Fysisk optikhistoria, ofta villkor, lagar, tillämpningar

De Fysisk optik Det är den del av optiken som studerar den böljande naturen hos ljus och fysiska fenomen som bara förstås från den vågiga modellen. Den studerar också fenomenen med störningar, polarisering, diffraktion och andra fenomen som inte kan förklaras ur det geometriska perspektivet.

Den vågiga modellen definierar ljus som en elektromagnetisk våg vars elektriska och magnetfält varierar vinkelrätt mot varandra.

Elektromagnetisk våg [av Lennart Kudling Raphaël DnKnop (https: // Commons.Wikimedia.org/wiki/fil: elektromagnetic_wave_color.Pdf)]

Det elektriska fältet (OCH) Ljusvåg beter sig på samma sätt som deras magnetfält (B), men det elektriska fältet på magneten dominerar genom förhållandet mellan Maxwell (1831-1879) som fastställer följande:

OCH= CB

Var c = Vågutbredningshastighet.

Fysisk optik förklarar inte spektrumet av absorption och utsläpp av atomer. Å andra sidan, kvantoptik om du tar upp studien av dessa fysiska fenomen.

[TOC]

Historia

Historien om fysisk optik börjar med experimenten utförda av Grimaldi (1613-1663), som observerade att skuggan som projicerades av ett upplyst objekt var bredare och omgavs av färgade ränder.

Det observerade fenomenet kallade honom diffraktion. Hans experimentella arbete ledde honom att höja ljusets böljande natur, i motsats till uppfattningen av Isaac Newton som dominerade under 1700 -talet.

Det Newtoniska paradigmet konstaterade att ljuset uppförde sig som en stråle av små korphus som rörde sig med hög hastighet i rätlinjiga banor.

Robert Hooke (1635-1703) försvarade ljusets böljande natur, i sina studier om färg och brytning, och konstaterade att ljuset uppförde sig som en ljudvåg som förökade snabbt nästan omedelbart genom ett materialmedium.

Senare konsoliderade Huygens (1629-1695), baserat på Hookes idéer, den böljande ljusteorin i hans Jag drager de la lumière (1690) där ljusvågorna släpps ut av de lysande kropparna förökas genom ett subtilt och elastiskt medium som kallas eter.

Huygens böljande teori förklarar fenomenen med reflektion, brytning och diffraktion mycket bättre än Newtons korpuskulära teori och visar att ljusets hastighet minskar genom att röra sig från en mindre tät till ett tätt medium.

Huygens idéer accepterades inte av tidens forskare av två skäl. Den första var omöjligt att tillfredsställande förklara definitionen av eter, Och den andra var Newtons prestige kring hans teori om mekanik som påverkade en stor majoritet av forskarna att besluta att stödja det korpuskulära ljuset.

Renässans av böljande teori

I början av 1800-talet får Tomas Young (1773-1829) det vetenskapliga samfundet att acceptera den ondulatoriska modellen för Huygens från resultaten från dess ljusstörningsexperiment. Experimentet fick bestämma våglängderna för de olika färgerna.

År 1818 ompröva Fresnell (1788-1827) om den böljande teorin om Huygens baserat på interferensprincipen. Han förklarade också fenomenet med Birrecringencia de la Luz, vilket tillät honom att bekräfta att ljus är en tvärgående våg.

År 1808 förklarade Arago (1788-1853) och Malus (1775-1812) fenomenet med polarisering av ljus från den vågiga modellen.

De experimentella resultaten från Fizeau (1819-1896) 1849 och Foucalt (1819-1868) 1862 fick verifiera att ljuset sprider sig snabbare i luften än i vattnet, vilket motsäger förklaringen av Newton.

Kan tjäna dig: vad är relativt och absolut grovhet?

1872 publicerar Maxwell sin Fördrag om el och magnetism, där det uttalar ekvationerna som syntetiserar elektromagnetism. Från sina ekvationer erhöll han vågekvationen som tillät analys av beteendet hos en elektromagnetisk våg.

Maxwell fann att förökningshastigheten för en elektromagnetisk våg är relaterad till förökningsmediet och sammanfaller med ljusets hastighet och drar slutsatsen att ljus är en elektromagnetisk våg.

Slutligen lyckas Hertz (1857-1894) 1888 att producera och upptäcka elektromagnetiska vågor och bekräfta att ljus är en elektromagnetisk vågtyp.

Vilka studerar fysisk optik?

Fysiska optikstudier Fenomen relaterade till ljusets böljande natur, såsom störningar, diffraktion och polarisering.

Interferens

Störning är fenomenet genom vilket två eller flera ljusvågor överlappar varandra i samma region av rymden och bildar ljusa och mörka ljusband.

De ljusa banden inträffar när flera vågor läggs till för att producera en högre våg. Denna typ av störningar kallas konstruktiv störning.

När vågorna överlappar varandra för att producera en lägre breddvåg kallas störningen destruktiv störning, och band av mörkt ljus produceras.

Störning [av induktiveload (https: // commons.Wikimedia.org/wiki/fil: konstruktiv_interferens.Svg)]

Hur färgade band distribueras kallas interferensmönster. Störningen kan ses i tvålbubblorna eller i oljeskikten på en våt väg.

Diffraktion

Diffraktionsfenomenet är förändringen i förökningsriktningen som ljusvågen upplever genom att påverka ett hinder eller öppna förändra dess amplitud och fas.

Liksom interferensfenomenet är diffraktion resultatet av överlappningen av sammanhängande vågor. Två eller flera ljusvågor är konsekventa när de sträcker sig med samma frekvens genom att upprätthålla ett konstant fasförhållande.

När hindret ökar.

Polarisering

Polarisation är det fysiska fenomenet genom vilket vågen vibrerar i en riktning vinkelrätt mot planet som innehåller det elektriska fältet. Om vågen inte har en fast förökningsriktning sägs det att vågen inte är polariserad. Det finns tre typer av polarisering: linjär polarisering, cirkulär polarisering och elliptisk polarisering.

Om vågen vibrerar parallellt med en fast linje som beskriver en rak linje i polarisationsplanet sägs det att den är linjärt polariserad.

När vågelektriskt fält beskriver en cirkel i planet vinkelrätt mot samma förökningsriktning och håller sin storlek konstant, sägs det att vågen är cirkulärt polariserad.

Om vågen elektriska fältvektor beskriver en ellips i planet vinkelrätt mot samma förökningsriktning sägs det att vågen är elliptiskt polariserad.

Ofta termer i fysisk optik

Polariserande

Det är ett filter som bara tillåter en del av ljuset som är orienterat i en enda specifik riktning passerar genom det utan att sakna de vågor som är orienterade i andra riktningar.

Kan tjäna dig: gratis kroppsdiagram

Vågfront

Det är den geometriska ytan där alla delar av en våg har samma fas.

Amplitud och vågfas

Amplituden är den maximala förlängningen av en våg. Vågens fas är vibrationstillståndet på ett ögonblick av tid. Två vågor är i fas när de har samma vibrationstillstånd.

Bryggervinkel

Det är infallsvinkeln genom vilken den reflekterade ljusvågen är helt polariserad.

Infraröd

Ljus som inte är synligt av det mänskliga ögat i det 700 elektromagnetiska strålningsspektrumetnm 1000μm.

Ljushastighet

Det är en konstant av förökningshastigheten för den lysande vågen i tomrummet vars värde är 3 × 10⁸Fröken. Ljusets ljus varierar vid spridning i ett materialmedium.

Våglängd

Mått på avståndet mellan en vapen och en annan vapen eller mellan en dal och en annan vågdal för att spridas.

Ultraviolett

Icke -synlig elektromagnetisk strålning med våglängdspektrum mindre än 400nm.

Fysiska optiklagar

Vissa lagar om fysisk optik som beskriver fenomenen med polarisering och störningar nämns nedan

Fresnell och Arago lagar

1. Två vågor av ljus med linjära, sammanhängande och ortogonala polarisationer stör inte varandra för att bilda ett interferensmönster.
2. Två vågor av ljus med linjära, sammanhängande och parallella polarisationer kan störa i ett område i rymden.
3. Två naturliga ljusvågor med linjära, icke -koherenta och ortogonala polarisationer stör inte varandra för att bilda ett interferensmönster.

Frisklag

Malus -lagen konstaterar att den ljusintensitet som överförs av en polarisator är direkt proportionell mot kvadratet på kosinus i vinkeln som bildar överföringsaxeln och polarisationsaxeln för den ljusa incidenten. Med andra ord:

I = i₀cos²θ

I =Ljusets itensitet som överförs av polarisatorn

θ = Vinkel mellan transmissionsaxeln och polarisationsaxeln för den infallande strålen

Yo₀ = Incidentljusintensitet

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

Brewster lag

Ljustrålen som reflekteras av en yta är helt polariserad, i normal riktning till infallsplanet för ljus, när vinkeln som bildar strålen som reflekteras med den brytade strålen är lika med 90 °.

Brewster Law [av PAJS (https: // commons.Wikimedia.org/wiki/fil: brygger-vinkel.Svg)]

Ansökningar

Några av de fysiska optiska applikationerna är i studien av flytande kristaller, i utformningen av optiska system och optisk metrologi.

Flytande kristaller

Flytande kristaller är material mellan det fasta tillståndet och det flytande tillståndet, vars molekyler har ett dipolmoment som inducerar en polarisering av ljuset som påverkar dem. Från den här egenskapen har kalkylatorskärmar, bildskärmar, bärbara datorer och mobiltelefoner utvecklats.

Digital klocka med flytande kristallskärm (LCD) [av BBCLCD (https: // commons.Wikimedia.org/wiki/fil: casio_lcd_watch_f-e10.Jpg)]

Optisk systemdesign

Ofta används optiska system i vardagen, inom vetenskap, teknik och hälsa. Optiska system tillåter bearbetning, registrering och överföring av information från källor till såsom solen, lysdioden, volframlampan eller lasern. Exempel på optiska system är diffraktometer och interferometer.

Optisk metrologi

Det ansvarar för att göra högupplösta mätningar av fysiska parametrar baserat på ljusvågen. Dessa mätningar görs med interferometrar och brytningsinstrument. I det medicinska området används metrologi för att utföra konstant övervakning av patientens vitala tecken.

Det kan tjäna dig: Magnetisering: Orbital och snurrmagnetiskt ögonblick, exempel

Senare forskning inom fysisk optik

Optomekanisk Kerker -effekt (a. V. Poshakinskiy1 och en. N. Poddubny, 15 januari 2019)

Poshakinskiy och poddubny (1) visade att nanometriska partiklar med vibrationsrörelse kan manifestera en optisk-mekanisk effekt som liknar den som föreslagits av Kerker et al (2) 1983 1983.

Kerker -effekten är ett optiskt fenomen som består i att få en stark riktning av det ljusa spridd av magnetiska sfäriska partiklar. Denna riktning kräver att partiklarna har magnetiska svar på samma intensitet som de elektriska krafterna.

Kerker -effekten är ett teoretiskt förslag som kräver materialpartiklar med magnetiska och elektriska egenskaper som för närvarande inte finns i posthakinskiy och poddubny naturen uppnådde samma effekt på nanometriska partiklar, utan betydande magnetiska svar, som vibrerar i rymden.

Författarna demonstrerade att vibrationerna i partikeln kan skapa magnetiska och elektriska polarisationer som stör sig ordentligt, eftersom den induceras i partikeln i magnetiska och elektriska polaritetskomponenter i samma storleksordning när den inelastiska spridningen av ljus beaktas.

Författarna föreslår tillämpningen av den optiska-mekaniska effekten på nanometriska optiska enheter när de gör dem vibrera genom applicering av akustiska vågor.

Extrakorporal optisk kommunikation (D. R. Dhatchayeny och y. H. Chung, maj 2019)

Dhatchayeny och Chung (3) föreslår ett experimentellt system för extrakorporal optisk kommunikation (OEBC) som kan överföra information om vitala tecken på människor genom applikationer på mobiltelefoner med Android -teknik. Systemet består av en uppsättning sensorer och en diodekoncentrator (LED -arrangemang).

Sensorerna placeras i olika delar av kroppen för att upptäcka, bearbeta och kommunicera vitala tecken som puls, kroppstemperatur och andningsfrekvens. Uppgifterna samlas in genom LED -arrangemanget och överförs via mobiltelefonkameran med den optiska applikationen.

LED -arrangemanget avger ljus i intervallet av spridningsvåglängder Rayleight Gans Debye (RGB). Varje färg- och färgkombinationer som släpps ut är relaterade till vitala tecken.

Systemet som föreslås av författarna kan underlätta övervakningen av vitala tecken pålitligt, eftersom fel i experimentella resultat var minimala.

Referenser

1. Optomekanisk Kerker -effekt. Poshakinskiy, en V och poddubny, en n. 1, 2019, Physical Review X, Vol. 9, s. 2160-3308.
2. Elektromagnetisk spridning av magnetiska sfärer. Kerker, M, Wang, D S och Giles, C L. 6, 1982, Journal of the Optical Society of America, Vol. 73.
3. Optisk extra kroppskommunikation med smarttelefonkameror för mänsklig Vital Sign Transmission. Dhatchayeny, d och chung och. 15, 2019, Appl. Välja., Vul. 58.
4. Al-Azgawi, a. Fysiska optikprinciper och praxis. Boca Raton, FL: CRC Press Taylor & Francis Group, 2006.
5. Grattan-Guiness, i. Companion Encyclopedia of the History and Philosophy of the Mathematical Sciences. New York, USA: Routledge, 1994, Vol. Ii.
6. Akhmanov, S A och Nikitin, S Yu. Fysisk optik. New York: Oxford University Press, 2002.
7. Lipson, A, Lipson, S G och Lipson, H. Fysisk optik. Cambridge, Storbritannien: Cambridge University Press, 2011.
8. Mickelson, r. Fysisk optik. New York: Springer Science+Business Media, 1992.
9. Jenkins, f a och vit, h e. Grunder i optik. NY: McGraw Hill Higher Education, 2001.