Historische physische Optik, häufige Begriffe, Gesetze, Anwendungen

Der Physische Optik Es ist der Teil der Optik, der die wellige Natur von Licht und physikalischen Phänomenen untersucht, die nur aus dem undulatorischen Modell verstanden werden. Es untersucht auch die Phänomene von Interferenz, Polarisation, Beugung und anderen Phänomenen, die aus der geometrischen Perspektive nicht erklärt werden können.

Das undulatorische Modell definiert Licht als eine elektromagnetische Welle, deren elektrische und magnetische Felder senkrecht zueinander variieren.

Elektromagnetische Welle [von Lennart Kudling Raphaël DeKnop (https: // Commons.Wikimedia.org/wiki/file: elektromagnetisch_wave_color.Pdf)]

Das elektrische Feld (UND) Lichtwelle verhalten sich ähnlich wie ihr Magnetfeld ((B), aber das elektrische Feld auf dem Magnet wird durch die Beziehung von Maxwell (1831-1879) überwiegt, das Folgendes festlegt:

UND= CB

Wo C = Wellenausbreitungsgeschwindigkeit.

Physikalische Optik erklärt nicht das Spektrum der Absorption und Emission von Atomen. Auf der anderen Seite Quantenoptik, wenn Sie sich mit der Untersuchung dieser physikalischen Phänomene befassen.

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Geschichte

Die Geschichte der physischen Optik beginnt mit den von Grimaldi (1613-1663) durchgeführten Experimenten, die beobachteten, dass der von einem beleuchtete Objekt projizierte Schatten breiter war und von farbigen Streifen umgeben war.

Das beobachtete Phänomen nannte ihn Beugung. Seine experimentelle Arbeit führte ihn dazu, die wellige Natur des Lichts im Gegensatz zur Vorstellung von Isaac Newton zu erhöhen, die im 18. Jahrhundert vorherrschte.

Das Newtonsche Paradigma stellte fest, dass sich das Licht wie ein Strahl kleiner Korpuskeln verhält.

Robert Hooke (1635-1703) verteidigte die wellige Art des Lichts in seinen Studien über Farbe und Brechung und erklärte, dass sich das Licht wie eine Schallwelle, die sich fast sofort durch ein Materialmedium ausbreitete.

Später konsolidierte Huygens (1629-1695), basierend auf Hookes Ideen, die wellige Lichttheorie in seinem I Merkmal de la lumière (1690), in denen die von den leuchtenden Körpern emittierten Lichtwellen durch ein subtiles und elastisches Medium genannt werden Äther.

Die wellige Theorie von Huygens erklärt die Phänomene der Reflexion, Brechung und Beugung viel besser als Newtons Korpuskulärtheorie und zeigt, dass die Lichtgeschwindigkeit abnimmt, indem sie von einem weniger dichten zu einem dichteren Medium wechselt.

Die Ideen von Huygens wurden von Wissenschaftlern der Zeit aus zwei Gründen nicht akzeptiert. Das erste war die Unmöglichkeit, die Definition von zufriedenstellend zu erklären Äther, Und das zweite war Newtons Prestige in seiner Theorie über Mechanik.

Renaissance der welligen Theorie

Zu Beginn des 19. Jahrhunderts bringt Tomas Young (1773-1829) die wissenschaftliche Gemeinschaft dazu, das adulatorische Modell von Huygenen aus den Ergebnissen ihres Lichtinterferenz-Experiments zu akzeptieren. Das Experiment erlaubte, die Wellenlängen der verschiedenen Farben zu bestimmen.

1818 Fresnell (1788-1827) überdenken Sie die wellige Theorie von Huygens auf der Grundlage des Interferenzprinzips. Er erklärte auch das Phänomen von BirreFringencia de la Luz, das ihm ermöglichte, zu bestätigen, dass Licht eine Querwelle ist.

1808 erklärten Arago (1788-1853) und Malus (1775-1812) das Phänomen der Polarisation von Licht aus dem undulatorischen Modell.

Die experimentellen Ergebnisse von Fizeau (1819-1896) im Jahr 1849 und Foucalt (1819-1868) im Jahr 1862 ließen überprüfen.

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1872 veröffentlicht Maxwell seine Vertrag über Strom und Magnetismus, in dem es die Gleichungen, die Elektromagnetismus synthetisieren. Aus seinen Gleichungen erhielt er die Wellengleichung, die es ermöglichte, das Verhalten einer elektromagnetischen Welle zu analysieren.

Maxwell fand heraus, dass die Ausbreitungsgeschwindigkeit einer elektromagnetischen Welle mit dem Ausbreitungsmedium zusammenhängt und mit der Lichtgeschwindigkeit zusammenfällt, und schließt, dass Licht eine elektromagnetische Welle ist.

Schließlich gelingt es Hertz (1857-1894) 1888, elektromagnetische Wellen zu produzieren und zu erkennen und zu bestätigen, dass Licht ein elektromagnetischer Wellentyp ist.

Welche physikalische Optik untersucht?

Physikalische Optikstudien Phänomene im Zusammenhang mit der welligen Natur des Licht.

Interferenz

Interferenz ist das Phänomen, durch das zwei oder mehr Lichtwellen überlappen, die in derselben Raumregion koexistieren und helle und dunkle helle Bänder bilden.

Die hellen Bänder treten auf, wenn mehrere Wellen hinzugefügt werden, um eine höhere Welle zu erzeugen. Diese Art von Interferenz wird als konstruktive Interferenz bezeichnet.

Wenn sich die Wellen überlappen, um eine niedrigere Breitwelle zu erzeugen.

Interferenz [durch InducTivenoug (https: // Commons.Wikimedia.org/wiki/Datei: construction_interference.Svg)]

Die Art und Weise, wie farbige Bänder verteilt werden, wird als Interferenzmuster bezeichnet. Die Störung ist in den Seifenblasen oder in den Ölschichten einer nassen Straße zu sehen.

Beugung

Das Phänomen der Beugung ist die Veränderung der Ausbreitungsrichtung, die die Lichtwelle erlebt, indem er ein Hindernis beeinflusst oder ihre Amplitude und Phase verändert.

Wie das Interferenzphänomen ist die Beugung das Ergebnis der Überlappung kohärenter Wellen. Zwei oder mehr Lichtwellen sind konsistent, wenn sie mit der gleichen Frequenz reichen, indem ein konstantes Phasenverhältnis aufrechterhalten wird.

Mit zunehmendem Hindernis nimmt zu.

Polarisation

Polarisation ist das physikalische Phänomen, durch das die Welle in einer Richtung senkrecht zur Ebene, die das elektrische Feld enthält. Wenn die Welle keine feste Ausbreitungsrichtung hat, wird gesagt, dass die Welle nicht polarisiert ist. Es gibt drei Arten von Polarisation: lineare Polarisation, kreisförmige Polarisation und elliptische Polarisation.

Wenn die Welle parallel zu einer festen Linie vibriert, die eine gerade Linie in der Polarisationsebene beschreibt, wird gesagt, dass sie linear polarisiert ist.

Wenn das Wellen -Elektrofeld einen Kreis in der Ebene senkrecht zur gleichen Ausbreitungsrichtung beschreibt und seine Größe konstant hält, wird gesagt, dass die Welle kreisförmig polarisiert ist.

Wenn der Wellen -Elektrofeldvektor eine Ellipse in der Ebene senkrecht zur gleichen Ausbreitungsrichtung beschreibt, wird gesagt, dass die Welle elliptisch polarisiert ist.

Häufige Begriffe in physischer Optik

Polarisierung

Es ist ein Filter, der nur einen Teil des Lichts ermöglicht, der in einer einzigen spezifischen Richtung ausgerichtet ist, ohne diese Wellen zu verpassen, die in andere Richtungen ausgerichtet sind.

Kann Ihnen dienen: Freikörperdiagramm

Wellenfront

Es ist die geometrische Oberfläche, auf der alle Teile einer Welle die gleiche Phase haben.

Amplitude und Wellenphase

Die Amplitude ist die maximale Dehnung einer Welle. Die Phase einer Welle ist der Schwingungszustand in Zeiten der Zeit. Zwei Wellen sind in Phase, wenn sie den gleichen Schwingungszustand haben.

Brewster Winkel

Es ist der Inzidenzwinkel von Licht, durch den die reflektierte Lichtwelle vollständig polarisiert ist.

Infrarot

Licht, das vom menschlichen Auge im 700 elektromagnetischen Strahlungsspektrum nicht sichtbar istnm 1000μm.

Lichtgeschwindigkeit

Es ist eine Konstante der Ausbreitungsgeschwindigkeit der Leuchtwelle in der Leere, deren Wert 3 × 10 beträgt⁸MS. Das Licht des Lichts variiert bei der Ausbreitung in einem materiellen Medium.

Wellenlänge

Mess des Abstands zwischen einem Wappen und einem anderen Wappen oder zwischen einem Tal und einem anderen Wave Valley ausbreiten.

Ultraviolett

Nicht sichtbare elektromagnetische Strahlung mit Wellenlängenspektrum von weniger als 400nm.

Physikalische Optikgesetze

Einige Gesetze der physischen Optik, die die Phänomene von Polarisierung und Interferenz beschreiben, werden nachstehend erwähnt

Die Gesetze Fresnell und Arago

1. Zwei Lichtwellen mit linearen, kohärenten und orthogonalen Polarisationen stören sich nicht, um ein Interferenzmuster zu bilden.
2. Zwei Lichtwellen mit linearen, kohärenten und parallelen Polarisationen können sich in einem Raumbereich stören.
3. Zwei natürliche Lichtwellen mit linearen, nicht kohärenten und orthogonalen Polarisationen stören sich nicht, um ein Interferenzmuster zu bilden.

Malusgesetz

Das Malusgesetz stellt fest, dass die durch einen Polarisator übertragene Lichtintensität direkt proportional zum Quadrat des Cosinus des Winkels ist, der die Übertragungsachse des Polarisators und die Polarisationsachse des Lichtbetrags bildet. Mit anderen Worten:

I = i₀cos²θ

I =Vom Polarisator übertragene Licht des Lichts

θ = Winkel zwischen der Transmissionsachse und der Polarisationsachse des einfallenden Strahls

Yo₀ = Intensität der einfallenden Lichtintensität

Malusgesetz [von Fresneesz (https: // Commons.Wikimedia.org/wiki/Datei: malus_law.Svg)]

Brewster -Gesetz

Der durch eine Oberfläche reflektierte Lichtstrahl ist vollständig polarisiert, in normaler Richtung zur Inzidenzebene des Lichts, wenn der Winkel, der den mit dem gebrochenen Strahl reflektierten Strahl bildet, gleich 90 ° ist.

Brewster Law [von PAJS (https: // Commons.Wikimedia.Org/Wiki/Datei: Brewster-Angle.Svg)]

Anwendungen

Einige der Anwendungen der physikalischen Optik sind in der Untersuchung von Flüssigkristallen, in der Gestaltung optischer Systeme und der optischen Metrologie.

Flüssigkristalle

Flüssigkristalle sind Materialien zwischen dem Festkörper und dem flüssigen Zustand, dessen Moleküle ein Dipolmoment aufweisen, das eine Polarisation des Lichts induziert, die sie betrifft. Aus dieser Eigenschaft wurden Taschenrechnerbildschirme, Monitore, Laptops und Mobiltelefone entwickelt.

Digitale Uhr mit flüssigem Kristallbildschirm (LCD) [von BBCLCD (https: // Commons.Wikimedia.org/wiki/Datei: Casio_lcd_watch_f-e10.JPG)]

OPTISCHES Systeme Design

Oft werden optische Systeme im Alltag, in Wissenschaft, Technologie und Gesundheit eingesetzt. Optische Systeme ermöglichen die Verarbeitung, Registrierung und Übermittlung von Informationen aus Quellen wie der Sonne, der LED, der Wolframlampe oder des Lasers. Beispiele für optische Systeme sind Diffraktometer und Interferometer.

Optische Metrologie

Es ist verantwortlich, hochauflösende Messungen physikalischer Parameter basierend auf der Lichtwelle vorzunehmen. Diese Messungen werden mit Interferometern und Brechungsinstrumenten durchgeführt. Im medizinischen Bereich wird die Metrologie verwendet, um eine ständige Überwachung der Vitalfunktionen des Patienten durchzuführen.

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Jüngste Forschung in der physischen Optik

Optomechanischer Kerker -Effekt (a. V. Poshakinskiy1 und a. N. Poddubny, 15. Januar 2019)

Poshakinskiy und Poddubny (1) zeigten, dass nanometrische Partikel mit Vibrationsbewegung eine optisch-mechanische Wirkung manifestieren können, ähnlich der von Kerker et al. (2) 1983 vorgeschlagen.

Der Kerker -Effekt ist ein optisches Phänomen, das darin besteht. Diese Richtung erfordert, dass die Partikel magnetische Reaktionen der gleichen Intensität wie die elektrischen Kräfte haben.

Der Kerker -Effekt ist ein theoretischer Vorschlag, der materielle Partikel mit magnetischen und elektrischen Eigenschaften erfordert, die derzeit nicht in der Natur von posthakinskiy und poddubny existieren.

Die Autoren zeigten, dass die Schwingungen des Partikels magnetische und elektrische Polarisationen erzeugen können.

Die Autoren schlagen die Anwendung des optisch-mechanischen Effekts auf nanometrische optische Geräte vor, wenn sie durch die Anwendung von akustischen Wellen vibrieren.

Extrakorporale optische Kommunikation (D. D. R. Dhatchayeny und y. H. Chung, Mai 2019)

Dhatchayeny und Chung (3) schlagen ein experimentelles System der extrakorporalen optischen Kommunikation (OEBC) vor, mit dem Informationen zu wichtigen Anzeichen von Personen über Anwendungen auf Mobiltelefonen mit Android -Technologie übertragen werden können. Das System besteht aus einer Reihe von Sensoren und einem Diodenkonzentrator (LED -Anordnung).

Die Sensoren werden in verschiedenen Körperteilen platziert, um Vitalfunktionen wie Impuls, Körpertemperatur und Atemwegsrate zu erkennen, zu verarbeiten und zu kommunizieren. Die Daten werden über die LED -Anordnung erfasst und mit der optischen Anwendung über die Handykamera übertragen.

Die LED -Anordnung emittiert Licht im Bereich der Streuwellenlängen Rayleight Gans Debye (RGB). Jede Farbe und Farbkombinationen sind mit Vitalfunktionen zusammenhängen.

Das von den Autoren vorgeschlagene System kann die Überwachung von Vitalfunktionen zuverlässig erleichtern, da Fehler in den experimentellen Ergebnissen minimal waren.

Verweise

1. Optomechanischer Kerker -Effekt. Poshakinskiy, a v und poddubny, a n. 1, 2019, Physical Review X, Vol, vol. 9, p. 2160-3308.
2. Elektromagnetische Streuung durch magnetische Kugeln. Kerker, M, Wang, D S und Giles, C l. 6, 1982, Journal of the Optical Society of America, vol. 73.
3. OPTISCHE EXTRADE-BODY-Kommunikation mit Smartphone-Kameras für die Übertragung des menschlichen Vitalfunktion. Dhatchayeny, D und Chung und. 15, 2019, Appl. Opt., Vol. 58.
4. Al-Azzawi, a. Physikalische Optikprinzipien und -praktiken. Boca Raton, FL: CRC Press Taylor & Francis Group, 2006.
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9. Jenkins, f a und weiß, h e. Grundlagen der Optik. NY: McGraw Hill Higher Education, 2001.