光学物理学：歴史、頻繁な用語、法律、アプリケーション - 物理的 - 2025

物理光学光のみ波モデルから理解物理現象の波の性質を研究する光の一部です。また、幾何光学からは説明できない干渉、偏光、回折などの現象も研究しています。

波動モデルでは、電場と磁場が互いに垂直に振動する電磁波として光を定義します。

電磁波

光波の電場（E）は磁場（B）と同様に振る舞いますが、マクスウェルの関係（1831–1879）により、電場は磁場よりも優勢であり、次のようになります。

ここで、c =波の伝播速度。

物理光学は、原子の吸収および放出スペクトルを説明しません。一方、量子光学はこれらの物理現象の研究を扱っています。

歴史

物理光学の歴史は、グリマルディ（1613-1663）によって実施された実験から始まります。グリマルディは、照明されたオブジェクトによって投じられた影がより広く見え、色付きのストライプで囲まれていることを観察しました。

彼は観測された現象の回折と呼びました。彼の実験的研究により、18世紀に流行したアイザックニュートンの概念とは対照的に、光の波の性質を提案するようになりました。

ニュートンのパラダイムは、光が直線経路を高速で移動する小さな小球の光線のように振る舞うことを確立しました。

Robert Hooke（1635-1703）は、色と屈折に関する彼の研究で、光は物質の媒体をほぼ瞬時に急速に伝播する音波のように振る舞うと述べ、光の波の性質を擁護しました。

後のホイヘンス（1629〜1695）は、フックの考えに基づいて、光の波動理論を彼の発光体（Traitéde lalumière）（1690）に統合しました。エーテルと呼ばれる微妙な弾性媒体の。

ホイヘンスの波の理論は、ニュートンの小球の理論よりもはるかに優れた反射、屈折、回折の現象を説明し、密度の低い媒質から密度の高い媒質に通過するときに光の速度が低下することを示しています。

ホイヘンスのアイデアは、2つの理由で当時科学者に受け入れられていませんでした。1つはエーテルの定義を十分に説明できないことであり、2つ目は力学の理論に関するニュートンの名声であり、大多数の科学者が光の粒子のパラダイムをサポートすることを決定することに影響を与えました。

波動理論の復活

19世紀初頭、トーマスヤング（1773〜1829年）は、科学者コミュニティに、彼の光干渉実験の結果に基づくホイヘンスの波動モデルを受け入れさせることに成功しました。この実験により、さまざまな色の波長を決定することができました。

1818年にフレネル（1788–1827）は干渉原理の観点からホイヘンスの波動理論を再表現しました。彼はまた、光の複屈折の現象を説明し、光が横波であることを確認することができました。

1808年にアラゴ（1788–1853）とマルス（1775-1812）は波動モデルからの光の偏光現象を説明しました。

1849年のフィゾー（1819-1896）と1862年のフーカルト（1819-1868）の実験結果は、光が水中よりも空気中で速く伝搬することを検証することを可能にし、ニュートンの説明と矛盾しています。

1872年、マクスウェルは電気と磁気に関する論文を発表し、電磁気を統合する方程式を述べました。彼の方程式から、彼は電磁波の振る舞いを分析することを可能にする波動方程式を得ました。

マクスウェルは、電磁波の伝播速度が伝播媒体に関連し、光の速度と一致することを発見しました。これは、光が電磁波であると結論付けています。

最後に、1888年のヘルツ（1857–1894）は電磁波の生成と検出に成功し、光が電磁波の一種であることを確認しました。

物理光学は何を研究していますか？

物理光学は、干渉、回折、偏光など、光の波の性質に関連する現象を研究します。

干渉

干渉とは、2つ以上の光波が重なり合って、同じ空間領域に共存し、明るい光と暗い光の帯を形成する現象です。

より大きな振幅の波を生成するために複数の波を加算すると、明るい帯域が生成されます。このタイプの干渉は建設的干渉と呼ばれます。

波が重なり合って低振幅の波を生成する場合、干渉は破壊的干渉と呼ばれ、暗い光の帯が生成されます。

干渉

色の付いたバンドの分布を干渉パターンと呼びます。干渉は、濡れた道路のシャボン玉や油層で見られます。

回折

回折現象は、光波が障害物や開口部にぶつかったときに伝搬方向が変化し、その振幅と位相が変化することです。

干渉現象と同様に、回折はコヒーレント波の重ね合わせの結果です。2つ以上の光波は、一定の位相関係を維持しながら同じ周波数で発振する場合、コヒーレントです。

障害物が波長と比較してますます小さくなるにつれて、回折の現象は、反射と屈折の現象よりも優勢になり、光線が障害物にぶつかると、光線の分布を決定します。 。

分極

分極は、波が電界を含む平面に垂直な単一方向に振動する物理現象です。波の伝播方向が固定されていない場合、波は偏光されていないと言われています。偏光には、直線偏光、円偏光、楕円偏光の3種類があります。

波が偏光面で直線を描く固定線に平行に振動する場合、それは直線偏光と呼ばれます。

波の電場ベクトルが同じ伝播方向に垂直な平面内の円を描き、その大きさを一定に保つ場合、波は円偏波と呼ばれます。

波の電界ベクトルが同じ伝播方向に垂直な平面内の楕円を表す場合、波は楕円偏光されているといいます。

物理光学における頻繁な用語

分極

これは、特定の単一方向に向けられた光の一部のみを通過させ、他の方向に向けられた波は通過させないフィルターです。

波面

これは、波のすべての部分が同じ位相を持つ幾何学的な表面です。

波の振幅と位相

振幅は、波の最大伸びです。波の位相は、ある瞬間の振動の状態です。2つの波が同じ振動状態にある場合、それらは同相です。

ブリュースター角

これは、光源から反射された光波が完全に偏光される光の入射角です。

赤外線

700 nmから1000μmの電磁放射スペクトルで人間の目に見えない光。

光の速度

これは、値が3×10 ⁸ m / sの真空中の光波の伝播の速度定数です。光速の値は、物質媒質中を伝播するときに変化します。

波長

波が伝播するときの波の山と別の山の間、または谷と別の谷の間の距離の尺度。

紫外線

400 nm未満の波長のスペクトルを持つ非可視の電磁放射。

物理光学の法則

以下は、偏光と干渉の現象を説明する物理光学のいくつかの法則に言及しています

フレネルとアラゴの法則

1.直線偏光、コヒーレント偏光、直交偏光の2つの光波は、互いに干渉して干渉パターンを形成しません。
2.直線、コヒーレント、および平行偏光の2つの光波は、空間領域で干渉する可能性があります。
3.直線偏光、非コヒーレント偏光、直交偏光の2つの自然光波は、互いに干渉して干渉パターンを形成しません。

マルス法

マルスの法則によれば、偏光子によって透過される光の強度は、偏光子の透過軸と入射光の偏光軸を形成する角度の余弦の2乗に正比例します。言い換えると：

I =偏光子を透過した光の強度

θ=入射ビームの透過軸と偏光軸の間の角度

I ₀ =入射光強度

マルス法

ブリュースターの法則

反射ビームと屈折ビームの角度が90°の場合、表面で反射された光線は、光線の入射面に垂直な方向に完全に偏光されます。

ブリュースターの法則

用途

物理光学の用途のいくつかは、液晶の研究、光学システムの設計、および光学計測にあります。

液晶

液晶は、固体状態と液体状態の間に保たれる物質であり、その分子には双極子モーメントがあり、それらに当たる光の偏光を引き起こします。この特性から、電卓、モニター、ラップトップ、携帯電話の画面が開発されました。

液晶ディスプレイ（LCD）付きデジタル時計

光学系設計

光学システムは、日常生活、科学、テクノロジー、ヘルスケアでよく使用されます。光学システムを使用すると、太陽、LED、タングステンランプ、レーザーなどの光源からの情報を処理、記録、送信できます。光学システムの例としては、回折計と干渉計があります。

光計測

光波に基づいて、物理パラメータの高解像度測定を実行します。これらの測定は、干渉計と屈折計で行われます。医療分野では、計測は患者のバイタルサインを常に監視するために使用されます。

物理光学の最近の研究

オプトメカニカルカーカー効果（AV Poshakinskiy1およびAN Poddubny、2019年1月15日）

PoshakinskiyとPoddubny（1）は、振動運動を伴うナノメートル粒子が、1983年にKerker et al（2）によって提案されたものと同様の光学機械効果を発揮できることを示しました。

カーカー効果は、球状の磁性粒子によって散乱された光の強い指向性を得ることからなる光学現象です。この方向性には、粒子が電気力と同じ強度の磁気応答を持つことが必要です。

ケルカー効果は、現在自然には存在しない磁気的および電気的特性を持つ材料粒子を必要とする理論的な提案です。PoshakinskiyとPoddubnyは、空間で振動する大きな磁気応答なしに、ナノメートル粒子に同じ効果をもたらしました。

著者は、光の非弾性散乱を考慮した場合、同じ大きさの磁気成分と電気極性成分が粒子に誘導されるため、粒子振動が適切に干渉する磁気分極と電気分極を作成できることを示しました。

著者らは、音波の適用によって振動させることにより、ナノメートル光学デバイスにおける光学機械効果の適用を提案している。

体外光通信（DR DhatchayenyとYH Chung、2019年5月）

DhatchayenyとChung（3）は、Androidテクノロジーを搭載した携帯電話のアプリケーションを介して、人のバイタルサイン情報を送信できる実験的体外光通信（OEBC）システムを提案しています。このシステムは、一連のセンサーとダイオードハブ（LEDアレイ）で構成されています。

センサーは体のさまざまな部分に配置され、脈拍、体温、呼吸数などのバイタルサインを検出、処理、伝達します。データはLEDアレイを介して収集され、光学アプリを備えた携帯電話のカメラを介して送信されます。

LEDアレイは、レイリーガンズデバイ（RGB）散乱波長範囲の光を放射します。放出される光の各色と色の組み合わせは、バイタルサインに関連しています。

著者によって提案されたシステムは、実験結果の誤差が最小限だったので、信頼できる方法でバイタルサインの監視を容易にすることができます。

参考文献

1. オプトメカニカルカーカー効果。Poshakinskiy、AVおよびPoddubny、A N. 1、2019、Physical Review X、Vol。9、pp。2160-3308。
2. 磁性球による電磁散乱。Kerker、M、Wang、DSおよびGiles、CL L.6、1982年、Journal of the Optical Society of America、Vol。73。
3. スマートフォンのカメラを使用した、人体のバイタルサイン送信用の光学体外通信。Dhatchayeny、DおよびChung、Y.15、2019、Appl。Opt。、Vol。58。
4. Al-Azzawi、A。物理光学の原則と実践。ボカラトン、フロリダ：CRCプレステイラー&フランシスグループ、2006年。
5. Grattan-Guiness、I。数学科学の歴史と哲学のコンパニオン百科事典。米国、ニューヨーク：Routledge、1994、Vol。II。
6. Akhmanov、SAおよびNikitin、S Yu。物理光学。ニューヨーク：オックスフォード大学出版、2002年。
7. Lipson、A、Lipson、SGおよびLipson、H.Physical Optics。英国ケンブリッジ：Cambridge University Press、2011年。
8. ミケルソン、R。物理光学。ニューヨーク：Springer Science + Business Media、1992。
9. Jenkins、FA and White、H E. Fundamentals of Optics。NY：McGraw Hill Higher Education、2001年。