FIZICA OPTICĂ: ISTORIC, TERMENI FRECVENTI, LEGI, APLICAȚII - FIZIC - 2025

De optica fizice face parte din studiul optic natura de undă a luminii și a fenomenelor fizice care numai înțelese de modelul de undă. De asemenea, studiază fenomenele de interferență, polarizare, difracție și alte fenomene care nu pot fi explicate din optica geometrică.

Modelul de undă definește lumina ca o undă electromagnetică ale cărei câmpuri electrice și magnetice oscilează perpendicular între ele.

Undul electromagnetic

Câmpul electric (E) al undei luminoase se comportă în mod similar cu câmpul său magnetic (B), dar câmpul electric predomină peste câmpul magnetic datorită relației lui Maxwell (1831-1879), care stabilește următoarele:

Unde c = viteza de propagare a undei.

Optica fizică nu explică spectrul de absorbție și emisie a atomilor. Pe de altă parte, optica cuantică abordează studiul acestor fenomene fizice.

Istorie

Istoria opticii fizice începe cu experimentele efectuate de Grimaldi (1613-1663), care a observat că umbra aruncată de un obiect iluminat apare mai larg și era înconjurată de dungi colorate.

El a numit fenomenul observat difracție. Lucrările sale experimentale l-au determinat să propună natura valurilor a luminii, spre deosebire de concepția lui Isaac Newton care a predominat în secolul al XVIII-lea.

Paradigma newtoniană a stabilit că lumina se comporta ca o rază de corpusculi mici care călătoreau cu viteză mare pe căile rectiliniene.

Robert Hooke (1635-1703) a apărat natura valurilor luminii, în studiile sale despre culoare și refracție, afirmând că lumina se comporta ca o undă sonoră care se propagă rapid aproape instantaneu printr-un mediu material.

Ulterior, Huygens (1629-1695), bazat pe ideile lui Hooke, a consolidat teoria undelor luminii în Traité de la lumière (1690), în care a presupus că undele de lumină emise de corpurile luminoase se propagă prin a unui mediu subtil și elastic numit eter.

Teoria undelor lui Huygens explică fenomenele de reflecție, refracție și difracție mult mai bune decât teoria corpusculară a lui Newton și arată că viteza luminii scade la trecerea de la un mediu mai puțin dens la unul mai dens.

Ideile lui Huygens nu au fost acceptate de acei oameni de știință din două motive. Primul a fost imposibilitatea explicării satisfăcătoare a definiției eterului, iar a doua a fost prestigiul lui Newton în jurul teoriei sale despre mecanică care a influențat o mare majoritate a oamenilor de știință să decidă să sprijine paradigma corpusculară a luminii.

Renașterea teoriei undelor

La începutul secolului al XIX-lea, Tomas Young (1773-1829) a reușit să obțină comunitatea științifică să accepte modelul de undă al lui Huygens bazat pe rezultatele experimentului său de interferență ușoară. Experimentul a făcut posibilă determinarea lungimilor de undă ale diferitelor culori.

În 1818, Fresnell (1788-1827) a redat teoria undelor lui Huygens în termenii principiului interferenței. El a explicat și fenomenul de birefringență a luminii, ceea ce i-a permis să afirme că lumina este o undă transversală.

În 1808, Arago (1788-1853) și Malus (1775-1812) au explicat fenomenul de polarizare a luminii din modelul de undă.

Rezultatele experimentale ale lui Fizeau (1819-1896) în 1849 și Foucalt (1819-1868) în 1862 au făcut posibilă verificarea dacă lumina se propagă mai repede în aer decât în ​​apă, contrazicând explicația dată de Newton.

În 1872, Maxwell a publicat Tratatul său despre electricitate și magnetism, în care a declarat ecuațiile care sintetizează electromagnetismul. Din ecuațiile sale a obținut ecuația de undă care i-a permis să analizeze comportamentul unei unde electromagnetice.

Maxwell a constatat că viteza de propagare a unei unde electromagnetice este legată de mediul de propagare și coincide cu viteza luminii, ajungând la concluzia că lumina este o undă electromagnetică.

În cele din urmă, Hertz (1857-1894) în 1888 a reușit să producă și să detecteze unde electromagnetice și să confirme că lumina este un tip de undă electromagnetică.

Ce studiază optica fizică?

Optica fizică studiază fenomenele legate de natura undelor a luminii, cum ar fi interferența, difracția și polarizarea.

imixtiune

Interferența este fenomenul prin care două sau mai multe unde de lumină se suprapun, care coexistă în aceeași regiune a spațiului, formând benzi de lumină strălucitoare și întunecate.

Benzi luminoase sunt produse când se adaugă mai multe unde pentru a produce o undă de amplitudine mai mare. Acest tip de interferență se numește interferență constructivă.

Când undele se suprapun pentru a produce o undă de amplitudine mai mică, interferența se numește interferență distructivă și se produc benzi de lumină întunecată.

imixtiune

Modul în care sunt distribuite benzile colorate este denumit model de interferență. Interferențele pot fi observate în bule de săpun sau straturi de ulei de pe un drum umed.

Difracţie

Fenomenul de difracție este schimbarea direcției de propagare pe care unda lumină o experimentează atunci când lovește un obstacol sau o deschidere, modificându-și amplitudinea și faza.

La fel ca fenomenul de interferență, difracția este rezultatul suprapoziției undelor coerente. Două sau mai multe unde de lumină sunt coerente atunci când oscilează cu aceeași frecvență menținând o relație de fază constantă.

Pe măsură ce obstacolul devine din ce în ce mai mic în comparație cu lungimea de undă, fenomenul de difracție predomină asupra fenomenului de reflecție și de refracție în determinarea distribuției razelor de undă luminoasă odată ce se lovește de obstacol .

Polarizare

Polarizarea este fenomenul fizic prin care unda vibrează într-o singură direcție perpendiculară pe planul care conține câmpul electric. Dacă unda nu are o direcție fixă ​​de propagare, se spune că unda nu este polarizată. Există trei tipuri de polarizare: polarizare liniară, polarizare circulară și polarizare eliptică.

Dacă unda vibrează paralel cu o linie fixă ​​care descrie o linie dreaptă în planul polarizării, se spune că este polarizată liniar.

Când vectorul câmpului electric al undei descrie un cerc în plan perpendicular pe aceeași direcție de propagare, păstrând magnitudinea constantă, se spune că unda este polarizată circular.

Dacă vectorul câmpului electric al undei descrie o elipsă în plan perpendicular pe aceeași direcție de propagare, se spune că unda este polarizată eliptic.

Termeni frecventi in optica fizica

polarizante

Este un filtru care permite doar o parte a luminii care este orientată într-o singură direcție specifică să treacă prin ea fără a lăsa să treacă acele unde care sunt orientate în alte direcții.

Valul din față

Este suprafața geometrică în care toate părțile unei unde au aceeași fază.

Amplitudinea și faza valurilor

Amplitudinea este alungirea maximă a unei unde. Faza unei unde este starea de vibrație la un moment de timp. Două unde sunt în fază atunci când au aceeași stare de vibrație.

Unghiul Brewster

Este unghiul de incidență a luminii prin care unda de lumină reflectată de la sursă este polarizată complet.

Infraroşu

Lumina care nu este vizibilă pentru ochiul uman în spectrul radiațiilor electromagnetice de la 700 nm la 1000 μm.

Viteza luminii

Este o constantă de viteză de propagare a undei de lumină în vid a cărei valoare este 3 × 10 ⁸ m / s. Valoarea vitezei luminii variază atunci când se propagă într-un mediu material.

Lungime de undă

O măsură a distanței dintre o creastă și o altă creastă sau între o vale și o altă vale a valului pe măsură ce se propagă.

Ultraviolet

Radiații electromagnetice ne vizibile cu spectru de lungimi de undă mai mici de 400 nm.

Legile opticii fizice

Mai jos sunt menționate câteva legi ale opticii fizice care descriu fenomenele de polarizare și interferențe

Legile Fresnell și Arago

1. Două unde de lumină cu polarizări liniare, coerente și ortogonale nu interferează între ele pentru a forma un model de interferență.
2. Două unde de lumină cu polarizări liniare, coerente și paralele pot interfera într-o regiune a spațiului.
3. Două valuri de lumină naturală cu polarizări liniare, necoerente și ortogonale nu interferează între ele pentru a forma un model de interferență.

Legea Malus

Legea lui Malus afirmă că intensitatea luminii transmise de un polarizator este direct proporțională cu pătratul cosinului unghiului care formează axa de transmitere a polarizatorului și axa de polarizare a luminii incidente. Cu alte cuvinte:

I = intensitatea luminii transmise de polarizator

θ = Unghiul dintre axa de transmisie și axa de polarizare a fasciculului incident

I ₀ = Intensitatea luminii incidente

Legea Malus

Legea lui Brewster

Fasciculul luminos reflectat de o suprafață este polarizat complet, în direcția normală în planul de incidență a luminii, când unghiul dintre fasciculul reflectat și fasciculul refractat este egal cu 90 °.

Legea lui Brewster

Aplicații

Unele dintre aplicațiile opticii fizice sunt în studiul cristalelor lichide, în proiectarea sistemelor optice și în metrologia optică.

Cristale lichide

Cristalele lichide sunt materiale care se păstrează între starea solidă și starea lichidă, ale căror molecule au un moment dipol care induce o polarizare a luminii care cade asupra lor. Din această proprietate au fost create ecrane pentru calculatoare, monitoare, laptopuri și telefoane mobile.

Ceas digital cu afișaj cu cristale lichide (LCD)

Proiectare sisteme optice

Sistemele optice sunt adesea utilizate în viața de zi cu zi, știință, tehnologie și asistență medicală. Sistemele optice permit prelucrarea, înregistrarea și transmiterea informațiilor din surse de lumină, cum ar fi soarele, ledul, lampa de tungsten sau laserul. Exemple de sisteme optice sunt difractometrul și interferometrul.

Metrologie optică

Este responsabil pentru efectuarea măsurătorilor de înaltă rezoluție a parametrilor fizici pe baza undei de lumină. Aceste măsurători sunt realizate cu interferometre și instrumente de refracție. În zona medicală, metrologia este utilizată pentru a monitoriza constant semnele vitale ale pacienților.

Cercetări recente în optică fizică

Efectul Kerker optomecanic (AV Poshakinskiy1 și AN Poddubny, 15 ianuarie 2019)

Poshakinskiy și Poddubny (1) au arătat că particulele nanometrice cu mișcare vibratorie pot manifesta un efect optico-mecanic similar cu cel propus de Kerker et al (2) în 1983.

Efectul Kerker este un fenomen optic care constă în obținerea unei direcționalități puternice a luminii împrăștiate de particule magnetice sferice. Această direcționalitate necesită ca particulele să aibă răspunsuri magnetice de aceeași intensitate cu forțele electrice.

Efectul Kerker este o propunere teoretică care necesită particule de material cu caracteristici magnetice și electrice care nu există în prezent în natură.Poshakinskiy și Poddubny au obținut același efect asupra particulelor nanometrice, fără răspuns magnetic semnificativ, care vibrează în spațiu.

Autorii au arătat că vibrațiile particulelor pot crea polarizări magnetice și electrice care interferă în mod corespunzător, deoarece componentele de polaritate magnetică și electrică cu același ordin de mărime sunt induse în particule atunci când se are în vedere împrăștierea inelastică a luminii.

Autorii propun aplicarea efectului optico-mecanic în dispozitive optice nanometrice, făcându-le să vibreze prin aplicarea undelor acustice.

Comunicare optică extracorporeală (DR Dhatchayeny și YH Chung, mai 2019)

Dhatchayeny și Chung (3) propun un sistem experimental de comunicare optică extracorporeală (OEBC), care poate transmite informații despre semne vitale ale oamenilor prin intermediul aplicațiilor de pe telefoanele mobile cu tehnologie Android. Sistemul constă dintr-un set de senzori și un hub de diode (tablou LED).

Senzorii sunt așezați pe diverse părți ale corpului pentru a detecta, prelucra și comunica semne vitale, cum ar fi pulsul, temperatura corpului și ritmul respirator. Datele sunt colectate prin tabloul LED și transmise prin intermediul camerei de telefon mobil cu aplicația optică.

Matricea LED emite lumină în gama de lungimi de undă de răspândire Rayleigh Gans Debye (RGB). Fiecare combinație de culori și culori ale luminii emise sunt legate de semnele vitale.

Sistemul propus de autori poate facilita monitorizarea semnelor vitale într-un mod fiabil, deoarece erorile rezultatelor experimentale au fost minime.

Referințe

1. Efectul Kerker optomecanic. Poshakinskiy, AV și Poddubny, A N. 1, 2019, Physical Review X, Vol. 9, pp. 2160-3308.
2. Împrastierea electromagnetică prin sfere magnetice. Kerker, M, Wang, DS și Giles, C L. 6, 1982, Journal of Optical Society of America, Vol. 73.
3. Comunicare optică extra-corp folosind camere de smartphone pentru transmiterea semnelor vitale umane. Dhatchayeny, D și Chung, Y. 15, 2019, Appl. Opt., Vol. 58.
4. Al-Azzawi, A. Principii și practici de optică fizică. Boca Raton, FL: CRC Press Taylor & Francis Group, 2006.
5. Grattan-Guiness, I. Enciclopedia companiei istoriei și filozofiei științelor matematice. New York, SUA: Routledge, 1994, vol. II.
6. Akhmanov, SA și Nikitin, S Yu. Optică fizică. New York: Oxford University Press, 2002.
7. Lipson, A, Lipson, SG și Lipson, H. Fizică optică. Cambridge, Marea Britanie: Cambridge University Press, 2011.
8. Mickelson, A R. Optica fizică. New York: Springer Science + Business Media, 1992.
9. Jenkins, FA și White, H E. Fundamentele opticii. NY: McGraw Hill Higher Education, 2001.