Optisk

Den optik er den gren af fysikken der omhandler lyset af dens adfærd og dens egenskaber, den elektromagnetiske stråling til den vision gennem systemer, der anvender eller udsender lys. På grund af dets bølgeegenskaber kan lysdomænet dække langt UV til langt IR gennem synlige bølgelængder. Disse egenskaber dækker derefter området for radiobølger , mikrobølger, røntgenstråler og elektromagnetisk stråling.

De fleste optiske fænomener kan forklares ved hjælp af klassisk elektromagnetisk beskrivelse. Selv om denne beskrivelse er komplet, er den ofte vanskelig at anvende i praksis: forenklede modeller bruges oftere. Den mest almindelige af disse, geometrisk optik , betragter lys som en samling stråler, der bevæger sig i en lige linje og buer, når de passerer gennem eller reflekteres fra overflader. Den fysiske optik er en mere komplet model, herunder bølgeeffekter som diffraktion og interferens, som ikke er inkluderet i den geometriske model. Historisk blev den strålebaserede model udviklet først efterfulgt af bølgemodellen. Fremskridt i elektromagnetisk teori i XIX th  århundrede førte til opdagelsen af, at lys er elektromagnetisk stråling.

Visse fænomener afhænger af, at lys har både korpuskulære egenskaber og bølgeegenskaber. Forklaringen på disse effekter er mulig takket være kvantemekanik. Når vi betragter lys som en partikel, kan vi modellere det som et sæt fotoner . Den kvanteoptik omhandler anvendelsen af kvantemekanikken til optiske systemer.

Optik finder applikationer og studeres inden for mange områder, herunder astronomi , forskellige områder inden for teknik , fotografering og endda medicin . De praktiske anvendelser af optik findes i et stort antal teknologier og hverdagsgenstande såsom spejle , linser , lasere , optiske fibre , mikroskoper eller endda optiske teleskoper .

Introduktion

Historisk set vises linsen i antikken og udvikles derefter af muslimske lærde inklusive persere . Det er først og fremmest geometrisk. Ibn al-Haytham (965-1039), persisk videnskabsmand, kendt for vesterlændinge som Alhazen , betragtes som far til moderne optik, eksperimentel fysik og den videnskabelige metode. En latinsk oversættelse af en del af hans arbejde, traktaten om optik , har haft stor indflydelse på den vestlige videnskab.

Den geometriske optik giver en analyse af udbredelsen af ​​lys baseret på enkle principper: den retlinede udbredelse og reversibilitet . Hun var i stand til at forklare fænomenerne refleksion og brydning . Hun avancerede til XVIII th  århundrede , da opdagelsen af nye fænomener, såsom deformation af lys i nærheden af forhindringer eller opdeling af lys, når de passerer gennem visse krystaller, førte til XIX th  århundrede i udviklingen af fysisk eller bølgeoptik.

Den fysiske optiske betragter lys som en bølge  ; det tager højde for fænomenerne interferens , diffraktion og polarisering .

I begyndelsen af XX th  århundrede teorier om Einstein om karakteren partikelopslemningens lys vil give anledning til fotonen og kvanteoptik . Fysikere bliver derefter tvunget til at indrømme, at lys har egenskaberne af både en bølge og en partikel. Derfra overvejer Louis de Broglie gennem bølgemekanik , at hvis fotonet kan opføre sig som en partikel, så kan omvendt partiklerne såsom elektroner eller protoner opføre sig som bølger.

De forskellige tilgange

Geometrisk optik

Den geometriske optik introduceret af Alhazen udviklet på basis af enkle observationer og er baseret på to principper og empiriske love:

Problemerne løses ved hjælp af geometriske konstruktioner (linjer med lige linjer, der materialiserer radierne, vinkelberegninger), deraf navnet på geometrisk optik. Det giver gode resultater, så længe man ikke søger at modellere fænomener relateret til polarisering eller interferens, og at ingen dimension af systemet er sammenlignelig eller mindre end bølgelængden af det anvendte lys.

Geometrisk optik gør det muligt at finde næsten alle resultaterne vedrørende spejle , dioptere og linser eller deres dobbeltkombinationer og optiske systemer, der udgør specielt optiske instrumenter .

Desuden giver geometrisk optik inden for rammerne af den Gaussiske tilnærmelse lineære matematiske relationer, der tillader brug af matematiske værktøjer såsom matricer og systematisering af beregninger ved hjælp af computere.

Bølgeoptik eller fysisk optik

Mens geometrisk optik er rent fænomenologisk optik og ikke antager noget om lysets natur, bortset fra muligvis at det transporterer energi, modellerer bølgeoptik (undertiden kaldet "fysisk optik") lyset med en bølge.

Den skalære bølgemodel ( Huygens-Fresnel-princippet ) gør det muligt at fortolke diffraktionens fænomener (når de passerer gennem et hul, en smal spalte, nær en kant osv.) Og interferens. Beregningerne er derefter baseret på summen af ​​amplituderne af sinusbølger, der er overlejret, en sum, der afhængigt af faseforskydningen kan føre til et nulresultat. Overlejringen af ​​to bjælker kan således give mørket. Dette er hvad der observeres i de mørke områder med interferens eller diffraktion .

Vi må derefter overveje, at det er en tværgående bølge, hvis vi vil fortolke fænomenerne polarisering. Endelig vil Maxwell gøre det muligt at forstå, at lysbølger kun er elektromagnetiske bølger, der er kendetegnet ved en række bølgelængder, der gør dem synlige for mennesker.

Fysisk optik er navnet på en tilnærmelse med høj frekvens (lille bølgelængde), der almindeligvis anvendes i optik, anvendt fysik eller elektroteknik. I disse sammenhænge er det en mellemliggende metode mellem geometrisk optik, der ignorerer bølgeeffekter og bølgeoptik, som er en nøjagtig fysisk teori.

Denne tilnærmelse består i at bruge strålerne fra geometrisk optik til at estimere felterne på en overflade og derefter integrere disse felter over hele den oplyste overflade for at bestemme de transmitterede og reflekterede felter.

I de optiske og radiofrekvente felter anvendes denne tilnærmelse til at beregne virkningerne af interferens og polarisering og til at estimere effekterne af diffraktion . Som alle tilnærmelser med høj frekvens bliver den fysiske optiske tilnærmelse mere relevant, når vi arbejder med høje frekvenser.

Metoden består generelt i at tilnærme overfladetætheden af ​​elektrisk strøm på overfladen af ​​et objekt med den strømtæthed induceret af det indfaldende magnetfelt , som det er tilfældet på et uendeligt metalplan. Dette er grunden til, at den fysiske optiske tilnærmelse undertiden kaldes "tangentplanhypotesen".

Den elektriske strømtæthed ved punkt Q på den oplyste overflade beregnes derefter af forholdet:

hvor svarer til enhedens normale vektor uden for den oplyste overflade. I skyggeområder (ikke-oplyste overflader i henhold til den geometriske optiske hypotese) anses strømtætheden for at være nul. Felterne udstrålet af overfladen beregnes derefter ved at integrere den elektriske strømtæthed på den oplyste overflade med integrerede udtryk for Maxwells ligninger , for eksempel Stratton-Chu , Kottler eller Franz integralligninger .

På grund af antagelsen om tætheden af ​​elektrisk strøm på overfladen af ​​et objekt, er denne tilnærmelse så meget mere korrekt, når de undersøgte objekter er store i forhold til bølgelængden og med glatte overflader. Af samme grund er denne omtrentlige strømtæthed unøjagtig nær diskontinuiteter såsom kamme eller grænserne mellem det oplyste område og skyggearealerne. Desuden tager denne tilnærmelse ikke hensyn til de krybende bølger .

Kvanteoptik

Problemer relateret til sort kropsstråling og den fotoelektriske effekt har ført til at overveje, at lys er sammensat af energipakker ( licht quanta på tysk efter Einstein ).

Senere førte Compton-effekten til at betragte lys som sammensat af partikler i sig selv: fotoner .

Disse er karakteriseret ved nul masse , en hastighed lig med c ( celerity af lys), en energi , hvor er frekvensen af den tilknyttede elektromagnetiske bølge, og et momentum med hvor h betegner Plancks konstant og k den bølgevektoren .

Kvanteteorien for optik eller kvanteoptik blev oprettet for at forene de to tilsyneladende uforenelige aspekter af lys, bølgeformet (interferens, diffraktionsfænomener ...) og det korpuskulære aspekt (fotoelektrisk effekt, emission spontan ...). Kvanteoptik er i det væsentlige en omformulering af bølgeoptik, hvor det elektromagnetiske felt kvantificeres.

Med kvanteoptik opgiver vi al sikkerhed, vi begrunder kun med hensyn til sandsynligheder:

Opladede partikeloptik

Optikken af ​​ladede partikler, elektronisk optik og ionoptik svarer til produktionen af ​​billeder ved hjælp af elektronstråler eller ioner, der brydes ved hjælp af elektriske og / eller magnetiske felter ( magnetiske linser ). Fordele: små bølgelængder forbundet med disse bjælker, hvilket gør det muligt at opnå opløsningskræfter, der er meget større end dem, der opnås med instrumenter, der bruger synligt lys.

Optik og biologi

Lys spiller en grundlæggende rolle i de levende, som har udviklet mange måder at bruge det på, selv til at producere det (bioluminescens).

De bio-optik bruger lys og dets absorption af den levende undersøgelse, akvatisk særdeleshed.

De økologer og biologer studerer hvordan levende organismer har lært i løbet af evolutionen til at bruge og manipulere i deres favør lysabsorption (base af fotosyntese særdeleshed, men også af synet), gennemsigtighed, diffraktion, interferens, refleksion og antirefleks, diffusion, lys, optisk vejledning og linsen, dynamisk camouflage (især i kamæleoner , blæksprutter og blæksprutter ) eller endda bioluminescens ...

Disse "løsninger" udviklet af levende organismer til at bruge lys (eller producere det via bioluminescens) er også af interesse for biomimetik .

Moderne optik

Moderne optik omfatter de optiske elementer (som en videnskab, men også teknik relateret), der er blevet populære i XX th  århundrede. Disse felter er typisk relateret til lysets elektromagnetiske og kvanteegenskaber, men inkluderer andre emner. Et underfelt af moderne optik, kvanteoptik, beskæftiger sig specifikt med lysets kvanteegenskaber. Kvanteoptik er ikke kun teoretisk: nogle moderne enheder, såsom lasere, har driftsprincipper, der falder inden for kvantemekanikens rækkevidde. Lysdetektorer, som fotomultiplikatorer eller kanaltroner, reagerer på enkeltfotoner. Elektroniske billedsensorer, såsom CCD- sensorer , udviser skudstøj svarende til statistikken for individuel fotonstøj. Lysemitterende dioder (LED'er) og solcelleanlæg kunne også ikke forstås uden kvantemekanik. Når man studerer disse enheder, sker det ofte, at kvanteoptik overlapper kvanteelektronik.

Forskningsområder, der har specialiseret sig i optik, omfatter undersøgelse af interaktion mellem lys og stof, men også ikke-billeddannende optik, ikke-lineær optik, statistisk optik og radiometri. Derudover har computeringeniører interesseret sig for integreret optik, maskinsyn og den optiske computer som mulige elementer, der er inkluderet i "næste generation" af computere.

Fremtrædende underfelter inden for optisk teknik omfatter belysningsteknik, fotonik og optoelektronik med praktiske anvendelser såsom linsedesign, fabrikation og test af optiske komponenter og billedbehandling. Nogle af disse felter overlapper hinanden med slørede grænser. Et professionelt samfund af forskere inden for ikke-lineær optik er vokset i løbet af de sidste årtier på grund af fremskridt inden for laserteknologi.

Lasere

En laser er en enhed, der udsender lys (elektromagnetisk stråling) gennem en proces kaldet stimuleret emission. Udtrykket laser er et akronym for lysforstærkning ved stimuleret udsendelse af stråling. Laserlys er generelt rumligt kohærent, hvilket betyder, at lyset enten udsendes i en smal stråle med lav divergens eller kan konverteres til en sådan stråle ved hjælp af optiske komponenter såsom linser. Fordi mikrobølgeekvivalenten til laseren, maseren , blev udviklet i første omgang, kaldes enheder, der udsender mikrobølge- og radiofrekvenser, generelt masere.

Den første funktionelle laser blev produceret på 16. maj 1960af Théodore Maiman ved Hughes Research Laboratories. Da de blev opfundet, fik de tilnavnet ”løsningen på at finde et problem”. Siden da er lasere vokset til en industri på flere milliarder dollars og finder anvendelse i tusinder af en lang række applikationer. Den første anvendelse af synlige lasere i hverdagen var stregkodescanneren i supermarkeder, der blev introduceret i 1974. CD'en (compact disc) var den første laserdrevne lagerenhed, der blev udbredt i hjemmet forbrugere fra 1982. Disse optiske lagerenheder Brug en laser med en stråle, der er meget mindre end en millimeter i spotdiameter (ca. 1,04 μm) til at scanne overfladen af ​​disken for at hente de registrerede data på dens overflade. Fiberoptisk kommunikation er også afhængig af lasere til at overføre store mængder information med lysets hastighed. Andre almindelige anvendelser af lasere inkluderer laserprintere og laserpegere . De bruges også medicinsk inden for områder som laserøjekirurgi og i militære applikationer såsom missilforsvarssystemer , elektrooptiske modforanstaltninger (EOCM'er) og lidar. Lasere bruges også i hologrammer , 3D-glasindgravering, lasershow og laserhårfjerning.

Kapitsa-Dirac effekt

Den Kapitsa-Dirac virkning  (en) forårsager diffraktion partikelstråler, som er resultatet af mødet i stationære lysbølger . Lys kan bruges til at placere stof ved hjælp af forskellige fænomener .

Anvendt optik

Optik og dets anvendelsesområder kan udgøre særlige tilgange til optik. Begrænsningerne, der er specifikke for anvendelsesområdet, vil ændre måden at bruge lovgivningen om optik, notationerne, de anvendte tilnærmelser osv.

Ikke udtømmende finder vi følgende hovedområder:

Fysiologisk optik

Fysiologisk optik, defineret som "vision of science" , appellerer til anatomi til den materielle disposition af øjet; til fysiologi , for dets funktion; til medicin med hensyn til dets sygdomme; de forskellige specialiteter inden for fysisk optik til udbredelse i lysstrålernes øjeæble; inden for kemi til undersøgelse af farvestoffer og belysning af omdannelsen af ​​lysenergi til nerveimpulser; til eksperimentel psykologi til studiet af det visuelle apparat som helhed og til kognitiv psykologi til studiet af dets uddannelse, hvilket bringer individer i stand til at se.

Fotografisk optik

Et felt, der ligner geometrisk optik, den optik, der anvendes på fotografering, adskiller sig efter sin terminologi og af det faktum, at den også kan forbinde forestillinger om elektronik på grund af eksistensen af ​​en sensor i kameraet.

Geometrisk optik forbliver et generelt felt, der drejer sig om en bestemt ide om udbredelse af lys, hvor fotografisk optik vil være meget interesseret i billedkvaliteten, aberrationer og lysstyrke. Inkluderer derfor vigtige forestillinger om radiometri.

Optronics

Optronics er en teknik til implementering af udstyr eller systemer, der bruger både optik og elektronik. Det kombinerer generelt en optisk sensor, et billedbehandlingssystem og et display- eller lagringssystem.

Atmosfærisk optik

Atmosfærens unikke optiske egenskaber forårsager en lang række spektakulære optiske fænomener. Den blå farve på himlen er et direkte resultat af Rayleigh-spredning , som omdirigerer højfrekvent (blå) sollys til seerens synsfelt. Fordi blåt lys lettere spredes end rødt lys, får solen en rødlig farvetone, når den ses i en tyk atmosfære, f.eks. Ved solopgang eller solnedgang. Yderligere partikler på himlen kan sprede forskellige farver fra forskellige vinkler og skabe en farverig glødende himmel ved skumring og daggry. Diffusionen af ​​iskrystaller og andre partikler i atmosfæren er ansvarlig for glorier, efterglød, kroner, solstråler. Variationen i disse typer fænomener skyldes forskellige partikelstørrelser og forskellige geometrier.

Den illusion er optiske fænomener, hvor lysstrålerne er bøjet på grund af termiske variationer i luften brydningsindeks, der producerer stærkt deformeret eller forskudt billede af fjerne objekter. Andre relaterede optiske fænomener inkluderer Novaya Zemlya-effekten, hvor solen ser ud til at stige tidligere end forventet med en forvrænget form. En dramatisk form for brydning forekommer med en temperaturinversion kaldet Fata Morgana , hvor genstande i horisonten eller endda ud over horisonten, såsom øer, klipper, skibe eller isbjerge, ser langstrakte og høje ud.

I regnbuer er resultatet af en kombination af intern refleksion og spredende lysbrydning i regndråberne. En enkelt refleksion over en række regndråber producerer en regnbue med en vinkelstørrelse på himlen, der varierer fra 40 ° til 42 ° med rødt udvendigt. Dobbelt regnbue produceres af to interne refleksioner med en vinkelstørrelse på 50,5 ° til 54 °, med lilla på ydersiden.

Noter og referencer

  1. (de) Abhandlung über das Licht, J. Baarmann (red. 1882) Zeitschrift der Deutschen Morgenländischen Gesellschaft bind 36
  2. (in) Den 'første ægte videnskabsmand' på webstedet news.bbc.co.uk
  3. (i) Thiele, Rüdiger (2005), "In Memoriam: Matthias Schramm," arabiske Sciences og Filosofi (Cambridge University Press) 15: 329-331, doi: 10,1017 / S0957423905000214
  4. Thiele, Rüdiger (august 2005), "In Memoriam: Matthias Schramm, 1928-2005", Historia Mathematica 32 (3): 271-274, doi: 10.1016 / j.hm.2005.05.002
  5. (in) Grant 1974 s.  392 bemærker, at Optikbogen også er betegnet som Opticae Thesaurus Alhazen Arabis, som De Aspectibus, og også som Perspectiva
  6. Horst Stöcker, Francis Jundt, Georges Guillaume, "All physics", Dunod, 1999
  7. Vantrepotte V (2003). Bio-optisk karakterisering af kystnære farvande Østerrenden til estimering primær produktion og overvågning phytoplankton udbrud: ansøgning til "vand farve" satellit remote sensing i kystnære miljøer . Kystlinje | resume ).
  8. Gernez P (2009) Analyse af den tidsmæssige variation af optiske egenskaber i det Liguriske Hav fra en instrumenteret forankring (Boussole websted): højfrekvente udsving, daglige cyclicity, årstidernes skiften og variationer fra år (Doktorafhandling, Paris 6) | resume .
  9. Paolin M (2012). Undersøgelse af de faktorer, der styrer lysdæmpningen i en halvlukket lagune . Kalibrering af en bio-optisk model til Arcachon Basin .
  10. Niewiadomska K (2008). Kobling af fysik-biogeokemi på forskellige rumlige og tidsmæssige skalaer: tilfældet med ligurisk strøm undersøgt af en bio-optisk ubådsflyver (doktorafhandling, Paris 6) resumé .
  11. Pikul JH & al. (2017) “Strækbare overflader med programmerbar 3D-struktur morphing til syntetiske camouflerende skind” | Videnskab 13. okt 2017 | Bind. 358, udgave 6360, s. 210-214 | DOI: 10.1126 / science.aan5627 | [ http://science.sciencemag.org/content/358/6360/210 abstract]
  12. Octo camouflage (sweetrandomscience), adgang 14. oktober 2017
  13. DF Walls og GJ Milburn Quantum Optics (Springer 1994)

Se også

Relaterede artikler

relaterede emner

eksterne links