VẬT LÝ QUANG HỌC: LỊCH SỬ, THUẬT NGỮ THƯỜNG DÙNG, ĐỊNH LUẬT, ỨNG DỤNG - VẬT LÝ - 2025

Các quang học vật lý là một phần của quang nghiên cứu các tính chất sóng của ánh sáng và các hiện tượng vật lý mà chỉ hiểu từ mô hình sóng. Nó cũng nghiên cứu các hiện tượng giao thoa, phân cực, nhiễu xạ và các hiện tượng khác mà quang học hình học không thể giải thích được.

Mô hình sóng định nghĩa ánh sáng là sóng điện từ mà điện trường và từ trường dao động vuông góc với nhau.

Sóng điện từ

Điện trường (E) của sóng ánh sáng hoạt động theo cách tương tự như từ trường của nó (B), nhưng điện trường chiếm ưu thế hơn từ trường do mối quan hệ của Maxwell (1831–1879), thiết lập như sau:

Trong đó c = Tốc độ truyền sóng.

Quang học vật lý không giải thích được quang phổ hấp thụ và phát xạ của nguyên tử. Mặt khác, quang học lượng tử giải quyết việc nghiên cứu các hiện tượng vật lý này.

Lịch sử

Lịch sử của quang học vật lý bắt đầu với các thí nghiệm được thực hiện bởi Grimaldi (1613-1663), người đã quan sát thấy bóng đổ bởi một vật được chiếu sáng có vẻ rộng hơn và được bao quanh bởi các sọc màu.

Ông gọi hiện tượng quan sát được là hiện tượng nhiễu xạ. Công việc thực nghiệm của ông đã khiến ông đề xuất bản chất sóng của ánh sáng, trái ngược với quan niệm của Isaac Newton đã thịnh hành trong thế kỷ 18.

Mô hình Newton đã thiết lập rằng ánh sáng hoạt động giống như một tia của các tiểu thể nhỏ truyền đi với tốc độ cao trong các đường thẳng nghiêng.

Robert Hooke (1635-1703) bảo vệ bản chất sóng của ánh sáng, trong nghiên cứu về màu sắc và khúc xạ, nói rằng ánh sáng hoạt động giống như sóng âm truyền nhanh gần như tức thời qua môi trường vật chất.

Sau đó, Huygens (1629–1695), dựa trên những ý tưởng của Hooke, đã củng cố lý thuyết sóng của ánh sáng trong Traité de la lumière (1690) của mình, trong đó ông cho rằng sóng ánh sáng do các vật thể phát sáng truyền qua của một môi trường vi tế và đàn hồi gọi là ête.

Thuyết sóng của Huygens giải thích các hiện tượng phản xạ, khúc xạ và nhiễu xạ tốt hơn nhiều so với thuyết tiểu thể của Newton, và cho thấy rằng tốc độ ánh sáng giảm khi truyền từ môi trường ít đặc hơn sang môi trường dày đặc hơn.

Ý tưởng của Huygens không được các nhà khoa học thời đó chấp nhận vì hai lý do. Thứ nhất là không thể giải thích thỏa đáng định nghĩa của ête, và thứ hai là uy tín của Newton xung quanh lý thuyết cơ học của ông đã ảnh hưởng đến đại đa số các nhà khoa học quyết định ủng hộ mô hình tiểu thể của ánh sáng.

Sự tái sinh của lý thuyết sóng

Đầu thế kỷ 19, Tomas Young (1773–1829) đã thành công trong việc khiến giới khoa học chấp nhận mô hình sóng của Huygens dựa trên kết quả thí nghiệm giao thoa ánh sáng của ông. Thí nghiệm này giúp xác định bước sóng của các màu khác nhau.

Năm 1818, Fresnell (1788–1827) đã trình bày lại lý thuyết sóng của Huygens về nguyên lý giao thoa. Ông cũng giải thích hiện tượng lưỡng chiết của ánh sáng, cho phép ông khẳng định rằng ánh sáng là sóng ngang.

Năm 1808 Arago (1788–1853) và Malus (1775-1812) giải thích hiện tượng phân cực ánh sáng từ mô hình sóng.

Kết quả thí nghiệm của Fizeau (1819-1896) năm 1849 và Foucalt (1819-1868) năm 1862 có thể xác minh rằng ánh sáng truyền trong không khí nhanh hơn trong nước, mâu thuẫn với giải thích của Newton.

Năm 1872, Maxwell xuất bản cuốn Chuyên luận về Điện và Từ trường, trong đó ông phát biểu các phương trình tổng hợp điện từ. Từ phương trình của mình, anh ta thu được phương trình sóng cho phép anh ta phân tích hoạt động của sóng điện từ.

Maxwell nhận thấy rằng tốc độ lan truyền của sóng điện từ liên quan đến môi trường truyền và trùng với tốc độ ánh sáng, kết luận rằng ánh sáng là sóng điện từ.

Cuối cùng, Hertz (1857–1894) năm 1888 đã thành công trong việc sản xuất và phát hiện sóng điện từ và xác nhận rằng ánh sáng là một loại sóng điện từ.

Quang học vật lý nghiên cứu những gì?

Quang học vật lý nghiên cứu các hiện tượng liên quan đến bản chất sóng của ánh sáng, chẳng hạn như giao thoa, nhiễu xạ và phân cực.

Giao thoa

Giao thoa là hiện tượng hai hay nhiều sóng ánh sáng chồng lên nhau, cùng tồn tại trong cùng một vùng không gian, tạo thành các dải sáng tối.

Các dải sáng được tạo ra khi nhiều sóng được cộng lại với nhau để tạo ra một sóng có biên độ lớn hơn. Loại giao thoa này được gọi là giao thoa xây dựng.

Khi các sóng chồng lên nhau để tạo ra một sóng có biên độ thấp hơn, giao thoa được gọi là giao thoa triệt tiêu và các dải sáng tối được tạo ra.

Giao thoa

Cách phân bố các dải màu được gọi là hình giao thoa. Có thể nhìn thấy sự giao thoa trong bọt xà phòng hoặc lớp dầu trên đường ướt.

Nhiễu xạ

Hiện tượng nhiễu xạ là sự thay đổi hướng truyền của sóng ánh sáng khi nó chạm vào vật cản hoặc khe hở, làm thay đổi biên độ và pha của nó.

Giống như hiện tượng giao thoa, nhiễu xạ là kết quả của sự chồng chất của các sóng kết hợp. Hai hay nhiều sóng ánh sáng kết hợp khi chúng dao động với cùng tần số duy trì mối quan hệ pha không đổi.

Khi vật cản ngày càng nhỏ hơn so với bước sóng, hiện tượng nhiễu xạ chiếm ưu thế hơn hiện tượng phản xạ và khúc xạ trong việc xác định sự phân bố của các tia sóng ánh sáng khi nó chạm vào vật cản. .

Phân cực

Phân cực là hiện tượng vật lý mà sóng dao động theo phương vuông góc với mặt phẳng chứa điện trường. Nếu sóng không có phương truyền cố định, người ta nói rằng sóng không phân cực. Có ba loại phân cực: phân cực tuyến tính, phân cực tròn và phân cực elip.

Nếu sóng dao động song song với một đường cố định mô tả một đường thẳng trong mặt phẳng phân cực, nó được cho là phân cực tuyến tính.

Khi vectơ điện trường của sóng mô tả một đường tròn trong mặt phẳng vuông góc với cùng một phương truyền, giữ độ lớn của nó không đổi, sóng được cho là phân cực tròn.

Nếu vectơ điện trường của sóng mô tả một hình elip trong mặt phẳng vuông góc với cùng một hướng truyền sóng thì sóng được cho là phân cực elip.

Các điều khoản thường gặp trong Quang học vật lý

Phân cực

Nó là một bộ lọc chỉ cho phép một phần ánh sáng được định hướng theo một hướng cụ thể duy nhất đi qua nó mà không cho những sóng định hướng theo các hướng khác đi qua.

Wave trước

Nó là bề mặt hình học trong đó tất cả các phần của sóng có cùng một pha.

Biên độ và pha của sóng

Biên độ là độ giãn dài cực đại của sóng. Pha của sóng là trạng thái dao động tại một thời điểm. Hai sóng cùng pha khi chúng có cùng trạng thái dao động.

Góc Brewster

Là góc tới của ánh sáng mà sóng ánh sáng phản xạ từ nguồn bị phân cực hoàn toàn.

Hồng ngoại

Ánh sáng mắt người không nhìn thấy được trong phổ bức xạ điện từ 700 nm đến 1000 μm.

Tốc độ ánh sáng

Nó là hằng số tốc độ truyền của sóng ánh sáng trong chân không có giá trị là 3 × 10 ⁸ m / s. Giá trị của tốc độ ánh sáng thay đổi khi nó truyền trong môi trường vật chất.

Bước sóng

Một thước đo khoảng cách giữa một đỉnh và một đỉnh khác hoặc giữa một thung lũng và một thung lũng khác của sóng khi nó truyền đi.

Tia cực tím

Bức xạ điện từ không nhìn thấy phổ có bước sóng nhỏ hơn 400 nm.

Định luật Quang học Vật lý

Dưới đây đề cập đến một số định luật quang học vật lý mô tả các hiện tượng phân cực và giao thoa

Luật Fresnell và Arago

1. Hai sóng ánh sáng phân cực thẳng, kết hợp và trực giao không giao thoa với nhau tạo thành hình giao thoa.
2. Hai sóng ánh sáng phân cực thẳng, kết hợp và song song có thể giao thoa trong một vùng không gian.
3. Hai sóng ánh sáng tự nhiên phân cực thẳng, không kết hợp và trực giao không giao thoa với nhau tạo thành hình giao thoa.

Luật Malus

Định luật Malus phát biểu rằng cường độ ánh sáng truyền bởi một bộ phân cực tỷ lệ thuận với bình phương cosin của góc tạo thành trục truyền của bộ phân cực và trục phân cực của ánh sáng tới. Nói cách khác:

I = cường độ ánh sáng truyền bởi bộ phân cực

θ = Góc giữa trục truyền và trục phân cực của chùm tia tới

I ₀ = Cường độ ánh sáng sự cố

Luật Malus

Luật Brewster

Chùm sáng phản xạ bởi một bề mặt bị phân cực hoàn toàn, theo phương pháp tuyến của mặt phẳng tới của tia sáng, khi góc giữa chùm phản xạ và chùm khúc xạ bằng 90 °.

Luật Brewster

Các ứng dụng

Một số ứng dụng của quang học vật lý là trong nghiên cứu tinh thể lỏng, trong thiết kế các hệ thống quang học và đo lường quang học.

Tinh thể lỏng

Tinh thể lỏng là những vật chất được giữ giữa trạng thái rắn và trạng thái lỏng, các phân tử của chúng có mômen lưỡng cực gây ra sự phân cực của ánh sáng chiếu vào chúng. Từ tính chất này, màn hình cho máy tính, màn hình, máy tính xách tay và điện thoại di động đã được phát triển.

Đồng hồ kỹ thuật số với màn hình tinh thể lỏng (LCD)

Thiết kế hệ thống quang học

Hệ thống quang học thường được sử dụng trong cuộc sống hàng ngày, khoa học, công nghệ và chăm sóc sức khỏe. Hệ thống quang học cho phép thông tin được xử lý, ghi lại và truyền từ các nguồn sáng như mặt trời, đèn LED, đèn vonfram hoặc tia laser. Ví dụ về hệ thống quang học là máy đo nhiễu xạ và giao thoa kế.

Đo lường quang học

Nó chịu trách nhiệm thực hiện các phép đo độ phân giải cao của các thông số vật lý dựa trên sóng ánh sáng. Các phép đo này được thực hiện với giao thoa kế và dụng cụ khúc xạ. Trong lĩnh vực y tế, đo lường được sử dụng để theo dõi liên tục các dấu hiệu sinh tồn của bệnh nhân.

Nghiên cứu gần đây về Quang học vật lý

Hiệu ứng Kerker cơ bản (AV Poshakinskiy1 và AN Poddubny, ngày 15 tháng 1 năm 2019)

Poshakinskiy và Poddubny (1) đã chỉ ra rằng các hạt nano chuyển động dao động có thể biểu hiện một hiệu ứng cơ học tương tự như hiệu ứng được đề xuất bởi Kerker và cộng sự (2) vào năm 1983.

Hiệu ứng Kerker là một hiện tượng quang học bao gồm việc thu được hướng ánh sáng mạnh bị phân tán bởi các hạt từ trường hình cầu. Tính định hướng này đòi hỏi các hạt phải có phản ứng từ có cùng cường độ với lực điện.

Hiệu ứng Kerker là một đề xuất lý thuyết đòi hỏi các hạt vật chất có đặc tính từ và điện hiện không tồn tại trong tự nhiên. Poshakinskiy và Poddubny đã đạt được hiệu ứng tương tự đối với các hạt nano, không có phản ứng từ đáng kể, dao động trong không gian.

Các tác giả đã chỉ ra rằng dao động của hạt có thể tạo ra các phân cực từ và điện giao thoa một cách thích hợp, bởi vì các thành phần phân cực từ và điện có cùng bậc độ lớn được gây ra trong hạt khi xem xét sự tán xạ không đàn hồi của ánh sáng.

Các tác giả đề xuất ứng dụng hiệu ứng cơ-quang học trong các thiết bị quang học nano bằng cách làm cho chúng dao động bằng cách ứng dụng sóng âm.

Giao tiếp quang học ngoài cơ thể (DR Dhatchayeny và YH Chung, tháng 5 năm 2019)

Dhatchayeny và Chung (3) đề xuất một hệ thống truyền thông quang học ngoài cơ thể (OEBC) thử nghiệm có thể truyền thông tin dấu hiệu quan trọng của con người thông qua các ứng dụng trên điện thoại di động với công nghệ Android. Hệ thống bao gồm một bộ cảm biến và một trung tâm diode (dãy đèn LED).

Các cảm biến được đặt trên các bộ phận khác nhau của cơ thể để phát hiện, xử lý và giao tiếp các dấu hiệu quan trọng như mạch, nhiệt độ cơ thể và nhịp hô hấp. Dữ liệu được thu thập thông qua dãy đèn LED và truyền qua camera của điện thoại di động với ứng dụng quang học.

Dãy đèn LED phát ra ánh sáng trong dải bước sóng tán xạ Rayleigh Gans Debye (RGB). Mỗi màu sắc và sự kết hợp màu sắc của ánh sáng phát ra có liên quan đến các dấu hiệu quan trọng.

Hệ thống do các tác giả đề xuất có thể tạo điều kiện thuận lợi cho việc theo dõi các dấu hiệu sinh tồn một cách đáng tin cậy, vì sai số trong kết quả thí nghiệm là tối thiểu.

Người giới thiệu

1. Hiệu ứng Kerker cơ bản. Poshakinskiy, AV và Poddubny, A N. 1, 2019, Physical Review X, Vol. 9, pp. 2160-3308.
2. Sự tán xạ điện từ của các quả cầu từ trường. Kerker, M, Wang, DS và Giles, C L. 6, 1982, Tạp chí của Hiệp hội Quang học Hoa Kỳ, Tập 73.
3. Giao tiếp quang học ngoài cơ thể sử dụng camera điện thoại thông minh để truyền các dấu hiệu quan trọng của con người. Dhatchayeny, D và Chung, Y. 15, 2019, Appl. Opt., Tập 58.
4. Al-Azzawi, A. Nguyên tắc và Thực hành Quang học Vật lý. Boca Raton, FL: CRC Press Taylor & Francis Group, 2006.
5. Grattan-Guiness, I. Đồng hành cùng Bách khoa toàn thư về Lịch sử và Triết học của Khoa học Toán học. New York, Hoa Kỳ: Routledge, 1994, Tập II.
6. Akhmanov, SA và Nikitin, S Yu. Quang học Vật lý. New York: Nhà xuất bản Đại học Oxford, 2002.
7. Lipson, A, Lipson, SG và Lipson, H. Quang học vật lý. Cambridge, Vương quốc Anh: Nhà xuất bản Đại học Cambridge, 2011.
8. Mickelson, A R. Quang học Vật lý. New York: Springer Science + Business Media, 1992.
9. Jenkins, FA và White, H E. Cơ bản về Quang học. NY: Giáo dục Đại học McGraw Hill, 2001.