ОПТИЧЕСКАЯ ФИЗИКА: ИСТОРИЯ, ЧАСТЫЕ ТЕРМИНЫ, ЗАКОНЫ, ПРИЛОЖЕНИЯ - ФИЗИЧЕСКИЙ - 2025

В физических оптиками являются частью оптического изучения волновой природы света и физических явлений , которые только понято из волновой модели. Он также изучает явления интерференции, поляризации, дифракции и другие явления, которые нельзя объяснить с помощью геометрической оптики.

Волновая модель определяет свет как электромагнитную волну, электрическое и магнитное поля которой колеблются перпендикулярно друг другу.

Электромагнитная волна

Электрическое поле (E) световой волны ведет себя аналогично ее магнитному полю (B), но электрическое поле преобладает над магнитным полем из-за соотношения Максвелла (1831–1879), которое устанавливает следующее:

Где c = скорость распространения волны.

Физическая оптика не объясняет спектр поглощения и излучения атомов. С другой стороны, квантовая оптика действительно занимается изучением этих физических явлений.

История

История физической оптики начинается с экспериментов, проведенных Гримальди (1613–1663), который заметил, что тень, отбрасываемая освещенным объектом, выглядела шире и была окружена цветными полосами.

Он назвал наблюдаемое явление дифракцией. Его экспериментальная работа привела его к предположению о волновой природе света, в отличие от концепции Исаака Ньютона, преобладавшей в 18 веке.

Ньютоновская парадигма установила, что свет ведет себя как луч маленьких корпускул, движущихся с большой скоростью по прямолинейным путям.

Роберт Гук (1635-1703) защищал волновую природу света в своих исследованиях цвета и преломления, утверждая, что свет ведет себя как звуковая волна, быстро распространяющаяся почти мгновенно через материальную среду.

Позднее Гюйгенс (1629–1695), основываясь на идеях Гука, консолидировал волновую теорию света в своей работе Traité de la lumière (1690), в которой он предполагает, что световые волны, излучаемые светящимися телами, распространяются через тонкой и эластичной среды, называемой эфиром.

Волновая теория Гюйгенса объясняет явления отражения, преломления и дифракции намного лучше, чем корпускулярная теория Ньютона, и показывает, что скорость света уменьшается при переходе от менее плотной среды к более плотной.

Идеи Гюйгенса не были приняты учеными в то время по двум причинам. Первая заключалась в невозможности удовлетворительно объяснить определение эфира, а вторая - в том, что Ньютон пользовался авторитетом в отношении его теории механики, что побудило подавляющее большинство ученых принять решение поддержать корпускулярную парадигму света.

Возрождение волновой теории

В начале 19 века Томас Янг (1773–1829) сумел убедить научное сообщество принять волновую модель Гюйгенса, основанную на результатах его эксперимента по интерференции света. Эксперимент позволил определить длины волн разных цветов.

В 1818 году Френелл (1788–1827) переформулировал волновую теорию Гюйгенса в терминах принципа интерференции. Он также объяснил явление двойного лучепреломления света, которое позволило ему утверждать, что свет - это поперечная волна.

В 1808 году Араго (1788–1853) и Малус (1775-1812) объяснили явление поляризации света с помощью волновой модели.

Экспериментальные результаты Физо (1819-1896) в 1849 году и Фукальта (1819-1868) в 1862 году позволили проверить, что свет распространяется быстрее в воздухе, чем в воде, что противоречит объяснению, данному Ньютоном.

В 1872 году Максвелл опубликовал свой «Трактат об электричестве и магнетизме», в котором сформулировал уравнения, синтезирующие электромагнетизм. Из своих уравнений он получил волновое уравнение, которое позволило ему проанализировать поведение электромагнитной волны.

Максвелл обнаружил, что скорость распространения электромагнитной волны связана со средой распространения и совпадает со скоростью света, заключив, что свет является электромагнитной волной.

Наконец, Герцу (1857–1894) в 1888 году удалось создать и обнаружить электромагнитные волны и подтвердить, что свет является разновидностью электромагнитной волны.

Что изучает физическая оптика?

Физическая оптика изучает явления, связанные с волновой природой света, такие как интерференция, дифракция и поляризация.

интерференция

Интерференция - это явление, при котором две или более световых волны перекрываются, сосуществуя в одной и той же области пространства, образуя полосы яркого и темного света.

Яркие полосы образуются, когда несколько волн складываются вместе, чтобы получить волну большей амплитуды. Этот вид вмешательства называется конструктивным вмешательством.

Когда волны перекрываются, чтобы произвести волну меньшей амплитуды, интерференция называется деструктивной интерференцией, и образуются полосы темного света.

интерференция

Распределение цветных полос называется интерференционной картиной. Помехи можно увидеть в мыльных пузырях или слоях масла на мокрой дороге.

Дифракция

Явление дифракции - это изменение направления распространения, которое световая волна испытывает при столкновении с препятствием или отверстием, изменяя ее амплитуду и фазу.

Подобно явлению интерференции, дифракция является результатом суперпозиции когерентных волн. Две или более световых волны когерентны, когда они колеблются с одинаковой частотой, поддерживая постоянное соотношение фаз.

По мере того как препятствие становится все меньше и меньше по сравнению с длиной волны, явление дифракции преобладает над явлением отражения и преломления при определении распределения лучей световой волны, когда они сталкиваются с препятствием. .

Поляризация

Поляризация - это физическое явление, при котором волна колеблется в одном направлении, перпендикулярном плоскости, содержащей электрическое поле. Если волна не имеет фиксированного направления распространения, говорят, что волна не поляризована. Есть три типа поляризации: линейная поляризация, круговая поляризация и эллиптическая поляризация.

Если волна колеблется параллельно фиксированной линии, описывающей прямую линию в плоскости поляризации, говорят, что она линейно поляризована.

Когда вектор электрического поля волны описывает круг в плоскости, перпендикулярной тому же направлению распространения, сохраняя при этом его величину постоянной, волна называется круговой поляризацией.

Если вектор электрического поля волны описывает эллипс в плоскости, перпендикулярной тому же направлению распространения, волна называется эллиптически поляризованной.

Частые термины в физической оптике

Поляризационный

Это фильтр, который позволяет только части света, ориентированной в одном определенном направлении, проходить через него, не позволяя проходить волнам, ориентированным в других направлениях.

Волновой фронт

Это геометрическая поверхность, на которой все части волны имеют одинаковую фазу.

Амплитуда и фаза волны

Амплитуда - это максимальное удлинение волны. Фаза волны - это состояние вибрации в определенный момент времени. Две волны находятся в фазе, когда они имеют одинаковое состояние вибрации.

Угол Брюстера

Это угол падения света, при котором световая волна, отраженная от источника, полностью поляризуется.

инфракрасный

Свет, невидимый человеческому глазу, в спектре электромагнитного излучения от 700 нм до 1000 мкм.

Скорость света

Это константа скорости распространения световой волны в вакууме, значение которой составляет 3 × 10 ⁸ м / с. Значение скорости света меняется при его распространении в материальной среде.

длина волны

Мера расстояния между гребнем и другим гребнем или между долиной и другой долиной волны по мере ее распространения.

Ультрафиолетовый

Невидимое электромагнитное излучение со спектром длин волн менее 400 нм.

Законы физической оптики

Ниже приведены некоторые законы физической оптики, описывающие явления поляризации и интерференции.

Лоус Френелл и Араго

1. Две световые волны с линейной, когерентной и ортогональной поляризациями не мешают друг другу, образуя интерференционную картину.
2. Две волны света с линейной, когерентной и параллельной поляризациями могут интерферировать в области пространства.
3. Две волны естественного света с линейной, некогерентной и ортогональной поляризациями не мешают друг другу и не образуют интерференционную картину.

Закон Малуса

Закон Малуса гласит, что интенсивность света, пропускаемого поляризатором, прямо пропорциональна квадрату косинуса угла, образующего ось пропускания поляризатора и ось поляризации падающего света. Другими словами:

I = интенсивность света, пропускаемого поляризатором

θ = угол между осью передачи и осью поляризации падающего луча

I ₀ = интенсивность падающего света

Закон Малуса

Закон Брюстера

Луч света, отраженный поверхностью, полностью поляризован в направлении, перпендикулярном плоскости падения света, когда угол между отраженным лучом и преломленным лучом равен 90 °.

Закон Брюстера

Приложения

Некоторые приложения физической оптики заключаются в исследовании жидких кристаллов, разработке оптических систем и оптической метрологии.

Жидкие кристаллы

Жидкие кристаллы - это материалы, которые находятся между твердым и жидким состояниями, молекулы которых обладают дипольным моментом, который вызывает поляризацию падающего на них света. На основе этого свойства были разработаны экраны для калькуляторов, мониторов, ноутбуков и сотовых телефонов.

Цифровые часы с жидкокристаллическим дисплеем (LCD)

Проектирование оптических систем

Оптические системы часто используются в повседневной жизни, науке, технике и здравоохранении. Оптические системы позволяют обрабатывать, записывать и передавать информацию от таких источников света, как солнце, светодиод, вольфрамовая лампа или лазер. Примеры оптических систем - дифрактометр и интерферометр.

Оптическая метрология

Он отвечает за выполнение измерений физических параметров с высоким разрешением на основе световой волны. Эти измерения производятся с помощью интерферометров и рефракционных приборов. В области медицины метрология используется для постоянного контроля жизненных показателей пациентов.

Последние исследования в области физической оптики

Оптомеханический эффект Керкера (А.В. Пошакинский1, А.Н. Поддубный, 15 января 2019 г.)

Пошакинский и Поддубный (1) продемонстрировали, что нанометровые частицы с колебательным движением могут проявлять оптико-механический эффект, аналогичный тому, который был предложен Керкером и др. (2) в 1983 году.

Эффект Керкера - это оптическое явление, заключающееся в получении сильной направленности света, рассеянного сферическими магнитными частицами. Эта направленность требует, чтобы частицы имели магнитные отклики той же интенсивности, что и электрические силы.

Эффект Керкера - это теоретическое предположение, которое требует материальных частиц с магнитными и электрическими характеристиками, которые в настоящее время не существуют в природе.Пошакинский и Поддубный достигли такого же эффекта на нанометрических частицах без значительного магнитного отклика, которые вибрируют в космосе.

Авторы показали, что колебания частиц могут создавать соответствующие интерферирующие магнитные и электрические поляризации, поскольку компоненты магнитной и электрической полярности одного порядка величины индуцируются в частице, когда рассматривается неупругое рассеяние света.

Авторы предлагают применение оптико-механического эффекта в нанометрических оптических устройствах, заставляя их вибрировать с помощью акустических волн.

Экстракорпоральная оптическая связь (Д. Р. Дхатчайени и Ю. Х. Чанг, май 2019 г.)

Dhatchayeny и Chung (3) предлагают экспериментальную систему экстракорпоральной оптической связи (OEBC), которая может передавать информацию о жизненно важных функциях людей через приложения на мобильных телефонах с технологией Android. Система состоит из набора датчиков и диодного концентратора (светодиодной матрицы).

Датчики размещаются на различных частях тела для обнаружения, обработки и передачи таких жизненно важных показателей, как пульс, температура тела и частота дыхания. Данные собираются с помощью светодиодной матрицы и передаются через камеру мобильного телефона с помощью оптического приложения.

Светодиодная матрица излучает свет в диапазоне длин волн рассеяния Рэлея-Ганса-Дебая (RGB). Каждый цвет и цветовые комбинации излучаемого света связаны с жизненными показателями.

Предлагаемая авторами система может надежно облегчить мониторинг жизненно важных функций, поскольку ошибки в результатах экспериментов были минимальными.

Ссылки

1. Оптомеханический эффект Керкера. Пошакинский А.В., Поддубный А.Н. 1, 2019, Physical Review X, Vol. 9, pp. 2160-3308.
2. Электромагнитное рассеяние на магнитных сферах. Керкер, М., Ван, Д.С. и Джайлз, К. Л. 6, 1982, Журнал Оптического общества Америки, том 73.
3. Оптическая внетелесная связь с использованием камер смартфонов для передачи жизненно важных функций человека. Dhatchayeny, D and Chung, Y.15, 2019, Appl. Опт., Т. 58.
4. Аль-Аззави, А. Принципы и методы физической оптики. Бока-Ратон, Флорида: CRC Press Taylor & Francis Group, 2006.
5. Граттан-Гиннес, И. Сопутствующая энциклопедия истории и философии математических наук. Нью-Йорк, США: Routledge, 1994, Vol. II.
6. Ахманов С.А., Никитин С.Ю. Физическая оптика. Нью-Йорк: Издательство Оксфордского университета, 2002.
7. Липсон, А., Липсон, С.Г. и Липсон, Х. Физическая оптика. Кембридж, Великобритания: Издательство Кембриджского университета, 2011.
8. Микельсон А. Р. Физическая оптика. Нью-Йорк: Springer Science + Business Media, 1992.
9. Дженкинс, Ф.А. и Уайт, Х. Э. Основы оптики. Нью-Йорк: Высшее образование Макгроу Хилла, 2001.