Det fysisk optik Det er den del af optikken, der studerer lysets bølgeform og de fysiske fænomener, der kun forstås ud fra bølgemodellen. Det studerer også fænomener interferens, polarisering, diffraktion og andre fænomener, der ikke kan forklares ud fra geometrisk optik..
Bølgemodellen definerer lys som en elektromagnetisk bølge, hvis elektriske og magnetiske felter svinger vinkelret på hinanden..
Det elektriske felt (OG) af lysbølgen opfører sig på samme måde som dens magnetfelt (B), men det elektriske felt dominerer over magnetfeltet på grund af Maxwells forhold (1831-1879), som fastslår følgende:
OG= cB
Hvor c = Hastighed af bølgeforplantning.
Fysisk optik forklarer ikke atommers absorption og emissionsspektrum. På den anden side vedrører kvanteoptik studiet af disse fysiske fænomener.
Artikelindeks
Historien om fysisk optik begynder med eksperimenterne udført af Grimaldi (1613-1663), der observerede, at skyggen, der blev kastet af et belyst objekt, syntes bredere og var omgivet af farvede striber.
Han kaldte det observerede fænomen diffraktion. Hans eksperimentelle arbejde førte ham til at foreslå lysets bølgevægt i modsætning til Isaac Newtons opfattelse, der var fremherskende i det 18. århundrede..
Det newtonske paradigme fastslog, at lys opførte sig som en stråle af små blodlegemer, der bevægede sig med høj hastighed i retlinjede baner.
Robert Hooke (1635-1703) forsvarede lysets bølgeform i sine studier om farve og brydning og sagde, at lys opførte sig som en lydbølge, der spredte sig hurtigt næsten øjeblikkeligt gennem et materialemedium..
Senere Huygens (1629-1695), baseret på Hookes ideer, konsoliderede bølgeteorien om lys i hans Jeg prøvede de la lumière (1690), hvor han antager, at lysbølgerne, der udsendes af lyslegemer, formerer sig gennem et subtilt og elastisk medium kaldet æter.
Huygens 'bølgeteori forklarer refleksion, brydning og diffraktionsfænomener meget bedre end Newtons korpuskulære teori og viser, at lysets hastighed falder, når man bevæger sig fra et mindre tæt medium til et tættere..
Huygens 'ideer blev ikke accepteret af datidens videnskabsmænd af to grunde. Den første var umuligheden af tilfredsstillende at forklare definitionen af æter, og det andet var Newtons prestige omkring hans teori om mekanik, der påvirkede et stort flertal af forskere til at beslutte at støtte det korpuskulære paradigme af lys..
I begyndelsen af det 19. århundrede lykkedes det Tomas Young (1773-1829) at få det videnskabelige samfund til at acceptere Huygens 'bølgemodel baseret på resultaterne af hans eksperiment med lysinterferens. Eksperimentet tillod at bestemme bølgelængderne for de forskellige farver.
I 1818 gentog Fresnell (1788-1827) Huygens 'bølgeteori baseret på interferensprincippet. Han forklarede også fænomenet med dobbeltbrydning af lys, som tillod ham at bekræfte, at lys er en tværgående bølge.
I 1808 forklarede Arago (1788-1853) og Malus (1775-1812) fænomenet polarisering af lys fra bølgemodellen.
De eksperimentelle resultater af Fizeau (1819-1896) i 1849 og Foucalt (1819-1868) i 1862 gjorde det muligt at kontrollere, at lys formerer sig hurtigere i luft end i vand, hvilket er i modstrid med den forklaring, som Newton gav..
I 1872 offentliggjorde Maxwell sin Afhandling om elektricitet og magnetisme, hvor han angiver ligningerne, der syntetiserer elektromagnetisme. Fra sine ligninger opnåede han bølgeligning, der tillod at analysere adfærd for en elektromagnetisk bølge.
Maxwell fandt ud af, at udbredelseshastigheden for en elektromagnetisk bølge er relateret til forplantningsmediet og falder sammen med lysets hastighed, og konkluderede, at lys er en elektromagnetisk bølge.
Endelig lykkes Hertz (1857-1894) i 1888 at producere og detektere elektromagnetiske bølger og bekræfter, at lys er en type elektromagnetisk bølge.
Fysisk optik studerer fænomenerne relateret til lysets bølgetype, såsom interferens, diffraktion og polarisering.
Interferens er fænomenet, hvormed to eller flere lysbølger overlapper hinanden, og de eksisterer sammen i samme region af rummet og danner bånd af stærkt og mørkt lys..
Lyse bånd produceres, når flere bølger tilføjes for at producere en bølge med større amplitude. Denne type interferens kaldes konstruktiv interferens..
Når bølger overlapper hinanden for at producere en lavere amplitudebølge, kaldes interferensen destruktiv interferens, og der dannes bånd af mørkt lys..
Den måde, hvorpå de farvede bånd fordeles, kaldes interferensmønsteret. Interferens kan ses i sæbebobler eller olielag på en våd vej.
Fænomenet diffraktion er den ændring i udbredelsesretningen, som lysbølgen oplever, når den rammer en forhindring eller åbning og ændrer dens amplitude og fase..
Ligesom interferensfænomenet er diffraktion resultatet af superpositionen af sammenhængende bølger. To eller flere lysbølger er sammenhængende, når de svinger med den samme frekvens og opretholder et konstant faseforhold.
Efterhånden som forhindringen bliver mindre og mindre sammenlignet med bølgelængden, dominerer fænomenet diffraktion over fænomenet refleksion og brydning ved bestemmelse af fordelingen af lysbølgestrålene, når den rammer forhindringen..
Polarisering er det fysiske fænomen, hvormed bølgen vibrerer i en enkelt retning vinkelret på det plan, der indeholder det elektriske felt. Hvis bølgen ikke har en fast formeringsretning, siges det, at bølgen ikke er polariseret. Der er tre typer polarisering: lineær polarisering, cirkulær polarisering og elliptisk polarisering..
Hvis bølgen vibrerer parallelt med en fast linje, der beskriver en lige linje i polariseringsplanet, siges det at være lineært polariseret.
Når bølgens elektriske feltvektor beskriver en cirkel i planet vinkelret på den samme formeringsretning og holder dens størrelse konstant, siges det, at bølgen er cirkulært polariseret.
Hvis bølgens elektriske feltvektor beskriver en ellipse i planet vinkelret på den samme formeringsretning, siges det, at bølgen er elliptisk polariseret.
Det er et filter, der kun tillader en del af lyset, der er orienteret i en enkelt bestemt retning, at passere gennem det uden at lade de bølger, der er orienteret i andre retninger, passere igennem..
Det er den geometriske overflade, hvor alle dele af en bølge har den samme fase.
Amplitude er den maksimale forlængelse af en bølge. Bølgefasen er vibrationstilstanden på et øjeblik. To bølger er i fase, når de har samme vibrationstilstand.
Det er indfaldsvinklen af lys, hvormed den reflekterede lysbølge fra kilden er fuldt polariseret.
Lys ikke synligt for det menneskelige øje i det elektromagnetiske strålingsspektrum på 700nm til 1000μm.
Det er en hastighedskonstant for formering af lysbølgen i vakuum, hvis værdi er 3 × 108Frk. Værdien af lysets hastighed varierer, når den formeres i et materialemedium.
Måling af afstanden mellem en kam og en anden kam eller mellem en dal og en anden bølgedal, når den formerer sig.
Ikke-synlig elektromagnetisk stråling med spektrum af bølgelængder mindre end 400nm.
Nedenfor er nogle fysiske optiske love, der beskriver fænomenerne polarisering og interferens.
1. To lysbølger med lineære, sammenhængende og ortogonale polarisationer forstyrrer ikke hinanden for at danne et interferensmønster.
2. To lysbølger med lineære, sammenhængende og parallelle polarisationer kan interferere i et område af rummet.
3. To bølger af naturligt lys med lineære, ikke-kohærente og ortogonale polarisationer forstyrrer ikke hinanden for at danne et interferensmønster..
Malus's lov siger, at intensiteten af lys, der transmitteres af en polarisator, er direkte proportional med kvadratet af cosinus i den vinkel, der danner polariseringsaksen for polarisatoren og polariseringsaksen for det indfaldende lys. Med andre ord:
Jeg = jeg0costoθ
Jeg =Intensiteten af lys transmitteret af polarisatoren
θ = Vinkel mellem transmissionsaksen og polariseringsaksen for den indfaldende stråle
jeg0 = Hændelseslysintensitet
Lysstrålen, der reflekteres af en overflade, er fuldt polariseret i retningen normal til lysets indfaldsplan, når vinklen mellem den reflekterede stråle og den refrakterede stråle er lig med 90.
Nogle af anvendelserne af fysisk optik er i studiet af flydende krystaller, i designet af optiske systemer og i optisk metrologi.
Flydende krystaller er materialer, der holdes mellem fast tilstand og flydende tilstand, hvis molekyler har et dipolmoment, der inducerer en polarisering af det lys, der falder på dem. Fra denne egenskab er der udviklet skærme til regnemaskiner, skærme, bærbare computere og mobiltelefoner..
Optiske systemer bruges ofte i hverdagen, videnskab, teknologi og sundhedspleje. Optiske systemer gør det muligt at behandle, registrere og transmittere information fra lyskilder som solen, LED, wolframlampe eller laser. Eksempler på optiske systemer er diffractometer og interferometer.
Det er ansvarligt for at foretage målinger i høj opløsning af fysiske parametre baseret på lysbølgen. Disse målinger foretages med interferometre og brydningsinstrumenter. Inden for det medicinske område anvendes metrologi til konstant at overvåge patientens vitale tegn.
Poshakinskiy og Poddubny (1) viste, at nanometriske partikler med vibrationsbevægelse kan manifestere en optisk-mekanisk effekt svarende til den, der blev foreslået af Kerker et al (2) i 1983.
Kerker-effekten er et optisk fænomen, der består i at opnå en stærk retningsretning af lys spredt af magnetiske sfæriske partikler. Denne retningsbestemthed kræver, at partiklerne har magnetiske reaktioner med samme intensitet som de elektriske kræfter..
Kerker-effekten er et teoretisk forslag, der kræver materialepartikler med magnetiske og elektriske egenskaber, der i øjeblikket ikke findes i naturen. Poshakinskiy og Poddubny opnåede den samme effekt på nanometriske partikler uden signifikant magnetisk respons, der vibrerer i rummet..
Forfatterne demonstrerede, at partikelvibrationer kan skabe passende interfererende magnetiske og elektriske polarisationer, fordi magnetiske og elektriske polaritetskomponenter af samme størrelsesorden induceres i partiklen, når man betragter uelastisk spredning af lys..
Forfatterne foreslår anvendelse af den optisk-mekaniske effekt i nanometriske optiske enheder ved at få dem til at vibrere ved anvendelse af akustiske bølger.
Dhatchayeny og Chung (3) foreslår et eksperimentelt ekstrakorporalt optisk kommunikationssystem (OEBC), der kan overføre vitale tegnoplysninger om mennesker gennem applikationer på mobiltelefoner med Android-teknologi. Systemet består af et sæt sensorer og en diodekoncentrator (LED-array).
Sensorer placeres på forskellige dele af kroppen for at opdage, behandle og kommunikere vitale tegn som puls, kropstemperatur og åndedrætsfrekvens. Data indsamles gennem LED-arrayet og transmitteres gennem mobiltelefonkameraet med den optiske app.
LED-arrayet udsender lys i Rayleigh Gans Debye (RGB) -spredningsbølgelængdeområdet. Hver farve og farvekombinationer af det udsendte lys er relateret til vitale tegn.
Det af forfatterne foreslåede system kan lette overvågningen af vitale tegn på en pålidelig måde, da fejlene i de eksperimentelle resultater var minimale..
Endnu ingen kommentarer