Optik fisik: sejarah, istilah yang sering, hukum, aplikasi

Optik fisik adalah bagian dari optik yang mempelajari sifat gelombang cahaya dan fenomena fisik yang hanya dipahami dari model gelombang. Ini juga mempelajari fenomena gangguan, polarisasi, difraksi dan fenomena lain yang tidak dapat dijelaskan dari perspektif geometris.

Model gelombang mendefinisikan cahaya sebagai gelombang elektromagnetik yang medan listrik dan magnetnya berosilasi saling tegak lurus.

Medan listrik ( E ) dari gelombang cahaya berperilaku dalam cara yang mirip dengan medan magnetnya ( B ), tetapi medan listrik mendominasi medan magnet oleh hubungan Maxwell (1831-1879) yang menyatakan sebagai berikut:

E = cB

Di mana c = Kecepatan rambat gelombang.

Optik fisik tidak menjelaskan spektrum serapan dan emisi atom. Sebaliknya, optik kuantum tidak membahas studi tentang fenomena fisik ini.

Sejarah

Sejarah optik fisik dimulai dengan percobaan yang dilakukan oleh Grimaldi (1613-1663), yang mengamati bahwa bayangan yang diproyeksikan oleh objek yang diterangi lebih luas dan dikelilingi oleh garis-garis warna.

Fenomena yang diamati disebut difraksi. Karyanya eksperimental membawanya untuk meningkatkan sifat gelombang cahaya, bertentangan dengan konsepsi Isaac Newton yang berlaku selama abad kedelapan belas.

Paradigma Newton menetapkan bahwa cahaya berperilaku seperti sinar sel-sel kecil yang bergerak dengan kecepatan tinggi dalam lintasan lurus.

Robert Hooke (1635-1703) membela sifat gelombang cahaya, dalam studinya tentang warna dan pembiasan, menunjukkan bahwa cahaya berperilaku seperti gelombang suara yang merambat dengan cepat hampir seketika melalui media material.

Kemudian Huygens (1629-1695), berdasarkan gagasan Hooke, mengkonsolidasikan teori gelombang cahaya dalam bukunya Traité de la lumière (1690) di mana ia mengasumsikan bahwa gelombang cahaya yang dipancarkan oleh benda bercahaya disebarkan melalui dari media halus dan elastis yang disebut eter .

Teori gelombang Huygens menjelaskan fenomena refleksi, refraksi, dan difraksi jauh lebih baik daripada teori sel Newton, dan menunjukkan bahwa kecepatan cahaya berkurang ketika bergerak dari medium yang kurang padat ke yang lebih padat.

Gagasan Huygens tidak diterima oleh para ilmuwan saat itu karena dua alasan. Yang pertama adalah ketidakmungkinan menjelaskan definisi eter dengan memuaskan , dan yang kedua adalah prestise Newton di sekitar teorinya tentang mekanika yang memengaruhi sebagian besar ilmuwan untuk memutuskan mendukung paradigma cahaya sel tubuh.

Renaissance teori gelombang

Pada awal abad ke-19, Tomás Young (1773-1829) berhasil membuat komunitas ilmiah menerima model gelombang Huygens dari hasil eksperimennya tentang interferensi cahaya. Eksperimen diizinkan untuk menentukan panjang gelombang dari berbagai warna.

Pada 1818 Fresnell (1788-1827) memikirkan kembali teori gelombang Huygens dalam hal prinsip interferensi. Dia juga menjelaskan fenomena cahaya birefringence, yang memungkinkannya untuk menegaskan bahwa cahaya adalah gelombang transversal.

Pada 1808, Arago (1788-1853) dan Malus (1775-1812) menjelaskan fenomena polarisasi cahaya dari model gelombang.

Hasil percobaan Fizeau (1819-1896) pada tahun 1849 dan Foucalt (1819-1868) pada tahun 1862 memungkinkan untuk memverifikasi bahwa cahaya menyebar lebih cepat di udara daripada di air, bertentangan dengan penjelasan yang diberikan oleh Newton.

Pada tahun 1872, Maxwell menerbitkan risalahnya tentang Listrik dan Magnet, di mana ia mengucapkan persamaan yang mensintesis elektromagnetisme. Dari persamaannya ia memperoleh persamaan gelombang yang memungkinkan kami untuk menganalisis perilaku gelombang elektromagnetik.

Maxwell menemukan bahwa kecepatan rambat gelombang elektromagnetik terkait dengan medium rambat dan bertepatan dengan kecepatan cahaya, mencapai kesimpulan bahwa cahaya adalah gelombang elektromagnetik.

Akhirnya, Hertz (1857-1894) pada tahun 1888 berhasil menghasilkan dan mendeteksi gelombang elektromagnetik dan menegaskan bahwa cahaya adalah jenis gelombang elektromagnetik.

Apa yang dipelajari oleh optik fisik?

Optik fisik mempelajari fenomena yang berkaitan dengan sifat gelombang cahaya, seperti interferensi, difraksi, dan polarisasi.

Gangguan

Gangguan adalah fenomena di mana dua atau lebih gelombang cahaya ditumpangkan berdampingan di wilayah ruang yang sama, membentuk pita cahaya terang dan gelap.

Pita cerah terjadi ketika beberapa gelombang ditambahkan untuk menghasilkan gelombang amplitudo yang lebih besar. Jenis gangguan ini disebut gangguan konstruktif.

Ketika gelombang ditumpangkan untuk menghasilkan gelombang amplitudo yang lebih rendah, interferensi disebut interferensi destruktif, dan pita cahaya gelap dihasilkan.

Cara pita warna didistribusikan disebut pola interferensi. Gangguan dapat diamati pada gelembung sabun atau lapisan minyak pada jalan basah.

Difraksi

Fenomena difraksi adalah perubahan arah propagasi yang dialami gelombang cahaya ketika mengenai hambatan atau celah yang mengubah amplitudo dan fase.

Seperti halnya fenomena interferensi, difraksi adalah hasil dari superposisi gelombang yang koheren. Dua atau lebih gelombang cahaya adalah koheren ketika mereka berosilasi dengan frekuensi yang sama mempertahankan hubungan fase konstan.

Ketika hambatan menjadi lebih kecil dan lebih kecil dibandingkan dengan panjang gelombang, fenomena difraksi mendominasi fenomena refleksi dan refraksi dalam penentuan distribusi sinar gelombang cahaya setelah menyentuh hambatan. .

Polarisasi

Polarisasi adalah fenomena fisik dimana gelombang bergetar dalam satu arah tegak lurus terhadap bidang yang berisi medan listrik. Jika gelombang tidak memiliki arah rambatan yang tetap, dikatakan bahwa gelombang tersebut tidak terpolarisasi. Ada tiga jenis polarisasi: polarisasi linier, polarisasi sirkular, dan polarisasi elips.

Jika gelombang bergetar sejajar dengan garis tetap yang menggambarkan garis lurus pada bidang polarisasi, gelombang itu dikatakan terpolarisasi linier.

Ketika vektor medan listrik dari gelombang menggambarkan sebuah lingkaran pada bidang yang tegak lurus terhadap arah propagasi yang sama, dengan menjaga besaran konstannya, dikatakan bahwa gelombang tersebut terpolarisasi sirkuler.

Jika vektor medan listrik dari gelombang menggambarkan elips pada bidang yang tegak lurus dengan arah propagasi yang sama, dikatakan bahwa gelombang tersebut terpolarisasi secara elips.

Istilah yang sering dalam optik fisik

Polarizer

Ini adalah filter yang memungkinkan hanya sebagian dari cahaya yang berorientasi pada satu arah spesifik untuk melewatinya tanpa melepaskan gelombang yang berorientasi ke arah lain.

Gelombang depan

Ini adalah permukaan geometris di mana semua bagian gelombang memiliki fase yang sama.

Amplitudo dan fase gelombang

Amplitudo adalah perpanjangan maksimum gelombang. Fase gelombang adalah keadaan getaran di saat waktu tertentu. Dua gelombang berada dalam fase ketika mereka memiliki kondisi getaran yang sama.

Sudut Brewster

Ini adalah sudut datangnya cahaya yang dengannya gelombang cahaya yang dipantulkan dari sumber sepenuhnya terpolarisasi.

Infra merah

Cahaya tidak terlihat oleh mata manusia dalam spektrum radiasi elektromagnetik dari 700 nm hingga 1000 μm.

Kecepatan cahaya

Ini adalah konstanta kecepatan rambat gelombang bercahaya dalam ruang hampa yang nilainya 3 × 108m / s. Nilai kecepatan cahaya bervariasi ketika merambat dalam media material.

Panjang gelombang

Pengukuran jarak antara punggungan dan punggungan lain atau antara lembah dan lembah gelombang lainnya untuk diperbanyak.

Ultraviolet

Radiasi elektromagnetik tidak terlihat dengan spektrum panjang gelombang kurang dari 400 nm.

Hukum optik fisik

Berikut adalah beberapa hukum optik fisik yang menggambarkan fenomena polarisasi dan interferensi

Hukum Fresnell dan Arago

1. Dua gelombang cahaya dengan polarisasi linier, koheren dan ortogonal tidak saling mengganggu untuk membentuk pola interferensi.

2. Dua gelombang cahaya dengan polarisasi linier, koheren dan paralel dapat mengganggu wilayah ruang.

3. Dua gelombang cahaya alami dengan polarisasi linier, non-koheren, dan ortogonal tidak saling mengganggu untuk membentuk pola interferensi.

Hukum Malus

Hukum Malus menyatakan bahwa intensitas cahaya yang ditransmisikan oleh polarizer berbanding lurus dengan kuadrat kosinus sudut yang membentuk sumbu transmisi polarizer dan sumbu polarisasi dari cahaya yang datang. Dengan kata lain:

I = I ₀ cos2θ

I = Cahaya hanya ditransmisikan oleh polarizer

θ = Sudut antara sumbu transmisi dan sumbu polarisasi sinar datang

I ₀ = Intensitas cahaya datang

Hukum Brewster

Balok cahaya yang dipantulkan oleh permukaan benar-benar terpolarisasi, dalam arah normal terhadap bidang cahaya, ketika sudut yang membentuk balok yang dipantulkan dengan sinar yang dibiaskan sama dengan 90 °.

Aplikasi

Beberapa aplikasi optik fisik adalah dalam studi kristal cair, dalam desain sistem optik dan metrologi optik.

Kristal cair

Kristal cair adalah bahan yang dipertahankan antara keadaan padat dan keadaan cair, yang molekulnya memiliki momen dipol yang menginduksi polarisasi cahaya yang jatuh pada mereka. Dari properti ini, layar kalkulator, monitor, laptop, dan ponsel telah dikembangkan.

Desain sistem optik

Seringkali, sistem optik digunakan dalam kehidupan sehari-hari, dalam sains, dalam teknologi dan kesehatan. Sistem optik memungkinkan pemrosesan, perekaman, dan transmisi informasi dari sumber cahaya seperti matahari, LED, lampu tungsten atau laser. Contoh sistem optik adalah difraktometer dan interferometer.

Metrologi Optik

Ia bertanggung jawab untuk melakukan pengukuran parameter fisik resolusi tinggi berdasarkan gelombang cahaya. Pengukuran ini dilakukan dengan interferometer dan instrumen refraktif. Di bidang medis, metrologi digunakan untuk melakukan pemantauan konstan tanda-tanda vital pasien.

Penelitian terbaru dalam Optik Fisik

Efek optomekanis Kerker (AV Poshakinskiy1 dan AN Poddubny, 15 Januari 2019)

Poshakinskiy dan Poddubny (1) menunjukkan bahwa partikel berskala nano dengan gerakan getaran dapat memanifestasikan efek optik-mekanik yang mirip dengan yang diusulkan oleh Kerker et al (2) pada tahun 1983.

Efek Kerker adalah fenomena optik yang terdiri dalam memperoleh arah terarah cahaya yang tersebar oleh partikel-partikel bola magnetik. Arah ini mensyaratkan bahwa partikel memiliki respons magnetik dengan intensitas yang sama dengan gaya listrik.

Efek Kerker adalah proposal teoritis yang membutuhkan partikel material dengan karakteristik magnetik dan listrik yang saat ini tidak ada di alam. Poshakinskiy dan Poddubny mencapai efek yang sama dalam partikel nanometrik, tanpa respons magnetik yang signifikan, yang bergetar di ruang angkasa.

Para penulis menunjukkan bahwa getaran partikel dapat menciptakan polarisasi magnetik dan listrik yang mengganggu dengan cara yang tepat, karena komponen magnetik dan polaritas listrik dengan urutan yang sama besarnya diinduksi dalam partikel ketika hamburan cahaya secara inelastis dipertimbangkan.

Para penulis mengusulkan penerapan efek optik-mekanik dalam perangkat optik berskala nano dengan membuatnya bergetar dengan aplikasi gelombang akustik.

Komunikasi optik ekstrakorporeal (DR Dhatchayeny dan YH Chung, Mei 2019)

Dhatchayeny dan Chung (3) mengusulkan sistem eksperimental komunikasi optik ekstrasorporal (OEBC) yang dapat mengirimkan informasi tanda-tanda vital orang melalui aplikasi di ponsel dengan teknologi Android. Sistem ini terdiri dari seperangkat sensor dan dioda konsentrator (array LED).

Sensor ditempatkan pada berbagai bagian tubuh untuk mendeteksi, memproses dan mengomunikasikan tanda-tanda vital seperti denyut nadi, suhu tubuh dan laju pernapasan. Data dikumpulkan melalui array LED dan dikirim melalui kamera ponsel dengan aplikasi optik.

Array LED memancarkan cahaya dalam rentang panjang gelombang dispersi Rayleigh Gans Debye (RGB). Setiap warna dan kombinasi warna dari cahaya yang dipancarkan terkait dengan tanda-tanda vital.

Sistem yang diusulkan oleh penulis dapat memfasilitasi pemantauan tanda-tanda vital dengan cara yang dapat diandalkan, mengingat bahwa kesalahan dalam hasil eksperimen sangat minim.