Historique de l'optique physique, termes fréquents, lois, applications

La Optique physique C'est la partie de l'optique qui étudie la nature ondulée de la lumière et des phénomènes physiques qui ne sont compris que du modèle ondulatoire. Il étudie également les phénomènes d'interférence, de polarisation, de diffraction et d'autres phénomènes qui ne peuvent pas être expliqués du point de vue géométrique.

Le modèle ondulatoire définit la lumière comme une onde électromagnétique dont les champs électriques et magnétiques varient perpendiculairement les uns aux autres.

Vague électromagnétique [par Lennart Kudling Raphaël Deknop (https: // communes.Wikimedia.org / wiki / fichier: electromagnétique_wave_color.Pdf)]

Le champ électrique (ET) Les ondes légères se comportent de la même manière que leur champ magnétique (B), mais le champ électrique sur le magnétique prédomine par la relation de Maxwell (1831-1879) qui établit ce qui suit:

ET= CB

Où c = Vitesse de propagation des vagues.

L'optique physique n'explique pas le spectre d'absorption et d'émission des atomes. D'un autre côté, l'optique quantique si vous abordez l'étude de ces phénomènes physiques.

[TOC]

Histoire

L'histoire de l'optique physique commence par les expériences réalisées par Grimaldi (1613-1663), qui a observé que l'ombre projetée par un objet illuminé était plus large et était entourée de rayures colorées.

Le phénomène observé l'appelait la diffraction. Son travail expérimental l'a amené à élever la nature ondulée de la lumière, en opposition à la conception d'Isaac Newton qui prédominait au XVIIIe siècle.

Le paradigme newtonien a établi que la lumière se comportait comme un rayon de petits corpuscules qui se déplaçaient à grande vitesse dans les trajectoires rectilignes.

Robert Hooke (1635-1703) a défendu la nature ondulée de la lumière, dans ses études sur la couleur et la réfraction, déclarant que la lumière se comportait comme une onde sonore se propageant rapidement presque instantanément à travers un milieu matériel.

Plus tard, Huygens (1629-1695), basé sur les idées de Hooke, a consolidé la théorie ondulée de la lumière dans son Je trait de la lumière (1690) dans lequel les ondes lumineuses émises par les corps lumineuses sont propagées à travers un milieu subtil et élastique appelé éther.

La théorie ondulante de Huygens explique les phénomènes de réflexion, de réfraction et de diffraction beaucoup mieux que la théorie corpusculaire de Newton, et démontre que la vitesse de la lumière diminue en passant d'un milieu moins dense à un milieu dense de plus de plus.

Les idées de Huygens n'ont pas été acceptées par les scientifiques de l'époque pour deux raisons. Le premier était l'impossibilité d'expliquer de manière satisfaisante la définition de éther, Et le second était le prestige de Newton autour de sa théorie sur la mécanique qui a influencé une grande majorité de scientifiques pour décider de soutenir le paradigme corpusculaire de la lumière.

Renaissance de la théorie ondulée

Au début du XIXe siècle, Tomas Young (1773-1829) fait que la communauté scientifique accepte le modèle onduléatrice des Huygens des résultats de son expérience d'interférence légère. L'expérience a permis de déterminer les longueurs d'onde des différentes couleurs.

En 1818, Fresnell (1788-1827) repense la théorie ondulante de Huygens sur la base du principe d'interférence. Il a également expliqué le phénomène de Birrefringencia de la Luz, qui lui a permis d'affirmer que la lumière est une vague transversale.

En 1808, Arago (1788-1853) et Malus (1775-1812) ont expliqué le phénomène de polarisation de la lumière à partir du modèle ondulatoire.

Les résultats expérimentaux de Fizeau (1819-1896) en 1849 et Foucalt (1819-1868) en 1862 ont permis de vérifier que la lumière se propage plus rapidement dans les airs que dans l'eau, contredisant l'explication donnée par Newton.

Peut vous servir: qu'est-ce que la rugosité relative et absolue?

En 1872, Maxwell publie son Traité sur l'électricité et le magnétisme, dans lequel il énonce les équations qui synthétisent l'électromagnétisme. De ses équations, il a obtenu l'équation des vagues qui a permis d'analyser le comportement d'une onde électromagnétique.

Maxwell a constaté que la vitesse de propagation d'une onde électromagnétique est liée au milieu de propagation et coïncide avec la vitesse de la lumière, concluant que la lumière est une onde électromagnétique.

Enfin, Hertz (1857-1894) en 1888 parvient à produire et à détecter les ondes électromagnétiques et à confirmer que la lumière est un type d'onde électromagnétique.

Ce qui étudie l'optique physique?

Phénomènes d'études d'optique physique liées à la nature ondulée de la lumière, comme les interférences, la diffraction et la polarisation.

Ingérence

L'interférence est le phénomène par lequel deux ou plusieurs vagues claires chevauchent coexistant dans la même région de l'espace, formant des bandes lumineuses lumineuses et sombres.

Les bandes lumineuses se produisent lorsque plusieurs vagues sont ajoutées pour produire une vague plus élevée. Ce type d'interférence est appelé interférence constructive.

Lorsque les vagues se chevauchent pour produire une vague plus faible, l'interférence est appelée interférence destructrice et que des bandes de lumière foncée sont produites.

Interférence [par inductiveload (https: // communes.Wikimedia.org / wiki / fichier: constructive_interference.Svg)]

La façon dont les bandes colorées sont distribuées est appelée motif d'interférence. L'interférence peut être observée dans les bulles de savon ou dans les couches d'huile d'une route humide.

Diffraction

Le phénomène de diffraction est le changement dans la direction de propagation que l'onde légère éprouve en influençant un obstacle ou en ouverture modifiant son amplitude et sa phase.

Comme le phénomène d'interférence, la diffraction est le résultat du chevauchement des ondes cohérentes. Deux ondes légères ou plus sont cohérentes lorsqu'ils vont avec la même fréquence en maintenant un rapport de phase constant.

À mesure que l'obstacle augmente.

Polarisation

La polarisation est le phénomène physique par lequel l'onde vibre dans une direction perpendiculaire au plan contenant le champ électrique. Si l'onde n'a pas de direction de propagation fixe, il est dit que l'onde n'est pas polarisée. Il existe trois types de polarisation: polarisation linéaire, polarisation circulaire et polarisation elliptique.

Si l'onde vibre parallèlement à une ligne fixe décrivant une ligne droite dans le plan de polarisation, il est dit qu'il est polarisé linéairement.

Lorsque le champ électrique d'onde décrit un cercle dans le plan perpendiculaire à la même direction de propagation, gardant son ampleur constante, il est dit que l'onde est circulairement polarisée.

Si le vecteur de champ électrique d'onde décrit une ellipse dans le plan perpendiculaire à la même direction de propagation, il est dit que l'onde est polarisée elliptiquement.

Termes fréquents en optique physique

Polarisant

Il s'agit d'un filtre qui ne permet qu'une partie de la lumière qui est orientée dans une seule direction spécifique le passe sans manquer les ondes qui sont orientées dans d'autres directions.

Peut vous servir: diagramme du corps libre

Front de vague

C'est la surface géométrique dans laquelle toutes les parties d'une vague ont la même phase.

Phase d'amplitude et d'onde

L'amplitude est l'allongement maximal d'une vague. La phase d'une vague est l'état de vibration dans un instant de temps. Deux vagues sont en phase lorsqu'ils ont le même état de vibration.

Angle de Brewster

C'est l'angle d'incidence de la lumière à travers laquelle l'onde de lumière réfléchie est complètement polarisée.

Infrarouge

Lumière non visible par l'œil humain dans le spectre de rayonnement électromagnétique 700nm 1000μm.

Vitesse de la lumière

C'est une constante de vitesse de propagation de l'onde lumineuse dans le vide dont la valeur est 3 × 10⁸SP. La lumière de la lumière de la lumière varie lorsqu'il se propage dans un milieu matériel.

Longueur d'onde

Mesure de la distance entre une crête et une autre crête ou entre une vallée et une autre vallée des vagues pour se propager.

Ultra-violet

Rayonnement électromagnétique non visible avec spectre de longueur d'onde inférieure à 400nm.

Lois sur l'optique physique

Certaines lois de l'optique physique décrivant les phénomènes de polarisation et d'interférence sont mentionnées ci-dessous

Lois Fresnell et Arago

1. Deux vagues de lumière avec des polarisations linéaires, cohérentes et orthogonales n'interfèrent pas les unes avec les autres pour former un motif d'interférence.
2. Deux vagues de lumière avec des polarisations linéaires, cohérentes et parallèles peuvent interférer dans une région de l'espace.
3. Deux ondes légères naturelles avec des polarisations linéaires, non cohérentes et orthogonales n'interfèrent pas les unes avec les autres pour former un motif d'interférence.

Loi de Malus

La loi de Malus établit que l'intensité lumineuse transmise par un polariseur est directement proportionnelle au carré du cosinus de l'angle qui forme l'axe de transmission du polariseur et l'axe de polarisation de l'incident léger. En d'autres termes:

I = i₀cos²θ

I =Itensité de lumière transmise par le polariseur

θ = Angle entre l'axe de transmission et l'axe de polarisation du faisceau incident

Toi₀ = Intensité de lumière incidente

Malus Law [par Freshneesz (https: // Commons.Wikimedia.org / wiki / fichier: malus_law.Svg)]

Brewster Law

Le faisceau lumineux réfléchi par une surface est complètement polarisé, dans la direction normale vers le plan d'incidence de la lumière, lorsque l'angle qui forme le faisceau réfléchi avec le faisceau réfracté est égal à 90 °.

Brewster Law [par Pajs (https: // Commons.Wikimedia.org / wiki / fichier: brasseurs-angle.Svg)]

Applications

Certaines des applications d'optique physique figurent dans l'étude des cristaux liquides, dans la conception de systèmes optiques et de métrologie optique.

Cristaux liquides

Les cristaux liquides sont des matériaux entre l'état solide et l'état liquide, dont les molécules ont un moment dipolaire qui induit une polarisation de la lumière qui les affecte. À partir de cette propriété, des écrans de calculatoires, des moniteurs, des ordinateurs portables et des téléphones portables ont été développés.

Horloge numérique avec écran de cristal liquide (LCD) [par BBCLCD (https: // communes.Wikimedia.org / wiki / fichier: casio_lcd_watch_f-e10.Jpg)]

Conception de systèmes optiques

Souvent, les systèmes optiques sont utilisés dans la vie quotidienne, dans la science, la technologie et la santé. Les systèmes optiques permettent le traitement, l'enregistrement et la transmission d'informations à partir de sources de Sun, la LED, la lampe en tungstène ou le laser. Des exemples de systèmes optiques sont le diffractomètre et l'interféromètre.

Métrologie optique

Il est chargé de faire des mesures haute résolution des paramètres physiques basés sur l'onde légère. Ces mesures sont faites avec des interféromètres et des instruments de réfraction. Dans la zone médicale, la métrologie est utilisée pour effectuer une surveillance constante des signes vitaux du patient.

Il peut vous servir: aimantation: moment magnétique orbital et spin, exemples

Recherches récentes en optique physique

Effet Kerker optomécanique (A. V. Poshakinskiy1 et un. N. Poddubny, 15 janvier 2019)

Poshakinskiy et Poddubny (1) ont montré que les particules nanométriques avec mouvement vibratoire peuvent manifester un effet optique-mécanique similaire à celui proposé par Kerker et al (2) en 1983.

L'effet Kerker est un phénomène optique qui consiste à obtenir une forte directionnalité de la lumière dispersée par des particules sphériques magnétiques. Cette directionnalité nécessite que les particules aient des réponses magnétiques de la même intensité que les forces électriques.

L'effet Kerker est une proposition théorique qui nécessite des particules matérielles avec des caractéristiques magnétiques et électriques qui n'existent actuellement pas dans la nature posthakinskiy et poddubny ont obtenu le même effet sur les particules nanométriques, sans réponse magnétique significative, qui vibre dans l'espace.

Les auteurs ont démontré que les vibrations de la particule peuvent créer des polarisations magnétiques et électriques qui interfèrent correctement, car elle est induite dans la particule des composants de polarité magnétique et électrique du même ordre de grandeur lorsque la dispersion inélastique de la lumière est considérée.

Les auteurs proposent l'application de l'effet optique-mécanique sur les dispositifs optiques nanométriques lorsqu'ils les font vibrer par l'application d'ondes acoustiques.

Communication optique extracorporale (D. R. Dhatchayeny et Y. H. Chung, mai 2019)

Dhatchayeny et Chung (3) proposent un système expérimental de communication optique extracorporale (OEBC) qui peut transmettre des informations sur les signes vitaux des personnes via des applications sur les téléphones mobiles avec une technologie Android. Le système se compose d'un ensemble de capteurs et d'un concentrateur de diodes (arrangement LED).

Les capteurs sont placés dans diverses parties du corps pour détecter, traiter et communiquer des signes vitaux tels que l'impulsion, la température corporelle et la fréquence respiratoire. Les données sont collectées via la disposition LED et transmise via la caméra du téléphone mobile avec l'application optique.

L'agencement LED émet une lumière dans la gamme des longueurs d'onde de dispersion Rayleight Gans Debye (RGB). Chaque combinaison de couleurs et de couleurs émise est liée aux signes vitaux.

Le système proposé par les auteurs peut faciliter la surveillance des signes vitaux de manière fiable, car les erreurs dans les résultats expérimentaux étaient minimes.

Les références

1. Effet de Kerker optomécanique. Poshakinskiy, A V et Poddubny, A n. 1, 2019, Revue physique X, Vol. 9, P. 2160-3308.
2. Diffusion électromagnétique par les sphères magnétiques. Kerker, M, Wang, D S et Giles, C L. 6, 1982, Journal of the Optical Society of America, Vol. 73.
3. Communication optique extra-corps à l'aide de caméras pour smartphone pour la transmission des signes vitaux humains. Dhatchayeny, D et Chung, et. 15, 2019, Appl. Opter., Vol. 58.
4. Al-Azzawi, un. Principes et pratiques d'optique physique. Boca Raton, FL: CRC Press Taylor & Francis Group, 2006.
5. Grattan-guide, je. Encyclopédie compagnon de l'histoire et philosophie des sciences mathématiques. New York, États-Unis: Routledge, 1994, vol. Ii.
6. Akhmanov, S A et Nikitin, S Yu. Optique physique. New York: Oxford University Press, 2002.
7. Lipson, A, Lipson, S G et Lipson, H. Optique physique. Cambridge, Royaume-Uni: Cambridge University Press, 2011.
8. Mickelson, R. Optique physique. New York: Springer Science + Business Media, 1992.
9. Jenkins, f a et blanc, h e. Fondamentaux de l'optique. NY: McGraw Hill Higher Education, 2001.