OPTIK FIZIK: TARIHÇE, SIK KULLANILAN TERIMLER, YASALAR, UYGULAMALAR - FIZIKSEL - 2024

Fiziksel optik ışık dalga doğasını ve tek dalga modeli anlaşıldığı fiziksel olayları incelemek optik bir parçasıdır. Ayrıca geometrik optikten açıklanamayan girişim, polarizasyon, kırınım ve diğer fenomenleri inceler.

Dalga modeli, ışığı, elektrik ve manyetik alanları birbirine dik olarak salınan elektromanyetik bir dalga olarak tanımlar.

Elektromanyetik dalga

Işık dalgasının elektrik alanı (E), manyetik alanına (B) benzer şekilde davranır, ancak elektrik alanı, aşağıdakileri oluşturan Maxwell'in ilişkisi (1831-1879) nedeniyle manyetik alan üzerinde baskındır:

C = Dalganın yayılma hızı.

Fiziksel optik, atomların emilim ve emisyon spektrumunu açıklamaz. Öte yandan, kuantum optiği bu fiziksel fenomenlerin incelenmesine yöneliktir.

Tarih

Fiziksel optiğin tarihi, aydınlatılmış bir nesnenin gölgesinin daha geniş göründüğünü ve renkli çizgilerle çevrili olduğunu gözlemleyen Grimaldi (1613-1663) tarafından yapılan deneylerle başlar.

Gözlemlenen fenomeni kırınım olarak adlandırdı. Onun deneysel çalışması, Isaac Newton'un 18. yüzyılda hüküm süren anlayışının aksine, ışığın dalga doğasını önermesine yol açtı.

Newton paradigması, ışığın doğrusal yollarda yüksek hızda hareket eden küçük parçacıklardan oluşan bir ışın gibi davrandığını ortaya koydu.

Robert Hooke (1635-1703), renk ve kırılma üzerine yaptığı çalışmalarda ışığın bir malzeme ortamında neredeyse anında hızla yayılan bir ses dalgası gibi davrandığını belirterek, ışığın dalga doğasını savundu.

Daha sonra Huygens (1629-1695), Hooke'un fikirlerine dayanarak, Traité de la lumière (1690) adlı eserinde ışığın dalga teorisini pekiştirdi ve burada ışıklı cisimler tarafından yayılan ışık dalgalarının yayıldığını varsaydı. eter adı verilen ince ve elastik bir ortamın.

Huygens'in dalga teorisi, yansıma, kırılma ve kırınım fenomenlerini Newton'un cismani teorisinden çok daha iyi açıklar ve daha az yoğun bir ortamdan daha yoğun bir ortama geçerken ışık hızının azaldığını gösterir.

Huygens'in fikirleri o sırada bilim adamları tarafından iki nedenden dolayı kabul edilmedi. Birincisi, eterin tanımını tatmin edici bir şekilde açıklamanın imkansızlığıydı ve ikincisi, Newton'un, bilim adamlarının büyük bir çoğunluğunun cisimci ışık paradigmasını desteklemeye karar vermesini etkileyen mekanik teorisi etrafındaki prestijiydi.

Dalga teorisinin yeniden doğuşu

19. yüzyılın başlarında Tomas Young (1773-1829), ışık girişim deneyinin sonuçlarına dayanarak bilim topluluğunun Huygens'in dalga modelini kabul etmesini sağladı. Deney, farklı renklerin dalga boylarını belirlemeyi mümkün kıldı.

1818'de Fresnell (1788-1827) Huygens'in dalga teorisini girişim ilkesi açısından yeniden ifade etti. Ayrıca, ışığın enine bir dalga olduğunu onaylamasına izin veren ışığın çift kırılması olgusunu da açıkladı.

1808'de Arago (1788-1853) ve Malus (1775-1812) dalga modelinden gelen ışığın polarizasyonu olgusunu açıkladı.

Fizeau'nun (1819-1896) 1849'daki ve Foucalt'ın (1819-1868) 1862'deki deneysel sonuçları, Newton tarafından verilen açıklamayla çelişerek ışığın havada sudan daha hızlı yayıldığını gösterdi.

1872'de Maxwell, elektromanyetizmayı sentezleyen denklemleri belirttiği Elektrik ve Manyetizma Üzerine İnceleme kitabını yayınladı. Denklemlerinden elektromanyetik bir dalganın davranışını analiz etmesine izin veren dalga denklemini elde etti.

Maxwell, elektromanyetik bir dalganın yayılma hızının yayılma ortamıyla ilişkili olduğunu ve ışığın hızıyla çakıştığını buldu ve ışığın elektromanyetik bir dalga olduğu sonucuna vardı.

Son olarak, 1888'de Hertz (1857–1894) elektromanyetik dalgaları üretip tespit etmeyi başardı ve ışığın bir tür elektromanyetik dalga olduğunu doğruladı.

Fiziksel optik neyi inceler?

Fiziksel optik, girişim, kırınım ve polarizasyon gibi ışığın dalga doğasıyla ilgili fenomenleri inceler.

Girişim

Girişim, iki veya daha fazla ışık dalgasının örtüştüğü, uzayın aynı bölgesinde bir arada bulunarak parlak ve karanlık ışık bantları oluşturan olgudur.

Parlak bantlar, daha büyük bir genlik dalgası oluşturmak için birden fazla dalga birleştirildiğinde üretilir. Bu tip müdahaleye yapıcı müdahale denir.

Dalgalar, daha düşük genlikli bir dalga oluşturmak için üst üste geldiğinde, girişim yıkıcı girişim olarak adlandırılır ve koyu ışık bantları üretilir.

Girişim

Renkli bantların dağıtılma şekline girişim deseni denir. Islak yolda sabun kabarcıklarında veya yağ katmanlarında parazit görülebilir.

Kırınım

Kırınım fenomeni, ışık dalgasının bir engele veya açıklığa çarptığında yaşadığı, genliğini ve fazını değiştiren yayılma yönündeki değişikliktir.

Girişim olgusu gibi, kırınım da tutarlı dalgaların üst üste binmesinin sonucudur. İki veya daha fazla ışık dalgası, sabit bir faz ilişkisini koruyarak aynı frekansta salındığında uyumludur.

Engel dalga boyuna göre küçüldükçe, kırınım fenomeni, engele çarptığında ışık dalgası ışınlarının dağılımını belirlemede yansıma ve kırılma fenomeni üzerinde baskın hale gelir. .

Polarizasyon

Polarizasyon, dalganın elektrik alanını içeren düzleme dik tek yönde titreştiği fiziksel bir fenomendir. Dalganın sabit bir yayılma yönü yoksa, dalganın polarize olmadığı söylenir. Üç tür polarizasyon vardır: doğrusal polarizasyon, dairesel polarizasyon ve eliptik polarizasyon.

Dalga, polarizasyon düzleminde düz bir çizgiyi tanımlayan sabit bir çizgiye paralel titreşirse, doğrusal olarak polarize olduğu söylenir.

Dalganın elektrik alan vektörü, düzlemde aynı yayılma yönüne dik bir daireyi tanımladığında, büyüklüğünü sabit tuttuğunda, dalganın dairesel olarak polarize olduğu söylenir.

Dalganın elektrik alan vektörü düzlemde aynı yayılma yönüne dik bir elipsi tanımlıyorsa, dalganın eliptik olarak polarize olduğu söylenir.

Fiziksel Optikte Sık Kullanılan Terimler

Polarize

Diğer yönlere yönelmiş dalgaların geçmesine izin vermeden, ışığın sadece belirli bir yöne yönlendirilmiş bir kısmının içinden geçmesine izin veren bir filtredir.

Dalga cephesi

Bir dalganın tüm bölümlerinin aynı faza sahip olduğu geometrik yüzeydir.

Dalga genliği ve fazı

Genlik, bir dalganın maksimum uzamasıdır. Bir dalganın fazı, bir andaki titreşim durumudur. Aynı titreşim durumuna sahip olduklarında iki dalga fazdadır.

Brewster açısı

Kaynaktan yansıyan ışık dalgasının tamamen polarize olduğu ışığın geliş açısıdır.

Kızılötesi

700 nm'den 1000 μm'ye kadar elektromanyetik radyasyon spektrumunda insan gözüyle görülemeyen ışık.

Işık hızı

Değeri 3 × 10 ⁸ m / s olan vakumda ışık dalgasının yayılma hız sabitidir . Işık hızının değeri, maddi bir ortamda yayıldığında değişir.

Dalgaboyu

Bir tepe ile başka bir tepe arasındaki veya yayılırken bir vadi ile dalganın başka bir vadisi arasındaki mesafenin bir ölçüsü.

morötesi

400 nm'den daha az dalga boyu spektrumuna sahip görünmeyen elektromanyetik radyasyon.

Fiziksel Optik Kanunları

Aşağıda, polarizasyon ve girişim olaylarını tanımlayan bazı fiziksel optik yasalarından bahsedilmiştir.

Fresnell ve Arago Kanunları

1. Doğrusal, tutarlı ve ortogonal polarizasyonlara sahip iki ışık dalgası, bir girişim modeli oluşturmak için birbirini engellemez.
2. Doğrusal, tutarlı ve paralel polarizasyonlara sahip iki ışık dalgası, uzayın bir bölgesine müdahale edebilir.
3. Doğrusal, uyumlu olmayan ve ortogonal polarizasyonlara sahip iki doğal ışık dalgası, bir girişim modeli oluşturmak için birbirini engellemez.

Malus Hukuku

Malus Yasası, bir polarizör tarafından iletilen ışığın yoğunluğunun, polarizörün iletim eksenini oluşturan açının kosinüs karesi ve gelen ışığın polarizasyon ekseniyle doğru orantılı olduğunu belirtir. Diğer bir deyişle:

I = polarizör tarafından iletilen ışığın yoğunluğu

θ = Gelen ışının iletim ekseni ile polarizasyon ekseni arasındaki açı

I ₀ = Gelen ışık yoğunluğu

Malus Hukuku

Brewster Yasası

Bir yüzey tarafından yansıtılan ışık huzmesi, yansıyan ışın ile kırılan ışın arasındaki açı 90 ° 'ye eşit olduğunda, ışığın geliş düzlemine dik yönde tamamen polarize olur.

Brewster Yasası

Uygulamalar

Fiziksel optiğin bazı uygulamaları, sıvı kristaller çalışmasında, optik sistemlerin tasarımında ve optik metrolojide bulunmaktadır.

Sıvı kristaller

Sıvı kristaller, katı hal ile sıvı hal arasında tutulan ve molekülleri, üzerlerine düşen ışığın polarizasyonunu indükleyen bir dipol momentine sahip olan malzemelerdir. Bu özellikten hesap makineleri, monitörler, dizüstü bilgisayarlar ve cep telefonları için ekranlar geliştirilmiştir.

Sıvı kristal ekranlı dijital saat (LCD)

Optik sistem tasarımı

Optik sistemler genellikle günlük yaşamda, bilimde, teknolojide ve sağlık hizmetlerinde kullanılır. Optik sistemler, bilgilerin güneş, LED, tungsten lamba veya lazer gibi ışık kaynaklarından işlenmesine, kaydedilmesine ve iletilmesine izin verir. Optik sistemlerin örnekleri difraktometre ve interferometredir.

Optik metroloji

Işık dalgasına bağlı olarak fiziksel parametrelerin yüksek çözünürlüklü ölçümlerini yapmaktan sorumludur. Bu ölçümler, interferometreler ve kırılma cihazları ile yapılır. Tıp alanında, hastaların yaşamsal belirtilerini sürekli izlemek için metroloji kullanılır.

Fiziksel Optikte Son Araştırmalar

Optomekanik Kerker etkisi (AV Poshakinskiy1 ve AN Poddubny, 15 Ocak 2019)

Poshakinskiy ve Poddubny (1), titreşimli hareketli nanometrik parçacıkların 1983'te Kerker ve diğerleri (2) tarafından önerilene benzer bir optik-mekanik etki gösterebileceğini gösterdi.

Kerker etkisi, küresel manyetik parçacıklar tarafından saçılan güçlü bir ışık yönlülüğü elde etmeyi içeren optik bir fenomendir. Bu yönlülük, parçacıkların elektrik kuvvetleriyle aynı yoğunlukta manyetik tepkilere sahip olmasını gerektirir.

Kerker etkisi, şu anda doğada bulunmayan manyetik ve elektriksel özelliklere sahip malzeme parçacıkları gerektiren teorik bir öneridir.Poshakinskiy ve Poddubny, uzayda titreşen önemli manyetik tepki olmaksızın nanometrik parçacıklar üzerinde aynı etkiyi elde etti.

Yazarlar, parçacık titreşimlerinin uygun şekilde engelleyici manyetik ve elektriksel polarizasyonlar yaratabileceğini gösterdiler, çünkü aynı büyüklükteki manyetik ve elektriksel polarite bileşenleri, ışığın esnek olmayan saçılması düşünüldüğünde parçacıkta indükleniyor.

Yazarlar, optik-mekanik etkinin nanometrik optik cihazlarda, akustik dalgaların uygulanmasıyla titreştirilerek uygulanmasını önermektedir.

Ekstrakorporeal Optik İletişim (DR Dhatchayeny ve YH Chung, Mayıs 2019)

Dhatchayeny ve Chung (3), Android teknolojisine sahip cep telefonlarındaki uygulamalar aracılığıyla insanların yaşamsal işaret bilgilerini iletebilen deneysel bir ekstrakorporeal optik iletişim (OEBC) sistemi önermektedir. Sistem bir dizi sensör ve bir diyot göbeğinden (LED dizisi) oluşur.

Nabız, vücut ısısı ve solunum hızı gibi hayati belirtileri algılamak, işlemek ve iletmek için vücudun çeşitli bölgelerine sensörler yerleştirilir. Veriler, LED dizisi aracılığıyla toplanır ve optik uygulama ile cep telefonu kamerası aracılığıyla iletilir.

LED dizisi, Rayleigh Gans Debye (RGB) saçılım dalga boyu aralığında ışık yayar. Yayılan ışığın her bir renk ve renk kombinasyonu yaşamsal belirtilerle ilişkilidir.

Yazarlar tarafından önerilen sistem, deneysel sonuçlardaki hataların minimum düzeyde olması nedeniyle hayati belirtilerin güvenilir bir şekilde izlenmesini kolaylaştırabilir.

Referanslar

1. Optomekanik Kerker Etkisi. Poshakinskiy, AV and Poddubny, A N. 1, 2019, Physical Review X, Cilt 9, s. 2160-3308.
2. Manyetik küreler tarafından elektromanyetik saçılma. Kerker, M, Wang, DS and Giles, C L.6, 1982, Journal of the Optical Society of America, Cilt 73.
3. İnsan yaşamsal belirtilerinin aktarımı için akıllı telefon kameralarını kullanarak optik ekstra vücut iletişimi. Dhatchayeny, D ve Chung, Y. 15, 2019, Başvuru No. Opt., Cilt 58.
4. Al-Azzawi, A. Fiziksel Optik İlkeleri ve Uygulamaları. Boca Raton, FL: CRC Press Taylor & Francis Group, 2006.
5. Grattan-Guiness, I. Matematiksel Bilimler Tarihi ve Felsefesi Eşlik Ansiklopedisi. New York, ABD: Routledge, 1994, Cilt II.
6. Akhmanov, SA ve Nikitin, S Yu. Fiziksel Optik. New York: Oxford University Press, 2002.
7. Lipson, A, Lipson, SG ve Lipson, H. Physical Optics. Cambridge, İngiltere: Cambridge University Press, 2011.
8. Mickelson, A R. Fiziksel Optik. New York: Springer Science + Business Media, 1992.
9. Jenkins, FA ve White, H E. Optiğin Temelleri. NY: McGraw Hill Yüksek Öğrenimi, 2001.