ฟิสิกส์แสง: ประวัติศาสตร์ข้อกำหนดทั่วไปกฎหมายการใช้งาน - กายภาพ - 2026

เลนส์ทางกายภาพเป็นส่วนหนึ่งของการศึกษาแสงธรรมชาติคลื่นของแสงและปรากฏการณ์ทางกายภาพที่เข้าใจเพียง แต่จากรูปแบบคลื่น นอกจากนี้ยังศึกษาปรากฏการณ์ของการรบกวนการโพลาไรซ์การเลี้ยวเบนและปรากฏการณ์อื่น ๆ ที่ไม่สามารถอธิบายได้จากเลนส์ทางเรขาคณิต

แบบจำลองคลื่นกำหนดแสงเป็นคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าที่มีสนามไฟฟ้าและสนามแม่เหล็กแกว่งในแนวตั้งฉากซึ่งกันและกัน

คลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า

สนามไฟฟ้า (E) ของคลื่นแสงทำงานในลักษณะเดียวกับสนามแม่เหล็ก (B) แต่สนามไฟฟ้ามีอำนาจเหนือสนามแม่เหล็กเนื่องจากความสัมพันธ์ของ Maxwell (1831–1879) ซึ่งกำหนดสิ่งต่อไปนี้:

โดยที่ c = ความเร็วของการแพร่กระจายของคลื่น

ทัศนศาสตร์ทางกายภาพไม่ได้อธิบายสเปกตรัมการดูดกลืนและการแผ่รังสีของอะตอม ในทางกลับกันเลนส์ควอนตัมกล่าวถึงการศึกษาปรากฏการณ์ทางกายภาพเหล่านี้

ประวัติศาสตร์

ประวัติความเป็นมาของทัศนศาสตร์ทางกายภาพเริ่มต้นจากการทดลองของ Grimaldi (1613-1663) ซึ่งสังเกตเห็นว่าเงาที่ส่องโดยวัตถุที่ส่องสว่างนั้นดูกว้างขึ้นและล้อมรอบด้วยแถบสี

เขาเรียกปรากฏการณ์การเลี้ยวเบนที่สังเกตได้ งานทดลองของเขาทำให้เขาเสนอลักษณะคลื่นของแสงซึ่งตรงข้ามกับแนวคิดของไอแซกนิวตันที่มีชัยในช่วงศตวรรษที่ 18

กระบวนทัศน์แบบนิวตันกำหนดว่าแสงมีพฤติกรรมเหมือนรังสีของคลังข้อมูลขนาดเล็กที่เคลื่อนที่ด้วยความเร็วสูงในเส้นทางเส้นตรง

Robert Hooke (1635-1703) ปกป้องธรรมชาติของคลื่นของแสงในการศึกษาเรื่องสีและการหักเหของแสงโดยระบุว่าแสงมีพฤติกรรมเหมือนคลื่นเสียงที่แพร่กระจายอย่างรวดเร็วเกือบจะทันทีผ่านสื่อวัสดุ

ต่อมา Huygens (1629–1695) ตามความคิดของ Hooke ได้รวมทฤษฎีคลื่นแสงไว้ในTraité de la lumière (1690) ของเขาซึ่งเขาสันนิษฐานว่าคลื่นแสงที่ปล่อยออกมาจากร่างกายที่ส่องสว่างแพร่กระจายผ่าน ของตัวกลางที่บอบบางและยืดหยุ่นเรียกว่าอีเธอร์

ทฤษฎีคลื่นของ Huygens อธิบายปรากฏการณ์ของการสะท้อนการหักเหและการเลี้ยวเบนได้ดีกว่าทฤษฎีร่างกายของนิวตันมากและแสดงให้เห็นว่าความเร็วของแสงจะลดลงเมื่อผ่านจากตัวกลางที่มีความหนาแน่นน้อยไปยังตัวกลางที่หนาแน่นน้อยกว่า

ความคิดของ Huygens ไม่ได้รับการยอมรับจากนักวิทยาศาสตร์ในเวลานั้นด้วยเหตุผลสองประการ ประการแรกคือความเป็นไปไม่ได้ที่จะอธิบายคำจำกัดความของอีเธอร์ได้อย่างน่าพอใจและประการที่สองคือศักดิ์ศรีของนิวตันเกี่ยวกับทฤษฎีกลศาสตร์ของเขาซึ่งมีอิทธิพลต่อนักวิทยาศาสตร์ส่วนใหญ่ในการตัดสินใจสนับสนุนกระบวนทัศน์ของแสงในร่างกาย

ทฤษฎีการเกิดใหม่ของคลื่น

ในช่วงต้นศตวรรษที่ 19 Tomas Young (1773–1829) ประสบความสำเร็จในการทำให้ชุมชนวิทยาศาสตร์ยอมรับแบบจำลองคลื่นของ Huygens จากผลการทดลองการรบกวนแสงของเขา การทดลองทำให้สามารถกำหนดความยาวคลื่นของสีต่างๆได้

ในปีพ. ศ. 2361 Fresnell (1788–1827) ได้ปรับปรุงทฤษฎีคลื่นของ Huygens ในแง่ของหลักการรบกวน นอกจากนี้เขายังอธิบายถึงปรากฏการณ์การเกิดแสงสะท้อนซึ่งทำให้เขายืนยันได้ว่าแสงเป็นคลื่นตามขวาง

ในปี 1808 Arago (1788–1853) และ Malus (1775-1812) ได้อธิบายปรากฏการณ์ของแสงโพลาไรซ์จากแบบจำลองคลื่น

ผลการทดลองของ Fizeau (1819-1896) ในปี 1849 และ Foucalt (1819-1868) ในปี 1862 แสดงให้เห็นว่าแสงแพร่กระจายในอากาศได้เร็วกว่าในน้ำซึ่งขัดแย้งกับคำอธิบายของ Newton

ในปีพ. ศ. 2415 แมกซ์เวลล์ได้ตีพิมพ์บทความเกี่ยวกับไฟฟ้าและแม่เหล็กซึ่งเขาได้กล่าวถึงสมการที่สังเคราะห์แม่เหล็กไฟฟ้า จากสมการของเขาเขาได้สมการคลื่นที่ทำให้เขาสามารถวิเคราะห์พฤติกรรมของคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าได้

แมกซ์เวลล์พบว่าความเร็วของการแพร่กระจายของคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้ามีความสัมพันธ์กับตัวกลางในการแพร่กระจายและเกิดขึ้นพร้อมกับความเร็วแสงสรุปได้ว่าแสงเป็นคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า

ในที่สุดเฮิรตซ์ (1857–1894) ในปี พ.ศ. 2431 ประสบความสำเร็จในการผลิตและตรวจจับคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าและยืนยันว่าแสงเป็นคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าชนิดหนึ่ง

ทัศนศาสตร์ทางกายภาพศึกษาอะไร?

ทัศนศาสตร์ทางกายภาพศึกษาปรากฏการณ์ที่เกี่ยวข้องกับธรรมชาติของคลื่นของแสงเช่นการรบกวนการเลี้ยวเบนและโพลาไรซ์

การรบกวน

การรบกวนคือปรากฏการณ์ที่คลื่นแสงสองลูกขึ้นไปทับซ้อนกันโดยอยู่ร่วมกันในพื้นที่เดียวกันก่อให้เกิดแถบแสงที่สว่างและมืด

แถบสว่างเกิดขึ้นเมื่อรวมคลื่นหลาย ๆ คลื่นเข้าด้วยกันเพื่อสร้างคลื่นแอมพลิจูดที่ใหญ่ขึ้น การรบกวนประเภทนี้เรียกว่าการรบกวนที่สร้างสรรค์

เมื่อคลื่นซ้อนทับกันเพื่อสร้างคลื่นแอมพลิจูดที่ต่ำกว่าการรบกวนจะเรียกว่าการรบกวนแบบทำลายล้างและเกิดแถบของแสงมืด

การรบกวน

วิธีการกระจายแถบสีเรียกว่ารูปแบบการรบกวน การรบกวนสามารถมองเห็นได้ในฟองสบู่หรือชั้นน้ำมันบนถนนเปียก

การเลี้ยวเบน

ปรากฏการณ์ของการเลี้ยวเบนคือการเปลี่ยนแปลงทิศทางของการแพร่กระจายที่คลื่นแสงประสบเมื่อกระทบกับสิ่งกีดขวางหรือช่องเปิดโดยเปลี่ยนแอมพลิจูดและเฟสของมัน

เช่นเดียวกับปรากฏการณ์ของการรบกวนการเลี้ยวเบนเป็นผลมาจากการซ้อนทับของคลื่นที่เชื่อมโยงกัน คลื่นแสงสองตัวขึ้นไปจะเชื่อมโยงกันเมื่อมันสั่นด้วยความถี่เดียวกันเพื่อรักษาความสัมพันธ์เฟสคงที่

เมื่อสิ่งกีดขวางมีขนาดเล็กลงเรื่อย ๆ เมื่อเทียบกับความยาวคลื่นปรากฏการณ์ของการเลี้ยวเบนจะมีอิทธิพลเหนือปรากฏการณ์การสะท้อนและการหักเหของแสงในการกำหนดการกระจายของรังสีคลื่นแสงเมื่อกระทบกับสิ่งกีดขวาง .

โพลาไรซ์

โพลาไรเซชันเป็นปรากฏการณ์ทางกายภาพที่คลื่นสั่นในทิศทางเดียวที่ตั้งฉากกับระนาบที่มีสนามไฟฟ้า ถ้าคลื่นไม่มีทิศทางการแพร่กระจายคงที่ก็บอกว่าคลื่นนั้นไม่มีขั้ว โพลาไรเซชันมีสามประเภท ได้แก่ โพลาไรซ์เชิงเส้นโพลาไรซ์แบบวงกลมและโพลาไรซ์รูปไข่

ถ้าคลื่นสั่นขนานกับเส้นคงที่ซึ่งอธิบายถึงเส้นตรงในระนาบของโพลาไรซ์ก็ว่ากันว่าเป็นโพลาไรซ์เชิงเส้น

เมื่อเวกเตอร์สนามไฟฟ้าของคลื่นอธิบายถึงวงกลมในระนาบที่ตั้งฉากกับทิศทางเดียวกันของการแพร่กระจายโดยรักษาขนาดของคลื่นให้คงที่คลื่นจะถูกบอกว่าเป็นโพลาไรซ์แบบวงกลม

หากเวกเตอร์สนามไฟฟ้าของคลื่นอธิบายถึงวงรีในระนาบที่ตั้งฉากกับทิศทางเดียวกันของการแพร่กระจายคลื่นจะถูกกล่าวว่าเป็นโพลาไรซ์รูปไข่

ข้อกำหนดที่ใช้บ่อยในทัศนศาสตร์ทางกายภาพ

โพลาไรซ์

เป็นตัวกรองที่อนุญาตให้แสงเพียงบางส่วนที่มุ่งไปในทิศทางเดียวเท่านั้นที่จะผ่านมันไปได้โดยไม่ปล่อยให้คลื่นที่มุ่งไปในทิศทางอื่นผ่าน

ด้านหน้าคลื่น

เป็นพื้นผิวเรขาคณิตที่ทุกส่วนของคลื่นมีเฟสเดียวกัน

ความกว้างของคลื่นและเฟส

แอมพลิจูดคือการยืดตัวสูงสุดของคลื่น เฟสของคลื่นคือสถานะของการสั่นสะเทือนในช่วงเวลาหนึ่ง คลื่นสองคลื่นอยู่ในเฟสเมื่อมีการสั่นสะเทือนเหมือนกัน

มุมเบียร์

มันคือมุมตกกระทบของแสงที่คลื่นแสงที่สะท้อนจากแหล่งกำเนิดมีขั้วอย่างเต็มที่

อินฟราเรด

แสงที่มองไม่เห็นด้วยตามนุษย์ในสเปกตรัมการแผ่รังสีแม่เหล็กไฟฟ้าตั้งแต่ 700 นาโนเมตรถึง 1,000 ไมครอน

ความเร็วของแสง

เป็นค่าคงที่ความเร็วของการแพร่กระจายของคลื่นแสงในสุญญากาศซึ่งมีค่า 3 × 10 ⁸ m / s ค่าความเร็วของแสงจะแตกต่างกันไปเมื่อแพร่กระจายไปในตัวกลางของวัสดุ

ความยาวคลื่น

การวัดระยะห่างระหว่างยอดกับยอดอื่นหรือระหว่างหุบเขาและอีกหุบเขาหนึ่งของคลื่นขณะที่มันแพร่กระจาย

อัลตราไวโอเลต

รังสีแม่เหล็กไฟฟ้าที่มองไม่เห็นที่มีสเปกตรัมของความยาวคลื่นน้อยกว่า 400 นาโนเมตร

กฎของทัศนศาสตร์ทางกายภาพ

ด้านล่างนี้จะกล่าวถึงกฎบางประการของทัศนศาสตร์ทางกายภาพที่อธิบายปรากฏการณ์ของโพลาไรซ์และการรบกวน

กฎหมาย Fresnell และ Arago

1. คลื่นแสงสองดวงที่มีโพลาไรซ์เชิงเส้นสอดคล้องกันและตั้งฉากกันจะไม่รบกวนซึ่งกันและกันเพื่อสร้างรูปแบบการรบกวน
2. คลื่นแสงสองดวงที่มีโพลาไรซ์เชิงเส้นเชื่อมโยงกันและขนานกันสามารถรบกวนพื้นที่หนึ่ง ๆ
3. คลื่นแสงธรรมชาติสองคลื่นที่มีโพลาไรซ์เชิงเส้นไม่เชื่อมโยงกันและตั้งฉากกันจะไม่รบกวนซึ่งกันและกันเพื่อสร้างรูปแบบการรบกวน

กฎหมาย Malus

กฎของมาลัสระบุว่าความเข้มของแสงที่ส่งผ่านโพลาไรเซอร์เป็นสัดส่วนโดยตรงกับกำลังสองของโคไซน์ของมุมที่เป็นแกนส่งของโพลาไรเซอร์และแกนของโพลาไรซ์ของแสงตกกระทบ กล่าวอีกนัยหนึ่ง:

I = ความเข้มของแสงที่ส่งผ่านโพลาไรเซอร์

θ = มุมระหว่างแกนส่งและแกนโพลาไรซ์ของลำแสงตกกระทบ

I ₀ = ความเข้มของแสงที่เกิดขึ้น

กฎหมาย Malus

กฎหมายของ Brewster

ลำแสงที่สะท้อนจากพื้นผิวจะมีโพลาไรซ์อย่างเต็มที่ในทิศทางปกติของระนาบการเกิดแสงเมื่อมุมที่ลำแสงสะท้อนก่อตัวกับลำแสงหักเหเท่ากับ 90 °

กฎหมายของ Brewster

การประยุกต์ใช้งาน

การประยุกต์ใช้ทัศนศาสตร์ทางกายภาพบางส่วนอยู่ในการศึกษาผลึกเหลวในการออกแบบระบบแสงและในมาตรวิทยาทางแสง

ผลึกเหลว

ผลึกเหลวเป็นวัสดุที่ถูกเก็บไว้ระหว่างสถานะของแข็งและสถานะของเหลวซึ่งโมเลกุลมีโมเมนต์ไดโพลที่ทำให้เกิดโพลาไรเซชันของแสงที่ตกกระทบ จากคุณสมบัตินี้ได้มีการพัฒนาหน้าจอสำหรับเครื่องคิดเลขจอภาพแล็ปท็อปและโทรศัพท์มือถือ

นาฬิกาดิจิตอลพร้อมจอแสดงผลคริสตัลเหลว (LCD)

การออกแบบระบบออปติก

ระบบแสงมักใช้ในชีวิตประจำวันวิทยาศาสตร์เทคโนโลยีและการดูแลสุขภาพ ระบบออปติคอลช่วยให้สามารถประมวลผลบันทึกและส่งข้อมูลจากแหล่งกำเนิดแสงเช่นดวงอาทิตย์ LED หลอดไฟทังสเตนหรือเลเซอร์ ตัวอย่างของระบบออปติคัล ได้แก่ ดิฟแฟร็กโตมิเตอร์และอินเตอร์เฟอโรมิเตอร์

มาตรวิทยาทางแสง

มีหน้าที่ในการวัดค่าความละเอียดสูงของพารามิเตอร์ทางกายภาพโดยพิจารณาจากคลื่นแสง การวัดเหล่านี้ทำด้วยอินเตอร์เฟอโรมิเตอร์และเครื่องมือวัดการหักเหของแสง ในทางการแพทย์มีการใช้มาตรวิทยาเพื่อตรวจสอบสัญญาณชีพของผู้ป่วยอย่างต่อเนื่อง

การวิจัยล่าสุดทางทัศนศาสตร์ทางกายภาพ

Optomechanical Kerker effect (AV Poshakinskiy1 และ AN Poddubny 15 มกราคม 2019)

Poshakinskiy และ Poddubny (1) แสดงให้เห็นว่าอนุภาคนาโนเมตริกที่มีการเคลื่อนที่แบบสั่นสามารถแสดงผลทางกลเชิงแสงที่คล้ายคลึงกับที่ Kerker et al (2) เสนอในปี 1983

ผลเคอร์เกอร์เป็นปรากฏการณ์ทางแสงที่ประกอบด้วยการได้รับทิศทางที่รุนแรงของแสงที่กระจัดกระจายโดยอนุภาคแม่เหล็กทรงกลม ทิศทางนี้ต้องการให้อนุภาคมีการตอบสนองของแม่เหล็กที่มีความเข้มเท่ากับแรงทางไฟฟ้า

ผล Kerker เป็นข้อเสนอเชิงทฤษฎีที่ต้องการอนุภาคของวัสดุที่มีลักษณะแม่เหล็กและไฟฟ้าซึ่งในปัจจุบันไม่มีอยู่ในธรรมชาติ Poshakinskiy และ Poddubny ได้ผลเช่นเดียวกันกับอนุภาคนาโนเมตริกโดยไม่มีการตอบสนองทางแม่เหล็กที่สำคัญซึ่งสั่นสะเทือนในอวกาศ

ผู้เขียนแสดงให้เห็นว่าการสั่นของอนุภาคสามารถสร้างโพลาไรซ์แม่เหล็กและไฟฟ้าที่รบกวนได้อย่างเหมาะสมเนื่องจากส่วนประกอบของขั้วแม่เหล็กและไฟฟ้าที่มีลำดับขนาดเดียวกันเกิดขึ้นในอนุภาคเมื่อพิจารณาการกระเจิงของแสงที่ไม่ยืดหยุ่น

ผู้เขียนเสนอการประยุกต์ใช้เอฟเฟกต์เชิงกลเชิงกลในอุปกรณ์ออพติคอลนาโนเมตริกโดยทำให้พวกมันสั่นด้วยการใช้คลื่นอะคูสติก

Extracorporeal Optical Communication (DR Dhatchayeny and YH Chung, พ.ค. 2019)

Dhatchayeny และ Chung (3) เสนอระบบการสื่อสารด้วยแสงภายนอก (OEBC) แบบทดลองที่สามารถส่งข้อมูลสัญญาณสำคัญของผู้คนผ่านแอพพลิเคชั่นบนโทรศัพท์มือถือด้วยเทคโนโลยี Android ระบบประกอบด้วยชุดเซ็นเซอร์และไดโอดฮับ (อาร์เรย์ LED)

เซ็นเซอร์ถูกวางไว้บนส่วนต่างๆของร่างกายเพื่อตรวจจับประมวลผลและสื่อสารสัญญาณชีพเช่นชีพจรอุณหภูมิของร่างกายและอัตราการหายใจ ข้อมูลจะถูกรวบรวมผ่านอาร์เรย์ LED และส่งผ่านกล้องโทรศัพท์มือถือด้วยแอปออปติคัล

อาร์เรย์ LED จะเปล่งแสงในช่วงความยาวคลื่นที่กระเจิงของ Rayleigh Gans Debye (RGB) การผสมสีและสีแต่ละสีของแสงที่เปล่งออกมาเกี่ยวข้องกับสัญญาณชีพ

ระบบที่เสนอโดยผู้เขียนสามารถอำนวยความสะดวกในการตรวจสอบสัญญาณชีพด้วยวิธีที่เชื่อถือได้เนื่องจากข้อผิดพลาดในผลการทดลองมีเพียงเล็กน้อย

อ้างอิง

1. Optomechanical Kerker ผล Poshakinskiy, AV และ Poddubny, A N. 1, 2019, Physical Review X, Vol. 9, pp. 2160-3308.
2. การกระเจิงของแม่เหล็กไฟฟ้าโดยทรงกลมแม่เหล็ก Kerker, M, Wang, DS and Giles, C L. 6, 1982, Journal of the Optical Society of America, Vol 73
3. การสื่อสารแบบออพติคอลภายนอกร่างกายโดยใช้กล้องสมาร์ทโฟนสำหรับการส่งสัญญาณสำคัญของมนุษย์ Dhatchayeny, D and Chung, Y. 15, 2019, Appl. Opt. ฉบับ 58.
4. อัล - อัซซาวีน. หลักการและแนวปฏิบัติทางทัศนศาสตร์ทางกายภาพ. Boca Raton, FL: CRC Press Taylor & Francis Group, 2549
5. Grattan-Guiness, I. สารานุกรมคู่หูของประวัติศาสตร์และปรัชญาของคณิตศาสตร์วิทยาศาสตร์. New York, US: Routledge, 1994, Vol. II.
6. Akhmanov, SA และ Nikitin, S Yu ทัศนศาสตร์ทางกายภาพ นิวยอร์ก: สำนักพิมพ์มหาวิทยาลัยออกซ์ฟอร์ด 2545
7. Lipson, A, Lipson, SG และ Lipson, H. Physical Optics Cambridge, UK: Cambridge University Press, 2011
8. Mickelson, A R เลนส์ทางกายภาพ นิวยอร์ก: Springer Science + Business Media, 1992
9. Jenkins, FA และ White, H E. Fundamentals of Optics NY: การศึกษาระดับอุดมศึกษาของ McGraw Hill, 2544