Physikalische Optik: Geschichte, häufige Begriffe, Gesetze, Anwendungen

Physikalische Optik ist der Teil der Optik, der die Wellennatur von Licht und physikalischen Phänomenen untersucht, die nur aus dem Wellenmodell verstanden werden. Es werden auch die Phänomene Interferenz, Polarisation, Beugung und andere Phänomene untersucht, die sich aus geometrischer Sicht nicht erklären lassen.

Das Wellenmodell definiert Licht als elektromagnetische Welle, deren elektrisches und magnetisches Feld senkrecht zueinander schwingen.

Das elektrische Feld ( E ) der Lichtwelle verhält sich ähnlich wie das Magnetfeld ( B ), aber das elektrische Feld überwiegt gegenüber dem Magnetfeld durch die Maxwell-Beziehung (1831-1879), die folgendes besagt:

E = cB

Dabei ist c die Ausbreitungsgeschwindigkeit der Welle.

Die physikalische Optik erklärt nicht das Absorptions- und Emissionsspektrum von Atomen. Im Gegensatz dazu 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 feststellte, dass der von einem beleuchteten Objekt projizierte Schatten breiter und von Farbstreifen umgeben war.

Das beobachtete Phänomen heißt Beugung. Seine experimentelle Arbeit führte ihn dazu, die Wellennatur des Lichts im Gegensatz zur Vorstellung von Isaac Newton, die im 18. Jahrhundert vorherrschte, anzuheben.

Das Newtonsche Paradigma stellte fest, dass sich das Licht wie ein Strahl kleiner Teilchen verhält, die sich in geraden Bahnen mit hoher Geschwindigkeit bewegen.

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

Später konsolidierte Huygens (1629-1695), basierend auf den Ideen von Hooke, die Wellentheorie des Lichts in seiner Traité de la lumière (1690), in der er annimmt, dass sich von Leuchtkörpern emittierte Lichtwellen ausbreiten von einem subtilen und elastischen Medium namens Äther .

Die Wellentheorie von Huygens erklärt die Phänomene von Reflexion, Brechung und Beugung viel besser als die Korpuskulartheorie von Newton und zeigt, dass die Lichtgeschwindigkeit abnimmt, wenn von einem weniger dichten zu einem dichteren Medium übergegangen wird.

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

Renaissance der Wellentheorie

Zu Beginn des 19. Jahrhunderts gelang es Tomás Young (1773-1829), die Wissenschaft dazu zu bringen, das Wellenmodell von Huygens aus den Ergebnissen seines Experiments zur Interferenz des Lichts zu akzeptieren. Das Experiment erlaubte es, die Wellenlängen der verschiedenen Farben zu bestimmen.

1818 überarbeitete Fresnell (1788-1827) die Wellentheorie von Huygens hinsichtlich des Interferenzprinzips. Er erklärte auch das Phänomen der Doppelbrechung des Lichts, das es ihm ermöglichte, zu behaupten, 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 ermöglichten den Nachweis, dass sich Licht in der Luft schneller ausbreitet als im Wasser, was der Erklärung von Newton widerspricht.

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

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

Schließlich schafft es Hertz (1857-1894) 1888, elektromagnetische Wellen zu erzeugen und zu erfassen, und bestätigt, dass Licht eine Art elektromagnetischer Welle ist.

Was studiert die physikalische Optik?

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

Interferenz

Interferenz ist das Phänomen, bei dem zwei oder mehr Lichtwellen im selben Raumbereich überlagert sind und Streifen aus hellem und dunklem Licht bilden.

Helle Bänder treten auf, wenn mehrere Wellen hinzugefügt werden, um eine Welle mit größerer Amplitude zu erzeugen. Diese Art der Störung wird konstruktive Störung genannt.

Wenn die Wellen überlagert werden, um eine Welle mit geringerer Amplitude zu erzeugen, wird die Interferenz als destruktive Interferenz bezeichnet, und dunkles Licht wird erzeugt.

Die Verteilung der Farbbänder wird als Interferenzmuster bezeichnet. Die Störung kann in den Seifenblasen oder in den Ölschichten einer nassen Straße beobachtet werden.

Beugung

Das Beugungsphänomen ist die Änderung der Ausbreitungsrichtung, die die Lichtwelle erfährt, wenn sie auf ein Hindernis oder eine Öffnung trifft, wobei sich ihre Amplitude und ihre Phase ändern.

Beugung ist wie das Interferenzphänomen das Ergebnis der Überlagerung kohärenter Wellen. Zwei oder mehr Lichtwellen sind kohärent, wenn sie mit der gleichen 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 Strahlen der Lichtwelle, sobald sie auf das Hindernis auftrifft .

Polarisation

Die Polarisation ist das physikalische Phänomen, durch das die Welle in einer Richtung senkrecht zur 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 von 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 zirkularen Polarisation der Welle.

Beschreibt der elektrische Feldvektor der Welle eine Ellipse in der Ebene senkrecht zur gleichen Ausbreitungsrichtung, so spricht man von einer elliptischen Polarisation der Welle.

Häufige Begriffe in der physikalischen Optik

Polarisator

Es ist ein Filter, durch den nur ein Teil des Lichts, das in einer bestimmten Richtung ausgerichtet ist, hindurchtreten kann, ohne die Wellen loszulassen, die in andere Richtungen ausgerichtet sind.

Wellenfront

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

Amplitude und Phase der Welle

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

Brewster Winkel

Es ist der Einfallswinkel des Lichts, mit dem die von der Quelle reflektierte Lichtwelle vollständig polarisiert wird.

Infrarot

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

Lichtgeschwindigkeit

Dies ist eine Konstante der Ausbreitungsgeschwindigkeit der Lichtwelle im Vakuum, deren Wert 3 × 108 m / s beträgt. Der Wert der Lichtgeschwindigkeit variiert, wenn sie sich in einem materiellen Medium ausbreitet.

Wellenlänge

Messung der Entfernung zwischen einem Grat und einem anderen Grat oder zwischen einem Tal und einem anderen Tal der Welle, um sich auszubreiten.

Ultraviolett

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

Gesetze der physikalischen Optik

Hier sind einige Gesetze der physikalischen Optik, die die Phänomene der Polarisation und Interferenz beschreiben

Gesetze von Fresnell und Arago

1. Zwei Lichtwellen mit linearen, kohärenten und orthogonalen Polarisationen interferieren nicht miteinander und bilden ein Interferenzmuster.

2. Zwei Lichtwellen mit linearen Polarisationen, kohärent und parallel, können in einem Raumbereich interferieren.

3. Zwei Wellen natürlichen Lichts mit linearen, nicht kohärenten und orthogonalen Polarisationen interferieren nicht miteinander und bilden ein Interferenzmuster.

Gesetz des Malus

Das Malus-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 = I ₀ cos2θ

I = Intensität des vom Polarisator durchgelassenen Lichts

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

I ₀ = Intensität des einfallenden Lichts

Brewsters Gesetz

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

Anwendungen

Einige der Anwendungen der physikalischen Optik liegen in der Untersuchung von Flüssigkristallen, beim Entwurf 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 wurden Taschenrechnerbildschirme, Monitore, Laptops und Mobiltelefone entwickelt.

Design optischer Systeme

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

Optische Messtechnik

Es ist dafür verantwortlich, hochauflösende Messungen von physikalischen Parametern basierend auf der Lichtwelle durchzuführen. Diese Messungen werden mit Interferometern und refraktiven Instrumenten durchgeführt. Im medizinischen Bereich wird die Metrologie verwendet, um die Vitalfunktionen der Patienten ständig zu überwachen.

Aktuelle Forschung in der Physikalischen Optik

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

Poshakinskiy und Poddubny (1) zeigten, dass nanoskalige 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 magnetischen kugelförmigen Partikeln gestreuten Lichts zu erzielen. Diese Richtwirkung erfordert, dass die Teilchen 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 bei nanometrischen Partikeln ohne signifikante magnetische Reaktion, die im Raum vibrieren.

Die Autoren haben gezeigt, dass die Schwingungen des Partikels magnetische und elektrische Polarisationen erzeugen können, die in geeigneter Weise interferieren, da bei Berücksichtigung der inelastischen Streuung des Lichts im Partikel Komponenten mit magnetischer und elektrischer Polarität der gleichen Größenordnung induziert werden.

Die Autoren schlagen die Anwendung des optisch-mechanischen Effekts in nanoskaligen optischen Geräten vor, indem sie diese durch die Anwendung von Schallwellen zum Schwingen bringen.

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

Dhatchayeny und Chung (3) schlagen ein experimentelles System der extrakorporalen optischen Kommunikation (OEBC) vor, mit dem Vitaldaten von Menschen über Anwendungen in Mobiltelefonen mit Android-Technologie übertragen werden können. Das System besteht aus einer Reihe von Sensoren und einem Diodenkonzentrator (LED-Array).

Die Sensoren sind 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 über die Kamera des Mobiltelefons mit der optischen Anwendung übertragen.

Das LED-Array emittiert Licht im Wellenlängenbereich der Rayleigh Gans Debye (RGB) -Dispersion. Jede Farbe und Farbkombination des emittierten Lichts steht in Beziehung zu den Vitalfunktionen.

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