Fizik Optik Nedir

kaynağı değiştir]

Klasik optik iki ana dala ayrılır: geometrik optik ve fiziksel optik. Geometrik optikte, ya da ışın optiği, ışığın düz çizgiler üzerinde yol aldığı varsayılır. Fiziksel optikte, ya da dalga optiği, ışık elektromanyetik bir dalga olarak düşünülür.

Geometrik optik, dalga boyu optik elemanlar ve modellenen sistem için çok küçükse fiziksel optiğin indirgenmiş hali olarak düşünülebilir.

Geometrik optik[değiştir kaynağı değiştir]

Fiziksel optikler; ayrıca optik, elektrik mühendisliği ve uygulamalı fizikte yaygın olarak kullanılan bir yaklaşımın adıdır. Bu bağlamda fiziksel optik, dalga etkilerini göz ardı eden geometrik optik ile kesin bir teori olan tam dalga elektromanyetizması arasında bir ara yöntemdir. "Fiziksel" sözcüğü, optiğin geometrik veya ışın optiklerinden daha fiziksel olduğu ve tam bir fiziksel teori olmadığı anlamına gelir.^[1]

Bu yaklaşım, bir yüzey üzerindeki alanı tahmin etmek ve daha sonra iletilen veya dağınık alanı hesaplamak için bu alanı yüzey üzerinde entegre etmek için ışın optiklerini kullanmaktan oluşur. Bu, Born yaklaşımına benzemektedir, çünkü problemin ayrıntıları bir pertürbasyon olarak ele alınmaktadır.

Optiklerde, kırınım etkilerini tahmin etmenin standart bir yoludur. Bu yaklaşım, radyoda optik etkilere benzeyen bazı etkileri tahmin etmek için kullanılır. Birçok parazit, kırınım ve kutuplaşma etkisini modeller ama kırınımın polarizasyonuna bağımlı değildir. Yüksek frekanslı bir yaklaşım olduğu için, optikte genellikle radyodan daha kesindir.

Optiklerde, tipik olarak iletilen veya dağınık alanı hesaplamak için bir lens, ayna veya diyafram üzerinde ışın tahmin edilen alanın integralinin alınmasıyla oluşur.

Işın optik alanı veya akımı, kırınım ve sürünen dalga hesaplamaları ile desteklenmedikçe, kenarlar veya gölge sınırlarının yakınında genellikle doğru değildir.

Fiziksel optiklerin standart teorisi, dağınık alanların değerlendirilmesinde bazı kusurlara sahiptir ve bu da, speküler doğrultudan uzaklaştıkça azalmış bir azalmaya yol açar.^[2][3] yılında uygulamaya konan geliştirilmiş bir teori, dağıtıcıları ileterek dalga kırınımını içeren problemlere kesin çözümler sunmuştur.^[2]

Ayrıca bakınız[değiştir kaynağı değiştir]

Ana madde: Optik tarihi

Optiğin tarihi Antik Mısır ve Mezopotamya uygarlıklarının merceği geliştirmesiyle başlar. Bilinen ilk mercekler, M.Ö. 'lerde Asurlular tarafından cilalı kristalden ya da genellikle kuartz, yapılmıştır. Layard/Nimrud Merceği bunun bir örneğidir.^[2][3]Antik Romalılar, cam kürelere su doldurup mercek olarak kullanmışlardır. Optik alanında gelişmeler, ışık hakkındaki genel teoriler ile Yunan ve Hint filozofların geliştirdiği görme kuramlarını beraberinde getirdi. Bu ilerlemeler, Greko-Romen kültüründe geometrik optiğin gelişimini sağladı. "Optik" sözcüğü Yunanca görünüş, görünüm anlamına gelen "ὀπτική" sözcüğünden türemiştir.^[3]

Yunan felsefesi görme eyleminin nasıl gerçekleştiği konusunda iki teoriye ayrılmıştır; emisyon (yayılma) ve içe giriş teorisi.^[4] İçe giriş teorisine göre nesnelerden nesnenin kopyaları (eidola) göze gelir ve kopya göz tarafından yakalanınca görme eylemi gerçekleşir. Demokritos, Epikür, Aristoteles ve öğrencilerinin de desteklediği bu teori modern görme teorileriyle ortak yanlara sahip olsa da ortaya atıldığı dönemde hiçbir deneysel çıkarıma dayanmamaktaydı.

Platon, ilk olarak yayılma teorisinde görme olayını; maddelerden yayılan ışınların göz tarafından soğurulması olarak açıklamıştır. Platon aynı zamanda Timaeus'da aynaların dönüşüm çarpanına değinmiştir.^[5] Birkaç yüzyıl sonra ÖklidOptik tezi yazdı. Bu tezinde görme olayını geometriyle birleştirdi ve "Geometrik Optiki geliştirdi.^[6] Her ne kadar gözden çıkan ışının her göz kırpmada gözde parlamalara sebep olması gerektiğini sorgulasa da Öklid bu çalışmasını Platon'un perspektifin matematiksel kurallarını ve kırılımın etkilerini nitel olarak açıkladığı yayılım teorisini baz alarak yaptı.^[7]Batlamyus, Optik tezinde içe-dışa yayma teorisini düzenledi: gözden gelen ışınlar (ya da akı) koni şeklini alır, tepesi göze girer ve taban görüş alanını belirtir. Işınlar hassastı, gözlemcinin beynine mesafe ve yüzeyin yönü hakkında bilgi iletiyordu. Aslında Öklid'i özetlemiştir ve ışınla geliş açısı arasındaki ampirik ilişkiyi farkedememiş, kırılma açısını ölçmek için yöntem aramıştır.^[8]

Orta Çağ'da Yunanların optik hakkındaki görüşleri Müslüman dünyası bilim adamları tarafından yeniden gündeme getirilip, geliştirildi. Bu bilim adamlarının öncülerinden olan Kindi, Aristotesyen ve Öklidyen optiğin yararlarını yazmış, optik fenomeni daha iyi açıkladığını düşündüğü için yayılım teorisini benimsemiştir.^[9] yılında İranlı matematikçi Ibn Sahl, "Yanan (Parlayan) aynalar ve mercekler" üzerine bir tez yazdı. Şimdiki adıyla Snell yasası'nı yani ışığın kırılımını açıklamıştır.^[10] Ve bu yasayı merceklerin ve küresel aynaların optimum eğriliğini hesaplamak için kullandı. yüzyılın başlarında, İbn-i HeysemOptik Kitabı'nı (Kitab al-manazir) yazdı. Bu kitapta yansıma ve kırılmayı açıkladı. Aynı kitapta görme olayını ve ışığı açıklamak için gözlem ve deneye dayalı yeni bir sistem önerdi.^{[11][12][13][14][15]} Batlamyus'un ışınların gözden emildiğini söyleyen optik yayılma teorisini reddetti. Bunun yerine ışığın tüm yönlerden, düz çizgiler halinde gözlenen nesnenin her noktasından yansıyıp göze girdiğini öne sürdü. Fakat gözün ışınları nasıl yakaladığını açıklayamadı.^[16] İbn-i Heysem'in çalışması Arap dünyasında görmezden gelinse de yılında anonim bir yazar tarafından Latince'ye çevrildi. Daha sonra Polonyalı Witelo adlı bir keşiş tarafından özetlendi ve genişletildi. Bu metin yıl boyunca Avrupa'da optik üzerine literatür kitap olarak kullanıldı.^[17]

yüzyıl Ortaçağ Avrupası'nda İngiliz piskopos Robert Grosseteste, ışıkla ilgili bilimsel konuları Aristo'nun ve Platon'un çalışmalarından yola çıkarak geniş bir şekilde, 4 farklı perspektifle ele aldı: epistemolojik, metafiziksel veya kozmogoniksel, etiyolojik veya fiziksel ve teolojik.^[18] Grosseteste'nin en tanınmış öğrencisi, Roger Bacon; İbn-i Heysem, Aristo, İbn-i Sina, İbn Rüşd, Öklid, Kindi, Batlamyus, Tideus, Constantinus Africanus gibi bilim insanlarının yakın zamanda çevrilmiş optik ve felsefe konulu eserlerinden alıntılar ile bir çalışma yaptı. Bacon cam küre parçalarını büyüteç gibi kullanarak ışığın nesnelerden kaynaklanmadığını, nesnelerden yansıdığını ortaya koydu.

İlk takılabilir gözlük yılı civarında İtalya'da icat edildi.^[19] Bu icat mercekleri bileyerek ve cilalayarak gözlük yapılmasını sağlayan optik endüstrisinin başlangıcıydı. İlk olarak Venedik ve Floransa'da yüzyılda başlamış^[20] daha sonra Hollanda ve Almanya'da da gözlük merceği yapım atölyeleri açılmıştır.^[21] Gözlük yapımcıları görüşü düzeltmek için zamanın optik teorisinden (merceklerin nasıl çalıştığını açıklayamıyordu) edindikleri bilgilerle değil merceklerin etkilerini inceleyerek öğrendikleri bilgilerle farklı mercek tipleri geliştirdiler.^[22][23] Mercek alanındaki gelişmeler, ustalaşma ve deneyler; 'te bileşik ışık mikroskobunun, 'de refrakter teleskopun Hollanda'daki mercek atölyelerinde icat edilmesini sağladı.^[24][25]

yüzyılın başlarında Johannes Kepler geometrik optikte ilerleme kaydetmiştir. Kepler mercekleri, düz ve küresel aynalarda yansımayı, iğne deliği kameranın çalışma prensibini, ışığın yoğunluğunun ters kare yasası ile ilişkisini, Ay ve Güneş tutulmasını, ıraklık açısını açıklamıştır. Aynı zamanda retinanın görüntüleri kaydetme rolü olduğunu anlamış ve mercek yapımcılarının yıllık gözlemlerinin ardından değişik mercek çeşitlerinin etkileri bilimsel olarak ölçülmüştür.^[26] Teleskobun icadından sonra Kepler; teleskobun çalışma prensibinin teorik temellerini oluşturmuş; teleskoplar için Kepler teleskobu olarak bilinen ve büyütmeyi arttırmak için iki dışbükey mercek kullanan daha iyi bir yöntem geliştirmiştir.^[27]

Newton'un kitabı Opticks'in ilk baskısının () kapağı

Optik teori yüzyılın ortalarında René Descartes'ın The World adlı eserinde bulunan tezlerle ilerleme kaydetti. Bu tezlerde yansıma ve kırılma,ışığın onu üreten nesneler tarafından emildiği varsayılarak, açıklandı.^[28] Bu antik Yunan yayılma teorisinden çok farklıydı. 'ların sonlarına doğru, Newton Descartes'in fikrini Işığın Tanecik Kuramı'na dönüştürdü. Bu kurama göre beyaz ışık bir prizma aracılığıyla içeriğindeki renklere ayrılabilen birçok rengin karışımıydı. 'da Christiaan Huygens, 'te Robert Hooke tarafından yapılan çıkarımlara dayanarak dalga teorisini önerdi. Hooke, Newton'ın ışık teorilerini halka açık bir şekilde eleştirdi. İkisi arasındaki anlaşmazlık Hooke'un ölümüne kadar sürdü. yılında Newton, Opticks'i yayınladı. Fiziğin diğer alanlarındaki başarısı sebebiyle yaşadığı dönemde ışığın doğası tartışmasının galibi olarak düşünülüyordu.^[28]

Newtonyen optik yüzyılın başlarına kadar kabul gördü ta ki Thomas Young ve Augustin-Jean Fresnel'in girişim deneyleri ile ışığın dalga modelini yayınlamasına kadar. Young'ın meşhur çift yarık deneyi ışığın süperpozisyon ilkesine uyduğunu gösterdi. Bu durum Newton'ın parçacık teorisinde öngörülmemişti. Bu çalışma ışığın kırınım teorisine yönlendirdi ve fiziksel optikte yeni bir çalışma alanı yarattı.^[29] 'larda dalga optiği James Clerk Maxwell tarafından elektromanyetik teori ile başarıyla birleştirildi.^[30]

Optik teorideki bir sonraki gelişme Max Planck'ın siyah cisim ışımasını doğru olarak modellemesi oldu. Bu modelde Planck madde ile ışık arasındaki enerji değişimlerinin sadece kuanta adını verdiği belirli enerji düzeylerinde gerçekleşebildiği varsaydı.^[31][32] 'te Albert Einstein kuantizasyonun ışığın kendisinden kaynaklandığını açıklayan fotoelektrik etki teorisini yayınladı.^[33][34] 'te Niels Bohr atomların sadece belirli ve kesikli enerji düzeylerinde enerji yayıldığını gösterdi. Bu keşif emisyon ve absorpsiyon spektroskopisindeki kesikli çizgileri açıkladı.^[35] Işık ve madde arasındaki etkileşimin anlaşılması kuantum optiğinin temelini atmasının yanı sıra kuantum mekaniğinin bir bütün olarak geliştirilmesinde önemli bir rol oynadı. Sonuç olarak; kuantum elektrodinamiği tüm optik ve elektromanyetik süreci sanal ve gerçek fotonların değişimi olarak açıkladı.^[36]

Kuantum optiği 'te maserin, 'ta lazerin icadıyla günlük hayatta kullanım bakımından önem kazandı.^[37]Paul Dirac'ın kuantum alan kuramı üzerine çalışması ve George Sudarshan, Roy J. Glauber, Leonard Mandel'in katkıları ve 'larda fotodedektör, istatistiksel mekanik alanlarında daha fazla bilgi edinmek için kuantum teorisinin elektromanyetik alana uygulanmasını sağladı.

Klasik optik[değiştir kaynağı değiştir]

Ana madde: Geometrik optik

Işık ışınlarının yansıması ve kırılması

Geometrik optik ya da ışın optiği, ışığın dalga olarak yayılmasını farklı ortamlara geçerken yansıma veya kırılma yasalarıyla düz yolda ilerleyen ışınlar şeklinde gösterir.^[38] Bu yasaların ampirik keşfi yıllarına kadar uzanır.^[10] Bu süreç içinde optik cihaz ve araç tasarımında bu yasalar kullanılmıştır. Yasalar şu şekilde özetlenebilir:

Işık ışını iki geçirgen yüzey arasından geçerken yansıyan ve kırılan ışınlar olmak üzere ikiye ayrılır.

Yansıma yasasına göre yansıyan ışın aynı düzlemde kalır ve ışığın yansıma açısı gelme açısına eşittir.

Kırılma yasasına göre kırılan ışın aynı düzlemde kalır ve kırılma açısının sinüsünün gelme açısının sinüsüne oranı sabit bir sayıdır.

n herhangi iki sayı için değişkendir ve ışığın rengini verir. Kırılma indisi olarak bilinir.

Yansıma ve kırılım yasaları Fermat ilkesinden çıkarılabilir. Bu ilkeye göre: bir ışık ışını herhangi iki nokta arasında ilerlerken, izlediği yol en az zamanı gerektiren yoldur.^[39]

Yaklaşımlar[değiştir

nest...

23074 23075 23076 23077 23078