Модели оптических систем

Наука и инженерия всегда полагались на модели, чтобы объяснить и предсказать поведение физического мира, и оптика не является исключением. Три важные модели используются для описания оптических явлений, и каждая основана на одном из трех различных способов описания электромагнитных излучений.

Описание оптики

Оптика — это лучи, волны и фотоны. Волна — это волнистость, которая распространяется из одной точки в другую, и по мере своего движения она несет энергию электромагнитного спектра. Он состоит из одного или нескольких периодических колебаний (синусоид), каждый из которых имеет свою собственную длину волны, частоту, амплитуду, фазу и поляризацию. Поляризация света относится к направлению, в котором колеблется волна электромагнитного излучения. Фаза периодической волны в определенной позиции на волне — это часть цикла, который волна завершила. Эта доля всегда измеряется от контрольной точки. Длина волны — это расстояние между двумя соседними точками соответствующей фазы на волне. Амплитуда волны — это максимальное значение, которое волна достигает на оси ординат.

волна

Частота волны — это число циклов, которые волна совершает в течение заданного отрезка времени. Частота имеет единицы измерения Герц [Гц] (1 Герц = [1 / с]). Частота волны может быть легко вычислена с использованием значения длины волны. В вакууме (или воздухе, в хорошем приближении) частота (n) и длина волны (l) волны электромагнитного излучения связаны с использованием скорости света в вакууме (c = 3 × 10 8 м / с). Эта волна имеет частоту n = 5,45 x 10 14 Гц.

Луч представляет собой геометрический способ представления путь электромагнитного излучения, как она излучается из источника и проходит через систему. Лучи — это упрощенный способ думать о волнах: у них есть направление, но нет фазы, поэтому один луч не может мешать другому, и они нарисованы перпендикулярно к распространяющемуся волновому фронту.

лучи

Колеблющаяся волна, где вертикальные линии указывают ее распространяющийся фронт волны (а). 
Луч, нарисованный перпендикулярно к распространяющемуся волновому фронту (b).

Фотон является наименьшим из возможным частиц электромагнитной энергии. Это то же самое, что сказать, что фотон — это квант электромагнитной энергии. Несмотря на то, что иногда его считают частицей, он также похож на волну, поскольку обладает (одной) длиной волны, направлением и поляризацией. Удивительно, но факт!

фотон

Энергия, потерянная электроном (е) при его падении в более низкое энергетическое состояние, может излучаться как фотон. 
Фотоны с более высокой энергией имеют более короткие волны. 

Модель лучевой оптики

Лучевая модель, которая представляет электромагнитное излучение в виде лучей, является самой простой из трех. Люди, которые впервые изучили и описали поведение визуального света, создали лучевую модель. Это очень хорошая модель для использования, когда длина волны электромагнитного излучения намного меньше размеров самого маленького оптического компонента в оптической системе. Эта модель может использоваться для описания того, как работают простые телескопы, как образуются миражи, и что вы увидите, глядя на зеркальную поверхность. Лучевая модель широко используется в области геометрической оптики. Это хорошая модель, но многое она не может объяснить и предсказать.

лучевая модель

Лучевая модель может объяснить, как призма расщепляет белый свет на отдельные цветовые компоненты.

Модель электромагнитной волновой оптики

Модель электромагнитной волновой оптики, которая рассматривает электромагнитное излучение в форме волн, была разработана для объяснения явлений, не предсказываемых моделью лучевой оптики. В отличие от модели лучевой оптики, она может объяснить, почему небо синее, а закаты красные, почему электромагнитное излучение огибает углы или почему крылья бабочки такие красочные. Он более сложный, чем модель лучевой оптики, но он широко используется практически в каждой отрасли оптики. Он также может моделировать явления, описываемые моделью лучевой оптики.

Оптическая модель электромагнитной волны

Оптическая модель электромагнитной волны может объяснить, почему плоская волна, проходящая через крошечное отверстие, генерирует тень, которая выглядит как центральное темное пятно, окруженное концентрическими кольцами.

Модель квантовой оптики

Модель квантовой оптики использует идею, что электромагнитное излучение состоит из фотонов. Он был разработан, когда исследователи наблюдали явления, которые две другие модели не могли объяснить. Это самая сложная модель из трех, и она включает в себя как теорию оптики электромагнитной волны, так и модель лучевой оптики. Модель квантовой оптики необходима для объяснения работы лазеров, фотоэлектрического эффекта и принципов оптической спектроскопии.

стекло, легированное атомами эрбия, испускает зеленую флуоресценцию

Модель квантовой оптики может объяснить, почему стекло, легированное атомами эрбия, испускает зеленую флуоресценцию, когда на него падает сильный луч ЭМИ с длиной волны 980 нм.

Может показаться целесообразным использовать только модель квантовой оптики, поскольку она включает теорию, используемую в других моделях, но модель квантовой оптики настолько сложна, что полезна только для описания определенных явлений. Попытка использовать точную форму этой модели для описания того, как очковая линза фокусирует видимый свет, может привести к перегрузке суперкомпьютера, когда это легко описывается с помощью модели лучевой оптики. Ученые и инженеры используют простейшую модель, которая адекватно описывает систему; если они используют модель, которая слишком сложна, это не даст им дополнительную полезную информацию — это только потратит их время.

Тимеркаев Борис — 68-летний доктор физико-математических наук, профессор из России. Он является заведующим кафедрой общей физики в Казанском национальном исследовательском техническом университете имени А. Н. ТУПОЛЕВА — КАИ

comments powered by HyperComments
Оценки статьи:
1 Звезда2 Звезды3 Звезды4 Звезды5 Звезд (Пока оценок нет)
Загрузка...