Quang học là một ngành của vật lý học nghiên cứu các tính chất và hoạt động của ánh sáng, bao gồm tương tác của nó với vật chất và cách chế tạo ra các dụng cụ nhằm sử dụng hoặc phát hiện nó.[1] Phạm vi của quang học thường nghiên cứu ở bước sóng khả kiến, tử ngoại, và hồng ngoại. bởi vì ánh sáng là sóng điện từ, những dạng khác của bức xạ điện từ như tia X, sóng vi ba, và sóng vô tuyến cũng thể hiện các tính chất tương tự.[1]
Hầu hết những hiện tượng kỳ lạ và hiệu ứng quang học hoàn toàn có thể được miêu tả tương thích bởi điện từ học cổ xưa. Tuy nhiên, cách miêu tả điện từ rất đầy đủ của ánh sáng lại rất khó vận dụng trong thực tiễn. Quang học thực hành thực tế thường sử dụng những quy mô đơn thuần. Theo nghĩa chung nhất đó là quang hình học, ngành nghiên cứu và điều tra đặc thù của tia sáng khi nó Viral trong thiên nhiên và môi trường theo đường thẳng hoặc bị lệch hay phản xạ giữa những thiên nhiên và môi trường. Quang học vật lý là quy mô không thiếu hơn về ánh sáng, gồm có những hiệu ứng có thực chất sóng như nhiễu xạ và giao thoa mà không hề lý giải bởi quang hình học. Về mặt lịch sử dân tộc, những nhà vật lý đã tăng trưởng quy mô tia sáng tiên phong, sau đó là quy mô sóng và quy mô hạt ánh sáng. Sự tăng trưởng của triết lý điện từ học trong thế kỷ 19 đã dẫn tới mày mò ra rằng ánh sáng có thực chất là một loại bức xạ điện từ .
Một số hiệu ứng của ánh sáng chỉ có thể giải thích dựa trên bản chất lưỡng tính sóng hạt của ánh sáng. Cơ sở của những hiệu ứng này được miêu tả bởi cơ học lượng tử. Khi xem ánh sáng có tính chất hạt, thì ánh sáng được mô hình bởi tập hợp các hạt gọi là “photon”. Quang học lượng tử là ngành ứng dụng các tính chất lượng tử để nghiên cứu các hệ quang học.
Bạn đang đọc: Quang học – Wikipedia tiếng Việt
Ngành quang học có sự tương quan và ứng dụng cho nhiều nghành nghề dịch vụ như thiên văn học, những nghành nghề dịch vụ kỹ thuật, chụp ảnh, và y học ( gồm có điều tra và nghiên cứu về mắt và thống kê giám sát thị lực ). Những ứng dụng của quang học hoàn toàn có thể thấy trong nhiều nghành nghề dịch vụ công nghệ tiên tiến và đời sống, như gương, thấu kính, kính thiên văn, kính hiển vi, laser, và sợi quang học .
Quang học bắt đầu với sự phát triển thấu kính của người Ai Cập cổ đại và Lưỡng Hà. Thấu kính sớm nhất được biết tới, làm từ các tinh thể được mài bóng, thường là thạch anh, có niên đại vào khoảng năm 700 trước Công nguyên ở Assyria như thấu kính Layard/Nimrud.[2] Người La Mã và Hy Lạp cổ đại đã đổ đầy các quả cầu kính bằng nước để tạo ra thấu kính. Những cách làm này sau đó được các nhà triết học Hy Lạp và Ấn Độ phát triển thành lý thuyết ánh sáng và sự nhìn, cũng như người La Mã phát triển lý thuyết quang hình học. Từ optics xuất phát từ tiếng Hy Lạp cổ đại ὀπτική, có nghĩa là “biểu hiện, nhìn nhận”.[3]
Triết học Hy Lạp chia quang học ra thành hai triết lý trái chiều dựa trên cách miêu tả làm thế nào mắt con người nhìn được, ” kim chỉ nan mắt phát ra tia sáng ” và ” triết lý mắt thu nhận tia sáng “. [ 4 ] Lý thuyết mắt thu nhận tia sáng cho rằng con người nhìn thấy sự vật là do những vật phát ra những bản sao giống y hệt chúng ( gọi là eidola ) mà mắt người thu nhận được. Với sủng hộ của nhiều triết gia như Democritus, Epicurus, Aristotle và những môn đệ, triết lý này có vẻ như đã có nét giống với triết lý tân tiến về thị giác, nhưng nó vẫn chỉ là những tiên đoán mà thiếu đi những thí nghiệm kiểm tra .
Plato là người đầu tiên nêu ra lý thuyết mắt người phát ra các tia sáng, lý thuyết cho rằng cảm nhận thị lực là do các tia sáng phát ra từ mắt người chiếu vào vật thể. Ông cũng bình luận về tính chẵn lẻ thông qua đối xứng gương khi miêu tả vấn đề ở trong cuốn Timaeus.[5] Vài trăm năm sau, Euclid viết cuốn sách Quang học khi ông bắt đầu liên hệ sự nhìn với môn hình học, tạo ra những cơ sở đầu tiên cho ngành quang hình học.[6] Cuốn sách của ông được viết dựa trên cơ sở của lý thuyết phát tia của Plato và Euclid còn miêu tả các quy tắc toán học của phép phối cảnh cũng như hiệu ứng khúc xạ một cách định tính, mặc dù vậy ông đặt ra nghi vấn rằng chùm tia sáng từ mắt người liệu có thể ngay lập tức làm sáng lên các vì sao chỉ trong nháy mắt.[7] Ptolemy, trong cuốn Quang học của ông đã miêu tả một lý thuyết kết hợp cả hai lý thuyết trên: các tia sáng từ mắt tạo thành một hình nón, với đỉnh nằm trong mắt, và đáy nón xác định lên trường nhìn. Các tia sáng rất nhạy với mọi vật, và chúng mang thông tin chứa hướng và khoảng cách các vật trở lại não của người quan sát. Ông tổng kết lại các kết quả của Euclid và đi đến miêu tả cách đo góc khúc xạ, mặc dù ông đã không nhận ra mối liên hệ giữa góc này với góc tới của tia sáng.[8]
Trong thời Trung Cổ, các ý tưởng của người Hy Lạp đã được phục hồi và mở rộng trong các văn tự của thế giới Hồi giáo. Một trong những văn tự sớm nhất là của Al-Kindi (khoảng 801–73) viết về các giá trị của những ý tưởng của trường phái Aristote và Euclid về quang học, ủng hộ cho lý thuyết mắt phát tia sáng do có thể dùng nó để miêu tả định lượng các hiện tượng quang học.[9] Năm 984, nhà toán học Ba Tư Ibn Sahl viết luận thuyết “Về cách nung chảy tạo gương và thấu kính”, ông đã miêu tả đúng định luật về sự khúc xạ mà có nét tương đương với định luật Snell.[10] Ông sử dụng định luật này nhằm tính toán hình dạng tối ưu cho thấu kính và các gương cầu lõm. Ở đầu thế kỷ 11, Alhazen (Ibn al-Haytham) viết cuốn Sách quang học (Kitab al-manazir) trong đó ông giải thích sự phản xạ và khúc xạ và đề xuất một hệ thống mới giải thích cho khả năng nhìn sự vật và ánh sáng dựa trên các quan sát và thực nghiệm.[11][12][13][14][15] Ông phê phán “lý thuyết phát tia sáng” của trường phái Ptolemy về mắt người phát ra tia nhìn, mà thay vào đó ông có ý tưởng về ánh sáng phản xạ theo đường thẳng ở mọi hướng từ mọi điểm của vật thể được quan sát và sau đó các tia sáng đi vào mắt, mặc dù ông không thể giải thích đúng đắn làm thế nào để mắt thu nhận được các tia sáng.[16] Công trình của Alhazen phần lớn bị lãng quên trong thế giới Ả Rập nhưng nó đã được một học giả vô danh biên dịch sang tiếng La tinh vào khoảng năm 1200 và sau này nó được thầy tu người Ba Lan Witelo tổng kết và mở rộng[17] đưa nó trở thành một cuốn sách mẫu mực về quang học ở châu Âu trong gần 400 năm tiếp theo.
Ở thế kỷ 13 giám mục người Anh Robert Grosseteste viết một tác phẩm về ánh sáng trên nhiều chủ đề khoa học dưới bốn quan điểm khác nhau : nhận thức luận về ánh sáng, lý luận siêu hình học về ánh sáng, thuyết nguyên do hoặc đặc thù vật lý của ánh sáng, lý luận thần học về ánh sáng, [ 18 ] dựa trên những khu công trình của những phe phái Aristotle và Plato. Môn đệ nổi tiếng nhất của Grosseteste, Roger Bacon, đã viết những khu công trình với nguồn trích dẫn đa dạng và phong phú dựa trên những bản dịch thời đó về những nghiên cứu và điều tra quang học và triết học, gồm có của Alhazen, Aristotle, Avicenna, Averroes, Euclid, al-Kindi, Ptolemy, Tideus, và Constantine the African. Bacon đã dùng những phần của một khối cầu thủy tinh để làm kính lúp để chứng tỏ ánh sáng phản xạ từ vật thể hơn là phát ra từ chúng .Kính mắt tiên phong được ý tưởng vào khoảng chừng năm 1286 ở Italia. [ 19 ] Điều này dẫn tới sự sinh ra của ngành công nghiệp quang học với mục tiêu mài cắt và đánh bóng thấu kính để làm những kính mắt, lúc đầu là ở Venice và Florence vào thế kỷ 13, [ 20 ] và sau đó với những TT sản xuất kính quang học ở Hà Lan và Đức. [ 21 ] Những nhà sản xuất kính mắt đã nâng cấp cải tiến những loại thấu kính để hiệu chỉnh hình ảnh dựa trên những kinh nghiệm tay nghề thực tiễn thu được từ những quan sát về hiệu ứng của những thấu kính hơn là từ những triết lý quang học thô sơ ngày đó ( những triết lý hồi đó còn chưa lý giải được kính mắt hoạt động giải trí như thế nào ). [ 22 ] [ 23 ] Những tăng trưởng thực tiễn, làm chủ và thí nghiệm với những thấu kính dẫn tới ý tưởng trực tiếp ra kính hiển vi quang học vào khoảng chừng 1595, và kính thiên văn phản xạ năm 1608, cả hai đều được làm ở những TT sản xuất kính quang học ở Hà Lan. [ 24 ] [ 25 ]
Đầu thế kỷ 17 Johannes Kepler nghiên cứu mở rộng lĩnh vực quang hình học, bao gồm thấu kính, sự phản xạ từ gương phẳng và gương cầu, nguyên lý chụp ảnh qua lỗ hổng, định luật tỷ lệ nghịch đảo bình phương của cường độ ánh sáng, và cách giải thích quang học cho các hiện tượng thiên văn như nguyệt thực và nhật thực và thị sai. Ông cũng suy luận đúng về vai trò của võng mạc như là một cơ quan ghi nhận hình ảnh, và Kepler có thể đánh giá định lượng một cách khoa học các hiệu ứng mà các nhà quang học quan sát từ hơn 300 năm là do từ các loại thấu kính khác nhau.[26] Sau khi kính thiên văn được phát minh ra, Kepler đã thiết lập cơ sở lý thuyết miêu tả sự hoạt động của chúng và cách để nâng cao khả năng phóng đại của kính thiên văn, mà ngày nay gọi là kính thiên văn Kepler, với hai thấu kính lồi tạo ra sự phóng đại ảnh lớn hơn so với kính thiên văn trước đó.[27]
Lý thuyết về quang học tiến triển trong giữa thế kỷ 17 với công trình của nhà bác học René Descartes, ông giải thích nhiều hiện tượng quang học khác nhau như phản xạ và khúc xạ bằng giả sử ánh sáng được phát ra từ vật tạo ra nó.[28] Điều này khác cơ bản so với quan điểm lý thuyết phát xạ của người Hy Lạp cổ đại. Cuối thập kỷ 1660 và 1670, Newton đã mở rộng ý tưởng của Descartes thành lý thuyết hạt ánh sáng, và ông nổi tiếng với công trình xác định được ánh sáng trắng là tập hợp của các tia sáng đơn sắc mà có thể tách được nhờ một lăng kính. Năm 1690, Christiaan Huygens nêu ra lý thuyết sóng ánh sáng dựa trên đề xuất do Robert Hooke nêu ra vào năm 1664. Chính Hooke đã phê bình lý thuyết của Newton về hạt ánh sáng và sự phản đối giữa hai người kéo dài cho tới tận khi Hooke qua đời. Năm 1704, Newton xuất bản cuốn Opticks và ở thời điểm đó nó đã khá thành công cũng một phần nhờ sự nổi tiếng của Newton trong lĩnh vực vật lý học. Cuộc tranh luận giữa hai người về bản chất của ánh sáng dường như có phần thắng thuộc về Newton thời đó.[28]
Quang học Newton được gật đầu thoáng rộng cho tới đầu thế kỷ 19 khi Thomas Young và Augustin-Jean Fresnel thực thi những thí nghiệm chứng tỏ sự giao thoa của ánh sáng cho thấy thực chất sóng của ánh sáng. Thí nghiệm nổi tiếng của Young chỉ ra ánh sáng tuân theo nguyên tắc chồng chập, một đặc thù của những dạng sóng mà triết lý hạt ánh sáng của Newton không lý giải được. Thí nghiệm này dẫn tới sự sinh ra của kỹ thuật nhiễu xạ ánh sáng và mở ra một nghành mới trong quang học vật lý. [ 29 ] Quang học sóng đã được thống nhất thành công xuất sắc với kim chỉ nan điện từ bởi James Clerk Maxwell trong thập kỷ 1860. [ 30 ]
Dấu mốc phát triển tiếp theo của quang học là vào năm 1899 khi Max Planck miêu tả đúng mô hình bức xạ vật đen khi giả sử sự trao đổi năng lượng giữa ánh sáng và vật chất chỉ xảy ra dưới những gói rời rạc mà ông gọi là quanta – lượng tử].[31] Năm 1905 Albert Einstein công bố lý thuyết giải thích hiệu ứng quang điện củng cố thêm cho tính chất lượng tử của ánh sáng.[32][33] Năm 1913 Niels Bohr chỉ ra rằng các nguyên tử chỉ có thể phát ra lượng năng lượng rời rạc, do vậy ông giải thích được những vạch rời rạc trong quang phổ phát xạ và quang phổ hấp thụ.[34] Hiểu biết về tương tác giữa ánh sáng và vật chất đi theo sự phát triển mới này không những là cơ sở cho ngành quang học lượng tử mà còn có vai trò quan trọng trong sự phát triển của cơ học lượng tử. Lý thuyết điện động lực học lượng tử giải thích mọi hiện tượng và quá trình quang học nói chung là kết quả của sự trao đổi các photon ảo và photon thực.[35]
Quang học lượng tử có được ứng dụng thực tiễn quan trọng kể từ khi ý tưởng ra maser vào năm 1953 và laser vào năm 1960. [ 36 ] Phát triển từ khu công trình của Paul Dirac về kim chỉ nan trường lượng tử, George Sudarshan, Roy J. Glauber, và Leonard Mandel đã vận dụng lý thuyết lượng tử cho trường điện từ vào những thập niên 1950 và 1960 và thu được sự hiểu biết thâm thúy hơn về sự tách sóng quang và đặc tính thống kê của ánh sáng .
Nội dung chính
Quang hình học.
Quang hình học hoàn toàn có thể chia thành hai nhánh chính : quang hình học và quang học vật lý. Trong quang hình học hay quang học tia sáng, ánh sáng được coi là truyền đi theo đường thẳng, còn trong quang học vật lý hay quang học sóng, ánh sáng được coi là một dạng sóng điện từ .Quang hình học hoàn toàn có thể xem như thể một bộ phận của quang học vật lý khi coi bước sóng ánh sáng nhỏ hơn nhiều so với những dụng cụ quang học hoặc so với những quy mô được vận dụng .
Quang hình học.
Quang hình học, hay quang học tia, miêu tả sự lan truyền của ánh sáng theo định nghĩa của các “tia” đi theo đường thẳng tuân theo các định luật phản xạ và khúc xạ của tia sáng tại chỗ tiếp giáp giữa các môi trường khác nhau.[37] Những định luật này đã được phát hiện bằng thực nghiệm từ năm 984[10] và được ứng dụng để thiết kế các thành phần và dụng cụ quang học từ đó cho tới tận ngày nay. Các định luật này có thể tóm tắt như sau:
Khi một tia sáng chạm tới biên giới giữa hai thiên nhiên và môi trường trong suốt, nó chia thành tia phản xạ và khúc xạ .
- Định luật phản xạ phát biểu rằng tia phản xạ nằm trong mặt phẳng của tia tới, và góc phản xạ bằng góc tới.
- Định luật khúc xạ phát biểu rằng tia khúc xạ nằm trong mặt phẳng của tia tới, và sine của góc khúc xạ chia cho sine của góc tới là hằng số.
-
- sin θ 1 sin θ 2 = n { \ displaystyle { \ frac { \ sin { \ theta _ { 1 } } } { \ sin { \ theta _ { 2 } } } } = n }
- sin θ 1 sin θ 2 = n { \ displaystyle { \ frac { \ sin { \ theta _ { 1 } } } { \ sin { \ theta _ { 2 } } } } = n }
với n là hằng số tương ứng cho hai môi trường vật liệu và đối với từng loại bước sóng ánh sáng. Nó còn được biết đến là chiết suất (chỉ số khúc xạ).
Định luật phản xạ và khúc xạ có thể rút ra từ nguyên lý Fermat: đường đi giữa hai điểm của tia sáng là đường mà ánh sáng có thời gian ít nhất để truyền giữa hai điểm.[38]
Các xê dịch.
Quang hình học thường được đơn giản hóa bằng cách xấp xỉ bàng trục, hay “xấp xỉ góc nhỏ”. Các phương trình toán học miêu tả xấp xỉ sẽ trở lên tuyến tính, cho phép các thành phần và hệ quang học được miêu tả theo các ma trận đơn giản. Phương pháp này được miêu tả bởi lý thuyết quang học Gauss và tia bàng trục, cho phép tìm ra các tính chất cơ bản của quang hệ, như hình ảnh, vị trí xấp xỉ và độ phóng đại của vật.[39]
n
1
{\displaystyle n_{1}}
n
2
{\displaystyle n_{2}}
- n 1 sin θ 1 = n 2 sin θ 2 { \ displaystyle n_ { 1 } \ sin \ theta _ { 1 } = n_ { 2 } \ sin \ theta _ { 2 } \ }
với
θ
1
{\displaystyle \theta _{1}}
θ
2
{\displaystyle \theta _{2}}
- v 1 sin θ 2 = v 2 sin θ 1 { \ displaystyle v_ { 1 } \ sin \ theta _ { 2 } \ = v_ { 2 } \ sin \ theta _ { 1 } }
với
v
1
{\displaystyle v_{1}}
v
2
{\displaystyle v_{2}}
Nhiều hệ quả của định luật Snell xuất phát từ quy trình tia sáng đi từ vật tư có chiếu suất cao hơn vào vật tư có chiết suất thấp hơn, do vậy hoàn toàn có thể xảy ra trường hợp tương tác giữa ánh sáng với mặt phẳng cho hiệu quả góc khúc xạ bằng 0. Hiệu ứng này được gọi là phản xạ toàn phần và là nguyên tắc cơ bản của công nghệ tiên tiến sợi quang học. Khi ánh sáng đi vào một sợi quang học, hiệu ứng phản xạ toàn phần được cho phép ánh sáng không bị tổn hao nhiều trong suốt quy trình nó truyền dọc theo sợi quang. Các nhà vật lý cũng hoàn toàn có thể tạo ra được ánh sáng phân cực nhờ tích hợp hai hiệu ứng phản xạ và khúc xạ : Khi tia khúc xạ hợp với tia phản xạ một góc vuông thì lúc này tia khúc xạ có đặc thù ” phân cực phẳng “. Góc tới thỏa mãn nhu cầu trường hợp này thường được gọi là góc Brewster. [ 40 ]Định luật Snell còn dùng để tiên đoán sự lệch của tia sáng khi nó truyền qua ” thiên nhiên và môi trường tuyến tính ” khi đã biết chiết suất và hình học cấu trúc của thiên nhiên và môi trường. Ví dụ, ánh sáng truyền qua một lăng kính sẽ bị lệch hướng nhờ vào vào hình dáng và chiết suất của lăng kính. Thêm vào đó, do những tần số ánh sáng khác nhau có chiết suất khác nhau so với cùng một môi trường tự nhiên vật tư, hiện tượng kỳ lạ khúc xạ hoàn toàn có thể được sử dụng để tạo ra phổ tán sắc giống như so với cầu vồng. Isaac Newton là người tiên phong phát hiện ra hiệu ứng này khi ông cho ánh sáng Mặt Trời truyền qua một lăng kính đặt trong phòng tối. [ 40 ]Một số thiên nhiên và môi trường có chiết suất biến hóa dần theo vị trí trong nó, và do vậy ánh sáng truyền qua nó bị cong đi. Hiệu ứng này là nguyên do tạo ra ảo ảnh khi nhìn trên mặt đường bê tông nhựa vào những ngày nắng nóng khi chiết suất của những lớp không khí đổi khác làm cho tia sáng bị bẻ cong, tạo ra sự phản xạ khi nhìn từ xa. Vật liệu có chỉ số khúc xạ biến hóa được gọi là vật tư có gradien chiết suất ( GRIN ) và nó có nhiều đặc thù quan trọng vận dụng trong công nghệ tiên tiến quét quang học như ở máy photocopy và máy scan. Lĩnh vực nghiên cứu và điều tra đặc thù này gọi là quang học gradien chiết suất. [ 41 ]
Một vật dùng để hội tụ hay phân kỳ các tia sáng gọi là thấu kính. Các thấu kính mỏng tạo ra hai tiêu điểm có thể được miêu tả nhờ phương trình thấu kính.[42] Nói chung có hai loại thấu kính: thấu kính lồi có thể hội tụ các tia sáng song song, và thấu kính lõm làm cho các tia sáng song song phân kỳ. Việc miêu tả sự tạo ảnh có thể thu được nhờ phương pháp dựng tia (vẽ ảnh) tương tự như đối với các gương cong. Các thấu kính mỏng có thể được tính toán đơn giản tuân theo phương trình sau xác định lên vị trí của ảnh khi biết tiêu cự (
f
{\displaystyle f}
S
1
{\displaystyle S_{1}}
- 1 S 1 + 1 S 2 = 1 f { \ displaystyle { \ frac { 1 } { S_ { 1 } } } + { \ frac { 1 } { S_ { 2 } } } = { \ frac { 1 } { f } } }
với
S
2
{\displaystyle S_{2}}
Các tia tới song song quy tụ qua thấu kính lồi ( thấu kính quy tụ ) tạo ảnh thật ngược chiều nằm tại tiêu điểm ở phía bên kia của thấu kính. Các tia từ một vật ở khoảng cách gần quy tụ tại điểm có khoảng cách đến thấu kính lớn hơn tiêu cự ; vật càng gần thấu kính thì ảnh tạo thành nằm càng xa thấu kính. Đối với thấu kính lõm, những tia tới song song phân kỳ sau khi đi qua thấu kính theo cách nếu lê dài những tia ló thì chúng sẽ cắt nhau tại tiêu điểm của thấu kính lõm và nằm cùng phía với những tia tới, hay thấu kính lõm tạo ảnh ảo. Các tia từ vật ở khoảng cách gần cho ảnh ảo nằm gần thấu kính hơn so với tiêu cự và nằm cùng phía với vật. Vật càng nằm gần thấu kính, ảnh ảo càng nằm gần thấu kính .Độ phóng đại của thấu kính được định nghĩa là :
- M = − S 2 S 1 = f f − S 1 { \ displaystyle M = – { \ frac { S_ { 2 } } { S_ { 1 } } } = { \ frac { f } { f-S_ { 1 } } } }
với quy ước dấu âm để cho khi tạo ảnh ảo thì M có giá trị dương và ảnh thật thì M có giá âm. Tương tự như gương phẳng, ảnh cùng chiều với vật là ảnh ảo trong khi ảnh ngược chiều với vật là ảnh thật. [ 40 ]Thấu kính cũng chịu hiện tượng kỳ lạ quang sai làm mờ hay nhòe ảnh và tiêu điểm. Nguyên nhân của hiện tượng kỳ lạ này là do sự không hoàn hảo nhất về cấu trúc hình học của thấu kính và do sự đổi khác chiết suất so với những bước sóng ánh sáng khác nhau ( sắc sai ). [ 40 ]
Quang học vật lý.
Trong quang học vật lý ( hay quang học sóng ), đặc thù sóng của ánh sáng được nghiên cứu và điều tra đến. Tính chất này cho phép lý giải được những hiện tượng kỳ lạ như giao thoa và nhiễu xạ mà quang hình học không hề lý giải được. Tốc độ sóng ánh sáng trong không khí giao động 3,0 × 108 m / s ( đúng mực bằng 299.792.458 m / s trong chân không ). Bước sóng của ánh sáng khả kiến biến hóa trong khoảng chừng 400 và 700 nm, nhưng thuật ngữ ” ánh sáng ” cũng được vận dụng cho miền bức xạ hồng ngoại ( 0,7 – 300 μm ) và tử ngoại ( 10 – 400 nm ) .Mô hình sóng hoàn toàn có thể dùng để thực thi những tiên đoán một hệ quang học hành xử ra sao mà không cần yên cầu phải lý giải ” sóng ” là cái gì trong môi trường tự nhiên đó. Cho đến tận giữa thế kỷ 19, hầu hết những nhà vật lý tin rằng thiên nhiên và môi trường ” ether ” được cho phép ánh sáng Viral trong nó. [ 43 ] Cho tới năm 1865 sự sống sót của sóng điện từ mới được biết đến trải qua phương trình Maxwell. Sóng điện từ truyền đi với vận tốc ánh sáng và có điện trường và từ trường biến hóa và vuông góc với nhau, cũng như chúng vuông góc với hướng Viral của sóng. [ 44 ] Sóng ánh sáng là một loại sóng điện từ và khi nghiên cứu và điều tra ở Lever nguyên tử những tính chất lượng tử của nó mới được bộc lộ .
Mô hình và phong cách thiết kế mạng lưới hệ thống quang học sử dụng quang học sóng.
Có nhiều cách xê dịch đơn thuần cho phong cách thiết kế và nghiên cứu và phân tích những quang hệ. Đa số sử dụng một đại lượng vô hướng để biểu diễn trường điện từ của sóng ánh sáng, hơn là sử dụng vectơ với những vectơ điện và vectơ từ vuông góc với nhau. [ 45 ] Phương trình Huygens – Fresnel là một trong những quy mô như thế. Mô hình này do Fresnel rút ra từ thực nghiệm vào năm 1815, dựa trên giả thuyết của Huygen rằng mỗi điểm nằm trên đầu sóng là nguồn cho những sóng thứ cấp mới ; và sự Viral của hàng loạt là tổng của những sóng thứ cấp đến từ mọi điểm trong thiên nhiên và môi trường mà sóng đã đi qua, mà Fresnel phối hợp với nguyên tắc giao thoa của sóng. Phương trình Huygens-Fresnel có nền tảng vật lý từ phương trình nhiễu xạ Kirchhoff, mà nó thu được từ phương trình Maxwell. Ví dụ về ứng dụng của nguyên tắc Huygens – Fresnel như lý giải những hiện tượng kỳ lạ khúc xạ và quy mô khúc xạ Fraunhofer .Những quy mô phức tạp hơn, bao hàm quy mô về điện trường và từ trường của sóng ánh sáng, yên cầu thiết yếu khi xét tới tương tác giữa ánh sáng và vật chất nơi tương tác này phụ thuộc vào vào đặc thù điện và đặc thù từ của vật chất. Ví dụ, hành xử của ánh sáng tương tác với mặt phẳng sắt kẽm kim loại rất khác với khi nó tương tác với vật tư điện môi. Mô hình vectơ cũng thiết yếu khi lý giải sự phân cực của ánh sáng .Các kỹ thuật mô phỏng bằng máy tính như sử dụng chiêu thức thành phần hữu hạn, chiêu thức thành phần biên hoàn toàn có thể dùng để quy mô hóa sự Viral của ánh sáng trong hệ mà không hề thu được nghiệm giải tích. Những quy mô này yên cầu chiêu thức số và thường dùng để giải những yếu tố nhu yếu độ đúng mực tương đối giao động so với những nghiệm giải tích thu được. [ 46 ]Tất cả những tác dụng của quang hình học hoàn toàn có thể rút ra nhờ kỹ thuật của nghành nghề dịch vụ quang học Fourier mà hoàn toàn có thể vận dụng cho nhiều kỹ thuật toán học và nghiên cứu và phân tích sử dụng trong kỹ thuật âm thanh và xử tín hiệu .Phương pháp hàm Gauss về sự Viral của chùm điện từ là quy mô quang học vật lý bàng trục cho sự Viral của bức xạ tích hợp như chùm laser. Kỹ thuật này có tính đến hiện tượng kỳ lạ khúc xạ, cho phép giám sát đúng chuẩn tỷ suất một chùm laser lan rộng ra theo khoảng cách, và kích cỡ tối thiểu mà chùm hoàn toàn có thể tập trung chuyên sâu được. Phương pháp hàm Gauss đã bắc cầu nối khoảng cách giữa quang hình học và quang học vật lý. [ 47 ]
Chồng chập và giao thoa.
Khi không có hiệu ứng phi tuyến, nguyên lý chồng chập được sử dụng để tiên đoán hình dạng của sóng thông qua cách cộng sóng.[48] Tương tác giữa các sóng tạo ra các phần “giao thoa”, như giao thoa tăng cường hoặc giao thoa triệt tiêu. Nếu hai sóng có cùng bước sóng và tần số trong trạng thái cùng pha, cả đỉnh sóng và bụng sóng của mỗi sóng sẽ khớp với nhau. Kết quả này dẫn tới giao thoa tăng cường làm tăng biên độ của sóng, mà đối với ánh sáng sẽ là sự sáng lên của cường độ tại vị trí đó. Mặt khác, nếu hai sóng có cùng bước sóng và tần số những ngược pha nhau, thì đỉnh sóng của sóng này khớp với bụng sóng của sóng kia và ngược lại. Kết quả là giao thoa triệt tiêu và giảm biên độ sóng, mà đối với ánh sáng sẽ là sự mờ đi của cường độ tại vị trí đó. Hình vẽ dưới minh họa hiệu ứng này.[48]
| Sóng tổng hợp |
 |
|
| sóng 1 | ||
| Sóng 2 | ||
| Hai sóng cùng pha | Hai sóng ngược pha 180° |
|
Nhiễu xạ là quá trình ánh sáng giao thoa khi nó gặp phải vật cản hoặc đi qua hai khe. Francesco Maria Grimaldi là người đầu tiên đã quan sát thấy hiệu ứng này vào năm 1665, và ông gọi nó bằng tiếng Latin là diffringere, ‘bị phân thành từng mảnh’.[51][52] Cuối thế kỷ này, Robert Hooke và Isaac Newton cũng miêu tả hiện tượng mà ngày nay được biết đến là vành Newton khi quan sát nó qua một thấu kính lồi đặt trên mặt phẳng,[53] trong khi đó nhà thiên văn James Gregory cũng quan sát thấy các vân giao thoa từ lông vũ.[54]
Mô hình quang học vật lý tiên phong về nhiễu xạ dựa trên nguyên tắc Huygens – Fresnel được Thomas Young tăng trưởng vào năm 1803 bằng thí nghiệm giao thoa của ông khi cho ánh sáng đi qua hai khe hẹp nằm gần nhau. Young nhận thấy tác dụng ông thu được chỉ hoàn toàn có thể lý giải khi hai khe được coi như là hai nguồn sóng chứ không đơn thuần là những khe hở. [ 55 ] Năm 1815 và 1818, Augustin-Jean Fresnel thiết lập lên cơ sở toán học của hiện tượng kỳ lạ nhiễu xạ so với những vân giao thoa qua hai khe. [ 42 ]Mô hình đơn thuần nhất miêu tả nhiễu xạ sử dụng những phương trình cho độ phân giải góc của những vân sáng và vân tối so với bước sóng λ. Nói chung, phương trình có dạng
- m λ = d sin θ { \ displaystyle m \ lambda = d \ sin \ theta }
với
d
{\displaystyle d}
là khoảng cách giữa hai nguồn đầu sóng (trong trường hợp thí nghiệm Young, nó là khoảng cách giữa hai khe),
θ
{\displaystyle \theta }
là độ phân giải góc (hoặc khoảng cách góc) giữa vân trung tâm và vân thứ
m
{\displaystyle m}
m
=
0
{\displaystyle m=0}
Phương trình này chỉ bị sửa đổi một chút ít khi xét trường hợp nhiễu xạ qua một khe, hoặc qua nhiều khe, hay so với cách tử nhiễu xạ chứa rất nhiều khe nằm cách đều nhau. [ 56 ] Những quy mô phức tạp hơn về hiệu ứng nhiễu xạ yên cầu những quy mô toán học như nhiễu xạ Fresnel hoặc nhiễu xạ Fraunhofer. [ 57 ]Nhiễu xạ tia X dựa trên nguyên tắc rằng hoàn toàn có thể dùng những nguyên tử với khoảng cách rất đều nhau trong dàn tinh thể cỡ vài angstrom để làm cách tử. Để nhìn thấy những phần nhiễu xạ, tia X với bước sóng gần bằng khoảng cách giữa hai nguyên tử gần nhau được chiếu vào tinh thể. Vì tinh thể là cách tử nhiễu xạ có cấu trúc ba chiều, những vân nhiễu xạ biến hóa phụ thuộc vào vào hai hướng theo như định luật Bragg, và những vân này có đặc trưng duy nhất so với từng tinh thể và khoảng cách d { \ displaystyle d } giữa hai nguyên tử. [ 56 ]Hiệu ứng nhiễu xạ số lượng giới hạn năng lực phát hiện sự tách biệt của nguồn sáng so với máy dò quang học. Nói chung, ánh sáng đi qua lỗ của máy dò sẽ chịu ảnh hưởng tác động của hiệu ứng nhiễu xạ và ảnh tốt nhất thu được ( số lượng giới hạn nhiễu xạ quang học ) nằm tại điểm TT xung quanh vành sáng, tách biệt với những mảng tối ; những hình này còn được biết tới là vân Airy, cùng với điểm sáng TT của nó gọi là đĩa Airy. [ 42 ] Độ lớn của đĩa được cho bởi
- sin θ = 1, 22 λ D { \ displaystyle \ sin \ theta = 1,22 { \ frac { \ lambda } { D } } }
với θ là độ phân giải góc, λ là bước sóng của ánh sáng, và D là đường kính của lỗ hổng (độ mở) thấu kính. Nếu độ phân giải góc giữa hai điểm nhỏ hơn nhiều bán kính góc của đĩa Airy, thì không thể phân biệt được hai điểm trong bức ảnh, nhưng nếu ngược lại thì sẽ thấy ảnh rõ ràng của hai điểm. Rayleigh định nghĩa “tiêu chuẩn giới hạn Rayleigh” rằng hai điểm có khoảng cách góc bằng bán kính của đĩa Airy (đo tới vân tối đầu tiên) có thể coi như là được phân giải. Các thấu kính có đường kính lớn hơn hoặc độ mở lớn hơn sẽ cho độ phân giải cao hơn.[56] Các giao thoa kế thiên văn với khả năng tạo ra độ mở rất lớn, cho phép thu được độ phân giải góc lớn nhất có thể.[49]
Đối với kỹ thuật chụp ảnh thiên văn, khí quyển ngăn cản độ phân giải tối ưu đạt được trong phổ khả kiến do khí quyển làm tán xạ và phân tán ánh sáng từ những ngôi sao 5 cánh khiến khi quan sát chúng thấy hình ảnh của sao như đang nhấp nháy. Các nhà thiên văn học coi hiệu ứng này để nhìn nhận chất lượng điều kiện kèm theo quan sát thiên văn. Các kỹ thuật mới như quang học thích nghi đã được ý tưởng nhằm mục đích vô hiệu tác động ảnh hưởng của tầng khí quyển đến chụp ảnh thiên văn và đã đạt tới số lượng giới hạn nhiễu xạ. [ 58 ]
Hiện tượng tán sắc và tán xạ.
Sự tán sắc xảy ra khi các tần số ánh sáng khác nhau có vận tốc pha khác nhau, hoặc là do tính chất của vật liệu (tán sắc do vật liệu) hoặc do hình học của ống dẫn sóng quang học (tán sắc do ống dẫn sóng). Hiện tượng tán sắc hay gặp nhất là khi có sự giảm chiết suất cùng với tăng bước sóng, mà có thể quan sát thấy ở đa số vật liệu trong suốt. Hiện tượng này được gọi là “tán sắc thông thường”. Nó xảy ra trong mọi chất điện môi, khi bước sóng nằm trong miền mà chất điện môi không hấp thụ ánh sáng.[60] Trong miền bước sóng mà môi trường hấp thụ đáng kể, chiết suất có thể tăng theo bước sóng. Hiện tượng này gọi là “tán sắc dị thường”.[40][60]
Quang phổ màu sắc thu được thông qua lăng kính là một ví dụ của hiện tượng tán sắc thông thường. Tại bề mặt lăng kính, định luật Snell tiên đoán rằng ánh sáng tới một góc bằng θ so với pháp tuyến sẽ bị khúc xạ một góc arcsin(sin (θ) / n). Do vậy, ánh sáng lam, với chỉ số khúc xạ cao hơn, bị lệch mạnh hơn so với ánh sáng đỏ, với kết quả là hình thành lên các thành phần màu của bảy sắc cầu vồng.[40]
- D = 1 v g 2 d v g d λ { \ displaystyle D = { \ frac { 1 } { v_ { g } ^ { 2 } } } { \ frac { dv_ { g } } { d \ lambda } } }
với
v
g
{\displaystyle v_{g}}
- v g = c ( n − λ d n d λ ) − 1 { \ displaystyle v_ { g } = c \ left ( n – \ lambda { \ frac { dn } { d \ lambda } } \ right ) ^ { – 1 } }
với n là chỉ số khúc xạ (chiết suất), c là tốc độ ánh sáng trong chân không.[62] Từ đây thu được công thức đơn giản hơn cho tham số độ trễ tán sắc:
- D = − λ c d 2 n d λ 2. { \ displaystyle D = – { \ frac { \ lambda } { c } } \, { \ frac { d ^ { 2 } n } { d \ lambda ^ { 2 } } }. }
Nếu D nhỏ hơn 0, người ta nói môi trường có tính tán sắc dương hoặc tán sắc thông thường. Nếu D lớn hơn 0, môi trường có tính tán sắc âm. Nếu một xung ánh sáng lan truyền qua môi trường tán sắc thông thường, khi đó thành phần có tần số cao hơn sẽ lan truyền chậm hơn thành phần có tần số thấp hơn. Khi đó xung trở thành xung có tần số tăng dần, tức là tần số tăng theo thời gian. Điều này có nghĩa là phổ thoát ra khỏi lăng kính cho thấy ánh sáng đỏ bị khúc xạ ít nhất và ánh sáng lam và cực tím bị khúc xạ nhiều nhất. Ngược lại, nếu một xung lan truyền qua môi trường có tính sắc dị thường (tán sắc âm), các thành phần có tần số cao hơn sẽ di chuyển nhanh hơn thành phần có tần số thấp hơn, và xung trở thành xung có tần số giảm dần, hay tần số giảm dần theo thời gian.[63]
Kết quả của hiện tượng kỳ lạ tán sắc tốc độ nhóm, dù là tán sắc dương hay âm, tác động ảnh hưởng quan trọng tới thời hạn trải ra của xung tín hiệu. Điều này khiến cho kỹ thuật xử lý sự tán sắc là cực kỳ quan trọng trong mạng lưới hệ thống viễn thông quang học dựa trên sợi quang học, do nếu sự tán sắc quá lớn thì nhóm xung biểu thị thông tin sẽ trải ra theo thời hạn và trộn lẫn nhau, khiến cho rất khó hoàn toàn có thể chiết tách được thông tin. [ 61 ]
Sự phân cực là đặc thù chung của sóng miêu tả hướng xê dịch của chúng. Đối với sóng ngang như ở hầu hết sóng điện từ, nó miêu tả hướng xê dịch trong mặt mặt phẳng vuông góc với phương truyền sóng. Sự giao động hoàn toàn có thể chỉ theo một hướng ( phân cực thẳng hay phân cực tuyến tính ), hoặc hướng giao động hoàn toàn có thể quay khi sóng truyền đi ( phân cực tròn hoặc phân cực ellip ). Sóng phân cực tròn hoàn toàn có thể quay sang phải hoặc sang trái theo hướng truyền sóng, và mỗi hướng quay này trong sóng được gọi là đặc thù chiral của sóng. [ 64 ]
Cách điển hình để xem xét tính phân cực đó là tìm ra hướng của vectơ điện trường khi sóng điện từ lan truyền. Vectơ điện trường của sóng phẳng có thể phân tích thành hai vectơ thành phần bất kỳ vuông góc với nhau ký hiệu là x và y (với z là trục của phương truyền sóng). Hình dạng chiếu trên mặt phẳng x-y của vectơ điện trường là đường cong Lissajous miêu tả trạng thái phân cực.[42] Những hình sau minh họa một vài ví dụ về hướng của vectơ điện trường (lam), ở thời điểm t (trục đứng), tại một điểm bất kỳ trong không gian, với các thành phần x và y (đỏ/trái và lam/phải), và hình chiếu quỹ đạo quét của vectơ trên mặt phẳng: cùng xảy ra một chu kỳ khi nhìn vào điện trường ở một thời điểm nhất định khi dịch chuyển điểm trong không gian, dọc theo hướng ngược lại với hướng lan truyền.
Trong hình ngoài cùng bên trái, những thành phần x và y của sóng ánh sáng đồng pha với nhau. Trong trường hợp này, tỉ số của biên độ của chúng là hằng số, do vậy hướng của vectơ điện trường ( vectơ tổng của hai vectơ thành phần ) là không đổi. Do đó hình chiếu của nó lên mặt phẳng vuông góc với phương truyền sóng tạo thành một đoạn thẳng, hay trường hợp này chính là sự phân cực tuyến tính. Hướng của đoạn thẳng nhờ vào vào độ lớn ( biên độ ) của hai vec tơ thành phần. [ 64 ]
Trong hình ở giữa, hai thành phần x và y vuông góc với nhau có cùng biên độ và lệch pha nhau 90°. Trong trường hợp này, một thành phần có giá trị bằng 0 khi thành phần kia có biên độ cực đại hoặc cực tiểu. Có hai khả năng để thỏa mãn điều kiện này: thành phần x có thể sớm pha 90° so với thành phần y hoặc có thể chậm pha 90° so với thành phần y. Trong trường hợp đặc biệt này, vectơ điện trường quét lên một đường tròn trong mặt phẳng, nên sự phân cực này gọi là sự phân cực tròn. Hướng quay của vectơ điện trường phụ thuộc vào mối liên hệ pha giữa hai thành phần và tương ứng với phân cực tròn bên phải và phân cực tròn bên trái.[42]
Trong trường hợp tổng quát, khi hai thành phần không có cùng biên độ và hoặc sự lệch pha của chúng không bằng 0 hay số nguyên lần của 90°, sự phân cực được gọi là phân cực elip bởi vì vectơ điện trường vạch lên một đường elip trong mặt phẳng (phân cực elip). Trường hợp này minh họa ở hình ngoài cùng bên phải. Mô tả toán học chi tiết của sự phân cực này sử dụng phép tính Jones và được đặc trưng bởi tham số Stokes.[42]
Thay đổi sự phân cực.
Các môi trường có chiết suất khác nhau tương ứng với các loại phân cực khác nhau được gọi là lưỡng chiết.[64] Những biểu hiện thường gặp ở hiệu ứng này là chất làm trễ pha (wave plates/retarders) trong phân cực thẳng và hiệu ứng Faraday/sự quay quang học trong phân cực tròn.[42] Nếu quãng đường trong môi trường lưỡng chiết là đáng kể, sóng phẳng sẽ đi ra khỏi vật liệu với hướng truyền bị thay đổi đáng kể do hiện tượng khúc xạ. Ví dụ, trong trường hợp đối với tinh thể canxit, người quan sát sẽ thấy hai ảnh phân cực vuông góc với nhau khi tia sáng đi xuyên qua chúng. Đây cũng là hiện tượng đầu tiên chứng tỏ có sự phân cực khi Erasmus Bartholinus quan sát thấy vào năm 1669. Thêm vào đó, sự dịch chuyển pha, và do đó làm thay đổi trạng thái phân cực, thường là phụ thuộc vào tần số sóng, khi đi tới vật liệu óng ánh (dichroism), sẽ tạo ra hiệu ứng nhiều mằu sắc như cầu vồng. Trong ngành khoáng vật học, những tính chất này gọi là hiện tượng đa sắc, và các nhà khoáng vật học dùng để nhận ra khoáng chất dưới kính hiển vi phân cực. Ngoài ra, nhiều chất dẻo bình thường không có tính lưỡng chiết sẽ có tính này khi chịu ứng suất cơ học, một hiện tượng trong lĩnh vực quang đàn hồi học.[64] Những phương pháp khác lưỡng chiết, để có thể quay sự phân cực thẳng của chùm sáng, bao gồm lăng trụ quay phân cực sử dụng hiệu ứng phản xạ toàn phần của lăng kính để thiết kế sự truyền ánh sáng đồng phân cực phẳng một cách hữu hiệu.[65]
Trong hình này, θ1 – θ0 = θi.Một thiết bị phân cực đổi khác hướng của ánh sáng phân cực thẳng. Trong hình này ,
Có những vật liệu làm giảm biên độ của một số loại sóng phân cực nhất định, mà chúng gần như cản mọi bức xạ theo một loại phân cực như thiết bị lọc phân cực hay kính phân cực. Định luật Malus, đặt theo tên của Étienne-Louis Malus, nói rằng khi chiếu chùm sáng phân cực thẳng vào một thiết bị phân cực hoàn hảo, cường độ I của chùm sáng vượt qua nó được cho bởi
- I = I 0 cos 2 θ i, { \ displaystyle I = I_ { 0 } \ cos ^ { 2 } \ theta _ { i } \ quad, }
với
- I0 là cường độ của chùm sáng tới,
- và θi là góc giữa hướng của ánh sáng phân cực ban đầu với trục của thiết bị phân cực.[64]
Một chùm sáng không phân cực về lý thuyết có thể coi như là hỗn hợp của các tia phân cực ở mọi trạng thái. Do giá trị trung bình của
cos
2
θ
{\displaystyle \cos ^{2}\theta }
- I I 0 = 1 2 { \ displaystyle { \ frac { I } { I_ { 0 } } } = { \ frac { 1 } { 2 } } \ quad }
Thực tế, cường độ chùm sáng bị mất một phần khi đi qua thiết bị phân cực và cường độ chùm sáng đi ra sẽ bị giảm hơn so với thống kê giám sát ở công thức trên, vào thời gian 38 % so với kính phân cực và cao hơn đáng kể ( > 49,9 % ) ở 1 số ít lăng kính lưỡng chiết. [ 42 ]Ngoài chất lưỡng chiết và ở một số ít vật tư óng ánh, hiệu ứng phân cực cũng Open ở mặt tiếp xúc giữa hai loại vật tư có chiết suất khác nhau. Các hiệu ứng này hoàn toàn có thể miêu tả bằng phương trình Fresnel. Một phần sóng được truyền qua và phần còn lại thì phản xạ, với tỷ suất giữa hai phần này phụ thuộc vào vào góc tới và góc khúc xạ. Theo cách này, quang học vật lý trở lại với định nghĩa góc Brewster. [ 42 ] Khi ánh sáng phản xạ từ màng mỏng dính, sự giao thoa giữa ánh sáng phản xạ từ mảng mỏng mảnh hoàn toàn có thể tạo ra sự phân cực .
Ánh sáng tự nhiên.
Hầu hết các nguồn bức xạ điện từ chứa nhiều phân tử và nguyên tử phát ra bức xạ. Hướng của điện trường tạo ra bởi các nguồn này có thể không tương quan với nhau, trong trường hợp này ánh sáng được coi là không phân cực. Nếu có sự tương quan một phần giữa các nguồn, ánh sáng sẽ phân cực một phần. Nếu toàn bộ dải phổ ánh sáng của nguồn phân cực đều như nhau, ánh sáng phân cực một phần có thể được miêu tả như là kết quả của sự chồng chập hoàn toàn của thành phần ánh sáng không phân cực với thành phần ánh sáng phân cực. Từ đây có thể mô tả ánh sáng theo số hạng “bậc phân cực”, và tham số phân cực elip.[42]
Ánh sáng phản xạ twf vật liệu trong suốt bị phân cực một phần hay toàn bộ, ngoại trừ tia sáng vuông góc với bề mặt vật liệu. Hiệu ứng này cho phép nhà toán học Étienne-Louis Malus thí nghiệm và đưa ra mô hình toán học về ánh sáng phân cực. Sự phân cực xuất hiện khi ánh sáng tán xạ trong khí quyển. Ánh sáng tán xạ tạo ra độ trắng và nền màu xanh da trời khi trời quang mây. Sự phân cực một phần này của ánh sáng tán xạ đem lại thuận lợi cho khoa học chụp ảnh khi áp dụng thêm các bộ lọc phân cực để thu được chất lượng ảnh tốt hơn. Sự phân cực quang học có vai trò quan trọng trong hóa học do hiệu ứng quay quang học và phân cực tròn (“lưỡng chiết tròn“) thể hiện ở các phân tử quang hóa học.[42]
Quang học văn minh.
Quang học hiện đại bao hàm các lĩnh vực khoa học quang học và kỹ thuật quang học mà đã trở thành phổ biến trong thế kỷ 20. Những lĩnh vực của khoa học quang học thường liên quan tới các tính chất điện từ hoặc tính chất cơ học lượng tử của ánh sáng và cũng liên quan tới các chủ đề khác. Một nhánh chính của quang học, quang học lượng tử, nghiên cứu các tính chất cơ lượng tử của ánh sáng. Quang học lượng tử không chỉ là lý thuyết; một số thiết bị hiện đại, như laser, có nguyên lý hoạt động dựa trên cơ học lượng tử. Những thiết bị phát hiện ánh sáng, như ống nhân quang và ống nhân electron, có độ nhạy với từng photon. Các cảm biến ảnh điện tử, như CCD, có độ ồn Poisson tương ứng với mức thống kê của từng photon sự kiện. Diode phát sáng và tế bào quang điện, cũng hoạt động dựa trên những nguyên lý của cơ học lượng tử. Trong nghiên cứu những thiết bị này, các nhà khoa học thường kết hợp quang học lượng tử với lĩnh vực điện tử lượng tử.[66]
Các nghiên cứu và điều tra chuyên biệt của quang học gồm có nghiên cứu và điều tra ánh sáng tương tác như thế nào với vật tư như trong quang học tinh thể và siêu vật tư. Những nghiên cứu và điều tra khác tập trung chuyên sâu vào những hiệu ứng của sóng điện từ trong quang học kỳ dị, quang học truyền bức xạ, quang học phi tuyến, quang học thống kê, và kỹ thuật đo lường và thống kê bức xạ. Thêm vào đó, ngành kỹ thuật máy tính đã lôi cuốn sự chú ý quan tâm và tăng trưởng của những nghành như mạch tích hợp quang học, công nghệ tiên tiến thị giác ở máy, và thống kê giám sát quang học, mở ra hướng đi triển vọng cho thế hệ máy tính tiếp theo. [ 67 ]Ngày nay, khoa học quang học thuần túy được gọi là khoa học quang học hay vật lý quang học để phân biệt nó với khoa học quang học ứng dụng, mà hoàn toàn có thể coi là kỹ thuật quang học. Những nghành nghề dịch vụ con của kỹ thuật quang học gồm có kỹ thuật chiếu sáng, quang tử học, và điện tử quang với những ứng dụng thực tiễn như phong cách thiết kế thấu kính, sản xuất và kiểm định những thành phần quang học, và kỹ thuật giải quyết và xử lý hình ảnh. Một số nghành nghề dịch vụ này có liên hệ với nhau, mà nhiều lúc sự phân biệt giữa những chủ đề chỉ ở thứ hơi khác trong nghành nghề dịch vụ công nghiệp trên nhiều nơi trên quốc tế. Cộng đồng những nhà nghiên cứu trong quang học phi tuyến đã tăng trưởng vững mạnh từ nhiều thập kỷ kể từ khi tăng trưởng công nghệ tiên tiến laser. [ 68 ]
Bài cụ thể : Laser
Máy phát tia laser là thiết bị phát ra ánh sáng thông qua cơ chế phát xạ kích thích. Thuật ngữ laser là từ viết tắt của Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation – Khuếch đại ánh sáng bằng bức xạ kích thích.[69] Ánh sáng laser có độ định hướng cao (tính kết hợp), tức là chùm sáng phát ra hoặc có độ rộng hẹp, độ phân kỳ của chùm thấp, hoặc có thể hội tụ chúng lại nhờ các thiết bị quang học như thấu kính. Bởi vì sóng vi ba cũng có thể bị phát xạ kích thích tương tự như laser, và hiệu ứng maser đã được phát triển đầu tiên, các thiết bị phát ra bức xạ kích thích trong bước sóng vi ba và sóng vô tuyến thường gọi là maser.[70]
Hiệu ứng Kapitsa – Dirac làm những chùm hạt bị nhiễu xạ khi gặp sóng đứng ánh sáng. Ánh sáng hoàn toàn có thể dùng để xác định vật chất trải qua nhiều hiệu ứng khác nhau .
Quang học xuất hiện trong đời sống hàng ngày. Hệ thống thị giác xuất hiện ở khắp nơi trong ngành sinh học cho thấy vai trò TT của quang học như thể khoa học của một trong năm giác quan. Nhiều người hưởng lợi từ việc đeo kính mắt hoặc kính áp tròng, và quang học được vận dụng để đưa ra nhiều sản phẩm & hàng hóa tiêu dùng chất lượng như máy ảnh. Cầu vồng và ảnh mờ ảo ( mirage ) là những ví dụ cho hiện tượng kỳ lạ quang học. tin tức quang là nền tảng cho những công nghệ tiên tiến Internet và truyền thông online .
Một trong những công dụng của mắt người là tập trung chuyên sâu ánh sáng lên một lớp những tế bào nhận kích thích ánh sáng gọi là võng mạc, lớp lót nằm phía trong cầu mắt. Sự tập trung chuyên sâu được triển khai bởi một loạt những môi trường tự nhiên trong suốt. Ánh sáng đi vào mắt đi qua môi trường tự nhiên tiên phong là giác mạc, nó mang lại nhiều hiệu suất quang học của mắt. Ánh sáng liên tục đi qua một chất lỏng nằm ngay phía sau giác mạc — khoang phía trước ( anterior chamber ), rồi đi qua đồng tử. Tiếp đó ánh sáng đi qua thủy tinh thể, được cho phép tập trung chuyên sâu thêm ánh sáng và kiểm soát và điều chỉnh năng lực nhìn gần hay xa của mắt. Sau đó ánh sáng đi qua chất lỏng chứa hầu hết trong cầu mắt là thủy dịch ( vitreous humour ), rồi tới võng mạc. Các tế bào nằm phần đông trong võng mạc nằm ngay sau mắt, ngoại trừ vị trí có dây thần kinh thị giác ; hay chính là điểm mù .Có hai loại tế bào nhận kích thích ánh sáng, đó là tế bào hình nón và tế bào hình que, chúng có độ nhạy khác nhau so với những loại ánh sáng khác nhau. [ 77 ] Tế bào hình que nhạy so với cường độ ánh sáng trong khoanh vùng phạm vi rộng của tần số, do vậy chịu nghĩa vụ và trách nhiệm so với thị giác đen và trắng ( nhìn đêm hôm ). Tế bào hình que không có tại điểm vàng, vùng võng mạc chịu nghĩa vụ và trách nhiệm cho thị giác TT, và không phân phối được so với sự biến hóa về khoảng trống và thời hạn của ánh sáng như tế bào hình nó. Tuy nhiên, số lượng tế bào hình que nhiều hơn 20 lần tế bào hình nón trong võng mạc chính do tế bào hình que phân bổ trên khoanh vùng phạm vi rộng hơn. Nhờ phân bổ rộng hơn, tế bào hình que chịu nghĩa vụ và trách nhiệm cho thị giác ngoại biên ( peripheral vision ). [ 78 ]trái lại, những tế bào hình nón ít nhạy sáng hơn, nhưng chúng nhạy đa phần so với ba loại dải tần số ánh sáng khác nhau và do đó có tính năng cảm nhận sắc tố và độ chói ( photopic vision ). Tế bào hình nón tập trung chuyên sâu đa phần ở điểm vàng và rất nhạy với độ tinh của sắc tố do đó chúng được cho phép phân biệt khoảng trống tốt hơn so với tế bào hình que. Vì tế bào hình nón không nhạy so với ánh sáng mờ tối bằng tế bào hình que, hầu hết năng lực nhìn đêm hôm là ở tế bào hình que. Mặt khác, do những tế bào hình nón tập trung chuyên sâu ở điểm vàng, thị giác TT ( gồm có năng lực nhìn để đọc, để thấy những chi tiết cụ thể nhỏ như xâu kim, hoặc kiểm tra vật thể ) là do những tế bào hình nón. [ 78 ]Cơ mi bao xung quanh thủy tinh thể được cho phép sự tập trung chuyên sâu ánh sáng của mắt hoàn toàn có thể kiểm soát và điều chỉnh được, hay quy trình điều tiết. Điểm gần và điểm xa xác lập khoảng cách gần nhất và xa nhất từ mắt mà ảnh một vật bộc lộ rõ nét trên võng mạc. Đối với một người có năng lực nhìn thường thì, điểm xa nằm ở vô tận. Vị trí của điểm gần nhờ vào vào năng lực cơ mi hoàn toàn có thể làm tăng độ cong của thủy tinh thể, và độ đàn hồi của thủy tinh thể ảnh hưởng tác động bởi tuổi tác. Các bác sĩ chuyên khoa mắt ( optometrist ), nhà khoa học nhãn khoa ( ophthalmologist ), và nhà quang học thường coi một điểm gần là điểm nằm gần hơn khoảng cách mà mắt hoàn toàn có thể đọc một cách thông thường — giao động bằng 25 cm. [ 77 ]Thị lực hoàn toàn có thể lý giải nhờ những nguyên tắc quang học. Khi con người trở lên già đi, thủy tinh thể trở lên kém đàn hồi và điểm gần dần lùi xa khỏi mắt, một tật gọi là lão thị. Tương tự, những người mắc chứng viễn thị không hề giảm tiêu cự của thủy tinh thể được cho phép thu được ảnh những vật ở gần trên võng mạc của họ. Ngược lại, những người không hề làm tăng tiêu cự thủy tinh thể đủ để ảnh của những vật ở xa tập trung chuyên sâu rõ tại võng mạc hay họ mắc chứng cận thị và điểm xa có khoảng cách hữu hạn hơn là khoảng cách vô hạn so với mắt thông thường. Một tật khác đó là loạn thị khi giác mạc không có dạng cầu nhưng bị cong nhiều hơn về một hướng. Điều này khiến cho những vật có bề ngang lớn bị tập trung chuyên sâu trên nhiều phần khác nhau của võng mạc so với những vật có size ngang hẹp, và tác dụng là ảnh của vật bị méo mó. [ 77 ]Những tật về mắt kể trên hoàn toàn có thể khắc phục bằng cách sử dụng dụng cụ thấu kính hiệu chỉnh ( corrective lens ). Đối với viễn thị và lão thị, kính mắt dạng thấu kính quy tụ giúp điểm gần nằm gần hơn về mắt trong khi thấu kính phân kỳ giúp mắt cận thị đưa điểm xa trở thành điểm nằm ở vô tận. Người loạn thị được đeo kính có mặt phẳng hình tròn trụ giúp bù lại sự không đồng đều của sự phân bổ tia sáng trên võng mạc. [ 79 ]Công suất quang học của kính hiệu chỉnh được đo bằng đi ốp ( diopter ), giá trị bằng nghịch đảo của tiêu cự đo theo đơn vị chức năng mét ; với giá trị dương tương ứng với thấu kính quy tụ và giá trị âm tương ứng với thấu kính phân kỳ. Đối với kính dùng cho người loạn thị, có ba thông số kỹ thuật cho mắt kính : một cho hiệu suất hình cầu, một cho hiệu suất hình tròn trụ, và một cho góc của hướng loạn thị. [ 79 ]
Hiệu ứng thị giác.
Đối với Về hiệu ứng trong phim ảnh, đồ họa vi tính, xem Hiệu ứng hình ảnh
Ảo ảnh nhận thức cũng bao gồm kết quả từ việc không nhận thức được sự áp dụng sai các nguyên lý quang học. Ví dụ, phòng Ames, ảo ảnh Hering, Müller-Lyer, Orbison, Ponzo, Sander, và ảo ảnh Wundt tất cả dựa trên cảm nhận về khoảng cách khi vẽ ra các đường hội tụ hay phân kỳ, theo cách giống với các tia sáng song song (hoặc thực sự là các đường thẳng song song) hiện lên như đang hội tụ tại một điểm nằm ở vô tận trong hình ảnh phối cảnh hai chiều.[81] Hiệu ứng này cũng giải thích cho nghịch lý nổi tiếng là ảo ảnh Mặt Trăng khi Mặt Trăng dường như trông to hơn khi nó ở gần chân trời so với khi nó ở thiên đỉnh.[82] Ptolemy đã sai khi giải thích ảo ảnh này là do sự khúc xạ khí quyển khi ông miêu tả hiện tượng này trong cuốn Optics.[8]
Những kiểu ảo ảnh khác vận dụng thủ pháp những mảnh bị phá vỡ để đánh lừa cảm nhận về sự đối xứng hoặc sự bất đối xứng của vật thể. Ví như ảo ảnh tường café, Ehrenstein, ảo ảnh xoắn ốc Fraser, ảo ảnh Poggendorff, và ảo ảnh Zöllner. Có một sự tương quan, nhưng không chỉ là ảo ảnh, đó là cấu trúc lặp đi lặp lại hoặc chồng chập của những thành phần. Ví dụ những dải mỏng dính trong suốt xếp thành hình cấu trúc lưới như mẫu moiré, trong khi những phần trong suốt tuần hoàn tích hợp lại tạo thành những đường hoặc cung tối như đường moiré. [ 83 ]
Dụng cụ quang học.
Những kính hiển vi đầu tiên chi có hai thấu kính: một vật kính và một thị kính. Vật kính được làm với tiêu cự rất ngắn có chức năng phóng đại ảnh của vật trong khi nói chung thị kính có tiêu cự lớn hơn. Điều này giúp cho thị kính tạo thêm ảnh phóng đại khi ảnh qua vật kính nằm gần vật được quan sát. Ngoài ra kính hiển vi cần thêm một nguồn chiếu sáng do ảnh phóng đại thường bị mờ do định luật bảo toàn năng lượng và sự phân tán chùm sáng ra một bề mặt diện tích lớn hơn. Kính hiển vi hiện đại, hay kính hiển vi tổ hợp có nhiều thấu kính kết hợp với nhau (thường là bốn) để tối ưu hóa chức năng và nâng cao sự ổn định của ảnh.[84] Một biến thể khác của kính hiển vi, kính hiển vi so sánh, dùng để nhìn vào vật dưới những góc khác nhau và tạo ra ống nhòm lập thể cho ảnh 3 chiều của vật.[85] Ngày nay có rất nhiều loại kính hiển vi khác nhau, dựa trên những nguyên lý của cơ học lượng tử cho phép có độ phân giải vượt qua giới hạn phân giải quang học.
Kính thiên văn đầu tiên, gọi là kính thiên văn khúc xạ cũng chỉ bao gồm một vật kính và thị kính. Ngược lại so với kính hiển vi, vật kính của kính thiên văn được thiết kế có tiêu cự lớn để tránh được quang sai. Vật kính tập trung hình ảnh của một vật ở xa tại tiêu điểm của nó mà được điều chỉnh sao cho nó nằm tại tiêu điểm của thị kính có tiêu cự ngắn hơn. Mục đích chính của kính thiên văn là tập trung càng nhiều ánh sáng đến từ vật thể ở xa càng tốt và điều này xác định bởi độ lớn của vật kính. Do vậy, kính thiên văn thường được thể hiện bằng đường kính của vật kính hơn là độ phóng đại của nó do độ phóng đại có thể thay đổi nhờ cách thay thị kính. Bởi vì độ phóng đại của kính thiên văn khúc xạ bằng tiêu cự của vật kính chia cho tiêu cự của thị kính, thị kính càng có tiêu cự nhỏ thì càng cho độ phóng đại lớn, mặc dù nó cũng có giới hạn riêng.[84]
Vì sản xuất ra thấu kính đường kính lớn khó hơn nhiều so với chế tạo gương lớn, hầu hết kính thiên văn hiện đại ngày nay là kính thiên văn phản xạ, tức là kính thiên văn có gương cong lớn chứ không phải là thấu kính. Và tương tự, kính thiên văn phản xạ càng có đường kính gương chính lớn thì càng thu nhận được nhiều ánh sáng và độ phóng đại vẫn bằng tiêu cự của gương chính chia cho tiêu cự của thị kính. Các kính thiên văn hiện đại được bố trí nhiều gương chính và gương phụ cũng như các thiết bị cảm biến đo lường hơn là thị kính nằm tại tiêu điểm của thiết bị (như CCD).[84]
- Độ phơi sáng ∝ Diện tích độ mở × Thời gian phơi sáng × Độ sáng cảnh chụp[86]
Nghĩa là, độ mở càng nhỏ ( cho độ sâu / mức tập trung chuyên sâu của ảnh hơn ), ánh sáng đến càng ít, do vậy thời hạn phơi sáng phải tăng lên ( dẫn đến năng lực ảnh bị nhòe nếu có hoạt động ). Ví dụ của luật tương hỗ đó là quy tắc f / 16 chụp trong ngày nắng đưa ra ước đạt thô cho những thiết lập thiết yếu để có độ phơi sáng thường thì chụp vào ban ngày. [ 87 ]
Độ mở của máy ảnh đo bằng đại lượng không thứ nguyên f-số, f/#, thường ký hiệu là
N
{\displaystyle N}
- f / # = N = f D { \ displaystyle f / \ # = N = { \ frac { f } { D } } \ }
với
f
{\displaystyle f}
là tiêu cự, và
D
{\displaystyle D}
Trường nhìn của thấu kính đổi khác theo tiêu cự của thấu kính. Có ba cách phân loại cơ bản dựa trên mối liên hệ giữa kích cỡ theo đường chéo của phim âm bản hoặc kích cỡ của cảm ứng so với tiêu cự của thấu kính : [ 89 ]
- Ống kính thường: góc chụp vào khoảng 50° (gọi là thường bởi vì góc này thường là bằng độ rộng tầm nhìn của mắt người[89]) và tiêu cự xấp xỉ bằng đường chéo của phim âm bản hoặc của cảm biến.[90]
- Ống kính góc rộng: góc chụp lớn hơn 60° và tiêu cự ngắn hơn ống kính thường.[91]
- Ống kính te le: góc chụp nhỏ hơn so với ống kính thường. Các ống kính này có tiêu cự lớn hơn kích thước đường chéo của phim âm bản hay cảm biến CCD.[92] Loại ống kính có tiêu cự lớn phổ biến là ống kính tele, thiết kế sử dụng các thấu kính cho phép tiêu cự tổng hợp ngắn hơn tiêu cự của từng thấu kính.[93]
Các ống kính zoom tân tiến hoàn toàn có thể có đặc tính của ba loại ống kính trên .Giá trị tuyệt đối cho thời hạn phơi sáng yên cầu phụ thuộc vào vào độ nhạy ánh sáng của phim âm bản hay cảm ứng CCD ( đo bởi vận tốc nhạy của phim, hay so với cảm ứng văn minh đo bằng hiệu suất lượng tử ). [ 94 ] Thời buổi đầu của nhiếp ảnh, những thợ chụp ảnh sử dụng những tấm phim âm bản có độ nhạy sáng thấp, do vậy thời hạn phơi sáng cũng cần phải dài ngay cả với lần chụp có tương hỗ của nguồn sáng mạnh. Với sự tăng trưởng của công nghệ tiên tiến, độ nhạy của phim và cảm ứng đã được tăng lên đáng kể. [ 95 ]Những hiệu quả khác từ quang hình học và quang học vật lý cũng vận dụng cho quang học máy ảnh. Ví dụ, năng lực phân giải lớn nhất của một thông số kỹ thuật camera được xác lập bởi số lượng giới hạn nhiễu xạ gắn liền với độ rộng của lỗ máy ảnh, hay số lượng giới hạn Rayleigh. [ 96 ]
Quang học khí quyển.
Các đặc thù quang học độc nhất của khí quyển làm Open 1 số ít những hiện tượng kỳ lạ quang học kỳ thú trên quốc tế. Màu xanh của nền trời là hiệu quả trực tiếp của hiện tượng kỳ lạ tán xạ Rayleigh làm lệch hướng mạnh những tia sáng có tần số cao ( lam ) trở lại trường nhìn của người quan sát. Bởi vì ánh sáng xanh da trời bị tán xạ thuận tiện hơn ánh sáng đỏ, Mặt Trời có màu hơi đỏ khi quan sát nó qua lớp khí quyển dày, tại thời gian Mặt Trời mọc hay Mặt Trời lặn. Nếu có thêm những loại hạt bụi hoặc khí đặc biệt quan trọng trong khí quyển hoàn toàn có thể làm tán xạ tia sáng Mặt Trời ở những góc khác nhau tạo ra khung trời đầy sắc tố vào thời gian bình minh hoặc chạng vạng. Các tinh thể băng và những hạt bụi khác trong khí quyển là nguyên do tạo ra những hiện tượng kỳ lạ như hào quang, ánh hồng ban chiều ( afterglow ), nhật hoa, tia sáng xuyên mây, và Mặt Trời giả. Sự Open phong phú của những hiện tượng kỳ lạ này là do kích cỡ khác nhau của những hạt bụi và sự phân bổ của chúng trong khí quyển. [ 97 ]
Ảo tượng (mirage) là hiện tượng quang học trong đó các tia sáng bị lệch do sự thăng giáng nhiệt trong chỉ số khúc xạ của không khí, tạo ra sự dời ảnh hoặc ảnh bị méo của các vật thể ở xa. Những hiện tượng quang học khác kết hợp với hiện tượng này là hiệu ứng Novaya Zemlya khi Mặt Trời trông như có vẻ mọc sớm hơn so với dự định do hình ảnh méo của nó. Một dạng ảo ảnh kỳ lạ khác kết hợp với hiệu ứng nghịch đảo nhiệt (temperature inversion) là ảo ảnh Fata Morgana khi các vật ở chân trời hoặc thậm chí vượt xa chân trời, như đảo, vách núi, tàu thuyền hay băng trôi dường như bị kéo giãn và nâng lên khỏi chân trời, trông giống như “lâu đài trong cổ tích”.[98]
Xem thêm: Đầu số 028 là mạng gì, ở đâu? Cách nhận biết nhà mạng điện thoại bàn – http://139.180.218.5
Cầu vồng là hiệu quả của sự phối hợp giữa phản xạ và khúc xạ tia sáng qua những hạt mưa hoặc hơi nước. Phản xạ của tia sáng qua những hạt mưa tạo ra đường kính góc của một cầu vồng trên khung trời vào lúc 40 ° đến 42 ° với vòng đỏ nằm ngoài cùng. Hiện tượng cầu vồng đôi xảy ra khi hai tia phản xạ tạo ra đường kính góc là 50,5 ° đến 54 ° so với ánh sáng tím nằm bên ngoài. Bởi vì cầu vồng nhìn thấy ở hướng ngược 180 ° tính từ tâm cầu vồng so với Mặt Trời, cầu vồng càng rõ khi Mặt Trời ở gần chân trời. [ 64 ]
Thư mục tìm hiểu thêm.
- Born, Max; Wolf, Emil (2002). Principles of Optics. Cambridge University Press. ISBN 1139643401.
- Hecht, Eugene (2002). Optics (4 ed.). Addison-Wesley Longman, Incorporated. ISBN 0805385665.
- Serway, Raymond A.; Jewett, John W. (2004). Physics for scientists and engineers (6, illustrated ed.). Belmont, CA: Thomson-Brooks/Cole. ISBN 0534408427.
- Tipler, Paul A.; Mosca, Gene (2004). Physics for Scientists and Engineers: Electricity, Magnetism, Light, and Elementary Modern Physics 2. W. H. Freeman. ISBN 9780716708100.
- Lipson, Stephen G.; Lipson, Henry; Tannhauser, David Stefan (1995). Optical Physics. Cambridge University Press. ISBN 0521436311.
- Fowles, Grant R. (1975). Introduction to Modern Optics. Courier Dover Publications. ISBN 0486659577.
Liên kết ngoài.
- Thảo luận liên quan
- Sách và hướng dẫn
- Đọc thêm
- Các hiệp hội
Source: http://139.180.218.5
Category: Thuật ngữ đời thường