Optik

Optik dalıdır fiziği ile fırsatlar olduğunu ışığında kendi davranış ve onun özelliklerinin, elektromanyetik radyasyon için vizyon sistemleri ile kullanırken veya ışık yayan. Dalga özelliklerinden dolayı, ışık alanı, görünür dalga boyları aracılığıyla uzak UV'den uzak IR'ye kadar kapsayabilir. Bu özellikler daha sonra radyo dalgaları , mikrodalgalar, X ışınları ve elektromanyetik radyasyon alanlarını kapsar.

Optik olayların çoğu, klasik elektromanyetik açıklama kullanılarak açıklanabilir. Bununla birlikte, bu tanımın eksiksiz olmasına rağmen pratikte uygulanması genellikle zordur: basitleştirilmiş modeller daha sık kullanılır. Bunlardan en yaygın olanı olan geometrik optikler , ışığı düz bir çizgide hareket eden ve yüzeylerden yansıyan veya geçerken kıvrılan ışınlar topluluğu olarak görür. Fiziksel optik gibi dalga etkileri de dahil olmak üzere daha ayrıntılı bir modeli olan kırınım geometrik model dahil değildir ve parazit. Tarihsel olarak, önce ışın tabanlı model, ardından dalga modeli geliştirildi. Elektromanyetik teoride ilerleme XIX inci  ışık elektromanyetik radyasyon olduğunu keşfine yol açtı yüzyıl.

Bazı fenomenler, ışığın hem korpüsküler hem de dalga özelliklerine sahip olduğu gerçeğine bağlıdır. Bu etkilerin açıklaması kuantum mekaniği sayesinde mümkündür. Işığı bir parçacık olarak düşündüğümüzde, onu bir dizi foton olarak modelleyebiliriz . Quantum optiği optik sistemlere kuantum mekaniği uygulamalarına değinir.

Optik uygulamalar bulur ve astronomi , çeşitli mühendislik alanları , fotoğrafçılık ve hatta tıp dahil birçok alanda incelenir . Optiğin pratik uygulamaları çok sayıda teknolojide ve aynalar , lensler , lazerler , optik fiberler , mikroskoplar ve hatta optik teleskoplar gibi günlük nesnelerde bulunabilir .

Giriş

Tarihsel olarak, mercek Antik Çağ'da görünür, daha sonra Persler de dahil olmak üzere Müslüman alimler tarafından geliştirilmiştir . Her şeyden önce geometrik. Batılılar tarafından Alhazen olarak bilinen İranlı bilim adamı İbn-i Heysem (965-1039), modern optiğin, deneysel fiziğin ve bilimsel yöntemin babası olarak kabul edilir. Çalışmasının bir kısmının Latince çevirisi olan Optik Üzerine İnceleme , Batı bilimi üzerinde büyük bir etkiye sahip olmuştur.

Geometrik optik doğrusal yayılma ve: basit ilkelere göre ışık yayılma analizi sağlar geriye dönüşümü . Yansıma ve kırılma olaylarını açıklayabildi . O kadar ileri XVIII inci  yüzyılın , ne zaman yol açan bu tür engellerin çevresinde veya belirli kristaller geçen ışık bölünme ışığın deformasyon gibi yeni fenomenler, keşfedilmesi, XIX inci  yüzyıla fiziksel gelişiminde veya dalga optiği.

Fiziksel optik bir gibi hafif gördüğü dalga  ; girişim , kırınım ve polarizasyon fenomenlerini hesaba katar .

Başında XX inci  yüzyıl teorileri Einstein doğa parçacık ışık foton ve yol açacaktır kuantum optiği . Fizikçiler daha sonra ışığın hem dalga hem de parçacık özelliklerine sahip olduğunu kabul etmek zorunda kalıyorlar. Buradan, Louis de Broglie , dalga mekaniği aracılığıyla , foton bir parçacık gibi davranabiliyorsa, elektron veya proton gibi parçacıkların da dalgalar gibi davranabileceğini düşünüyor.

Farklı yaklaşımlar

Geometrik optik

Alhazen tarafından tanıtılan geometrik optik , basit gözlemler temelinde geliştirilmiştir ve iki ilkeye ve ampirik yasalara dayanmaktadır:

Problemler geometrik yapılar (yarıçapları oluşturan düz çizgilerin grafikleri, açı hesaplamaları), dolayısıyla geometrik optiğin adı ile çözülür. Polarizasyon veya girişimle ilgili fenomenleri modellemeye çalışmadığı ve sistemin hiçbir boyutu kullanılan ışığın dalga boyuyla karşılaştırılabilir veya bundan daha küçük olmadığı sürece iyi sonuçlar verir .

Geometrik optik, aynalar , diyoptri ve lensler veya bunların ikili kombinasyonları ve özellikle optik cihazları oluşturan optik sistemler ile ilgili hemen hemen tüm sonuçların bulunmasını mümkün kılar .

Ayrıca, Gauss yaklaşımı çerçevesinde , geometrik optik, matrisler gibi matematiksel araçların kullanımına ve hesaplamaların bilgisayar tarafından sistematize edilmesine izin veren doğrusal matematiksel ilişkiler verir .

Dalga optiği veya fiziksel optik

Geometrik optikler tamamen fenomenolojik optikler iken ve muhtemelen enerjiyi taşımaları dışında ışığın doğası hakkında hiçbir varsayımda bulunmamakla birlikte, dalga optiği (bazen "fiziksel optik" olarak da adlandırılır) ışığı bir dalga ile modeller.

Skaler dalga modeli ( Huygens-Fresnel prensibi ) kırınım fenomenini (bir delikten, dar bir yarıktan, bir kenarın yakınından geçerken vb.) Ve girişimin yorumlanmasını mümkün kılar. Daha sonra hesaplamalar, üst üste binen sinüs dalgalarının genliklerinin toplamına dayandırılır; bu, faz kaymasına bağlı olarak sıfır sonuca yol açabilen bir toplamdır. İki ışının üst üste gelmesi böylece karanlığı verebilir. Girişim veya kırınım figürlerinin karanlık alanlarında gözlenen şey budur .

O halde, kutuplaşma olgusunu yorumlamak istiyorsa, bunun enine bir dalga hakkında olduğunu düşünmek gerekir. Son olarak Maxwell, ışık dalgalarının yalnızca , onları insanlara görünür kılan bir dizi dalga boyuyla karakterize edilen elektromanyetik dalgalar olduğunu anlamayı mümkün kılacaktır .

Fiziksel optik, optikte, uygulamalı fizikte veya elektrik mühendisliğinde yaygın olarak kullanılan bir yüksek frekans (küçük dalga boyu) yaklaşımının adıdır. Bu bağlamlarda, dalga etkilerini göz ardı eden geometrik optik ile tam bir fiziksel teori olan dalga optiği arasında bir ara yöntemdir.

Bu yaklaşım, bir yüzeydeki alanları tahmin etmek için geometrik optik ışınlarının kullanılmasından ve daha sonra iletilen ve yansıtılan alanları belirlemek için bu alanları tüm aydınlatılmış yüzey boyunca entegre etmekten oluşur.

Optik ve radyofrekans alanlarında, bu yaklaşım, girişim ve polarizasyonun etkilerini hesaplamak ve kırınımın etkilerini tahmin etmek için kullanılır . Tüm yüksek frekans yaklaşımları gibi, fiziksel optik yaklaşımı, yüksek frekanslarla çalıştıkça daha alakalı hale gelir.

Yöntem genel olarak, sonsuz bir metalik düzlemde olduğu gibi, olay manyetik alanı tarafından indüklenen akım yoğunluğu ile bir nesnenin yüzeyindeki elektrik akımının yüzey yoğunluğuna yaklaştırmayı içerir . Fiziksel optik yaklaşımına bazen "teğet düzlem hipotezi" denmesinin nedeni budur.

Aydınlatılmış yüzeyin Q noktasındaki elektrik akımı yoğunluğu aşağıdaki ilişki ile hesaplanır:

burada ışıklı yüzeyin dışındaki birim normal vektöre karşılık gelir. Gölgeli alanlarda (geometrik optik hipotezine göre ışıksız yüzeyler), akım yoğunluğu sıfır olarak kabul edilir. Yüzey tarafından yayılan alanlar daha sonra, aydınlatılmış yüzey üzerindeki elektrik akımı yoğunluğunu Maxwell denklemlerinin integral ifadeleriyle , örneğin Stratton-Chu , Kottler veya Franz integral denklemleriyle birleştirerek hesaplanır .

Bir nesnenin yüzeyindeki elektrik akımının yoğunluğu hakkında yapılan varsayım nedeniyle, incelenen nesneler dalga boyuna göre büyük ve pürüzsüz yüzeylere sahip olduğunda bu yaklaşım daha doğrudur. Aynı nedenden ötürü, bu yaklaşık akım yoğunluğu, aydınlatılan alan ile gölgeli alanlar arasındaki kenarlar veya sınırlar gibi neredeyse süreksizliklerdir. Dahası, bu yaklaşım, sürünen dalgaları hesaba katmaz .

Kuantum optiği

Siyah cisim radyasyonu ve fotoelektrik etki ile ilgili sorunlar , ışığın enerji paketlerinden oluştuğunu düşünmeye yol açtı ( Almanca'da licht quanta , Einstein'dan sonra ).

Daha sonra Compton etkisi , ışığın kendi başına parçacıklardan oluştuğunu düşünmeye yol açtı: fotonlar .

Bu karakterize edilir sıfır kütle , bir hız için eşit c ( sürat ışık), bir enerji , bir frekans ilişkili elektromanyetik dalganın ve ivme ile h göstermekte olup burada Planck'ın sabit ve k dalga vektörü .

Kuantum optik teorisi veya kuantum optiği, ışığın görünüşte uyumsuz iki yönünü, dalga yönünü (girişim fenomeni, kırınım ...) ve korpüsküler yönü (fotoelektrik etki, kendiliğinden emisyon ...) uzlaştırmak için oluşturuldu. Kuantum optiği, esasen elektromanyetik alanın nicelleştirildiği dalga optiğinin yeniden formülasyonudur.

Kuantum optiği ile tüm kesinlikten vazgeçeriz, sadece olasılıklar açısından akıl yürütürüz:

Yüklü parçacık optiği

Yüklü parçacıkların optiği, elektronik optik ve iyon optiği, elektrik ve / veya manyetik alanlar ( manyetik lensler ) kullanılarak kırılan elektron veya iyon ışınlarını kullanarak görüntülerin üretimine karşılık gelir . Avantajlar: Bu ışınlarla ilişkili küçük dalga boyları , böylece görünür ışık kullanan aletlerle elde edilenlerden çok daha büyük çözümleme güçleri elde etmeyi mümkün kılar .

Optik ve biyoloji

Işık, onu üretmek için bile (biyolüminesans) kullanmak için birçok yol geliştiren yaşamda temel bir rol oynar.

Biyo-optik ışık kullanır ve yaşam çalışması ile kendi emme, su özellikle.

Ekolojistler ve biyologlar canlı organizmalar (tabanını kullanabilir ve kendi iyilik ışık emişi işlemek için evrim sırasında öğrendik nasıl okuyan fotosentez değil, aynı zamanda görme, özellikle), şeffaflık, kırınım, girişim, yansıma ve yansıma önleyici, difüzyon, ışık, optik rehberlik ve mercek, dinamik kamuflaj (özellikle bukalemunlar , ahtapotlar ve mürekkep balıklarında ) veya hatta biyolüminesan ...

Canlı organizmalar tarafından ışığı kullanmak (veya onu biyolüminesans yoluyla üretmek) için geliştirilen bu "çözümler" biyomimetikler için de ilgi çekicidir .

Modern optik

Modern optik optik elemanlarını saran (bilim olarak değil, aynı zamanda ilgili mühendislik) popüler hale gelmiştir XX inci  yüzyıl. Bu alanlar tipik olarak ışığın elektromanyetik ve kuantum özellikleriyle ilgilidir ancak başka konuları da içerir. Modern optiğin bir alt alanı olan kuantum optiği, özellikle ışığın kuantum özellikleriyle ilgilenir. Kuantum optiği sadece teorik değildir: lazerler gibi bazı modern cihazların kuantum mekaniğinin kapsamına giren çalışma prensipleri vardır. Gibi Hafif dedektörleri, fotomultiplikatörler veya Channeltrons, tek fotonlar tepki verirler. CCD sensörleri gibi elektronik görüntü sensörleri, ayrı foton gürültüsü istatistiklerine karşılık gelen atış gürültüsü sergiler. Işık yayan diyotlar (LED'ler) ve fotovoltaik paneller de kuantum mekaniği olmadan anlaşılamazdı. Bu cihazları incelerken, genellikle kuantum optiğinin kuantum elektroniği ile örtüştüğü görülür.

Optikte uzmanlaşan araştırma alanları arasında ışık-madde etkileşiminin yanı sıra görüntüleme dışı optikler, doğrusal olmayan optikler, istatistiksel optikler ve radyometri çalışmaları yer alır. Ek olarak, bilgisayar mühendisleri, "gelecek nesil" bilgisayarlarda yer alan olası unsurlar olarak entegre optik, makine görüşü ve optik bilgisayarla ilgilenmişlerdir.

Optik mühendisliğin öne çıkan alt alanları arasında lens tasarımı, optik bileşen üretimi ve testi ve görüntü işleme gibi pratik uygulamalarla aydınlatma mühendisliği, fotonik ve optoelektronik yer alır. Bu alanlardan bazıları bulanık sınırlarla örtüşüyor. Doğrusal olmayan optik alanında profesyonel bir araştırmacılar topluluğu, lazer teknolojisindeki ilerlemelere bağlı olarak son on yılda büyüdü.

Lazerler

Bir lazer uyarılmış emisyon adı verilen bir işlemle yayar (elektromanyetik radyasyon) hafif bir cihazdır. Lazer terimi, Uyarılmış Radyasyon Emisyonu ile Işık Amplifikasyonunun kısaltmasıdır . Lazer ışığı genellikle uzamsal olarak uyumludur, bu da ışığın ya düşük ıraksama ile dar bir ışın içinde yayıldığı ya da mercimek gibi optik bileşenler kullanılarak böyle bir ışına dönüştürülebileceği anlamına gelir. Lazerin mikrodalga eşdeğeri olan maser ilk etapta geliştirildiği için mikrodalga ve radyo frekansı yayan cihazlar genel olarak maser olarak adlandırılır.

İlk fonksiyonel lazer, 16 Mayıs 1960Hughes Araştırma Laboratuvarlarında Théodore Maiman tarafından. İcat edildiklerinde, "problem bulmanın çözümü" olarak adlandırıldılar. O zamandan beri lazerler milyarlarca dolarlık bir endüstri haline geldi ve binlerce çok çeşitli uygulamada kullanım alanı buldu. Günlük yaşamda görünür lazerlerin ilk uygulaması, 1974'te piyasaya sürülen süpermarketlerdeki barkod tarayıcıydı . CD (kompakt disk), 1982'den itibaren tüketicilerin evlerinde yaygın olarak bulunan ilk lazerle çalışan depolama cihazıydı. Bu optik depolamalar Cihazlar, yüzeyinde kaydedilen verileri almak için diskin yüzeyini taramak için spot çapı bir milimetreden çok daha küçük olan (yaklaşık 1,04 μm) bir lazer kullanır. Fiber optik iletişim aynı zamanda lazerlerin büyük miktarda bilgiyi ışık hızında iletmesine de dayanır. Lazerlerin diğer yaygın uygulamaları arasında lazer yazıcılar ve lazer işaretçiler bulunur . Ayrıca lazer göz cerrahisi gibi alanlarda ve füze savunma sistemleri , elektro-optik karşı önlemler (EOCM'ler) ve lidar gibi askeri uygulamalarda tıbbi olarak kullanılırlar . Lazerler ayrıca hologramlarda , 3 boyutlu cam kazıma, lazer gösterileri ve lazer epilasyonda da kullanılmaktadır.

Kapitsa-Dirac etkisi

Kapitsa Dirac etkisi  (en) sabit ışık dalgalarının bir araya kaynaklanan kırınımı ile parçacık ışınları neden olur . Işık, çeşitli fenomenleri kullanarak maddeyi konumlandırmak için kullanılabilir .

Uygulamalı optik

Optik ve uygulama alanları, optiğe özel yaklaşımlar oluşturabilir. Uygulama alanına özgü kısıtlamalar, optik yasalarının, notasyonların, kullanılan yaklaşımların vb. Kullanım şeklini değiştirecektir.

Tam olarak değil, aşağıdaki ana alanları buluyoruz:

Fizyolojik optik

"Görme bilimi" olarak tanımlanan fizyolojik optik, gözün maddi yapısı için anatomiye hitap eder ; işleyişi için fizyolojiye ; için ilaç olarak, hastalıklar için; ışık ışınlarının göz küresinde yayılması için fiziksel optiğin farklı özellikleri; içerisinde kimya , boyaların çalışma ve sinir impulslarının içine ışık enerjisi dönüşüm açıklanması için; görsel aygıtın bir bütün olarak incelenmesi için deneysel psikolojiye ve eğitiminin incelenmesi için bilişsel psikolojiye , bireyleri görme kapasitesine getirme.

Fotoğraf optik

Geometrik optiğe çok benzeyen bir alan olan fotoğrafa uygulanan optik, terminolojisine göre ve aynı zamanda kameradaki bir sensörün veya filmdeki bir sensörün varlığı nedeniyle elektronik kavramları birbirine bağlayabilmesi nedeniyle farklılık gösterir.

Geometrik optik, fotografik optiklerin görüntünün kalitesi, sapmalar ve parlaklık ile çok ilgileneceği, ışığın yayılmasına ilişkin belirli bir fikir etrafında dönen genel bir alan olmaya devam etmektedir.Bu nedenle önemli radyometri kavramlarını içerir.

Optronics

Optronics, hem optik hem de elektroniği kullanan ekipman veya sistemleri uygulamak için bir tekniktir. Genellikle bir optik sensör, bir görüntü işleme sistemi ve bir ekran veya depolama sistemini birleştirir.

Atmosferik optik

Atmosferin benzersiz optik özellikleri, çok çeşitli muhteşem optik olaylara neden olur. Gökyüzünün mavi rengi, yüksek frekanslı (mavi) güneş ışığını izleyicinin görüş alanına yeniden yönlendiren Rayleigh saçılmasının doğrudan bir sonucudur . Mavi ışık kırmızı ışıktan daha kolay dağıldığı için, gün doğumu veya gün batımı gibi kalın bir atmosferde bakıldığında güneş kırmızımsı bir renk alır. Gökyüzündeki ek parçacıklar, farklı açılardan farklı renkleri saçarak alacakaranlıkta ve şafakta renkli, parlayan bir gökyüzü oluşturabilir. Buz kristallerinin ve diğer parçacıkların atmosferdeki difüzyonu haleler, son parlama, taçlar ve güneş ışınlarından sorumludur. Bu tür fenomenlerdeki varyasyon, farklı partikül boyutları ve farklı geometrilerden kaynaklanmaktadır.

Serap ışık ışınları dolayı uzak nesnelerin oldukça deforme veya yerinden görüntü üreten hava kırılma indeksi termal değişimler, bükülmüş olan optik bir olgudur. Diğer ilgili optik fenomenler arasında, güneşin çarpık bir şekilde beklenenden daha erken doğduğu Novaya Zemlya etkisi yer alır. Fata Morgana adı verilen ve ufuktaki veya adalar, uçurumlar, gemiler veya buzdağları gibi ufkun ötesindeki nesnelerin uzun ve yüksek göründüğü bir sıcaklık dönüşümü ile dramatik bir kırılma şekli meydana gelir .

Gökkuşağında iç yansıma ve yağmur damlalarının ışık dağıtıcı kırılma kombinasyonundan sonucudur. Bir dizi yağmur damlasındaki tek bir yansıma, gökyüzünde 40 ° ile 42 ° arasında değişen, dışı kırmızı olan bir gökkuşağı oluşturur. Çift gökkuşakları, dışta mor olmak üzere 50.5 ° ile 54 ° arasında bir açısal boyuta sahip iki iç yansıma ile üretilir.

Notlar ve referanslar

  1. (de) Abhandlung über das Licht, J. Baarmann (ed. 1882) Zeitschrift der Deutschen Morgenländischen Gesellschaft Cilt 36
  2. (in) news.bbc.co.uk sitesindeki 'ilk gerçek bilim insanı'
  3. (in) Thiele, Rüdiger (2005), "In Memoriam: Matthias Schramm," Arabic Sciences and Philosophy (Cambridge University Press) 15: 329-331, doi: 10.1017 / S0957423905000214
  4. Thiele, Rüdiger (Ağustos 2005), "Anısına: Matthias Schramm, 1928–2005", Historia Mathematica 32 (3): 271–274, doi: 10.1016 / j.hm.2005.05.002
  5. (içinde) Grant 1974 s.  392 , Opticae Thesaurus Alhazen Arabis, De Aspectibus ve ayrıca Perspectiva olarak da adlandırıldığını belirtti.
  6. Horst Stöcker, Francis Jundt, Georges Guillaume, "Tüm fizik", Dunod, 1999
  7. Vantrepotte V (2003). Birincil üretimi tahmin etmek ve fitoplankton salgınlarını izlemek için Doğu Kanalı'ndaki kıyı sularının biyo-optik karakterizasyonu: kıyı ortamlarında "su rengi" uydu uzaktan algılamaya uygulama . Sahil şeridi | özet ).
  8. Gernez P (2009) Ligurya Denizi'ndeki optik özelliklerin enstrümantasyonlu bir ankrajdan (Boussole bölgesi) zamansal değişkenliğinin analizi: yüksek frekans dalgalanmaları, günlük döngüsellik, mevsimsel değişiklikler ve yıllar arası değişkenlik (Doktora tezi, Paris 6) | özet .
  9. Paolin M (2012). Yarı kapalı bir lagünde ışık zayıflamasını kontrol eden faktörlerin incelenmesi . Arcachon Havzası için bir biyo-optik modelin kalibrasyonu .
  10. Niewiadomska K (2008). Farklı uzaysal ve zamansal ölçeklerde fizik-biyojeokimya eşleşmesi: biyo-optik denizaltı planörüyle incelenen Ligurya akımı durumu (Doktora tezi, Paris 6) özeti .
  11. Pikul JH ve ark. (2017) “Sentetik kamufle edici kaplamalar için programlanabilir 3D doku geçişine sahip gerilebilir yüzeyler” | Science 13 Ekim 2017 | Cilt. 358, Sayı 6360, s. 210-214 | DOI: 10.1126 / science.aan5627 | [ http://science.sciencemag.org/content/358/6360/210 özet]
  12. Octo camouflage (sweetrandomscience), erişim tarihi 14 Ekim 2017
  13. DF Walls ve GJ Milburn Quantum Optics (Springer 1994)

Ayrıca görün

İlgili Makaleler

İlgili konular

Dış bağlantılar