Optică

Oare ne putem imagina viata fara lumina? Chiar si noaptea cerul este luminat de Luna si de stele. Dar ce este lumina? Filozofii Greciei antice nu faceau deosebire intre lumina si vedere. Pentru ei lumina era ceva ce nu putea exista in afara vederii. Cu timpul s-a conturat ideea ca lumina poate exista si in afara vederii si ca aceasta este o entitate fizica. Au urmat cercetari care au durat sute de ani pana s-a ajuns la concluzia acceptata azi ca lumina este o unda electromagnetica.

Isaac Newton (1643-1727), cunoscut pentru contributiile sale foarte importante din mecanica si matematica, a facut studii despre natura luminii dar s-a opus cu vehementa conceptiei de unda pentru lumina fiind convins ca lumina este compusa din particule mici care se deplaseaza in linie dreapta. Abia in anul 1801 cand fizicianul englez Thomas Young (1773 - 1829) a anuntat ca a obtinut fenomenul de interferenta cu doua fascicule de lumina a fost evident ca lumina este o unda. Experimentul lui Young pe care il vom analiza mai departe a fost un experiment foarte greu de realizat cu tehnologia din acel moment. Acest fenomen este caracteristic doar unor unde, ceea ce a demonstrat definitiv caracterul de unda al luminii. Ramanea de demonstrat ce fel de unda este lumina. Faptul ca lumina este o unda electromagnetica a fost pus in evidenta abia la sfarsitul secolului al 19-lea, in anul 1888, de catre fizicianul german Heinrich Hertz (1857 - 1894).

Intrebarile legate de natura luminii au continuat si in secolul al 20-lea. Astfel, in anul 1905, fizicianul german Albert Einstein (1879 - 1955) a explicat efectul fotoelectric considerand lumina o unda care are si caracter de particula numita foton. In conceptia lui A. Einstein lumina este formata dintr-un flux de fotoni.

Azi sunt acceptate ambele modele pentru lumina: de unda si de particula (foton).

Optica ondulatorie studiaza lumina ca unda. Lumina ca fascicul de fotoni este studiata in capitolul numit fizica cuantica.

In general, intelegem prin optica partea din fizica ce studiaza fenomenele fizice legate de propagarea undelor electromagnetice cu lungimea de unda cuprinsa in intervalul ()761010---m.

Sursa de unde electromagnetice pentru acest domeniu il reprezinta atomul si molecula cu tranzitiile electronice intre nivelele energetice ale acestora. Modul cum sunt emise undele electromagnetice din domeniul optic poate fi tratat doar cuantic, dar fenomenele care insotesc propagarea undelor electromagnetice pot fi tratate si clasic.

Domeniul optic are foarte multe aplicatii: optica integrata, optoelectronica, transmisia informatiei prin fibre optice, microscopia cu contrast de faza, etc.

Aplicatiile din domeniul optic s-au dezvoltat mai ales dupa constructia laserilor.

Obiectul cursului il reprezinta studiul propagarii campului electromagnetic sub forma undelor electromagnetice. In timpul propagarii undele electromagnetice interactioneaza cu mediul prin care se propaga prin fenomene ca dispersia si absorbtia si cu alte unde prin fenomene ca reflexia si refractia.

Teoria electromagnetica a luminii. Optica, Lectia 1 7

I.2. Clasificarea undelor electromagnetice. Aplicatii

Lungimea de unda a luminii este foarte mica. Domeniul vizibil, pentru care avem ca organ specializat ochiul, are lungimea de unda cuprinsa aproximativ in domeniul dintre 400 nm si 750 nm (1 nm = 10-9 m). Limitele domeniului sunt subiective, fiecare individ percepand un domeniu propriu de lungimi de unda. Limitele de mai sus reprezinta valori medii calculate statistic. Fiecare lungime de unda este perceputa ca o culoare diferita, lungimii de unda minime corespunzandu-i culoarea violet, iar lungimii de unda maxime corespunzandu-i culoarea rosie. Suprapunerea tuturor culorilor din spectrul vizibil formeaza lumina alba. Cu o prisma se poate descompune lumina alba in componentele sale ca in figura I.1.

Fig. I.1. Prisma descompune lumina alba

In timp ce lungimea de unda al undelor electromagnetice din spectrul vizibil are valori foarte mici, frecventele acestora au valori foarte mari. Astfel, limitele domeniului vizibil masurate in valorile frecventelor sunt, pentru violet 147,510violetc?==??Hz si pentru rosu, 14410rosuc?==??Hz. Aceste valori nu depind de mediul prin care se propaga unda. Frecventa este o caracteristica a sursei care genereaza campul electromagnetic. Frecventele undelor electromagnetice din domeniul vizibil sunt de aproximativ 1012 ori mai mari decat cele ale sunetelor percepute de ureche.

Undele electromagnetice exista intr-un domeniu de frecvente mult mai mare decat domeniul vizibil detectat de ochi. Una din marile realizari ale secolului al 20-lea a fost acela de a invata cum sa se produca si sa se detecteze undele electromagnetice cu frecvente mult diferite de cele din domeniul vizibil.

In figura I.2 este prezentat spectrul undelor electromagnetice care pot fi produse de om cu frecventele cuprinse intre Hz si Hz. In natura exista si surse de unde electromagnetice cu frecventele in afara acestui interval. Un exemplu sunt radiatiile gama produse de nucleele atomilor a caror lungime de unda masurata de om ajunge la m, iar frecventa la 10610181012310-?20 Hz.

8 Gabriela Cone

Fig. I.2. Spectrul undelor electromagnetice produse de om

Observam ca spectrul vizibil reprezinta o fractiune foarte mica a domeniului de frecvente al undelor electromagnetice.

? Undele radio modulate in amplitudine (AM) sau in frecventa (FM) sunt undele cu lungimea de unda cea mai mare din domeniul undelor electromagnetice. Aceste unde au lungimea de unda cuprinsa intre lungimea unui teren de fotbal si diametrul unei mingi de fotbal. Undele radio sunt cele care transporta semnalele care se transforma, de exemplu, in sunete muzicale in aparatul de radio. Aceste unde transporta semnalele si pentru televizor sau pentru telefonul celular. In figura I.3 este prezentat domeniul undelor radio, iar in figura 2.36 exemple de aplicatii ale undelor electromagnetice cu frecventa apartinand acestui domeniu.

Fig. I.3. Domeniul undelor radio

Radio receptorul exista in orice gospodarie, telefoanele celulare au ajuns si in cele mai indepartate localitati asigurand legatura intre oameni, televizorul este la fel de raspandit, iar cu radio telescoape se observa obiecte din spatiu care emit unde electromagnetice in domeniul frecventelor radio. Acestea pot fi planete, comete, nori gigantici de gaz si impuritati, stele sau chiar galaxii. Studiul undelor radio emise de astfel de surse le permite astronomilor sa obtina informatii despre compozitia, structura si miscarea acestora. Radio astronomia are avantajul ca observatiile efectuate cu unde radio nu sunt afectate de lumina solara, nori si ploaie.

In tabelul I.1 sunt prezentate benzile de frecvente destinate comunicatiilor prin radio.

Teoria electromagnetica a luminii. Optica, Lectia 1 9

Tabelul I.1. Benzile de frecvente destinate comunicatiilor prin radio

Banda

Lungimea de unda (m)

Frecventa (Hz)

ELF (frecventa extrem de joasa)

107 - 106

30 - 300

SLF (frecventa super joasa)

106 - 105

300 - 3000

VLF (frecventa foarte joasa)

105 - 104

3.103 - 3.104

LF (frecventa joasa)

104 - 103

3.104 - 3.105

MF (frecventa medie)

103 - 102

3.105 - 3.106

HF (frecventa inalta)

102 - 10

3.106 - 3.107

VHF (frecventa foarte inalta)

1 - 10

3.107 - 3.108

UHF (frecventa ultra inalta)

1 - 0,1

3.108 - 3.109

SHF (frecventa super inalta)

0,1 - 0,01

3.109 - 3.1010

EHF (frecventa extrem de inalta)

0,01 - 0,001

3.1010 - 3.1011

? Microundele sunt unde electromagnetice cu lungimea de unda masurata in centimetri. In figura I.4 este reprezentat domeniul de lungimi de unda al microundelor precizandu-se pozitiilor benzilor de lungimi de unda utilizate in detectia cu radar. Cuvantul radar este acronimul pentru RAdio Detection And Ranging din limba engleza. Aceste dispozitive au fost inventate in al doilea razboi mondial si utilizate pentru localizarea inamicului. Radarul emite un semnal in domeniul microundelor si detecteaza semnalul reflectat de obiectul pe care vrea sa-l localizeze. Masurand timpul