Fyysinen optiikkahistoria, usein termit, lait, sovellukset

Se Fyysinen optiikka Se on osa optiikkaa, joka tutkii valon ja fyysisten ilmiöiden aaltoilevaa luonnetta, jotka ymmärretään vain aaltoilevasta mallista. Se tutkii myös häiriöiden, polarisaation, diffraktion ja muiden ilmiöiden ilmiöitä, joita ei voida selittää geometrisesta näkökulmasta.

Alkuperäinen malli määrittelee valo.

Sähkömagneettinen aalto [kirjoittanut Lennart Kudling Raphaël Deknop (https: // commons.Wikimedia.org/wiki/tiedosto: sähkömagneettinen_wave_color.Pdf)]

Sähkökenttä (JA) Light -aalto käyttäytyy samalla tavalla kuin heidän magneettikentänsä (B -), mutta magneettisen sähkökenttä hallitsee Maxwellin (1831-1879) suhteen, joka vahvistaa seuraavan:

JA= CB

Missä c = Aallon etenemisnopeus.

Fyysinen optiikka ei selitä atomien imeytymisen ja päästöjen spektriä. Toisaalta Quantum Optics Jos käsittelet näiden fysikaalisten ilmiöiden tutkimusta.

[TOC]

Historia

Fyysisen optiikan historia alkaa Grimaldin (1613-1663) suorittamilla kokeilla, jotka havaitsivat, että valaistun esineen projisoima varjo oli leveämpi ja että sitä ympäröivät värilliset raidat.

Havaittu ilmiö kutsui häntä diffraktioksi. Hänen kokeellinen työnsä sai hänet nostamaan valon aaltoilevaa luonnetta vastustaen Isaac Newtonin käsitystä, joka hallitsi 1700 -luvulla.

Newtonin paradigma totesi, että valo käyttäytyi kuin pienten runkojen säde, joka liikkui suurella nopeudella suoraviivaisina radalla.

Robert Hooke (1635-1703) puolusti valon aaltoilevaa luonnetta väreissä ja taittumistutkimuksissa, ja totesi, että valo käyttäytyi kuin ääniaalto, joka eteni nopeasti melkein hetkessä materiaalin väliaineen läpi.

Myöhemmin Huygens (1629-1695), joka perustuu Hooken ideoihin, vahvisti hänen aaltoilevan valon teorian I PRAITE DE LUMIèRE (1690), jossa valokappaleiden lähettämät valon aallot levitetään hienovaraisen ja joustavan väliaineen kautta eetteri.

Huygensin aaltoileva teoria selittää heijastus-, taittumisen ja diffraktion ilmiöt paljon paremmin kuin Newtonin korpuskulaarinen teoria, ja osoittaa, että valon nopeus pienenee siirtymällä vähemmän tiheästä yhteen tiheään väliaineeseen.

Tutkijat eivät ole hyväksyneet Huygensin ideoita kahdesta syystä. Ensimmäinen oli mahdoton selittää tyydyttävästi määritelmä eetteri, Ja toinen oli Newtonin arvovalta hänen teoriansa ympärillä mekaniikasta, joka vaikutti suurimpaan osaan tutkijoita päättämään tukea valon paradigmaa.

Aaltoilevan teorian renessanssi

1800-luvun alussa Tomas Young (1773-1829) saa tiedeyhteisön hyväksymään Huygensin ondulatoiva malli sen kevyen häiriökokeen tuloksista. Kokeen sallittu määrittää eri värien aallonpituudet.

Vuonna 1818 Fresnell (1788-1827) harkitsee uudelleen huygenien aaltoilevaa teoriaa puuttumisperiaatteen perusteella. Hän selitti myös BirRefringencia de la Luzin ilmiön, joka antoi hänelle vahvistaa, että valo on poikittainen aalto.

Vuonna 1808 Arago (1788-1853) ja Malus (1775-1812) selittivät valon polarisaation ilmiön aaltoilevasta mallista.

Fizeaun (1819-1896) kokeelliset tulokset vuonna 1849 ja Foucalt (1819-1868) vuonna 1862 antoivat varmistaa, että valo leviää ilmassa nopeammin kuin vedessä, ristiriidassa Newtonin antaman selityksen kanssa, mikä on ristiriidassa Newtonin antaman selityksen kanssa.

Voi palvella sinua: mikä on suhteellinen ja ehdoton karheus?

Vuonna 1872 Maxwell julkaisee hänen Sähkö- ja magneettisopimus, jossa se ilmaisee yhtälöt, jotka syntetisoivat sähkömagnetismia. Yhtälöistään hän sai aaltoyhtälön, joka mahdollisti sähkömagneettisen aallon käyttäytymisen analysoinnin.

Maxwell havaitsi, että sähkömagneettisen aallon etenemisnopeus liittyy etenemisväliaineeseen ja osuu samaan aikaan valon nopeuden, päättelyn, että valo on sähkömagneettinen aalto.

Lopuksi Hertz (1857-1894) vuonna 1888 onnistuu tuottamaan ja havaitsemaan sähkömagneettisia aaltoja ja vahvistamaan, että valo on sähkömagneettinen aaltotyyppi.

Mikä tutkii fyysistä optiikkaa?

Fysikaaliset optiikkatutkimukset ilmiöt, jotka liittyvät valon aaltoilevaan luonteeseen, kuten häiriöihin, diffraktioon ja polarisaatioon.

Puuttuminen

Häiriöt ovat ilmiö, jolla kaksi tai useampia valon aaltoja on päällekkäin samanaikaisesti samalla avaruusalueella, muodostaen kirkkaat ja tummat valonkaistat.

Kirkkaat nauhat tapahtuvat, kun useita aaltoja lisätään korkeamman aallon tuottamiseksi. Tämän tyyppisiä häiriöitä kutsutaan rakentaviksi häiriöiksi.

Kun aallot ovat päällekkäisiä alemman leveyden aallon tuottamiseksi, häiriöitä kutsutaan tuhoisiksi häiriöiksi ja tuotetaan tumman valon nauhat.

Häiriöt [induktiveload (https: // commons.Wikimedia.org/wiki/tiedosto: rakentava_interference.Svg)]

Värilliset kaistat jakautuvat tapaan kutsutaan häiriökuvioksi. Häiriöt näkyvät saippuakuplissa tai märän tien öljykerroksissa.

Diffraktio

Diffraktion ilmiö on muutos etenemissuunnassa, jota valoaallon kokee vaikuttamalla esteeseen tai avautumalla sen amplitudin ja vaiheen muuttamiseen.

Kuten häiriöilmiö, diffraktio on seurausta koherenttien aaltojen päällekkäisyydestä. Kaksi tai useampaa valoaaltoa ovat yhdenmukaisia, kun ne vaihtelevat samalla taajuudella ylläpitämällä vakiovaiheuhdetta.

Kun este kasvaa.

Polarisaatio

Polarisaatio on fysikaalinen ilmiö, jolla aalto värisee yhteen suuntaan kohtisuorassa sähkökenttää sisältävaan tasoon nähden. Jos aallolla ei ole kiinteää etenemissuuntaa, sanotaan, että aaltoa ei polarisoitu. Polarisaatiota on kolme tyyppiä: lineaarinen polarisaatio, pyöreä polarisaatio ja elliptinen polarisaatio.

Jos aalto värähtelee yhdensuuntaisen kiinteän viivan kanssa, joka kuvaa suoraa viivaa polarisaatiotasossa, sanotaan, että se on lineaarisesti polarisoitu.

Kun aallon sähkökenttä kuvaa ympyrää tasossa kohtisuorassa samaan etenemissuuntaan pitäen sen voimakkuuden vakiona, sanotaan, että aalto on pyöreästi polarisoitu.

Jos aallon sähkökenttävektori kuvaa ellipsiä kohtisuorassa olevassa tasossa samaan etenemissuuntaan, sanotaan, että aalto on elliptisesti polarisoitu.

Fyysisen optiikan usein

Polarisoiva

Se on suodatin, joka sallii vain osan valosta, joka on suunnattu yhteen tiettyyn suuntaan kulkee sen läpi kadottamatta niitä aaltoja, jotka on suunnattu muihin suuntiin.

Voi palvella sinua: ilmainen kehon kaavio

Aalto

Se on geometrinen pinta, jossa kaikilla aallon osilla on sama vaihe.

Amplitudi- ja aaltofaasi

Amplitudi on aallon suurin venymä. Aallon vaihe on värähtelytila ​​hetkessä. Kaksi aaltoa on vaiheessa, kun niillä on sama tärinätila.

Kisankulma

Se on valon esiintymiskulma, jonka läpi heijastunut valoaallo on täysin polarisoitu.

Infrapuna

Ihmisen silmä ei näkyvissä 700 sähkömagneettisessa säteilyspektrissänm 1000μm.

Valonopeus

Se on vakio vakiona valaisevan aallon nopeuden nopeutta tyhjyydessä, jonka arvo on 3 × 10⁸neiti. Valon valon valo vaihtelee levitettäessä materiaaliväliainetta.

Aallonpituus

Yhden harjanteen ja toisen harjanteen välisen etäisyyden mitta tai yhden laakson ja toisen aallon laakson välillä levitettävä.

Ultravioletti

Ei -näkymätön sähkömagneettinen säteily, jonka aallonpituusspektri on alle 400nm.

Fyysiset optiikan lakit

Joitakin polarisaation ja häiriöiden ilmiöitä kuvaavia fyysisiä optiikoita mainitaan alla

Fresnell ja Arago Laws

1. Kaksi valon aaltoa lineaarisilla, koherentti- ja ortogonaalisilla polarisaatioilla ei häiritse toisiaan häiriökuvion muodostamiseksi.
2. Kaksi valon aaltoa lineaarisella, koherentti- ja rinnakkaispolarisaatiolla voivat häiritä avaruusalueella.
3. Kaksi luonnollista valoaaltoa, joissa on lineaarinen, ei -kotelo ja ortogonaalinen polarisaatio, eivät häiritse toisiaan.

Malus -laki

Malus -laki osoittaa, että polarisaattorin välittämä valon voimakkuus on suoraan verrannollinen kulman kosinin neliöön, joka muodostaa polarisaattorin läpäisyakselin ja valotapahtuman polarisaatio -akselin. Toisin sanoen:

I = i_{0 -}koos²θ

I =Polarisaattorin välittämä valon itehuus

θ = Läpäisyakselin ja tulevan palkin polarisaatio -akselin välinen kulma

Yllyttää_{0 -} = Tapahtuvan valon voimakkuus

Malus Law [kirjoittanut Freshneesz (https: // commons.Wikimedia.org/wiki/tiedosto: malus_law.Svg)]

Brewsterin laki

Pinnan heijastava valonsäde on täysin polarisoitu normaaliin suuntaan valon esiintymistasoon, kun taitetun palkin kanssa heijastuneen säteen muodostava kulma on yhtä suuri kuin 90 °.

Brewster Law [kirjoittanut PAJS (https: // commons.Wikimedia.org/wiki/tiedosto: panimot.Svg)]

Sovellukset

Jotkut fysikaalisista optiikan sovelluksista ovat nestemäisten kiteiden tutkimuksessa, optisten järjestelmien ja optisen metrologian suunnittelussa.

Nestekiteitä

Nestekiteitä ovat materiaaleja kiinteän tilan ja nestemäisen tilan välillä, joiden molekyyleillä on dipolimomentti, joka indusoi niihin vaikuttavan valon polarisaation. Tästä ominaisuudesta on kehitetty laskimen näytöt, näytöt, kannettavat tietokoneet ja matkapuhelimet.

Digitaalinen kello nestemäisellä kidesinällä (LCD) [kirjoittanut BBCLCD (https: // commons.Wikimedia.org/wiki/tiedosto: casio_lcd_watch_f-e10.Jpg)]

Optiset järjestelmien suunnittelu

Usein optisia järjestelmiä käytetään jokapäiväisessä elämässä, tieteessä, tekniikassa ja terveydessä. Optiset järjestelmät mahdollistavat tietojen käsittelyn, rekisteröinnin ja lähettämisen, kuten auringon, LEDin, volframilampun tai laserin kanssa. Esimerkkejä optisista järjestelmistä ovat diffraktometri ja interferometri.

Optinen metrologia

Se on vastuussa fyysisten parametrien korkean resoluution mittaamisesta valoaallon perusteella. Nämä mittaukset tehdään interferometreillä ja taitekerroksilla. Lääketieteellisellä alueella metrologiaa käytetään potilaan elintärkeiden merkkien jatkuvan seurannan suorittamiseen.

Se voi palvella sinua: magnetointi: kiertoradan ja spin -magneettinen momentti, esimerkkejä

Viimeaikainen fyysisen optiikan tutkimus

Optomekaaninen Kerker -vaikutus (a. V. Poshakinskiy1 ja a. N. Poddubny, 15. tammikuuta 2019)

Poshakinskiy ja Poddubny (1) osoittivat, että värähtelyjen nanometriset hiukkaset voivat ilmentää optisen mekaanisen vaikutuksen, joka on samanlainen kuin Kerker et al (2) vuonna 1983 ehdottama.

Kerker -vaikutus on optinen ilmiö, joka koostuu magneettisten pallomaisten hiukkasten dispergoidun valon voimakkaan suuntauksen saamisesta. Tämä suuntaus edellyttää, että hiukkasilla on saman intensiteetin magneettiset vasteet kuin sähkövoimilla.

Kerker -vaikutus on teoreettinen ehdotus, joka vaatii materiaalihiukkasia, joilla on magneettisia ja sähköisiä ominaisuuksia, joita tällä hetkellä ei ole posthakinskiy- ja poddubny -luontossa, saavuttivat saman vaikutuksen nanometrisiin hiukkasiin ilman merkittävää magneettireaktiota, joka värähtelee avaruudessa avaruudessa.

Kirjoittajat osoittivat, että hiukkasen värähtelyt voivat luoda magneettisia ja sähköisiä polarisaatioita, jotka häiritsevät kunnolla, koska se indusoidaan saman suuruusluokan magneettisten ja sähköisten napaisuuskomponenttien hiukkasissa, kun otetaan huomioon valon epäiltyistä dispersiota.

Kirjoittajat ehdottavat optisen mekaanisen vaikutuksen soveltamista nanometrisiin optisiin laitteisiin, kun ne värähtelevät akustisten aaltojen levittämällä.

Kehon ulkopuolinen optinen viestintä (D. R -. Dhatchayeny ja y. H. Chung, toukokuu 2019)

Dhatchayeny ja Chung (3) ehdottavat kokeellista kehon ulkopuolisen optisen viestinnän (OEBC) järjestelmää, joka voi lähettää tietoa ihmisten elintärkeistä merkeistä sovellusten avulla matkapuhelimissa Android -tekniikan kanssa. Järjestelmä koostuu joukosta antureita ja diodikonsentraattoria (LED -järjestely).

Anturit asetetaan kehon eri osiin havaitsemaan, käsittelemään ja kommunikoimaan elintärkeitä merkkejä, kuten pulssi, kehon lämpötila ja hengitysnopeus. Tiedot kerätään LED -järjestelyn kautta ja lähetetään matkapuhelinkameran kautta optisen sovelluksen avulla.

LED -järjestely säteilee valoa sironta -aallonpituuksien Rayleight Gans Debye -alueella (RGB). Jokainen säteilyväri- ja väriyhdistelmät liittyvät elintärkeisiin merkkeihin.

Kirjailijoiden ehdottama järjestelmä voi helpottaa elintärkeiden merkkien seurantaa luotettavasti, koska kokeellisissa tuloksissa olevat virheet olivat minimaalisia.

Viitteet

1. Optomekaaninen Kerker -vaikutus. Poshakinskiy, a v ja poddubny, a n. 1, 2019, Physical Review X, Vol. 9, p. 2160-3308.
2. Sähkömagneettinen sironta magneettisilla palloilla. Kerker, M, Wang, D S ja Giles, C L. 6, 1982, Journal of the Optical Society of America, vol. 73.
3. Optinen kehon ulkopuolinen viestintä älypuhelinkameroiden avulla ihmisen elintärkeisiin merkkiensiirtoon. Dhatchayeny, d ja chung, ja. 15, 2019, omenaa. Valita., Osa. 58.
4. Al-Azzawi, a. Fyysiset optiikan periaatteet ja käytännöt. Boca Raton, FL: CRC Press Taylor & Francis Group, 2006.
5. Grattan-gueness, minä. Matemaattisten tieteiden historian ja filosofian seuralainen tietosanakirja. New York, Yhdysvallat: Routledge, 1994, Vol. II.
6. Akhmanov, S A ja Nikitin, S Yu. Fyysinen optiikka. New York: Oxford University Press, 2002.
7. Lipson, A, Lipson, S G ja Lipson, H. Fyysinen optiikka. Cambridge, UK: Cambridge University Press, 2011.
8. Mickelson, r. Fyysinen optiikka. New York: Springer Science+Business Media, 1992.
9. Jenkins, f a ja valkoinen, h e. Optiikan perusteet. NY: McGraw Hillin korkeakoulu, 2001.