OPTISCHE FYSICA: GESCHIEDENIS, VEEL VOORKOMENDE TERMEN, WETTEN, TOEPASSINGEN - FYSIEK - 2026

De fysieke optica maakt deel uit van de optische bestudering van de golfkarakteristiek van licht en de fysische verschijnselen die alleen begrepen werden uit het golfmodel. Het bestudeert ook de verschijnselen van interferentie, polarisatie, diffractie en andere verschijnselen die niet kunnen worden verklaard vanuit geometrische optica.

Het golfmodel definieert licht als een elektromagnetische golf waarvan de elektrische en magnetische velden loodrecht op elkaar oscilleren.

Elektromagnetische golf

Het elektrische veld (E) van de lichtgolf gedraagt ​​zich op dezelfde manier als het magnetische veld (B), maar het elektrische veld overheerst het magnetische veld vanwege de relatie van Maxwell (1831-1879), die het volgende vaststelt:

Waar c = voortplantingssnelheid van de golf.

Fysieke optica verklaart niet het absorptie- en emissiespectrum van atomen. Aan de andere kant behandelt kwantumoptica de studie van deze fysische verschijnselen.

Geschiedenis

De geschiedenis van de fysieke optica begint met de experimenten die werden uitgevoerd door Grimaldi (1613-1663), die opmerkte dat de schaduw van een verlicht object breder leek en omgeven was door gekleurde strepen.

Hij noemde het waargenomen fenomeen diffractie. Zijn experimentele werk bracht hem ertoe om het golfkarakter van licht voor te stellen, in tegenstelling tot de opvatting van Isaac Newton die heerste in de 18e eeuw.

Het Newtoniaanse paradigma stelde vast dat licht zich gedroeg als een straal van kleine bloedlichaampjes die met hoge snelheid langs rechtlijnige paden reisden.

Robert Hooke (1635-1703) verdedigde de golfkarakteristiek van licht in zijn studies over kleur en breking, en stelde dat licht zich gedroeg als een geluidsgolf die zich snel en bijna onmiddellijk voortplant door een materieel medium.

Later bevestigde Huygens (1629-1695), gebaseerd op Hooke's ideeën, de golftheorie van het licht in zijn Traité de la lumière (1690), waarin hij aannam dat de lichtgolven die door lichtgevende lichamen worden uitgezonden zich voortplanten door van een subtiel en elastisch medium genaamd ether.

Huygens 'golftheorie verklaart de verschijnselen van reflectie, breking en diffractie veel beter dan de corpusculaire theorie van Newton, en laat zien dat de lichtsnelheid afneemt wanneer het van een minder dicht medium naar een dichter medium gaat.

Huygens 'ideeën werden destijds om twee redenen niet door wetenschappers geaccepteerd. De eerste was de onmogelijkheid om de definitie van ether op bevredigende wijze uit te leggen, en de tweede was het prestige van Newton rond zijn theorie van de mechanica die een grote meerderheid van wetenschappers ertoe bracht te besluiten het corpusculaire paradigma van licht te ondersteunen.

Wedergeboorte van golftheorie

In het begin van de 19e eeuw slaagde Tomas Young (1773–1829) erin om de wetenschappelijke gemeenschap Huygens 'golfmodel te laten accepteren op basis van de resultaten van zijn lichtinterferentie-experiment. Het experiment maakte het mogelijk om de golflengten van de verschillende kleuren te bepalen.

In 1818 herhaalde Fresnell (1788–1827) Huygens 'golftheorie in termen van het interferentieprincipe. Hij legde ook het fenomeen van dubbele breking van licht uit, waardoor hij kon bevestigen dat licht een transversale golf is.

In 1808 verklaarden Arago (1788–1853) en Malus (1775-1812) het fenomeen van polarisatie van licht uit het golfmodel.

De experimentele resultaten van Fizeau (1819-1896) in 1849 en Foucalt (1819-1868) in 1862 maakten het mogelijk om te verifiëren dat licht zich sneller voortplant in lucht dan in water, hetgeen in tegenspraak is met de uitleg van Newton.

In 1872 publiceerde Maxwell zijn verhandeling over elektriciteit en magnetisme, waarin hij de vergelijkingen uiteenzette die elektromagnetisme synthetiseren. Uit zijn vergelijkingen haalde hij de golfvergelijking op waarmee hij het gedrag van een elektromagnetische golf kon analyseren.

Maxwell ontdekte dat de voortplantingssnelheid van een elektromagnetische golf gerelateerd is aan het voortplantingsmedium en samenvalt met de lichtsnelheid, en concludeerde dat licht een elektromagnetische golf is.

Ten slotte slaagde Hertz (1857-1894) er in 1888 in elektromagnetische golven te produceren en te detecteren en te bevestigen dat licht een soort elektromagnetische golf is.

Wat bestudeert fysieke optica?

Fysieke optica bestudeert de verschijnselen die verband houden met de golfkarakteristiek van licht, zoals interferentie, diffractie en polarisatie.

Interferentie

Interferentie is het fenomeen waarbij twee of meer lichtgolven elkaar overlappen, naast elkaar bestaan ​​in hetzelfde gebied van de ruimte en banden vormen van helder en donker licht.

Heldere banden worden geproduceerd wanneer meerdere golven bij elkaar worden opgeteld om een ​​golf met een grotere amplitude te produceren. Dit type storing wordt constructieve storing genoemd.

Wanneer golven elkaar overlappen om een ​​golf met een lagere amplitude te produceren, wordt de interferentie destructieve interferentie genoemd en worden banden van donker licht geproduceerd.

Interferentie

De manier waarop de gekleurde banden worden verdeeld, wordt het interferentiepatroon genoemd. Interferentie is te zien in zeepbellen of olielagen op een nat wegdek.

Diffractie

Het fenomeen van diffractie is de verandering in de voortplantingsrichting die de lichtgolf ervaart wanneer deze een obstakel of opening raakt, waardoor de amplitude en fase verandert.

Net als het fenomeen interferentie is diffractie het resultaat van de superpositie van coherente golven. Twee of meer lichtgolven zijn coherent wanneer ze met dezelfde frequentie oscilleren en een constante faserelatie behouden.

Naarmate het obstakel kleiner en kleiner wordt in vergelijking met de golflengte, overheerst het diffractiefenomeen boven het reflectie- en refractieverschijnsel bij het bepalen van de verdeling van de lichtgolfstralen zodra het het obstakel raakt. .

Polarisatie

Polarisatie is het fysische verschijnsel waarbij de golf trilt in een enkele richting loodrecht op het vlak dat het elektrische veld bevat. Als de golf geen vaste voortplantingsrichting heeft, wordt er gezegd dat de golf niet gepolariseerd is. Er zijn drie soorten polarisatie: lineaire polarisatie, circulaire polarisatie en elliptische polarisatie.

Als de golf parallel aan een vaste lijn trilt die een rechte lijn in het polarisatievlak beschrijft, wordt er gezegd dat deze lineair gepolariseerd is.

Wanneer de elektrische veldvector van de golf een cirkel beschrijft in het vlak loodrecht op dezelfde voortplantingsrichting, waarbij de grootte constant wordt gehouden, wordt gezegd dat de golf circulair gepolariseerd is.

Als de elektrische veldvector van de golf een ellips beschrijft in het vlak loodrecht op dezelfde voortplantingsrichting, wordt gezegd dat de golf elliptisch gepolariseerd is.

Veel voorkomende termen in fysieke optica

Polariserend

Het is een filter dat slechts een deel van het licht dat in een bepaalde richting is georiënteerd erdoorheen laat gaan zonder die golven die in andere richtingen zijn georiënteerd door te laten.

Wave front

Het is het geometrische oppervlak waarin alle delen van een golf dezelfde fase hebben.

Golfamplitude en fase

Amplitude is de maximale verlenging van een golf. De fase van een golf is de trillingstoestand op een bepaald moment. Twee golven zijn in fase wanneer ze dezelfde vibratietoestand hebben.

Brewster-hoek

Het is de invalshoek van het licht waarmee de lichtgolf die door de bron wordt gereflecteerd, volledig gepolariseerd is.

Infrarood

Licht niet zichtbaar voor het menselijk oog in het elektromagnetische stralingsspectrum van 700 nm tot 1000 μm.

Snelheid van het licht

Het is een snelheidsconstante van voortplanting van de lichtgolf in vacuüm met een waarde van 3 × ¹⁰⁸ m / s. De waarde van de lichtsnelheid varieert wanneer het zich voortplant in een materieel medium.

Golflengte

Een maat voor de afstand tussen een top en een andere top of tussen een vallei en een andere vallei van de golf terwijl deze zich voortplant.

Ultraviolet

Niet-zichtbare elektromagnetische straling met een spectrum met golflengten van minder dan 400 nm.

Wetten van fysieke optica

Hieronder worden enkele wetten van fysische optica genoemd die de verschijnselen van polarisatie en interferentie beschrijven

Fresnell en Arago Laws

1. Twee lichtgolven met lineaire, coherente en orthogonale polarisaties interfereren niet met elkaar en vormen een interferentiepatroon.
2. Twee lichtgolven met lineaire, coherente en parallelle polarisaties kunnen interfereren in een gebied in de ruimte.
3. Twee golven natuurlijk licht met lineaire, niet-coherente en orthogonale polarisaties interfereren niet met elkaar om een ​​interferentiepatroon te vormen.

Malus-wet

De wet van Malus stelt dat de intensiteit van door een polarisator doorgelaten licht recht evenredig is met het kwadraat van de cosinus van de hoek die de doorlaatas van de polarisator vormt en de polarisatieas van het invallende licht. Met andere woorden:

I = intensiteit van door de polarisator doorgelaten licht

θ = hoek tussen de transmissieas en de polarisatieas van de invallende bundel

I ₀ = Intensiteit van invallend licht

Malus-wet

De wet van Brewster

De door een oppervlak gereflecteerde lichtbundel is volledig gepolariseerd, in de richting loodrecht op het invalsvlak van het licht, wanneer de hoek tussen de gereflecteerde bundel en de gebroken bundel gelijk is aan 90 °.

De wet van Brewster

Toepassingen

Enkele van de toepassingen van fysische optica zijn in de studie van vloeibare kristallen, in het ontwerp van optische systemen en in optische metrologie.

Vloeibare kristallen

Vloeibare kristallen zijn materialen die tussen de vaste en vloeibare toestand worden gehouden, waarvan de moleculen een dipoolmoment hebben dat een polarisatie veroorzaakt van het licht dat erop valt. Vanuit dit pand zijn beeldschermen ontwikkeld voor rekenmachines, monitoren, laptops en mobiele telefoons.

Digitaal horloge met liquid crystal display (LCD)

Ontwerp van optische systemen

Optische systemen worden vaak gebruikt in het dagelijks leven, wetenschap, technologie en gezondheidszorg. Met optische systemen kan informatie worden verwerkt, geregistreerd en verzonden vanaf lichtbronnen zoals de zon, LED, wolfraamlamp of laser. Voorbeelden van optische systemen zijn de diffractometer en de interferometer.

Optische metrologie

Het is verantwoordelijk voor het uitvoeren van hoge resolutie metingen van fysieke parameters op basis van de lichtgolf. Deze metingen worden gedaan met interferometers en refractieve instrumenten. Op medisch gebied wordt metrologie gebruikt om voortdurend de vitale functies van patiënten te controleren.

Recent onderzoek in fysieke optica

Optomechanisch Kerker-effect (AV Poshakinskiy1 en AN Poddubny, 15 januari 2019)

Poshakinskiy en Poddubny (1) toonden aan dat nanometrische deeltjes met vibrerende beweging een optisch-mechanisch effect kunnen vertonen vergelijkbaar met dat voorgesteld door Kerker et al (2) in 1983.

Het Kerker-effect is een optisch fenomeen dat bestaat uit het verkrijgen van een sterke gerichtheid van licht dat wordt verstrooid door bolvormige magnetische deeltjes. Deze directionaliteit vereist dat de deeltjes magnetische reacties hebben van dezelfde intensiteit als de elektrische krachten.

Het Kerker-effect is een theoretisch voorstel dat materiaaldeeltjes vereist met magnetische en elektrische eigenschappen die momenteel niet in de natuur voorkomen. Poshakinskiy en Poddubny bereikten hetzelfde effect op nanometrische deeltjes, zonder significante magnetische respons, die in de ruimte trillen.

De auteurs toonden aan dat deeltjestrillingen op de juiste manier interfererende magnetische en elektrische polarisaties kunnen veroorzaken, omdat magnetische en elektrische polariteitscomponenten van dezelfde orde van grootte in het deeltje worden geïnduceerd wanneer inelastische lichtverstrooiing wordt overwogen.

De auteurs stellen de toepassing van het optisch-mechanische effect in nanometrische optische apparaten voor door ze te laten trillen door de toepassing van akoestische golven.

Extracorporale optische communicatie (DR Dhatchayeny en YH Chung, mei 2019)

Dhatchayeny en Chung (3) stellen een experimenteel systeem voor extracorporele optische communicatie (OEBC) voor dat vitale functies van mensen kan verzenden via applicaties op mobiele telefoons met Android-technologie. Het systeem bestaat uit een set sensoren en een diode-hub (LED-array).

Sensoren worden op verschillende delen van het lichaam geplaatst om vitale functies zoals pols, lichaamstemperatuur en ademhalingsfrequentie te detecteren, verwerken en communiceren. De gegevens worden verzameld via de LED-array en verzonden via de camera van de mobiele telefoon met de optische app.

De LED-array zendt licht uit in het Rayleigh Gans Debye (RGB) verstrooiingsgolflengtebereik. Elke kleur en kleurcombinatie van het uitgestraalde licht is gerelateerd aan vitale functies.

Het door de auteurs voorgestelde systeem kan de bewaking van vitale functies op een betrouwbare manier vergemakkelijken, aangezien de fouten in de experimentele resultaten minimaal waren.

Referenties

1. Optomechanisch Kerker-effect. Poshakinskiy, AV en Poddubny, A N. 1, 2019, Physical Review X, Vol. 9, blz. 2160-3308.
2. Elektromagnetische verstrooiing door magnetische bollen. Kerker, M, Wang, DS en Giles, C L. 6, 1982, Journal of the Optical Society of America, Vol.73.
3. Optische extra-lichaamscommunicatie met behulp van smartphonecamera's voor overdracht van menselijke vitale functies. Dhatchayeny, D en Chung, Y. 15, 2019, Appl. Opt., Vol.58.
4. Al-Azzawi, A. Principes en praktijken van fysische optica. 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, VS: Routledge, 1994, Deel II.
6. Akhmanov, SA en Nikitin, S Yu. Fysieke optica. New York: Oxford University Press, 2002.
7. Lipson, A, Lipson, SG en Lipson, H. Physical Optics. Cambridge, VK: Cambridge University Press, 2011.
8. Mickelson, A. R. Physical Optics. New York: Springer Science + Business Media, 1992.
9. Jenkins, FA en White, H E. Fundamentals of Optics. NY: McGraw Hill Higher Education, 2001.