Fizička optika

Fizička ili talasna optika proučava interferenciju, difrakciju, polarizaciju i druge pojave kod kojih se pri određivanju približnih vrijednosti zrakâ u geometrijskoj optici ne dobijaju naučno prihvatljivi rezultati. Ova upotreba obično ne obuhvata efekte poput kvantnog šuma u optičkoj komunikaciji i proučava se u okviru međusobne usklađenosti dvaju ili više procesa (teorija koherencije).

Historija

Difrakcija na prorezu prema Huygensovom načelu.

Žute tačke označavaju imaginarne početne tačke za nove talase.Već u 17. vijeku prepoznato je da klasična interpretacija svjetlosti kao snopa pravolinijskih zraka mora biti nepotpuna. Difrakcija i interferencija se ne mogu objasniti na ovaj način. Christiaan Huygens je oko 1650. primijetio da bi širenje svjetlosti analogno vodenim talasima objasnilo ove pojave. Formulisao je Huygensovo načelo, koje kaže da sferni elementarni talasi izviru iz svake tačke na difrakcijskoj površini, superponirajući se i tako proizvodeći uočljive difrakcijske efekte. U početku, Huygens nije shvaćen ozbiljno jer je u to vrijeme favorizovana korpuskularna teorija Isaaca Newtona. Tek u 19. vijeku talasna teorija svjetlosti (poznata i kao teorija undulacije) potvrđena je Thomas Youngovim eksperimentom sa dvostrukim prorezom. Rad Josepha von Fraunhofera i Augustina Jeana Fresnela dalje je razvio teoriju. Friedrich Magnus Schwerd primijenio je talasnu teoriju kako bi objasnio svoje opsežne difrakcijske eksperimente. Godine 1888. Heinrich Hertz pružio je eksperimentalne dokaze za elektromagnetnu teoriju svjetlosti dokazujući postojanje elektromagnetnih talasa.

Osnove

Prilikom ispitivanja interakcija svjetlosti s materijom, uočeni su različiti efekti koji se više ne mogu objasniti geometrijskom optikom. Naprimjer, iza otvora, a također i iza rubova, kada prolaze paralelni svjetlosni zraci (iz dovoljno udaljenog ili tačkastog izvora svjetlosti), u području sjene nastaju svijetle pruge smanjenog intenziteta – svjetlost se difraktira. U višestrukim prorezima s razmacima između proreza reda veličine talasne dužine korištene svjetlosti, dolazi do superpozicije parcijalnih talasa difraktiranih na pojedinačnim rubovima. Ovi parcijalni talasi vrše uzajamno dejstvo. U slučaju vrlo kratkih talasnih dužina ili vrlo velikih objekata, difrakcija svjetlosti je zanemariva, a za proračune se koriste zakoni geometrijske optike. U talasnoj optici, svjetlost se opisuje transverzalnim talasom s talasnom dužinom, amplitudom i fazom. Svaki talas matematički se predstavlja kao rješenje talasne jednačine:

$\Delta u({\vec {r}},t)={\frac {1}{c^{2}}}{\frac {\partial ^{2}u({\vec {r}},t)}{\partial t^{2}}}$

Talasna funkcija može biti skalarna ili vektorska. Vektorski opis svjetlosti je neophodan kada polarizacija igra ulogu. U suprotnom, skalarni opis je jednostavniji.

Princip

Fizička optika koristi se za objašnjavanje efekata poput difrakcije.

Fizička optika također je naziv za određivanja približnih vrijednosti (aproksimaciju) često korištenu u optici, elektrotehnici i primijenjenoj fizici. U ovom kontekstu to je posrednička metoda između geometrijske optike, koja zanemaruje efekte talasa, i elektromagnetizma punog talasa, koji je precizna teorija. Riječ "fizička" znači da je više fizička od geometrijske ili optike zrakâ, a ne da je egzaktna fizička teorija.

Ova metoda određivanja približnih vrijednosti (aproksimacije) sastoji se od korištenja optike zrakâ za procjenu polja na površini, a zatim integrisanja tog polja preko površine kako bi se izračunalo propušteno ili raspršeno polje. Ovo podsjeća na Bornovu teoriju određivanja približnih vrijednosti (Bornovu aproksimaciju) po tome što se detalji problema tretiraju kao perturbacija, tj. teorija približnog rješavanja problema primjenjiva u slučaju kada problem sadrži mali parametar, čijim zanemarivanjem problem dobija tačno rješenje.

U optici, to je standardni način procjene difrakcijskih efekata. U kontekstu radija, ova metoda određivanja približnih vrijednosti (aproksimacije) koristi se za procjenu nekih efekata koji podsjećaju na optičke. Oblikuje nekoliko efekata interferencije, difrakcije i polarizacije, ali ne i zavisnost difrakcije od polarizacije. Budući da je ovo visokofrekventna aproksimacija, često je tačnija u optici nego za radio.

U optici se obično vrši objedinjavanje polja procijenjenog pomoću zrake preko leća, ogledala ili otvora blende kako bi se izračunalo propušteno ili raspršeno polje.

U radarskom raspršenju to obično znači uzimanje struje koja bi se našla na tangentnoj ravni sličnog materijala kao kod struje u svakoj tački na prednjoj strani, tj. geometrijski osvijetljenom dijelu, raspršivača. Struja na zasjenjenim dijelovima uzima se kao nula. Pri izračunavanju približne vrijednosti raspršenog polja koristi se integral preko ovih približnih struja. Ovo je korisno za tijela s velikim glatkim konveksnim oblicima i za površine s gubicima (niskom refleksijom).

Polje ili struja optike zrakâ uglavnom nisu tačno blizu rubova ili granica sjene, osim ako se ne dopuni proračunima difrakcije i pužućeg talasa.

Standardna teorija fizičke optike ima neke nedostatke u procjeni raspršenih polja, što dovodi do smanjene tačnosti što se ide dalje izvan smjera ogledala. Poboljšana teorija, uvedena 2004, daje tačna rješenja za probleme kod kojih se koristi difrakcija talasa pomoću provodivih raspršivača.

Također pogledajte

• Optička fizika
• Elektromagnetno modeliranje
• Fourierova optika
• Historija optike
• Metamaterijali s negativnim indeksom

Dodatna literatura

• Serway, Raymond A.; Jewett, John W. (2004). Physics for Scientists and Engineers (6. izd.). Brooks/Cole. ISBN 0-534-40842-7.
• Akhmanov, A; Nikitin, S. Yu (1997). Physical Optics. Oxford University Press. ISBN 0-19-851795-5.
• Hay, S. G. (august 2005). "A double-edge-diffraction Gaussian-series method for efficient physical optics analysis of dual-shaped-reflector antennas". IEEE Transactions on Antennas and Propagation. 53 (8): 2597. Bibcode:2005ITAP...53.2597H. doi:10.1109/tap.2005.851855. S2CID 10050665.
• Asvestas, J. S. (februar 1980). "The physical optics method in electromagnetic scattering". Journal of Mathematical Physics. 21 (2): 290–299. Bibcode:1980JMP....21..290A. doi:10.1063/1.524413.

Vanjski linkovi

Fizička optika na Wikimedia Commonsu

• Fizička optika Arhivirano 6. 10. 2010. na Wayback Machine na sajtu Univerziteta u Le Mansu (fr)
• Ilustracija koja pokazuje da se elektroni ponašaju poput fotona kada dva izvora interferiraju