광학 물리학 : 역사, 자주 사용되는 용어, 법칙, 응용 - 물리적 인 - 2025

물리 광학은 빛의 파장 특성만을 전파 모델로부터 이해되는 물리 현상을 연구 광의 일부이다. 또한 기하학적 광학에서 설명 할 수없는 간섭 현상, 편광 현상, 회절 현상 및 기타 현상을 연구합니다.

파동 모델은 빛을 전기장과 자기장이 서로 수직으로 진동하는 전자기파로 정의합니다.

전자기파

광파의 전기장 (E)은 자기장 (B)과 유사한 방식으로 동작하지만, 다음을 설정하는 Maxwell의 관계 (1831–1879)로 인해 전기장이 자기장보다 우세합니다.

여기서 c = 파동 전파 속도.

물리적 광학은 원자의 흡수 및 방출 스펙트럼을 설명하지 않습니다. 반면에 양자 광학은 이러한 물리적 현상에 대한 연구를 다룹니다.

역사

물리적 광학의 역사는 조명 된 물체에 의해 드리 워진 그림자가 더 넓게 나타나고 컬러 줄무늬로 둘러싸여 있음을 관찰 한 Grimaldi (1613-1663)가 수행 한 실험으로 시작됩니다.

그는 관찰 된 현상을 회절이라고 불렀습니다. 그의 실험 작업은 18 세기에 널리 퍼진 Isaac Newton의 개념과는 반대로 빛의 파동 특성을 제안하도록 이끌었습니다.

뉴턴의 패러다임은 빛이 직선 경로에서 고속으로 이동하는 작은 입자 광선처럼 행동한다는 것을 확립했습니다.

Robert Hooke (1635-1703)는 색과 굴절에 대한 그의 연구에서 빛의 파동 특성을 옹호하면서, 빛은 물질 매체를 통해 거의 순간적으로 빠르게 전파되는 음파처럼 행동한다고 ​​말했습니다.

후에 Huygens (1629–1695)는 Hooke의 아이디어에 기초하여 그의 Traité de la lumière (1690)에서 빛의 파동 이론을 통합했습니다. 에테르라고 불리는 미묘하고 탄력있는 매체의.

Huygens의 파동 이론은 반사, 굴절 및 회절 현상을 Newton의 입자 이론보다 훨씬 더 잘 설명하며, 밀도가 낮은 매체에서 밀도가 높은 매체로 이동할 때 빛의 속도가 감소 함을 보여줍니다.

Huygens의 아이디어는 두 가지 이유로 당시 과학자들에게 받아 들여지지 않았습니다. 첫 번째는 에테르의 정의를 만족스럽게 설명 할 수 없다는 것이었고 두 번째는 빛의 입자 패러다임을 지원하기로 결정한 대다수의 과학자들에게 영향을 준 그의 역학 이론에 대한 뉴턴의 명성이었습니다.

파동 이론의 재 탄생

19 세기 초, Tomas Young (1773–1829)은 빛 간섭 실험의 결과를 바탕으로 과학계가 Huygens의 파동 모델을 수용하도록하는 데 성공했습니다. 이 실험을 통해 서로 다른 색상의 파장을 결정할 수있었습니다.

1818 년 Fresnell (1788–1827)은 간섭 원리의 관점에서 Huygens의 파동 이론을 다시 설명했습니다. 그는 또한 빛의 복굴절 현상을 설명하여 빛이 횡파라는 것을 확인할 수있었습니다.

1808 년 Arago (1788-1853)와 Malus (1775-1812)는 파동 모델에서 빛의 편광 현상을 설명했습니다.

1849 년 Fizeau (1819-1896)와 1862 년 Foucalt (1819-1868)의 실험 결과는 빛이 물보다 공기에서 빠르게 전파되는 것을 확인할 수있게하여 뉴턴의 설명과 모순됩니다.

1872 년 Maxwell은 전기 및 자기에 관한 논문을 출판하여 전자기를 합성하는 방정식을 언급했습니다. 그의 방정식으로부터 그는 전자기파의 거동을 분석 할 수있는 파동 방정식을 얻었습니다.

Maxwell은 전자기파의 전파 속도가 전파 매체와 관련이 있으며 빛의 속도와 일치한다는 것을 발견하여 빛이 전자기파라는 결론을 내 렸습니다.

마지막으로 1888 년 Hertz (1857 ~ 1894)는 전자기파를 생성 및 감지하고 빛이 전자기파의 일종임을 확인하는 데 성공했습니다.

물리 광학은 무엇을 연구합니까?

물리 광학은 간섭, 회절 및 편광과 같은 빛의 파동 특성과 관련된 현상을 연구합니다.

간섭

간섭은 두 개 이상의 광파가 중첩되어 동일한 공간 영역에서 공존하여 밝고 어두운 빛의 띠를 형성하는 현상입니다.

더 큰 진폭 파를 생성하기 위해 여러 파동을 함께 추가하면 밝은 밴드가 생성됩니다. 이러한 유형의 간섭을 건설적 간섭이라고합니다.

파장이 겹쳐서 더 낮은 진폭의 파장을 생성하면 간섭을 파괴 간섭이라고하며 어두운 빛의 띠가 생성됩니다.

간섭

컬러 밴드가 분포하는 방식을 간섭 패턴이라고합니다. 비눗 방울이나 젖은 도로의 기름 층에서 간섭을 볼 수 있습니다.

회절

회절 현상은 광파가 장애물이나 개구부에 부딪 힐 때 경험하는 전파 방향의 변화로 진폭과 위상이 변경됩니다.

간섭 현상과 마찬가지로 회절은 일관된 파동이 중첩 된 결과입니다. 두 개 이상의 광파는 일정한 위상 관계를 유지하면서 동일한 주파수로 진동 할 때 일관됩니다.

파장에 비해 장애물이 점점 작아짐에 따라 반사 및 굴절 현상보다 회절 현상이 우세하여 장애물에 부딪히면 광선의 분포를 결정합니다. .

분극

편광은 파동이 전기장을 포함하는 평면에 수직 인 단일 방향으로 진동하는 물리적 현상입니다. 파동의 전파 방향이 고정되어 있지 않으면 파동이 편파되어 있지 않다고합니다. 편광에는 선형 편광, 원형 편광 및 타원 편광의 세 가지 유형이 있습니다.

파동이 편광면에서 직선을 묘사하는 고정선에 평행하게 진동하면 선형 편광이라고합니다.

파동의 전계 벡터가 동일한 전파 방향에 수직 인 평면에서 원을 나타내면서 그 크기를 일정하게 유지하면 파동은 원형으로 편광된다고합니다.

파동의 전기장 벡터가 동일한 전파 방향에 수직 인 평면에서 타원을 설명하는 경우 파동은 타원 편광이라고합니다.

물리적 광학 분야에서 자주 사용되는 용어

편광

다른 방향으로 향하는 파동은 통과시키지 않고 특정 방향으로 향하는 빛의 일부만 통과시킬 수있는 필터입니다.

파면

파도의 모든 부분이 동일한 위상을 갖는 기하학적 표면입니다.

웨이브 진폭 및 위상

진폭은 파동의 최대 신장입니다. 파동의 위상은 순간의 진동 상태입니다. 두 파동은 동일한 진동 상태를 가질 때 위상이 같습니다.

브루스터 각도

광원에서 반사 된 광파가 완전히 편광되는 빛의 입사각입니다.

적외선

700nm에서 1000μm까지의 전자기 복사 스펙트럼에서 사람의 눈에는 보이지 않는 빛입니다.

빛의 속도

값이 3 × 10 ⁸ m / s 인 진공에서 광파의 전파 속도 상수입니다 . 빛의 속도 값은 재료 매체에서 전파 될 때 달라집니다.

파장

파도가 전파 될 때 볏과 다른 볏 사이 또는 계곡과 다른 계곡 사이의 거리를 측정 한 것입니다.

자외선

400nm 미만의 파장 스펙트럼을 가진 비가시 전자기 방사.

물리적 광학의 법칙

다음은 편광 및 간섭 현상을 설명하는 물리적 광학 법칙에 대한 설명입니다.

Fresnell 및 Arago 법칙

1. 선형, 일관성 및 직교 편광을 가진 두 개의 광파는 서로 간섭하여 간섭 패턴을 형성하지 않습니다.
2. 선형, 일관성 및 평행 편광을 가진 두 개의 빛 파동은 공간 영역에서 간섭 할 수 있습니다.
3. 선형, 비 간섭 성 및 직교 편광을 가진 두 개의 자연광 파동은 서로 간섭하여 간섭 패턴을 형성하지 않습니다.

Malus Law

Malus의 법칙에 따르면 편광판에 의해 투과되는 빛의 강도는 편광판의 투과 축과 입사광의 편광축을 형성하는 각도의 코사인 제곱에 정비례합니다. 다시 말해:

I = 편광자가 투과하는 빛의 강도

θ = 입사 빔의 투과 축과 편광축 사이의 각도

I ₀ = 입사광 강도

Malus Law

브루스터의 법칙

표면에서 반사 된 광선은 반사 광선과 굴절 광선 사이의 각도가 90 ° 일 때 빛의 입사 평면에 수직 인 방향으로 완전히 편광됩니다.

브루스터의 법칙

응용

물리적 광학의 일부 응용 분야는 액정 연구, 광학 시스템 설계 및 광학 계측에 있습니다.

액정

액정은 고체 상태와 액체 상태 사이에 유지되는 물질로, 분자에는 떨어지는 빛의 편광을 유도하는 쌍극자 모멘트가 있습니다. 이 부동산에서 계산기, 모니터, 노트북 및 휴대폰 용 화면이 개발되었습니다.

액정 디스플레이 (LCD)가있는 디지털 시계

광학 시스템 설계

광학 시스템은 일상 생활, 과학, 기술 및 의료 분야에서 자주 사용됩니다. 광학 시스템을 사용하면 태양, LED, 텅스텐 램프 또는 레이저와 같은 광원에서 정보를 처리, 기록 및 전송할 수 있습니다. 광학 시스템의 예로는 회절 계와 간섭계가 있습니다.

광학 계측

광파를 기반으로 물리적 매개 변수의 고해상도 측정을 수행합니다. 이러한 측정은 간섭계와 굴절계로 이루어집니다. 의료 분야에서 계측은 환자의 활력 징후를 지속적으로 모니터링하는 데 사용됩니다.

최근 물리 광학 연구

Optomechanical Kerker 효과 (AV Poshakinskiy1 및 AN Poddubny, 2019 년 1 월 15 일)

Poshakinskiy와 Poddubny (1)는 진동 운동을하는 나노 미터 입자가 1983 년 Kerker 등 (2)이 제안한 것과 유사한 광학 기계적 효과를 나타낼 수 있음을 보여주었습니다.

Kerker 효과는 구형 자성 입자에 의해 산란되는 빛의 강한 방향성을 얻는 것으로 구성된 광학 현상입니다. 이 방향성은 입자가 전기력과 동일한 강도의 자기 반응을 가져야합니다.

Kerker 효과는 현재 자연에 존재하지 않는 자기 및 전기적 특성을 가진 물질 입자를 요구하는 이론적 제안입니다. Poshakinskiy와 Poddubny는 공간에서 진동하는 상당한 자기 반응없이 나노 미터 입자에 대해 동일한 효과를 달성했습니다.

저자는 빛의 비탄성 산란을 고려할 때 입자에서 동일한 크기의 전기 및 자기 극성 성분이 유도되기 때문에 입자 진동이 적절하게 간섭하는 자기 및 전기 분극을 생성 할 수 있음을 입증했습니다.

저자들은 음파의 적용에 의해 진동하게함으로써 나노 미터 광학 장치에 광학 기계적 효과를 적용 할 것을 제안합니다.

체외 광학 통신 (DR Dhatchayeny 및 YH Chung, 2019 년 5 월)

Dhatchayeny와 Chung (3)은 Android 기술이 적용된 휴대폰의 애플리케이션을 통해 사람들의 생체 신호 정보를 전송할 수있는 실험적인 체외 광통신 (OEBC) 시스템을 제안합니다. 이 시스템은 센서 세트와 다이오드 허브 (LED 어레이)로 구성됩니다.

센서는 신체의 다양한 부분에 배치되어 맥박, 체온 및 호흡률과 같은 활력 징후를 감지, 처리 및 전달합니다. 데이터는 LED 어레이를 통해 수집되고 광학 앱을 사용하여 휴대폰 카메라를 통해 전송됩니다.

LED 어레이는 RGB (Rayleigh Gans Debye) 산란 파장 범위에서 빛을 방출합니다. 방출 된 빛의 각 색상 및 색상 조합은 활력 징후와 관련이 있습니다.

저자가 제안한 시스템은 실험 결과의 오류가 최소화되었으므로 신뢰할 수있는 방식으로 활력 징후 모니터링을 용이하게 할 수 있습니다.

참고 문헌

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3. 인체 생체 신호 전송을 위해 스마트 폰 카메라를 사용한 광학 체외 통신. Dhatchayeny, D and Chung, Y. 15, 2019, Appl. Opt., Vol. 58.
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