OPTICKÁ FYZIKA: HISTORIE, ČASTÉ POJMY, ZÁKONY, APLIKACE - FYZICKÝ - 2025

Tyto fyzikální optika je součástí optického studování vlnové povahy světla a fyzikální jevy, které pouze pochopit z modelu vlny. Studuje také jevy interference, polarizace, difrakce a dalších jevů, které nelze z geometrické optiky vysvětlit.

Vlnový model definuje světlo jako elektromagnetickou vlnu, jejíž elektrická a magnetická pole oscilují kolmo na sebe.

Elektromagnetická vlna

Elektrické pole (E) světelné vlny se chová podobně jako jeho magnetické pole (B), ale elektrické pole převládá nad magnetickým polem v důsledku Maxwellova vztahu (1831–1879), které stanoví následující:

Kde c = Rychlost šíření vlny.

Fyzikální optika nevysvětluje absorpční a emisní spektrum atomů. Na druhou stranu kvantová optika se zabývá studiem těchto fyzikálních jevů.

Dějiny

Historie fyzikální optiky začíná experimenty provedenými Grimaldi (1613-1663), kteří pozorovali, že stín vržený osvětleným objektem se jevil širší a byl obklopen barevnými pruhy.

Nazval pozorovanou jevovou difrakci. Jeho experimentální práce vedla jej navrhnout vlnovou povahu světla, jak protichůdný k pojetí Isaaca Newtona, který převládal během 18. století.

Newtonovské paradigma prokázalo, že se světlo chovalo jako paprsek malých těl, které se pohybovaly vysokou rychlostí přímočarými cestami.

Robert Hooke (1635-1703) ve svých studiích o barvě a lomu bránil vlnovou povahu světla a tvrdil, že se světlo chová jako zvuková vlna, která se téměř okamžitě šíří hmotným médiem.

Později Huygens (1629–1695), založený na Hookeových myšlenkách, upevnil vlnovou teorii světla ve svém Traité de la lumière (1690), ve kterém předpokládal, že světelné vlny emitované světelnými těly se šíří skrz jemného a elastického média zvaného ether.

Huygensova vlnová teorie vysvětluje jevy odrazu, lomu a difrakce mnohem lépe než Newtonova teorie korpuskulárního záření a ukazuje, že rychlost světla se snižuje, když přechází z méně hustého média na hustší.

Vědci v té době vědci nepřijali Huygensovy myšlenky ze dvou důvodů. První byla neschopnost uspokojivě vysvětlit definici etheru a druhá byla Newtonova prestiž kolem jeho teorie mechaniky, která ovlivnila drtivou většinu vědců, aby se rozhodli podpořit korpuskulární paradigma světla.

Znovuzrození vlnové teorie

Na počátku 19. století se Tomášu Youngovi (1773–1829) podařilo na základě výsledků svého experimentu s interferencí se světem přimět vědeckou komunitu k přijetí Huygensova vlnového modelu. Experiment umožnil stanovit vlnové délky různých barev.

V 1818 Fresnell (1788 - 1827) obnovil Huygensovu vlnovou teorii z hlediska principu rušení. Vysvětlil také jev dvojlomu světla, který mu umožnil potvrdit, že světlo je příčná vlna.

V roce 1808 Arago (1788–1853) a Malus (1775–1812) vysvětlili jev polarizace světla z vlnového modelu.

Experimentální výsledky Fizeau (1819-1896) v roce 1849 a Foucalt (1819-1868) v roce 1862 umožnily ověřit, že světlo se šíří rychleji ve vzduchu než ve vodě, což je v rozporu s vysvětlením Newtona.

V 1872, Maxwell publikoval jeho pojednání o elektřině a magnetismus, ve kterém on uvedl rovnice, které syntetizují elektromagnetismus. Ze svých rovnic získal vlnovou rovnici, která mu umožnila analyzovat chování elektromagnetické vlny.

Maxwell zjistil, že rychlost šíření elektromagnetické vlny souvisí s propagačním médiem a shoduje se s rychlostí světla a dochází k závěru, že světlo je elektromagnetická vlna.

Nakonec se Hertzovi (1857–1894) v roce 1888 podařilo vyrobit a detekovat elektromagnetické vlny a potvrdit, že světlo je druh elektromagnetické vlny.

Co studuje fyzikální optika?

Fyzikální optika studuje jevy související s vlnovou povahou světla, jako je interference, difrakce a polarizace.

Rušení

Rušení je jev, kterým se překrývají dvě nebo více světelných vln, které koexistují ve stejné oblasti prostoru a vytvářejí pruhy jasného a tmavého světla.

Jasné pruhy se vytvářejí, když se sčítá více vln, aby se vytvořila větší amplitudová vlna. Tento typ rušení se nazývá konstruktivní rušení.

Když se vlny překrývají, aby vytvořily vlnu s nižší amplitudou, interference se nazývá destruktivní interference a vytvoří se pásma tmavého světla.

Rušení

Způsob distribuce barevných pruhů se nazývá interferenční obrazec. Rušení je vidět na mýdlových bublinách nebo olejových vrstvách na mokré vozovce.

Difrakce

Fenoménem difrakce je změna směru šíření, kterou světelná vlna zažívá, když narazí na překážku nebo otevření, mění její amplitudu a fázi.

Podobně jako fenomén interference je difrakce výsledkem superpozice koherentních vln. Dvě nebo více světelných vln jsou koherentní, když oscilují se stejnou frekvencí a udržují konstantní fázový vztah.

Jak se překážka zmenšuje a zmenšuje ve srovnání s vlnovou délkou, difrakční jev převažuje nad jevem odrazu a lomu při určování rozložení paprsků světelné vlny, jakmile narazí na překážku..

Polarizace

Polarizace je fyzický jev, kterým vlna kmitá v jednom směru kolmém k rovině obsahující elektrické pole. Pokud vlna nemá pevný směr šíření, říká se, že vlna není polarizovaná. Existují tři typy polarizace: lineární polarizace, kruhová polarizace a eliptická polarizace.

Pokud vlna vibruje rovnoběžně s pevnou čarou popisující přímku v rovině polarizace, říká se, že je lineárně polarizovaná.

Když vektor elektrického pole vlny popisuje kružnici v rovině kolmé ke stejnému směru šíření, přičemž se udržuje její konstantní velikost, říká se, že vlna je kruhově polarizovaná.

Pokud vektor elektrického pole vlny popisuje elipsu v rovině kolmé ke stejnému směru šíření, říká se, že vlna je elipticky polarizovaná.

Časté termíny ve fyzikální optice

Polarizační

Je to filtr, který umožňuje procházet skrz něj pouze část světla, která je orientována v jednom konkrétním směru, aniž by nechala projít vlnami, které jsou orientovány v jiných směrech.

Vlna vpředu

Je to geometrický povrch, ve kterém mají všechny části vlny stejnou fázi.

Amplituda a fáze vlny

Amplituda je maximální protažení vlny. Fáze vlny je stav vibrací v okamžiku. Dvě vlny jsou ve fázi, když mají stejný stav vibrací.

Brewsterův úhel

Je to úhel dopadu světla, kterým je světelná vlna odrazená od zdroje plně polarizovaná.

Infračervený

Světlo neviditelné pro lidské oko ve spektru elektromagnetického záření od 700 nm do 1000 μm.

Rychlost světla

Je to rychlostní konstanta šíření světelné vlny ve vakuu, jejíž hodnota je 3 × ¹⁰⁸ m / s. Hodnota rychlosti světla se mění, když se šíří v hmotném médiu.

Vlnová délka

Míra vzdálenosti mezi hřebenem a dalším hřebenem nebo mezi údolím a dalším údolím vlny, jak se šíří.

Ultrafialový

Neviditelné elektromagnetické záření se spektrem vlnových délek méně než 400 nm.

Zákony fyzikální optiky

Níže jsou uvedeny některé zákony fyzikální optiky, které popisují jevy polarizace a interference

Fresnell a Arago zákony

1. Dvě světelné vlny s lineární, koherentní a ortogonální polarizací se navzájem nezasahují a vytvářejí interferenční obrazec.

2. Dvě vlny světla s lineární, koherentní a paralelní polarizací mohou zasahovat do oblasti prostoru.

3. Dvě vlny přirozeného světla s lineárními, nekoherentními a ortogonálními polarizacemi navzájem nezasahují a vytvářejí interferenční obrazec.

Malusův zákon

Malusův zákon uvádí, že intenzita světla propouštěného polarizátorem je přímo úměrná druhé mocnině úhlu, který tvoří osu prostupu polarizátoru a osu polarizace dopadajícího světla. Jinými slovy:

I = intenzita světla propouštěného polarizátorem

θ = Úhel mezi vysílací osou a polarizační osou dopadajícího paprsku

I ₀ = intenzita dopadajícího světla

Malusův zákon

Brewsterův zákon

Světelný paprsek odražený povrchem je plně polarizovaný ve směru kolmém k rovině dopadu světla, když je úhel mezi odrazeným paprskem a lomem paprsku roven 90 °.

Brewsterův zákon

Aplikace

Některé z aplikací fyzikální optiky jsou ve studiu tekutých krystalů, v návrhu optických systémů a v optické metrologii.

Kapalné krystaly

Kapalné krystaly jsou materiály, které jsou udržovány mezi pevným a kapalným stavem, jejichž molekuly mají dipólový moment, který indukuje polarizaci světla, které na ně dopadá. Z této vlastnosti byly vyvinuty obrazovky pro kalkulačky, monitory, notebooky a mobilní telefony.

Digitální hodinky s displejem z tekutých krystalů (LCD)

Návrh optických systémů

Optické systémy se často používají v každodenním životě, vědě, technologii a zdravotnictví. Optické systémy umožňují zpracovávat, zaznamenávat a přenášet informace ze zdrojů světla, jako je slunce, LED, wolframová lampa nebo laser. Příklady optických systémů jsou difraktometr a interferometr.

Optická metrologie

Je zodpovědný za provádění měření fyzikálních parametrů s vysokým rozlišením na základě světelné vlny. Tato měření se provádějí pomocí interferometrů a refrakčních přístrojů. V lékařské oblasti se metrologie používá k neustálému sledování životních funkcí pacientů.

Nedávný výzkum ve fyzikální optice

Optomechanický Kerkerův efekt (AV Poshakinskiy1 a AN Poddubny, 15. ledna 2019)

Poshakinskiy a Poddubny (1) ukázali, že nanometrické částice s vibračním pohybem mohou vykazovat opticko-mechanický efekt podobný tomu, který navrhli Kerker et al (2) v roce 1983.

Kerkerův efekt je optický jev, který spočívá v získání silné směrovosti světla rozptýlené sférickými magnetickými částicemi. Tato směrovost vyžaduje, aby částice měly magnetické odezvy stejné intenzity jako elektrické síly.

Kerkerův efekt je teoretický návrh, který vyžaduje materiálové částice s magnetickými a elektrickými charakteristikami, které v současné době v přírodě neexistují.

Autoři ukázali, že vibrace částic mohou vytvářet vhodně rušivé magnetické a elektrické polarizace, protože složky magnetické a elektrické polarity stejného řádu jsou indukovány v částici, když se uvažuje o nepružném rozptylu světla.

Autoři navrhují aplikaci opticko-mechanického jevu v nanometrických optických zařízeních tak, že je budou vibrovat působením akustických vln.

Mimořádná optická komunikace (DR Dhatchayeny a YH Chung, květen 2019)

Dhatchayeny a Chung (3) navrhují experimentální mimotělní optický komunikační systém (OEBC), který dokáže přenášet informace o životním znamení lidí prostřednictvím aplikací na mobilních telefonech s technologií Android. Systém se skládá ze sady senzorů a diodového rozbočovače (LED pole).

Senzory jsou umístěny na různých částech těla, aby detekovaly, zpracovávaly a sdělovaly vitální signály, jako je puls, tělesná teplota a rychlost dýchání. Data jsou shromažďována prostřednictvím LED pole a přenášena přes kameru mobilního telefonu s optickou aplikací.

LED pole emituje světlo v rozptylu vlnových délek Rayleigh Gans Debye (RGB). Každá barva a barevné kombinace vyzařovaného světla souvisí s vitálními znameními.

Systém navržený autory může spolehlivě usnadnit sledování vitálních funkcí, protože chyby v experimentálních výsledcích byly minimální.

Reference

1. Optomechanický Kerkerův efekt. Poshakinskiy, AV a Poddubny, A N. 1, 2019, Physical Review X, Vol. 9, pp. 2160-3308.
2. Elektromagnetický rozptyl pomocí magnetických koulí. Kerker, M, Wang, DS a Giles, C L. 6, 1982, Journal of Optical Society of America, sv. 73.
3. Optická komunikace mimo tělo pomocí smartphonu pro přenos životně důležitých znaků člověka. Dhatchayeny, D a Chung, Y. 15, 2019, Appl. Opt., Svazek 58.
4. Al-Azzawi, A. Principy a postupy fyzikální optiky. Boca Raton, FL: CRC Press Taylor & Francis Group, 2006.
5. Grattan-Guiness, I. Doprovodná encyklopedie dějin a filozofie matematických věd. New York, USA: Routledge, 1994, sv. II.
6. Akhmanov, SA a Nikitin, S Yu. Fyzikální 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. Fyzikální optika. New York: Springer Science + Business Media, 1992.
9. Jenkins, FA a White, H. E. Základy optiky. NY: McGraw Hill Higher Education, 2001.