OPTICAL NA PISIKA: KASAYSAYAN, MADALAS NA MGA TERMINO, BATAS, APLIKASYON - PISIKAL - 2025

Ang pisikal na optika ay bahagi ng optical na pag-aaral ng likas na alon ng ilaw at ang mga pisikal na phenomena na nauunawaan lamang mula sa modelo ng alon. Pinag-aaralan din nito ang mga phenomena ng panghihimasok, polariseysyon, pagkakaiba-iba at iba pang mga phenomena na hindi maipaliwanag mula sa geometric optika.

Ang modelo ng alon ay tumutukoy sa ilaw bilang isang electromagnetic wave na ang mga de-kuryenteng at magnetic na patlang ay magkayunot sa bawat isa.

Electromagnetic Wave

Ang patlang ng kuryente (E) ng light wave ay kumikilos sa katulad na paraan sa magnetic field (B), ngunit ang electric field ay namumuno sa magnetic field dahil sa relasyon ni Maxwell (1831-1818), na itinatag ang sumusunod:

Kung saan c = Bilis ng pagpapalaganap ng alon.

Ang pisikal na optika ay hindi nagpapaliwanag ng pagsipsip at paglabas ng spectrum ng mga atoms. Sa kabilang banda, tinatalakay ng optical optics ang pag-aaral ng mga pisikal na phenomena na ito.

Kasaysayan

Ang kasaysayan ng mga pisikal na optika ay nagsisimula sa mga eksperimento na isinagawa ni Grimaldi (1613-1663), na napansin na ang anino ng cast ng isang iluminado na bagay ay lumitaw nang mas malawak at napapalibutan ng mga kulay na guhitan.

Tinawag niya ang napansin na pagkakaiba-iba ng hindi pangkaraniwang bagay. Ang kanyang eksperimentong gawa ay humantong sa kanya upang ipanukala ang alon ng likas na ilaw, kumpara sa paglilihi ni Isaac Newton na umiral noong ika-18 siglo.

Itinatag ng Newtonian paradigm na ang ilaw ay kumikilos tulad ng isang sinag ng mga maliliit na corpuscy na naglalakbay sa mataas na bilis sa mga path ng rectilinear.

Si Robert Hooke (1635-1703) ay ipinagtanggol ang likas na alon ng ilaw, sa kanyang pag-aaral tungkol sa kulay at pagwawasto, na nagsasabi na ang ilaw ay kumikilos tulad ng isang tunog na alon na kumakalat nang halos agad-agad sa pamamagitan ng isang materyal na daluyan.

Nang maglaon Huygens (1629–1695), batay sa mga ideya ni Hooke, pinagsama ang teorya ng alon ng ilaw sa kanyang Traité de la lumière (1690) kung saan ipinapalagay niya na ang mga ilaw na alon na inilabas ng mga makinang na katawan ay kumalat sa pamamagitan ng ng isang banayad at nababanat na daluyan na tinatawag na eter.

Ipinapaliwanag ng teorya ng alon ng Huygens ang mga phenomena ng pagmuni-muni, pag-urong at pagkakaiba-iba ng mas mahusay kaysa sa teoryang corpuscular ng Newton, at ipinapakita na ang bilis ng ilaw ay bumababa kapag pumasa mula sa isang hindi masyadong siksik na daluyan sa isang mas magaan.

Ang mga ideya ni Huygens ay hindi tinanggap ng mga siyentipiko sa oras para sa dalawang kadahilanan. Ang una ay ang kawalan ng kakayahan upang masiyahan na ipaliwanag ang kahulugan ng eter, at ang pangalawa ay ang prestihiyo ni Newton sa paligid ng kanyang teorya ng mga mekanika na naimpluwensyahan ang isang karamihan ng mga siyentipiko upang magpasya na suportahan ang corpuscular paradigma ng ilaw.

Pagbalik muli ng teorya ng alon

Noong unang bahagi ng ika-19 na siglo, nagtagumpay si Tomas Young (1773–1829) sa pagkuha ng pamayanang pang-agham upang tanggapin ang modelo ng alon ng Huygens batay sa mga resulta ng kanyang eksperimento sa pagkagambala. Nagawa ang eksperimento upang matukoy ang mga haba ng haba ng iba't ibang kulay.

Noong 1818 Fresnell (1788–1827) ay pinanumbalik ang teorya ng alon ng Huygens sa mga tuntunin ng prinsipyo ng panghihimasok. Ipinaliwanag din niya ang hindi pangkaraniwang bagay ng pag-aalsa ng ilaw, na nagpahintulot sa kanya na kumpirmahin na ang ilaw ay isang nakahalang alon.

Noong 1808 Arago (1788–1853) at Malus (1775–1812) ipinaliwanag ang kababalaghan ng polariseysyon ng ilaw mula sa modelo ng alon.

Ang mga pang-eksperimentong mga resulta ng Fizeau (1819-1896) noong 1849 at Foucalt (1819-1868) noong 1862 ay posible upang mapatunayan na ang ilaw ay kumakalat nang mas mabilis sa hangin kaysa sa tubig, na nagkakasalungat sa paliwanag na ibinigay ng Newton.

Noong 1872, inilathala ni Maxwell ang kanyang Treatise on Electricity and Magnetism, kung saan sinabi niya ang mga equation na synthesize ang electromagnetism. Mula sa kanyang mga equation ay nakuha niya ang alon equation na nagpapahintulot sa kanya na pag-aralan ang pag-uugali ng isang electromagnetic wave.

Natagpuan ni Maxwell na ang bilis ng pagpapalaganap ng isang electromagnetic wave ay nauugnay sa medium ng pagpapalaganap at coincides sa bilis ng ilaw, pagtatapos na ang ilaw ay isang electromagnetic wave.

Sa wakas, si Hertz (1857–1894) noong 1888 ay nagtagumpay sa paggawa at pag-detect ng mga alon ng electromagnetic at kinumpirma na ang ilaw ay isang uri ng electromagnetic wave.

Ano ang pag-aaral ng pisikal na optika?

Pinag-aaralan ng pisikal na optika ang mga phenomena na may kaugnayan sa likas na alon ng ilaw, tulad ng panghihimasok, pagkakaiba at pagkakaugnay.

Pagkagambala

Ang pagkagambala ay ang kababalaghan kung saan ang dalawa o higit pang mga light waves na magkakapatong, magkakasabay sa parehong rehiyon ng puwang, na bumubuo ng mga banda ng maliwanag at madilim na ilaw.

Ang mga maliliit na banda ay ginawa kapag maraming mga alon ay idinagdag upang makagawa ng isang mas malaking alon ng amplitude. Ang ganitong uri ng panghihimasok ay tinatawag na konstruktibong panghihimasok.

Kapag ang mga alon na magkakapatong upang makabuo ng isang mas mababang alon ng amplitude, ang pagkagambala ay tinatawag na mapanirang pagkagambala, at ang mga banda ng madilim na ilaw ay ginawa.

Pagkagambala

Ang paraan ng pamamahagi ng mga kulay na banda ay tinatawag na pattern ng panghihimasok. Ang pagkagambala ay makikita sa mga bula ng sabon o mga layer ng langis sa isang basa na kalsada.

Pagkakaiba-iba

Ang kababalaghan ng pagkakaiba ay ang pagbabago sa direksyon ng pagpapalaganap na nararanasan ng ilaw na alon kapag naabot nito ang isang balakid o pagbubukas, binabago ang amplitude at yugto nito.

Tulad ng hindi pangkaraniwang bagay ng pagkagambala, ang pagkakaiba-iba ay ang resulta ng superposition ng magkakaugnay na alon. Ang dalawa o higit pang mga light waves ay magkakaugnay kapag nag-oscillate sila ng parehong dalas na nagpapanatili ng isang patuloy na relasyon sa phase.

Habang ang balakid ay nakakakuha ng mas maliit at mas maliit kumpara sa haba ng daluyong, ang pagkakaiba-iba ng pagkakaiba-iba ay namumuno sa repleksyon ng repleksyon at pagwawasto sa pagtukoy ng pamamahagi ng mga light light rays kapag tinamaan ang balakid. .

Polarization

Ang polariseysyon ay ang pisikal na kababalaghan kung saan ang alon ay nag-vibrate sa isang solong direksyon patayo sa eroplano na naglalaman ng patlang ng kuryente. Kung ang alon ay walang isang nakapirming direksyon ng pagpapalaganap, sinasabing ang alon ay hindi polarado. Mayroong tatlong uri ng polariseysyon: linear polariseysyon, pabilog na polariseyalisasyon, at elliptical polarization.

Kung ang alon ay nag-vibrate kahanay sa isang nakapirming linya na naglalarawan ng isang tuwid na linya sa eroplano ng polariseysyon, sinasabing magkakasunod na polariko.

Kapag ang vector ng patlang ng kuryente ay naglalarawan ng isang bilog sa eroplano na patayo sa parehong direksyon ng pagpapalaganap, na pinapanatili ang pare-pareho ang kalakaran nito, ang alon ay sinasabing pabilog na polarized.

Kung ang electric field vector ng alon ay naglalarawan ng isang ellipse sa eroplano na patayo sa parehong direksyon ng pagpapalaganap, ang alon ay sinasabing elliptically polarized.

Madalas na Mga Tuntunin sa Physical Opika

Polarizing

Ito ay isang filter na nagpapahintulot lamang sa isang bahagi ng ilaw na nakatuon sa isang solong tiyak na direksyon na dumaan dito nang hindi pinapayagan ang mga alon na nakatuon sa iba pang mga direksyon.

Wave sa harap

Ito ay ang geometric na ibabaw kung saan ang lahat ng mga bahagi ng isang alon ay may parehong yugto.

Wave amplitude at phase

Ang laki ay ang maximum na pagpahaba ng isang alon. Ang yugto ng isang alon ay ang estado ng panginginig ng boses sa isang iglap. Dalawang alon ay nasa yugto kapag mayroon silang parehong estado ng panginginig ng boses.

Anggulo ng Brewster

Ito ay ang anggulo ng saklaw ng ilaw na kung saan ang ilaw na alon ay sumasalamin mula sa mapagkukunan ay ganap na polarized.

Infrared

Banayad na hindi nakikita ng mata ng tao sa electromagnetic radiation spectrum mula 700 nm hanggang 1000 μm.

Bilis ng ilaw

Ito ay isang bilis ng patuloy na pagpapalaganap ng light wave sa vacuum na ang halaga ay 3 × 10 ⁸ m / s. Ang halaga ng bilis ng ilaw ay nag-iiba kapag kumakalat ito sa isang materyal na daluyan.

Haba ng haba

Ang isang sukatan ng distansya sa pagitan ng isang crest at isa pang crest o sa pagitan ng isang lambak at isa pang lambak ng alon habang nagpapalaganap.

Ultraviolet

Ang hindi nakikita na electromagnetic radiation na may spectrum ng mga haba ng haba na mas mababa sa 400 nm.

Batas ng Physical optika

Sa ibaba ay binanggit ang ilang mga batas ng pisikal na optika na naglalarawan sa mga penomena ng polariseysyon at panghihimasok

Mga Batas ng Fresnell at Arago

1. Dalawang ilaw na alon na may linear, magkakaugnay at orthogonal polarizations ay hindi makagambala sa bawat isa upang makabuo ng isang pattern ng panghihimasok.
2. Ang dalawang alon ng ilaw na may linear, magkakaugnay at kahanay na polariseysyon ay maaaring makagambala sa isang rehiyon ng kalawakan.
3. Ang dalawang alon ng likas na ilaw na may linear, non-coherent at orthogonal polarizations ay hindi makagambala sa bawat isa upang makabuo ng isang pattern ng panghihimasok.

Malus Law

Ang Batas ng Malus ay nagsasaad na ang tindi ng ilaw na ipinadala ng isang polarizer ay direktang proporsyonal sa parisukat ng kosine ng anggulo na bumubuo ng axis ng paghahatid ng polarizer at axis ng polariseysyon ng ilaw ng insidente. Sa ibang salita:

I = intensity ng ilaw na ipinadala ng polarizer

Ang = Angle sa pagitan ng axis ng paghahatid at ang polariseysis na axis ng sinag ng insidente

I ₀ = Ang insidente ng light insidente

Malus Law

Batas ng Brewster

Ang ilaw na sinag na sinasalamin ng isang ibabaw ay ganap na polarized, sa direksyon na normal sa eroplano ng saklaw ng ilaw, kapag ang anggulo sa pagitan ng nakalarawan na sinag at ang refracted beam ay katumbas ng 90 °.

Batas ng Brewster

Aplikasyon

Ang ilan sa mga aplikasyon ng mga pisikal na optika ay nasa pag-aaral ng mga likidong kristal, sa disenyo ng mga optical system, at optical metrology.

Mga likidong kristal

Ang mga likidong kristal ay mga materyales na pinapanatili sa pagitan ng solidong estado at ang likido na estado, na ang mga molekula ay may isang sandali ng dipole na nagpapahiwatig ng isang polariseysyon ng ilaw na bumagsak sa kanila. Mula sa pag-aari na ito, ang mga screen para sa mga calculator, monitor, laptop at cell phone ay binuo.

Digital na relo na may likidong pagpapakita ng kristal (LCD)

Ang disenyo ng mga optical system

Ang mga optical system ay madalas na ginagamit sa pang-araw-araw na buhay, agham, teknolohiya, at pangangalaga sa kalusugan. Pinapayagan ng mga optical system ang impormasyon na maiproseso, naitala at maipadala mula sa mga ilaw na mapagkukunan tulad ng araw, LED, tungsten lamp o laser. Ang mga halimbawa ng mga optical system ay ang diffractometer at ang interferometer.

Optical metrology

Ito ay may pananagutan sa pagsasagawa ng mga sukat na mataas na resolusyon ng mga pisikal na mga parameter batay sa light wave. Ang mga sukat na ito ay ginawa gamit ang interferometer at mga refractive na mga instrumento. Sa lugar na medikal, ginagamit ang metrolohiya upang patuloy na subaybayan ang mga mahahalagang palatandaan ng mga pasyente.

Kamakailang Pananaliksik sa Physical optika

Ang epekto ng Optomechanical Kerker (AV Poshakinskiy1 at AN Poddubny, Enero 15, 2019)

Poshakinskiy at Poddubny (1) ay nagpakita na ang mga nanometric na partikulo na may vibratory motion ay maaaring magpakita ng isang optical-mechanical effect na katulad ng iminungkahi ni Kerker et al (2) noong 1983.

Ang epekto ng Kerker ay isang optical na kababalaghan na binubuo sa pagkuha ng isang malakas na direksyon ng ilaw na nakakalat sa pamamagitan ng spherical magnetic particle. Ang pagiging direktoryo na ito ay nangangailangan na ang mga particle ay may mga magnetic na tugon ng parehong kasidhian ng mga puwersang elektrikal.

Ang epekto ng Kerker ay isang panukalang teoretikal na nangangailangan ng mga materyal na partikulo na may magnet at de-koryenteng mga katangian na kasalukuyang hindi umiiral sa likas na katangian.

Ipinakita ng mga may-akda na ang mga panginginig ng boses ng partido ay maaaring lumikha ng naaangkop na panghihimasok sa magnetic at electrical polariseysyon, dahil ang mga sangkap ng magnetic at electrical polarity ng parehong pagkakasunud-sunod ng magnitude ay nai-impluwensya sa maliit na butil kapag ang hindi sinasadyang pagkalat ng ilaw ay isinasaalang-alang.

Iminumungkahi ng mga may-akda ang application ng optical-mechanical effect sa nanometric optical na aparato sa pamamagitan ng paggawa ng mga ito na mag-vibrate sa pamamagitan ng application ng acoustic waves.

Komunikasyon ng Extracorporeal Optical (DR Dhatchayeny at YH Chung, Mayo 2019)

Ang Dhatchayeny at Chung (3) ay nagmungkahi ng isang pang-eksperimentong extracorporeal optical na komunikasyon (OEBC) system na maaaring magpadala ng mahahalagang impormasyon sa pag-sign ng mga tao sa pamamagitan ng mga aplikasyon sa mga mobile phone na may teknolohiya ng Android. Ang system ay binubuo ng isang hanay ng mga sensor at isang diode hub (LED array).

Ang mga sensor ay inilalagay sa iba't ibang bahagi ng katawan upang makita, maproseso, at makipag-usap sa mga mahahalagang palatandaan tulad ng pulso, temperatura ng katawan, at rate ng paghinga. Ang data ay nakolekta sa pamamagitan ng LED array at ipinadala sa pamamagitan ng mobile phone camera gamit ang optical app.

Ang LED array ay naglalabas ng ilaw sa Rayleigh Gans Debye (RGB) na nagkakalat ng haba ng haba ng haba. Ang bawat kombinasyon ng kulay at kulay ng pinalabas na ilaw ay nauugnay sa mga mahahalagang palatandaan.

Ang sistema na iminungkahi ng mga may-akda ay maaaring mapabilis ang pagsubaybay sa mga mahahalagang palatandaan sa isang maaasahang paraan, dahil ang mga pagkakamali sa mga resulta ng eksperimentong ay minimal.

Mga Sanggunian

1. Optomekanikal na Kerker Epekto. Poshakinskiy, AV at Poddubny, A N. 1, 2019, Physical Review X, Tomo 9, pp. 2160-3308.
2. Ang electromagnetic na nagkakalat ng magnetic spheres. Kerker, M, Wang, DS at Giles, C L. 6, 1982, Journal ng Optical Society of America, Tomo 73.
3. Optical na sobrang katawan ng komunikasyon gamit ang mga camera sa smartphone para sa paghahatid ng mahahalagang pag-sign ng tao. Dhatchayeny, D at Chung, Y. 15, 2019, Appl. Opt., Tomo 58.
4. Al-Azzawi, A. Mga Prinsipyo at Kasanayan sa Physical Opika. Boca Raton, FL: CRC Press Taylor & Francis Group, 2006.
5. Grattan-Guiness, I. Kasamang Encyclopedia ng Kasaysayan at Pilosopiya ng Mga Agham sa Matematika. New York, US: Routledge, 1994, Tomo II.
6. Akhmanov, SA at Nikitin, S Yu. Physical optika. New York: Oxford University Press, 2002.
7. Lipson, A, Lipson, SG at Lipson, H. Physical optika. Cambridge, UK: Cambridge University Press, 2011.
8. Mickelson, A R. Physical Optika. New York: Springer Science + Business Media, 1992.
9. Jenkins, FA at White, H E. Mga Batayan ng Opolohiyang. NY: McGraw Hill Higher Education, 2001.