OPTISCHE PHYSIK: GESCHICHTE, HÄUFIGE BEGRIFFE, GESETZE, ANWENDUNGEN - KÖRPERLICH - 2024

Die physikalische Optik ist Teil der optischen Untersuchung der Wellennatur des Lichts und der physikalischen Phänomene, die nur aus dem Wellenmodell verstanden wurden. Es werden auch die Phänomene Interferenz, Polarisation, Beugung und andere Phänomene untersucht, die mit der geometrischen Optik nicht erklärt werden können.

Das Wellenmodell definiert Licht als eine elektromagnetische Welle, deren elektrische und magnetische Felder senkrecht zueinander schwingen.

Elektromagnetische Welle

Das elektrische Feld (E) der Lichtwelle verhält sich ähnlich wie das Magnetfeld (B), aber das elektrische Feld überwiegt aufgrund der Maxwellschen Beziehung (1831–1879) gegenüber dem Magnetfeld, wodurch Folgendes festgestellt wird:

Wobei c = Ausbreitungsgeschwindigkeit der Welle.

Die physikalische Optik erklärt nicht das Absorptions- und Emissionsspektrum von Atomen. Andererseits befasst sich die Quantenoptik mit der Untersuchung dieser physikalischen Phänomene.

Geschichte

Die Geschichte der physikalischen Optik beginnt mit den Experimenten von Grimaldi (1613-1663), der beobachtete, dass der Schatten eines beleuchteten Objekts breiter erschien und von farbigen Streifen umgeben war.

Er nannte das beobachtete Phänomen Beugung. Seine experimentelle Arbeit veranlasste ihn, die Wellennatur des Lichts vorzuschlagen, im Gegensatz zu Isaac Newtons Konzeption, die im 18. Jahrhundert vorherrschte.

Das Newtonsche Paradigma stellte fest, dass sich Licht wie ein Strahl kleiner Körperchen verhält, die sich auf geradlinigen Wegen mit hoher Geschwindigkeit fortbewegen.

Robert Hooke (1635-1703) verteidigte in seinen Studien über Farbe und Brechung die Wellennatur des Lichts und stellte fest, dass sich Licht wie eine Schallwelle verhält, die sich fast augenblicklich schnell durch ein materielles Medium ausbreitet.

Später konsolidierte Huygens (1629–1695), basierend auf Hookes Ideen, die Wellentheorie des Lichts in seiner Traité de la Lumière (1690), in der er annimmt, dass sich die von Leuchtkörpern emittierten Lichtwellen ausbreiten eines subtilen und elastischen Mediums namens Äther.

Huygens 'Wellentheorie erklärt die Phänomene Reflexion, Brechung und Beugung viel besser als Newtons Korpuskulartheorie und zeigt, dass die Lichtgeschwindigkeit beim Übergang von einem weniger dichten Medium zu einem dichteren abnimmt.

Huygens 'Ideen wurden damals von Wissenschaftlern aus zwei Gründen nicht akzeptiert. Das erste war die Unmöglichkeit, die Definition des Äthers zufriedenstellend zu erklären, und das zweite war das Prestige Newtons in Bezug auf seine Theorie der Mechanik, das eine große Mehrheit der Wissenschaftler dazu veranlasste, sich für das korpuskuläre Paradigma des Lichts zu entscheiden.

Wiedergeburt der Wellentheorie

Im frühen 19. Jahrhundert gelang es Tomas Young (1773–1829), die wissenschaftliche Gemeinschaft dazu zu bringen, das Wellenmodell von Huygens auf der Grundlage der Ergebnisse seines Lichtinterferenzexperiments zu akzeptieren. Das Experiment ermöglichte es, die Wellenlängen der verschiedenen Farben zu bestimmen.

1818 wiederholte Fresnell (1788–1827) Huygens 'Wellentheorie in Bezug auf das Interferenzprinzip. Er erklärte auch das Phänomen der Doppelbrechung von Licht, das es ihm ermöglichte, zu bestätigen, dass Licht eine Transversalwelle ist.

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

Die experimentellen Ergebnisse von Fizeau (1819-1896) im Jahr 1849 und Foucalt (1819-1868) im Jahr 1862 zeigten, dass sich Licht in Luft schneller ausbreitet als in Wasser, was der Erklärung von Newton widerspricht.

1872 veröffentlichte Maxwell seine Abhandlung über Elektrizität und Magnetismus, in der er die Gleichungen darlegte, die den Elektromagnetismus synthetisieren. Aus seinen Gleichungen erhielt er die Wellengleichung, mit der er das Verhalten einer elektromagnetischen Welle analysieren konnte.

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

Schließlich gelingt es Hertz (1857–1894) 1888, elektromagnetische Wellen zu erzeugen und zu erfassen, und er bestätigt, dass Licht eine Art elektromagnetische Welle ist.

Was studiert die physikalische Optik?

Die physikalische Optik untersucht die Phänomene, die mit der Wellennatur des Lichts zusammenhängen, wie Interferenz, Beugung und Polarisation.

Interferenz

Interferenz ist das Phänomen, bei dem sich zwei oder mehr Lichtwellen überlappen, die im selben Raumbereich koexistieren und helle und dunkle Lichtbänder bilden.

Helle Bänder werden erzeugt, wenn mehrere Wellen addiert werden, um eine Welle mit größerer Amplitude zu erzeugen. Diese Art der Interferenz wird als konstruktive Interferenz bezeichnet.

Wenn sich Wellen überlappen, um eine Welle mit niedrigerer Amplitude zu erzeugen, wird die Interferenz als destruktive Interferenz bezeichnet, und es entstehen dunkle Lichtbänder.

Interferenz

Die Art und Weise, wie die farbigen Bänder verteilt sind, wird als Interferenzmuster bezeichnet. Störungen können in Seifenblasen oder Ölschichten auf nasser Straße auftreten.

Beugung

Das Phänomen der Beugung ist die Änderung der Ausbreitungsrichtung, die die Lichtwelle erfährt, wenn sie auf ein Hindernis oder eine Öffnung trifft und deren Amplitude und Phase ändert.

Beugung ist wie das Phänomen der Interferenz das Ergebnis der Überlagerung kohärenter Wellen. Zwei oder mehr Lichtwellen sind kohärent, wenn sie mit derselben Frequenz schwingen und eine konstante Phasenbeziehung aufrechterhalten.

Wenn das Hindernis im Vergleich zur Wellenlänge immer kleiner wird, überwiegt das Beugungsphänomen gegenüber dem Reflexions- und Brechungsphänomen bei der Bestimmung der Verteilung der Lichtwellenstrahlen, sobald es auf das Hindernis trifft. .

Polarisation

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

Wenn die Welle parallel zu einer festen Linie schwingt, die eine gerade Linie in der Polarisationsebene beschreibt, spricht man von einer linearen Polarisation.

Wenn der elektrische Feldvektor der Welle einen Kreis in der Ebene senkrecht zur gleichen Ausbreitungsrichtung beschreibt und seine Größe konstant hält, spricht man von einer zirkular polarisierten Welle.

Wenn der elektrische Feldvektor der Welle eine Ellipse in der Ebene senkrecht zur gleichen Ausbreitungsrichtung beschreibt, spricht man von einer elliptisch polarisierten Welle.

Häufige Begriffe in der physikalischen Optik

Polarisieren

Es ist ein Filter, der nur einen Teil des Lichts, das in einer bestimmten Richtung ausgerichtet ist, durchlässt, ohne dass die Wellen, die in andere Richtungen ausgerichtet sind, durchgelassen werden.

Wellenfront

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

Wellenamplitude und Phase

Die Amplitude ist die maximale Dehnung einer Welle. Die Phase einer Welle ist der Schwingungszustand zu einem bestimmten Zeitpunkt. Zwei Wellen sind in Phase, wenn sie den gleichen Schwingungszustand haben.

Brewster Winkel

Dies ist der Einfallswinkel des Lichts, um den die von der Quelle reflektierte Lichtwelle vollständig polarisiert ist.

Infrarot

Für das menschliche Auge im elektromagnetischen Strahlungsspektrum von 700 nm bis 1000 μm nicht sichtbares Licht.

Lichtgeschwindigkeit

Es ist eine Geschwindigkeitskonstante der Ausbreitung der Lichtwelle im Vakuum, deren Wert 3 × 10 ⁸ m / s beträgt. Der Wert der Lichtgeschwindigkeit variiert, wenn sie sich in einem materiellen Medium ausbreitet.

Wellenlänge

Ein Maß für den Abstand zwischen einem Kamm und einem anderen Kamm oder zwischen einem Tal und einem anderen Tal der Welle, während sie sich ausbreitet.

Ultraviolett

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

Gesetze der physikalischen Optik

Im Folgenden werden einige Gesetze der physikalischen Optik erwähnt, die die Phänomene der Polarisation und Interferenz beschreiben

Fresnell- und Arago-Gesetze

1. Zwei Lichtwellen mit linearen, kohärenten und orthogonalen Polarisationen interferieren nicht miteinander und bilden ein Interferenzmuster.
2. Zwei Lichtwellen mit linearen, kohärenten und parallelen Polarisationen können in einem Raumbereich interferieren.
3. Zwei Wellen natürlichen Lichts mit linearen, nicht kohärenten und orthogonalen Polarisationen interferieren nicht miteinander und bilden ein Interferenzmuster.

Malus-Gesetz

Das Malus'sche Gesetz besagt, dass die Intensität des von einem Polarisator durchgelassenen Lichts direkt proportional zum Quadrat des Kosinus des Winkels ist, der die Transmissionsachse des Polarisators und die Polarisationsachse des einfallenden Lichts bildet. Mit anderen Worten:

I = Intensität des vom Polarisator durchgelassenen Lichts

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

I ₀ = einfallende Lichtintensität

Malus-Gesetz

Brewster-Gesetz

Der von einer Oberfläche reflektierte Lichtstrahl ist in der Richtung senkrecht zur Einfallsebene des Lichts vollständig polarisiert, wenn der Winkel, den der reflektierte Strahl mit dem gebrochenen Strahl bildet, 90 ° beträgt.

Brewster-Gesetz

Anwendungen

Einige der Anwendungen der physikalischen Optik liegen in der Untersuchung von Flüssigkristallen, im Design optischer Systeme und in der optischen Messtechnik.

Flüssigkristalle

Flüssigkristalle sind Materialien, die zwischen dem festen und dem flüssigen Zustand gehalten werden und deren Moleküle ein Dipolmoment aufweisen, das eine Polarisation des auf sie fallenden Lichts induziert. Aus dieser Eigenschaft heraus wurden Bildschirme für Taschenrechner, Monitore, Laptops und Mobiltelefone entwickelt.

Digitaluhr mit Flüssigkristallanzeige (LCD)

Design optischer Systeme

Optische Systeme werden häufig im Alltag, in der Wissenschaft, in der Technologie und im Gesundheitswesen eingesetzt. Optische Systeme ermöglichen die Verarbeitung, Aufzeichnung und Übertragung von Informationen von Lichtquellen wie Sonne, LED, Wolframlampe oder Laser. Beispiele für optische Systeme sind das Diffraktometer und das Interferometer.

Optische Messtechnik

Es ist verantwortlich für die Durchführung hochauflösender Messungen physikalischer Parameter basierend auf der Lichtwelle. Diese Messungen werden mit Interferometern und Brechungsinstrumenten durchgeführt. Im medizinischen Bereich wird die Metrologie verwendet, um die Vitalfunktionen von Patienten ständig zu überwachen.

Neueste Forschungen in der physikalischen Optik

Optomechanischer Kerker-Effekt (AV Poshakinskiy1 und AN Poddubny, 15. Januar 2019)

Poshakinskiy und Poddubny (1) zeigten, dass nanometrische Partikel mit Vibrationsbewegung einen optisch-mechanischen Effekt zeigen können, der dem von Kerker et al. (2) 1983 vorgeschlagenen ähnelt.

Der Kerker-Effekt ist ein optisches Phänomen, das darin besteht, eine starke Richtwirkung des von sphärischen Magnetpartikeln gestreuten Lichts zu erhalten. Diese Richtwirkung erfordert, dass die Partikel magnetische Reaktionen mit der gleichen Intensität wie die elektrischen Kräfte haben.

Der Kerker-Effekt ist ein theoretischer Vorschlag, der Materialpartikel mit magnetischen und elektrischen Eigenschaften erfordert, die derzeit in der Natur nicht existieren. Poshakinskiy und Poddubny erzielten den gleichen Effekt auf nanometrische Partikel ohne signifikante magnetische Reaktion, die im Raum schwingen.

Die Autoren zeigten, dass Partikelschwingungen entsprechend störende magnetische und elektrische Polarisationen erzeugen können, da magnetische und elektrische Polaritätskomponenten gleicher Größenordnung im Partikel induziert werden, wenn unelastische Lichtstreuung berücksichtigt wird.

Die Autoren schlagen die Anwendung des optisch-mechanischen Effekts in nanometrischen optischen Geräten vor, indem sie durch Anwendung von Schallwellen zum Schwingen gebracht werden.

Extrakorporale optische Kommunikation (DR Dhatchayeny und YH Chung, Mai 2019)

Dhatchayeny und Chung (3) schlagen ein experimentelles extrakorporales optisches Kommunikationssystem (OEBC) vor, das Vitalzeicheninformationen von Menschen über Anwendungen auf Mobiltelefonen mit Android-Technologie übertragen kann. Das System besteht aus einer Reihe von Sensoren und einem Dioden-Hub (LED-Array).

Sensoren werden an verschiedenen Körperteilen angebracht, um Vitalfunktionen wie Puls, Körpertemperatur und Atemfrequenz zu erfassen, zu verarbeiten und zu kommunizieren. Die Daten werden über das LED-Array gesammelt und mit der optischen App über die Handykamera übertragen.

Das LED-Array emittiert Licht im Rayleigh Gans Debye (RGB) -Streuungswellenlängenbereich. Jede Farbe und Farbkombination des emittierten Lichts hängt mit den Vitalfunktionen zusammen.

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

Verweise

1. Optomechanischer Kerker-Effekt. Poshakinskiy, AV und Poddubny, A N. 1, 2019, Physical Review X, Vol. 9, pp. 2160-3308.
2. Elektromagnetische Streuung durch Magnetkugeln. Kerker, M., Wang, DS und Giles, C. L. 6, 1982, Journal of the Optical Society of America, Bd. 73.
3. Optische Extra-Body-Kommunikation mit Smartphone-Kameras zur Übertragung menschlicher Vitalfunktionen. Dhatchayeny, D und Chung, Y. 15, 2019, Appl. Opt., Vol. 58.
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