiách o farbe a lome bránil vlnovú povahu svetla a tvrdil, že sa svetlo chová ako zvuková vlna, ktorá sa rýchlo šíri takmer okamžite cez materiálne médium.

Neskôr Huygens (1629–1695) na základe Hookeho myšlienok upevnil teóriu vĺn vo svojom Traité de la lumière (1690), v ktorom predpokladal, že svetelné vlny emitované svetelnými telami sa šíria cez jemného a elastického média nazývaného éter.

Huygensova teória vĺn vysvetľuje fenomény odrazu, lomu a difrakcie oveľa lepšie ako Newtonova teória korpuskulárnych javov a ukazuje, že rýchlosť svetla sa znižuje pri prechode z menej hustého média na hustejšie.

Vedci v tom čase neprijali myšlienky Huygensa z dvoch dôvodov. Prvou bola nemožnosť uspokojivo vysvetliť definíciu éteru a druhou bola prestíž Newtona okolo jeho teórie mechaniky, ktorá ovplyvnila veľkú väčšinu vedcov, aby sa rozhodli podporiť korpuskulárnu paradigmu svetla.

Znovuzrodenie teórie vĺn

Začiatkom 19. storočia sa Tomášovi Youngovi (1773 - 1829) podarilo na základe výsledkov experimentu s interferenciou so svetlom dosiahnuť, aby vedecká komunita akceptovala Huygensov vlnový model. Experiment umožnil určiť vlnové dĺžky rôznych farieb.

V roku 1818 Fresnell (1788 - 1827) zopakoval teóriu Huygensovej vlny z hľadiska princípu interferencie. Vysvetlil tiež jav dvojitého svetla, ktorý mu umožnil potvrdiť, že svetlo je priečna vlna.

V rokoch 1808 Arago (1788 - 1853) a Malus (1775 - 1812) vysvetlili jav polarizácie svetla z vlnového modelu.

Experimentálne výsledky Fizeaua (1819 - 1896) v roku 1849 a Foucalta (1819 - 1868) v roku 1862 umožnili overiť, že svetlo sa šíri vo vzduchu rýchlejšie ako vo vode, čo je v rozpore s vysvetlením, ktoré podal Newton.

V roku 1872 Maxwell uverejnil svoje pojednanie o elektrine a magnetizme, v ktorom uviedol rovnice, ktoré syntetizujú elektromagnetizmus. Z jeho rovníc získal vlnovú rovnicu, ktorá mu umožnila analyzovať správanie elektromagnetickej vlny.

Maxwell zistil, že rýchlosť šírenia elektromagnetickej vlny súvisí s propagačným médiom a časovo sa zhoduje s rýchlosťou svetla, pričom dochádza k záveru, že svetlo je elektromagnetická vlna.

Nakoniec sa Hertzovi (1857 - 1894) v roku 1888 podarilo vyprodukovať a zistiť elektromagnetické vlny a potvrdiť, že svetlo je typom elektromagnetickej vlny.

Čo študuje fyzikálna optika?

Fyzikálna optika skúma javy súvisiace s vlnovou povahou svetla, ako je interferencia, difrakcia a polarizácia.

zasahovanie

Rušenie je jav, ktorým sa prekrývajú dve alebo viac svetelných vĺn, ktoré koexistujú v rovnakej oblasti priestoru a vytvárajú pruhy jasného a tmavého svetla.

Jasné pruhy sa vytvárajú, keď sa k sebe pridá viac vĺn, aby sa vytvorila väčšia amplitúdová vlna. Tento typ rušenia sa nazýva konštruktívne rušenie.

Keď sa vlny prekrývajú a vytvárajú vlnu s nižšou amplitúdou, interferencia sa nazýva deštruktívna interferencia a vytvárajú sa pásma tmavého svetla.

zasahovanie

Spôsob distribúcie farebných pásov sa nazýva interferenčný vzor. Rušenie je možné vidieť na mydlových bublinách alebo olejových vrstvách na mokrej vozovke.

difrakcie

Fenomén difrakcie je zmena v smere šírenia, ktorú svetelná vlna zažije, keď narazí na prekážku alebo otvor, zmení jej amplitúdu a fázu.

Rovnako ako fenomén rušenia, aj ohyb je výsledkom superpozície koherentných vĺn. Dve alebo viac svetelných vĺn sú koherentné, keď oscilujú s rovnakou frekvenciou a udržiavajú konštantný fázový vzťah.

Keď sa prekážka zmenšuje a zmenšuje v porovnaní s vlnovou dĺžkou, difrakčný jav prevláda nad javom odrazu a lomu pri určovaní distribúcie lúčov svetelných vĺn, keď dopadne na prekážku. ,

polarizácia

Polarizácia je fyzikálny jav, ktorým vlna vibruje v jednom smere kolmom na rovinu obsahujúcu elektrické pole. Ak vlna nemá pevný smer šírenia, hovorí sa, že vlna nie je polarizovaná. Existujú tri typy polarizácie: lineárna polarizácia, kruhová polarizácia a eliptická polarizácia.

Ak vlna vibruje rovnobežne s pevnou čiarou popisujúcou priamku v rovine polarizácie, hovorí sa, že je lineárne polarizovaná.

Keď vektor elektrického poľa vlny opisuje kružnicu v rovine kolmej na rovnaký smer šírenia, udržiavajúc konštantnú veľkosť, vlna sa považuje za kruhovo polarizovanú.

Ak vektor elektrického poľa vlny opisuje elipsu v rovine kolmej na rovnaký smer šírenia, potom sa o vlne hovorí, že je elipticky polarizovaná.

Časté pojmy vo fyzickej optike

polarizačný

Je to filter, ktorý umožňuje, aby ním prechádzala iba časť svetla, ktorá je orientovaná v jednom špecifickom smere bez toho, aby nechala prechádzať tie vlny, ktoré sú orientované v iných smeroch.

Vlny vpredu

Je to geometrický povrch, v ktorom majú všetky časti vlny rovnakú fázu.

Amplitúda a fáza vlny

Amplitúda je maximálne predĺženie vlny. Fáza vlny je stav vibrácií v okamihu. Dve vlny sú vo fáze, keď majú rovnaký stav vibrácií.

Brewsterov uhol

Je to uhol dopadu svetla, ktorým je svetelná vlna odrazená od zdroja úplne polarizovaná.

infračervené

Svetlo neviditeľné pre ľudské oko v spektre elektromagnetického žiarenia od 700 nm do 1 000 μm.

Rýchlosť svetla

Je to rýchlostná konštanta šírenia svetelnej vlny vo vákuu, ktorej hodnota je 3 × ¹⁰⁸ m / s. Hodnota rýchlosti svetla sa mení, keď sa šíri v materiálnom médiu.

vlnová dĺžka

Miera vzdialenosti medzi hrebeňom a ďalším hrebeňom alebo medzi údolím a ďalším údolím vlny pri jej šírení.

ultrafialový

Neviditeľné elektromagnetické žiarenie so spektrom vlnových dĺžok menej ako 400 nm.

Zákony fyzickej optiky

Ďalej sú uvedené niektoré zákony fyzikálnej optiky, ktoré popisujú jav polarizácie a interferencie

Fresnell a Arago zákony

1. Dve svetelné vlny s lineárnou, koherentnou a ortogonálnou polarizáciou navzájom neinterferujú, aby vytvorili interferenčný vzor.
2. Dve vlnové vlny s lineárnou, koherentnou a paralelnou polarizáciou môžu zasahovať do oblasti vesmíru.
3. Dve vlny prírodného svetla s lineárnymi, nekoherentnými a ortogonálnymi polarizáciami navzájom neinterferujú a vytvárajú interferenčný vzor.

Malusov zákon

Malusov zákon uvádza, že intenzita svetla prepúšťaného polarizátorom je priamo úmerná štvorcu kosínu uhla, ktorý tvorí os prenosu polarizátora a os polarizácie dopadajúceho svetla. Inými slovami:

I = intenzita svetla prepúšťaného polarizátorom

θ = Uhol medzi osou prenosu a osou polarizácie dopadajúceho lúča

I ₀ = intenzita dopadajúceho svetla

Malusov zákon

Brewsterov zákon

Svetelný lúč odrážaný povrchom je úplne polarizovaný v smere kolmom na rovinu dopadu svetla, keď je uhol, ktorý odrážaný lúč tvorí s lomom lúča, rovný 90 °.

Brewsterov zákon

aplikácia

Niektoré z aplikácií fyzickej optiky sú pri štúdiu tekutých kryštálov, pri návrhu optických systémov a v optickej metrológii.

Kvapalné kryštály

Kvapalné kryštály sú materiály, ktoré sú udržiavané medzi tuhým a tekutým stavom, ktorých molekuly majú dvojpólový moment, ktorý spôsobuje polarizáciu svetla, ktoré na ne dopadá. Z tejto vlastnosti boli vyvinuté obrazovky pre kalkulačky, monitory, notebooky a mobilné telefóny.

Digitálne hodinky s displejom z tekutých kryštálov (LCD)

Návrh optických systémov

Optické systémy sa často používajú v každodennom živote, vede, technike a zdravotnej starostlivosti. Optické systémy umožňujú spracovávať, zaznamenávať a prenášať informácie zo zdrojov svetla, ako sú slnko, LED, žiarovka alebo laser. Príkladmi optických systémov sú difraktometer a interferometer.

Optická metrológia

Je zodpovedný za vykonávanie meraní fyzikálnych parametrov s vysokým rozlíšením na základe svetelnej vlny. Tieto merania sa vykonávajú pomocou interferometrov a refrakčných prístrojov. V lekárskej oblasti sa metrológia používa na nepretržité monitorovanie životných funkcií pacientov.

Posledný výskum vo fyzickej optike

Optomechanický Kerkerov efekt (AV Poshakinskiy1 a AN Poddubny, 15. januára 2019)

Poshakinskiy a Poddubny (1) ukázali, že nanometrické častice s vibračným pohybom môžu vykazovať opticko-mechanický efekt podobný tomu, ktorý navrhli Kerker et al (2) v roku 1983.

Kerkerov jav je optický jav, ktorý spočíva v získaní silnej smerovej orientácie svetla rozptýleného sférickými magnetickými časticami. Táto smernosť vyžaduje, aby častice mali magnetické odozvy rovnakej intenzity ako elektrické sily.

Kerkerov efekt je teoretický návrh, ktorý si vyžaduje častice materiálu s magnetickými a elektrickými charakteristikami, ktoré v súčasnosti neexistujú v prírode.

Autori demonštrovali, že vibrácie častíc môžu vytvárať vhodne rušivé magnetické a elektrické polarizácie, pretože zložky elektrickej a magnetickej polarity rovnakej veľkosti sú indukované v častici, keď sa uvažuje o nepružnom rozptyle svetla.

Autori navrhujú aplikáciu opticko-mechanického efektu v nanometrických optických zariadeniach tak, že ich vibrujú pôsobením akustických vĺn.

Mimotelová optická komunikácia (DR Dhatchayeny a YH Chung, máj 2019)

Dhatchayeny a Chung (3) navrhujú experimentálny mimotelový optický komunikačný systém (OEBC), ktorý dokáže prenášať informácie o životných známkach ľudí prostredníctvom aplikácií na mobilných telefónoch s technológiou Android. Systém pozostáva zo sady senzorov a diódového rozbočovača (LED pole).

Senzory sú umiestnené na rôznych častiach tela na detekciu, spracovanie a komunikáciu životných funkcií, ako sú pulz, telesná teplota a rýchlosť dýchania. Dáta sa zhromažďujú cez pole LED a prenášajú sa cez kameru mobilného telefónu s optickou aplikáciou.

Pole LED emituje svetlo v rozsahu rozptylu vlnových dĺžok Rayleigh Gans Debye (RGB). Každá farba a farebná kombinácia vyžarovaného svetla súvisia so životnými znakmi.

Systém navrhnutý autormi môže spoľahlivo uľahčiť sledovanie životných funkcií, pretože chyby v experimentálnych výsledkoch boli minimálne.

Referencie

1. Optomechanický Kerkerov efekt. Poshakinskiy, AV a Poddubny, A N. 1, 2019, Physical Review X, zv. 9, str. 2160-3308.
2. Elektromagnetický rozptyl magnetickými guľami. Kerker, M, Wang, DS a Giles, C L. 6, 1982, Journal of Optical Society of America, zv. 73.
3. Optická komunikácia mimo tela pomocou smartfónov pre prenos ľudských životných znakov. Dhatchayeny, D a Chung, Y. 15, 2019, Appl. Opt., Zv. 58.
4. Al-Azzawi, A. Princípy a prax fyzickej optiky. Boca Raton, FL: CRC Press Taylor & Francis Group, 2006.
5. Grattan-Guiness, I. Sprievodná encyklopédia dejín a filozofie matematických vied. New York, USA: Routledge, 1994, zv. II.
6. Akhmanov, SA a Nikitin, S Yu. Fyzikálna optika. New York: Oxford University Press, 2002.
7. Lipson, A, Lipson, SG a Lipson, H. Physical Optics. Cambridge, UK: Cambridge University Press, 2011.
8. Mickelson, R. Fyzikálna optika. New York: Springer Science + Business Media, 1992.
9. Jenkins, FA a White, H. E. Základy optiky. NY: McGraw Hill Higher Education, 2001.