פיזיקה אופטית: היסטוריה, מונחים תכופים, חוקים, יישומים - גוּפָנִי - 2025

אופטיקה הגופנית היא חלק האופטי לימוד טבע הגל של אור ואת התופעות הפיסיקליות כי הבין רק ממודל הגל. הוא גם חוקר תופעות של הפרעות, קיטוב, דיפרקציה ותופעות אחרות שלא ניתן להסביר מאופטיקה גיאומטרית.

מודל הגל מגדיר אור כגל אלקטרומגנטי ששדותיו החשמליים והמגנטיים מתנדנדים בניצב זה לזה.

גל אלקטרומגנטי

השדה החשמלי (E) של גל האור מתנהג בצורה דומה לשדה המגנטי שלו (B), אך השדה החשמלי שולט על פני השדה המגנטי בגלל מערכת היחסים של מקסוול (1831-1879), שמבסס את הדברים הבאים:

איפה c = מהירות התפשטות הגל.

אופטיקה גופנית אינה מסבירה את קליטת הקליטה והפליטה של ​​האטומים. מצד שני, אופטיקה קוונטית אכן עוסקת בחקר התופעות הגופניות הללו.

הִיסטוֹרִיָה

ההיסטוריה של האופטיקה הפיזית מתחילה בניסויים שערך גרימאלדי (1613-1663), שצפה כי הצל שהטיל חפץ מואר נראה רחב יותר והוקף בפסים צבעוניים.

הוא כינה את התופעה שנצפתה דיפרקציה. עבודתו הניסיונית הביאה אותו להציע את טבעו האור של האור, בניגוד לתפיסתו של אייזק ניוטון ששררה במהלך המאה ה -18.

הפרדיגמה הניוטונית קבעה כי אור התנהג כמו קרן של גופות קטנות שנסעו במהירות גבוהה בשבילים ישרים.

רוברט הוק (1635-1703) הגן על טבעו של האור, במחקריו על צבע ושבירה, וקבע כי האור התנהג כמו גל קול המתפשט במהירות כמעט מיידית דרך מדיום חומרי.

מאוחר יותר הויגנס (1629–1695), בהתבסס על רעיונותיו של הוק, איחד את תורת הגלים של האור ב- Traité de la lumière (1690) בו הוא מניח שגלי האור שנפלטו על ידי גופים זוהרים מתפשטים דרך של מדיום עדין ואלסטי הנקרא אתר.

תורת הגלים של הויגנס מסבירה את תופעות ההשתקפות, השבירה והדיפרקציה הרבה יותר טוב מהתיאוריה הגופנית של ניוטון, ומראה כי מהירות האור פוחתת כאשר עוברים ממדיום פחות צפוף לתחושת צפופה יותר.

רעיונותיו של הויגנס לא התקבלו על ידי המדענים באותה עת משתי סיבות. הראשון היה חוסר היכולת להסביר את הגדרת האתר באופן משביע רצון, והשני היה יוקרתו של ניוטון סביב תורת המכניקה שלו שהשפיעה על רוב עצום של מדענים להחליט לתמוך בפרדיגמת האור הגופנית.

לידה מחדש של תורת הגלים

בראשית המאה ה -19 הצליח תומס יאנג (1773-1829) לגרום לקהילה המדעית לקבל את מודל הגל של הויגנס בהתבסס על תוצאות ניסוי הפרעות האור שלו. הניסוי אפשר לקבוע את אורכי הגל של הצבעים השונים.

בשנת 1818 שיחה פרזנל (1788–1827) את תורת הגלים של הויגנס במונחים של עקרון ההפרעה. הוא גם הסביר את תופעת ההפרעה של האור, שאיפשרה לו לאשר שהאור הוא גל רוחבי.

בשנת 1808 הסבירו אראגו (1788–1853) ומאלוס (1775-1812) את תופעת הקיטוב של האור ממודל הגל.

תוצאות הניסוי של פיזו (1819-1896) בשנת 1849 ו- Foucalt (1819-1868) בשנת 1862 אפשרו לוודא כי האור מתפשט מהר יותר באוויר מאשר במים, תוך סתירה להסבר שנתן ניוטון.

בשנת 1872 פרסם מקסוול את המסה שלו על חשמל ומגנטיות, ובו הצהיר את המשוואות המסנתזות אלקטרומגנטיות. מהמשוואות שלו הוא השיג את משוואת הגלים שאפשרה לו לנתח את התנהגותו של גל אלקטרומגנטי.

מקסוול מצא כי מהירות ההתפשטות של גל אלקטרומגנטי קשורה למדיום ההתפשטות ועולה בקנה אחד עם מהירות האור, והגיעה למסקנה כי האור הוא גל אלקטרומגנטי.

לבסוף, הרץ (1857–1894) בשנת 1888 הצליח לייצר ולגלות גלים אלקטרומגנטיים ולאשר כי האור הוא סוג של גל אלקטרומגנטי.

מה לומד אופטיקה גופנית?

אופטיקה פיזיקלית חוקרת את התופעות הקשורות לטבע הגל של האור, כמו הפרעות, דיפרקציה וקיטוב.

הַפרָעָה

הפרעה היא התופעה שבאמצעותה חופפים שני גלי אור או יותר, המתקיימים זה בזה באותו אזור בחלל ויוצרים להקות של אור בהיר וכהה.

להקות בהירות מיוצרות כאשר גלים מרובים מתווספים זה לזה לייצר גל משרעת גדול יותר. הפרעה מסוג זה נקראת הפרעה בונה.

כאשר גלים חופפים לייצור גל אמפליטודה נמוך יותר, ההפרעה נקראת הפרעה הרסנית ונוצרים להקות של אור כהה.

הַפרָעָה

אופן ההפצה של הרצועות הצבעוניות נקרא דפוס ההפרעות. ניתן לראות הפרעות בבועות סבון או בשכבות שמן בדרך רטובה.

הִשׁתַבְּרוּת

תופעת הדיפרקציה היא השינוי בכיוון ההתפשטות שגל האור חווה כשהוא פוגע במכשול או בפתיחה, ומשנה את משרעתו ואת שלבו.

בדומה לתופעה של הפרעה, גם דיפרקציה היא תוצאה של superposition של גלים קוהרנטיים. שני גלי אור או יותר קוהרנטיים כאשר הם מתנדנדים באותה תדר ושומרים על קשר שלב קבוע.

ככל שהמכשול הולך וקטן יותר לעומת אורך הגל, תופעת העקירה שולטת על תופעת ההשתקפות והשבירה בקביעת התפלגות קרני גלי האור ברגע שהיא פוגעת במכשול. .

קיטוב

קיטוב הוא התופעה הפיזית שבאמצעותה הרטט הגל בכיוון אחד בניצב למישור המכיל את השדה החשמלי. אם לגל אין כיוון קבוע להתפשטות, נאמר שהגל אינו מקוטב. ישנם שלושה סוגים של קיטוב: קיטוב ליניארי, קיטוב מעגלי וקיטוב אליפטי.

אם הגל רוטט במקביל לקו קבוע המתאר קו ישר במישור הקיטוב, אומרים שהוא מקוטב באופן לינארי.

כאשר וקטור השדה החשמלי של הגל מתאר מעגל במישור הניצב לאותו כיוון התפשטות, ושומר על גודלו קבוע, אומרים שהגל מקוטב מעגלי.

אם וקטור השדה החשמלי של הגל מתאר אליפסה במישור הניצב לאותו כיוון התפשטות, נאמר שהגל מקוטב אליפטי.

תנאים תכופים באופטיקה גופנית

מקטב

זהו פילטר שמאפשר רק לחלק מהאור המכוון לכיוון ספציפי יחיד לעבור דרכו מבלי לאפשר לגלים שאותם מכוונים לכיוונים אחרים לעבור.

חזית הגל

זהו המשטח הגיאומטרי בו כל חלקי הגל הם באותו שלב.

משרעת גל ושלב

משרעת היא התארכות מירבית של גל. שלב הגל הוא מצב הרטט ברגע של זמן. שני גלים נמצאים בשלב בו יש להם אותו מצב של רטט.

זווית ברוסטר

זוהי זווית השכיחות של האור שבאמצעותה מקוטב גל האור המוחזר מהמקור.

אינפרא אדום

אור שאינו נראה לעין האנושית בספקטרום הקרינה האלקטרומגנטית בין 700 ננומטר ל -1000 מיקרומטר.

מהירות האור

זהו קבוע התפשטות מהירות של גל האור בוואקום שערכו 3 × 10 ⁸ מ '/ ש'. ערך מהירות האור משתנה כאשר הוא מתפשט במדיום חומרי.

אֹרֶך גַל

מדד למרחק בין פסגה לסמל אחר או בין עמק לעמק גל אחר שהוא מתפשט.

אוּלְטרָה סָגוֹל

קרינה אלקטרומגנטית שאינה נראית לעין עם ספקטרום של אורכי גל פחות מ- 400 ננומטר.

חוקי אופטיקה גופנית

להלן מוזכרים כמה חוקים של אופטיקה פיזית המתארים את תופעות הקיטוב וההפרעה

חוקי פרסל ואראגו

1. שני גלי אור עם קיטוב לינארי, קוהרנטי ואורתוגונאלי אינם מפריעים זה לזה ליצירת דפוס הפרעה.
2. שני גלי אור עם קיטוב לינארי, קוהרנטי ומקביל יכולים להפריע באזור המרחב.
3. שני גלים של אור טבעי עם קיטוב לינארי, לא קוהרנטי ואורטוגונלי אינם מפריעים זה לזה ליצירת דפוס הפרעה.

חוק המלוס

החוק של מלוס קובע כי עוצמת האור המועברת על ידי מקטב היא ביחס ישיר לריבוע הקוסינוס של הזווית היוצרת את ציר ההולכה של המקטב וציר הקיטוב של האור המתרחש. במילים אחרות:

I = עוצמת האור המועברת על ידי המקטב

θ = זווית בין ציר ההולכה וציר הקיטוב של קרן האירוע

I ₀ = עוצמת אור מקרית

חוק המלוס

חוק ברוסטר

קרן האור המשתקפת על ידי משטח מקוטבת לחלוטין, בכיוון הרגיל למישור ההיארעות של האור, כאשר הזווית בין הקורה המוחזרת לקורה השבורה שווה ל 90 °.

חוק ברוסטר

יישומים

חלק מהיישומים של האופטיקה הפיזית הם בחקר גבישים נוזליים, בעיצוב מערכות אופטיות ובמטולוגיה אופטית.

גבישים נוזליים

גבישים נוזליים הם חומרים שנשמרים בין המצב המוצק למצב הנוזלי, שלמולקולות שלהם יש רגע דיפול המשרה קיטוב של האור הנופל עליהם. מנכס זה פותחו מסכי מחשבונים, צגים, מחשבים ניידים וטלפונים סלולריים.

שעון דיגיטלי עם צג גביש נוזלי (LCD)

תכנון מערכות אופטיות

מערכות אופטיות משמשות לרוב בחיי היומיום, במדע, בטכנולוגיה ובבריאות. מערכות אופטיות מאפשרות לעבד, להקליט ולהעביר מידע ממקורות אור כמו שמש, לד, מנורת טונגסטן או לייזר. דוגמאות למערכות אופטיות הן הדיפרקטומטר והאינטרפרומטר.

מטרולוגיה אופטית

הוא אחראי על ביצוע מדידות ברזולוציה גבוהה של פרמטרים פיזיים על בסיס גל האור. מדידות אלה נעשות באמצעות אינטרפרומטרים ומכשירי שבירה. בתחום הרפואי משתמשים במטרולוגיה לניטור מתמיד של הסימנים החיוניים של החולים.

מחקר אחרון באופטיקה גופנית

אפקט קרקר אופטי-מכאני (AV Poshakinskiy1 ו- AN Poddubny, 15 בינואר, 2019)

פושקינסקי ופודדובני (1) הראו כי חלקיקים ננומטריים בעלי תנועה רטטית יכולים לבטא השפעה אופטית-מכנית הדומה לזו שהציעה Kerker et al (2) בשנת 1983.

אפקט קרקר הוא תופעה אופטית המורכבת בהשגת כיוון חזק של אור המפוזר על ידי חלקיקים מגנטיים כדוריים. כיוון זה דורש שלחלקיקים יהיו תגובות מגנטיות בעוצמה זהה לכוחות החשמליים.

אפקט קרקר הוא הצעה תיאורטית הדורשת חלקיקי חומר בעלי מאפיינים מגנטיים וחשמליים שאינם קיימים כיום בטבע. פושקינסקי ופודדובני השיגו אותה השפעה על חלקיקים ננומטריים, ללא תגובה מגנטית משמעותית, הרוטטים בחלל.

המחברים הראו כי תנודות החלקיקים יכולים ליצור הפרעות קיטוב מגנטיות וחשמליות כראוי, מכיוון שמרכיבי קוטביות מגנטיים וחשמליים בסדר גודל זהה הם המושרים בחלקיק כאשר נלקחים בחשבון פיזור אור בלתי-אלסטי.

המחברים מציעים ליישם את האפקט האופטי-מכני במכשירים אופטיים ננומטריים על ידי גרימתם לרטוט על ידי יישום גלים אקוסטיים.

תקשורת אופטית חוץ-תאגידית (DR Dhatchayeny ו- YH Chung, מאי 2019)

Dhatchayeny and Chung (3) מציעים מערכת תקשורת אופטית ניסיונית חוץ-תאגידית (OEBC) שיכולה להעביר מידע על סימנים חיוניים של אנשים באמצעות יישומים בטלפונים ניידים עם טכנולוגיית אנדרואיד. המערכת מורכבת ממערכת חיישנים ומרכז דיודה (מערך LED).

חיישנים ממוקמים על חלקים שונים בגוף כדי לאתר, לעבד ולהעביר סימנים חיוניים כמו דופק, חום הגוף וקצב הנשימה. הנתונים נאספים דרך מערך ה- LED ומועברים דרך מצלמת הטלפון הנייד באמצעות האפליקציה האופטית.

מערך LED פולט אור בטווח אורך הגל המפוזר של ריילי גנס דביי (RGB). כל שילובי צבעים וצבעים של האור הנפלט קשורים לסימנים חיוניים.

המערכת המוצעת על ידי הכותבים יכולה להקל על המעקב אחר סימנים חיוניים בצורה אמינה, מכיוון שהטעויות בתוצאות הניסוי היו מזעריות.

הפניות

1. אפקט קרקר אופטי. Poshakinskiy, AV ו- Poddubny, A N. 1, 2019, Physical Review X, Vol. 9, pp. 2160-3308.
2. פיזור אלקטרומגנטי באמצעות כדורים מגנטיים. קרקר, M, Wang, DS ו- Giles, C L. 6, 1982, Journal of the Optical Society of America, כרך 73.
3. תקשורת אופטית חוץ-גוף באמצעות מצלמות סמארטפון להעברת סימנים חיוניים אנושיים. דהצ'ייני, ד וצ'ונג, י '15, 2019, Appl. Opt., כרך 58.
4. אל-עזאווי, א. עקרונות ומנהלים אופטיים פיזיים. בוקה רטון, פלורידה: קבוצת CRC Press Taylor & Francis, 2006.
5. Grattan-Guiness, I. Compagnion Encyclopedia of the History and Philosophy of the Mathematical Sciences. ניו יורק, ארה"ב: Routledge, 1994, כרך ב '.
6. אחמנוב, ס.א. ו ניקיטין, ס יו. אופטיקה גופנית. ניו יורק: אוניברסיטת אוקספורד, 2002.
7. ליפסון, א, ליפסון, SG וליפסון, ח. אופטיקה גופנית. קיימברידג ', בריטניה: הוצאת אוניברסיטת קיימברידג', 2011.
8. מיקלסון, ר 'אופטיקה גופנית. ניו יורק: שפרינגר מדע + מדיה עסקית, 1992.
9. ג'נקינס, FA ו- White, H E. יסודות האופטיקה. ניו יורק: McGraw Hill Higher Education, 2001.