فیزیک نور و اپتیک

a.inkare

New member
نورشناسی اپتیک یا فیزیک نور، شاخه‌ای از فیزیک است که به بررسی نور و خواص آن و برهمکنش آن با ماده می‌پردازد. نورشناسی به مطالعه حوزه مرئی، ماواء بنفش و زیر قرمز امواج الکترومغناطیسی می‌پردازد.

تاریخچه
در یونان باستان عقیده بر این بود که نور از چشم به سمت اشیا می‌تابد و بازتاب آن باعث دیدن و دیده شدن، می‌شود.موزی، ارسطو و اقلیدس [SUP] [/SUP] در سدهٔ ۵ و ۴ پیش از میلاد با استفاده از تئوری سوراخ‌سوزنی یا اتاقک تاریک تلاش کردند خلاف آن نظریه را ثابت کنند. آن‌ها در پشت دوربین‌های سوراخ سوزنی صفحه‌ای نیمه‌مات قرار می‌دادند تا تصویر بازتاب‌ شده ی روی آن با چشم دیده شود.[SUP] [/SUP] در قرن ششم میلادی، آنتمیوس در آزمایش‌های خود از دوربین تاریکخانه‌ای استفاده کرد.[SUP] [/SUP]
اما ابن هیثم پدر علم نورشناسی یا فیزیک نور،در سده‌ی پنجم هجری/یازدهم میلادی، بود که رساله ای در باره نورشناسی نوشت و در نهایت تئوری دوربین سوراخ سوزنی را گسترش داد و در مشاهدات خورشید گرفتگی خود از وسیله‌ای به نام اتاقک تاریک استفاده کرد.[SUP] [/SUP] او برای نخستین‌بار از دوربین سوراخ سوزنی و دوربین تاریکخانه‌ای در آزمایش‌هایش جهت بررسی خواص نور، استفاده نمود و آن را به جهان معرفی کرد.

[h=2]نورشناسی هندسی[/h]نورشناسی هندسی نور به صورت یک پرتو منتشر شونده در یک خط راست مدل بندی می‌کند. این نظریه توانسته‌است بسیاری از ویژگی‌های نور مثل شکست نور، بازتاب نور از سطوح را به خوبی توصیف نماید.
[h=2]نورشناسی موجی [/h]پدیده‌هایی وجود دارند که دیگر نمی‌توان آنها را با دید نور هندسی مورد مطالعه قرار داد که نمونه‌ای از این پدیده‌ها پراش، پاشندگی، تداخل نور می‌باشد. به این منظور با کارهای ماکسول مشخص شد که رفتار نور به خوبی با استفاده از یک موج الکترومغناطیسی قابل توصیف است.
[h=2]نورشناسی کوانتمی[/h]با وجود همه موفقیت‌هایی که در زمینه نورشناسی انجام شده بود باز هم هنوز نور ماهیت اصلی خود را هویدا نکرده بود. اما با پیشرفت‌هایی که در زمینه مکانیک کوانتومی انجام شد و کاربرد آن در حوزه نورشناسی جبهه‌های جدیدی در این علم گشوده و نمودهای تازه‌ای از نور مشاهده شد. این موضوع تا جایی ادامه یافت که اعتقاد دانشمندان فیزیک بر آن شد که نور ذاتا یک موجود کاملا کوانتمی است و آنچه که در تئوری‌های کلاسیک به آن پرداخته می‌شود یک تقریب نسبتا خوب از نور است. در این مدل بندی جدید پدیده‌هایی پیش بینی و توصیف شدند که پیش از این بررسی نمی‌شدند. امروزه موفق‌ترین مدل برای توصیف نور مدل نورشناسی کوانتومی است
 

Mohsen 89

مدیر تالار فیزیک
فیزیک نور و اپتیک

سلام دوستان
ظاهرا اینجور که پیش میره خبری از بخش و دسته بندی و مرتب سازی نیست
فعلا برای بهم نریختن بیشتر از این تالار مطالب مربوط به فیزیک اپتیک رو تو این تایپیک قرار بدین
با تشکر:gol:
 

Mohsen 89

مدیر تالار فیزیک
ساخت کوچکترین حفره نوری سه بعدی از مواد مصنوعی

ساخت کوچکترین حفره نوری سه بعدی از مواد مصنوعی


پژوهشگران آزمایشگاه ملی «لورنس برکلی» با همکاری همتایان خود در دانشگاه کالیفرنیا موفق شدند کوچک‌ترین حفره نوری سه بعدی جهان را با پتانسیل تولید پرتو‌های نانولیزری با شدت بالا تولید کنند.

به گزارش سرویس فناوری ایسنا، از این حفره نوری منحصر به فرد که دارای خواص الکترومغناطیسی غیرمعمول است، می‌توان در حوزه‌های مختلف از جمله اپتیک کوانتومی، اپتیک غیرخطی، LED، حسگری نوری و مدارات متجمع فتونیک استفاده کرد.

با تغییر لایه‌های چندگانه بسیار نازک از جنس ژرمانیوم و نقره، پژوهشگران موفق شدند «موادمصنوعی نامحدود» بسازند و با کمک آن یک حفره نوری سه بعدی را تولید کردند. در مواد طبیعی، نور به شکلی رفتار می‌کند که جهت پخش شدن آن اهمیتی ندارد؛ اما در مواد مصنوعی نامحدود، نور در برخی جهت‌ها بازگشت دارد که به آن انعکاس منفی گویند.

با استفاده از این ویژه مواد مصنوعی نامحدود، می‌توان حفره‌های سه بعدی نوری بسیار کوچک تولید کرد، به طوری که ابعاد آن تا مقادیر نانومتری کوچک ‌شوند. این حفره می‌تواند بزرگترین ضریب شکست گزارش شده در جهان را ایجاد کند.

نتایج این تحقیق در قالب مقاله‌ای تحت عنوان «Experimental realization of three-dimensional indefinite cavities at the nanoscale with an anomalous Scaling law» در نشریه «Nature Photonics» به چاپ رسیده است.

«ژانگ» از نویسندگان این مقاله می‌گوید: پروژه‌ای که ما روی آن کار کردیم، راهبرد جدیدی برای طراحی حفره‌های نانومقیاس محسوب می‌شود. با استفاده از مواد مصنوعی، ما نشان دادیم که فیزیک پیچیده حفره‌ها می‌تواند منطق رایج را درهم بشکند. برای مثال فاکتور کیفیت مود نور ما با کاهش ابعاد حفره، افزایش می‌یابد. این نتایج فرصت بسیاری خوبی مهیا می‌کند تا ادوات نوری مخابراتی با عملکرد بالا بسازیم.

حفره‌‌های نوری قطعات اصلی بیشتر لیزرها را تشکیل می‌دهند. نوری که در یک حفره نوری به‌ دام می‌افتد، میان دو آیینه مقابل هم انعکاس یافته و در نهایت یک موج با فرکانس رزونانس ویژه ایجاد می‌کند. با این روش می‌توان پرتوهای لیزر تولید کرد. حفره‌های نوری با استفاده از مواد طبیعی ساخته می‌شود، این مواد نباید کوچکتر از طول موج نور باشند؛ اما مواد مصنوعی رفتار متفاوتی دارند.

«ژیاودونگ یانگ» از دیگر نویسندگان این مقاله می‌گوید: به‌ دلیل ضریب شکست غیرمعمول مواد مصنوعی، حفره سه بعدی ما می‌تواند از یک دهم طول موج نور هم کوچکتر باشد. در مقیاس‌ نانو، حفره‌های نوری مودهای نوری را در فضای بسیار کوچکی محدود می‌کنند که با این کار دانسیته حالت‌های فوتون افزایش یافته و در نتیجه برهمکنش میان نور و ماده بیشتر می‌شود.
 

a.inkare

New member
سلام دوستان
ظاهرا اینجور که پیش میره خبری از بخش و دسته بندی و مرتب سازی نیست
فعلا برای بهم نریختن بیشتر از این تالار مطالب مربوط به فیزیک اپتیک رو تو این تایپیک قرار بدین
با تشکر:gol:

http://iran-eng.com/showthread.php/387230-فیزیک-نور-واپتیک
 

Mohsen 89

مدیر تالار فیزیک
تولید نور از خلأ

تولید نور از خلأ

دانشمندان چالمرز توانستند با موفقیت از خلأ، نور ایجاد كرده و اثری كه 40 سال پیش پیش‌بینی شده بود را مشاهده كنند.

دانشمندان در یك آزمایش نوآورانه توانستند تعدادی از فوتون‌ها كه به طور مداوم در خلأ، ظاهر و ناپدید می‌شدند را به تله بیندازند.
این پژوهش كه در مجله نیچر منتشر شده، بر اساس یكی از دور از انتظارترین و مهمترین اصول مكانیك كوانتوم بوده كه طبق آن، خلأ به هیچ وجه خالی و پوچ نیست. در حقیقت، خلأ مملو از ذرات مختلف بوده كه دائما در هستی و نیستی نوسان دارند. این ذرات ظاهر شده، برای یك لحظه كوتاه وجود داشته و دوباره ناپدید می‌شوند. از آنجایی كه موجودیت این ذرات بسیار سریع است، معمولا با عنوان ذرات مجازی از آنها یاد می‌شود.
این دانشمندان توانستند فوتون‌ها را از حالت مجازی آنها خارج كرده و به فوتون واقعی و نور قابل اندازه‌گیری، تبدیل كنند.

در سال 1970 یك فیزیكدان این رخداد را در صورتی پیش‌بینی كرده بود كه فوتونهای مجازی از یك آینه كه به سرعت نور حركت می‌كند، بیرون بجهند. این پدیده كه تاثیر دینامیكی كاسیمیر نامیده می‌شود، اكنون برای اولین بار توسط دانشمندان چاملرز مشاهده شده است.

از آنجایی كه حركت یك آینه با سرعت نور ممكن نیست، دانشمندان از شیوه دیگری استفاده كردند كه در آن به جای تغییر فاصله فیزیكی تا آینه، فاصله الكتریكی تا یك مدار كوتاه الكتریكی كه نقش آینه را برای ریزامواج ایفا می‌كند، تغییر كرد.

این آینه از یك مؤلفه فیزیك الكترونیك موسوم به دستگاه تداخل كوانتومی ابر رسانا (squid) تشكیل شده كه از حساسیت بالایی در برابر میدانهای مغناطیسی برخوردار است. با میلیاردها بار تغییر جهت میدان‌مغناطیسی در ثانیه، دانشمندان توانستند این آینه را با سرعت نزدیك به 25 درصد سرعت نور بلرزانند.

از جمله دستاوردهای این آزمایش می‌توان به افزایش درك انسان از نوسانات خلأ اشاره كرد كه به باور دانشمندان با انرژی تاریك كه در انبساط شتابدار جهان نقش دارد، در ارتباط است.
 

Mohsen 89

مدیر تالار فیزیک
عدسی اکروماتیک (نافام) (Achromatic lens)

عدسی اکروماتیک (نافام) (Achromatic lens)

یک سیستم عدسی , مرکب از دو یا چند جزء که به منظور تصحیح ابیراهی رنگی طراحی شده است.

 

Mohsen 89

مدیر تالار فیزیک
شیشه های ضد بازتاب و خودتمیز شونده

شیشه های ضد بازتاب و خودتمیز شونده


اخیرا یک تیم تحقیقاتی در موسسه فناوری ماساچوست روشی یافته‌اند که با استفاده از آن شیشه‌هایی تولید می‌شود که نور را منعکس نمی‌کنند؛ این شیشه‌ها هیچ بازتابشی نداشته، بنابراین کاملا غیرقابل تشخیص هستند.

یکی از ویژگی‌های بارز شیشه‌ها آن است که قادرند نور را انعکاس دهند، این در حالی است که پژوهشگران این پروژه می‌گویند ‍شیشه‌هایی که آنها تولید کرده‌اند، مبتنی بر نانوالگوهایی است که در نهایت منجر به بروز رفتارهای خودتمیز شوندگی، ضد مه بودن و ضدانعکاس می‌شود. آنها امیدوارند با استفاده از یک فرایند ارزان‌قیمت بتوانند این محصول را به تولید انبوه رسانده و روانه بازار کنند.

از این شیشه‌ها می‌توان در تلفن‌های هوشمند، تلویزیون‌ها، پنل‌های خورشیدی، شیشه‌های خودروها و حتی پنجره ساختمان‌ها استفاده کرد. پنل‌های فتوولتائیک طی مدت شش ماه نیمی از کارایی خود را از دست می‌دهند که دلیل این امر تجمع غبار و آلایندگی در سطح آنها است. اگر در پنل‌ها از این فناوری استفاده شود، سطوح آلوده نشده و مشکل کمتری پیش می‌آید.

در واقع کارایی این پنل‌ها نسبت به پنل‌های رایج افزایش می‌یابد که دلیل آن عبور نور بیشتر از میان صفحات آن است.

بخشی از نور که در پنل‌های معمولی از سطح منعکس می‌شود، در این پنل‌ها منعکس نشده و جذب می‌شود. مشکل انعکاس در هنگام صبح و عصر به حداکثر خود می‌رسد، به‌ طوری که به‌ دلیل زاویه تابش نور خورشید بیش از 50 درصد از نور خورشید منعکس می‌شود، اما در پنل‌های ضد انعکاس، انعکاس به رقم ناچیزی می‌رسد.

از دیگر مزایای این پوشش آن است که ضد آب بوده و قادر است پنل‌ها را به‌ مدت طولانی‌تری پاکیزه نگه دارد. البته پیش از این پوشش‌های ضد آب توسط محققان دیگری نیز ارائه شده بود، اما هیچ یک ضد انعکاس نبودند، بنابراین داشتن این دو ویژگی از مزایای خاص این پوشش جدید است.

محققان این پروژه می‌گویند اگر قیمت تولید این شیشه‌ها کاهش یابد، از آنها می‌توان در خودروها هم استفاده کرد.

در سطح این شیشه‌ها از الگوهای مخروطی شکل استفاده شده است که طولی در حدود 200 نانومتر دارند. برای تولید این سطوح ابتدا سطح شیشه را با استفاده از مواد مقاوم در برابر نور پوشش می‌دهند، در قدم بعد این سطح را الگو داده و سپس در معرض تابش قرار می‌دهند. با استفاده از فرایند اچ کردن می‌توان اشکال مخروطی شکل ایجاد کرد.

نتایج این تحقیق در نشریه ACS Nano به چاپ رسیده است.
 

Mohsen 89

مدیر تالار فیزیک
قوانین اپتیک هندسی

قوانین اپتیک هندسی

اعتبار اصل سیر مستقیم الخط نور

اجباری نیست بپذیرید که نور در خط مستقیم حرکت میکند، کافی است در یک صبحگاه مه آلود پرتوهای نور خورشید که از میان برگ درختان میگذرد را ببیند. این عقیده که نور به خط مستقیم حرکت میکند هنگامی درست است که طول موج تابش نور خیلی کوچکتر از گذرگاهها و سوراخهای محدود کننده مسیر نور باشد. هرگاه این شرایط برقرار نباشد باید پدیده پراش را به میان آوریم و اثر آنرا روی جهات ، شدت نور و ... تابش برررسی و محاسبه نماییم.

با این توضیح در تقریب اول ، وقتی بتوان پراش را نادیده گرفت میتوان پیشروی نور در میان سیستم اپتیکی را بر مبنای پیروی از مسیرهای مستقیم الخط یا پرتوهای نور ردیابی نماییم تا این حد در حوزه تسلط اپتیک هندسی هستیم. نظیر هر بازی خوب زیباییهای اپتیک در این است که قوانین آن به قدری ساده و امکانات نتیجه گیری از آنها به قدری گوناگون و گاهی ماهرانه هستند، که هرگز کسی با بازی کردن با آنها خسته نمیشود. اپتیک هندسی را میتوان بصورت مجموعهای از سه قانون بنیادی زیر بیان کرد:

قانون تراگسیل: در یک ناحیه با ضریب شکست ثابت ، نور به خط مستقیم انتشار مییابد (اصل بازگشت نور).

قانون بازتابش: نور فرودی بر یک صفحه تحت زاویه بر یک صفحه تحت زاویه i نسبت به خط عمود بر آن صفحه ، با زاویه r مساوی با زاویه تابش ، بازتابش میکند (زاویه تابش مساوی زاویه بازتابش i = r).

قانون شکست (قانون اسنل): در سطح جدایی دو محیط با ضرایب شکست n1 و n2 نور فرودی به سطح جدایی در محیط اول و تحت زاویه i نسبت به عمود بر سطح جدایی ، در محیط دوم تحت زاویه r نسبت به عمود بر سطح جدایی شکست مییابد بطوری که:

n1 sin i = n2 sin r


نتایج حاصل از قوانین

یکی از نتایجی که از قوانین اخیر بدست میآید این است که پرتوهای تابش ، بازتابش ، تراگسیل و امتداد عمود بر سطح همگی در یک صفحه قرار دارند که صفحه تابش نامیه میشود.

تعریف صفحه تابش: این صفحه بصورت صفحه شامل خط عمود بر سطح و امتداد تابش تعریف میشود.

بهتر است رابطه اسنل را به فرم اخیر یاد بگیرید، اگر آنرا بصورت نسبت سینوس ها بیان کنید احتمال مبهم شدن ضریب شکست نسبی دو محیط نسبت به هم (n = n2/n1) بخاطر صفر شدن مخرج سینوسها وجود دارد که مفهوم فیزیکی ندارد.

حالت ویژهای را در نظر میگیریم که در آن اگر ضریب شکست محیط تابش بزرگتر از ضریب شکست محیط عبور باشد (n1 > n2) زاویه r از رابطه زیر تعیین می شود. (sin r = n1/n2 sin i) در این رابطه (n1/n2>1) و sin iمقداری بین صفر و یک دارد.

بنابراین برای زوایای تابشی بزرگ به نظر می رسد، ممکن استsin r>1 باشد. در صورتیکه باید sin r کوچکتر از یک باشد، پس در اینجا یک زاویه بحرانی (زاویه حد i=c )وجود دارد که به ازای آن داریم: sin c = n2/n1 یعنی sin r = 1 و r = 90. این بدین معنی است که پرتو تراگسیلی (عبوری) مسیری قائم بر خط عمود یعنی موازی با سطح مشترک طی میکند این پدیده در امواج صوتی به امواج سطحی راله معروف است.

بازتابش داخلی کلی: برای زوایای تابش i بزرگتر از c = arcsin n2/n1 هیچ نور عبوری بر محیط دوم نخواهیم داشت، در عوض نور در محیط تابش بطور کامل به عقب بازتابش میکند و هیچ نور و انرژی وارد محیط دوم نمیشود، این پدیده بازتابش داخلی کلی نام دارد.
 

Mohsen 89

مدیر تالار فیزیک
بازگشت بینایی با سلول‌های خورشیدی!

بازگشت بینایی با سلول‌های خورشیدی!

دانشمندان دانشکده پزشکی دانشگاه استنفورد با استفاده از سلولهای صفحات خورشیدی ریز که طی عمل جراحی در زیر شبکیه چشم قرار گرفته، دست به ساخت سیستمی زده‌اند که ممکن است در آینده بتواند بینایی افراد مبتلا به انواع خاص بیمارهای تحلیل‌برنده چشم را بازگرداند.

به گزارش سرویس فناوری خبرگزاری دانشجویان ایران (ایسنا)،‌ این دستگاه که نوع جدیدی از پروتز شبکیه است، از یک عینک خاص برخوردار است که به دوربین‌های مینیاتوری و رایانه جیبی برای پردازش جریان داده‌های بصری مجهز است.

تصاویر نهایی بر روی یک ریزنمایشگر بلوری مایع که درون عینک‌ها جای گرفته، مانند عینکهای بازیهای ویدیویی نمایش داده خواهد شد. برخلاف دوربین‌های رایج ویدیویی، این تصاویر با استفاده از پالس‌های لیزری نور نزدیک به مادون قرمز از ال‌سی‌دی به یک تراشه سیلیکونی فوتوولتائیک بسیار باریک که در زیر شبکیه چشم قرار دارند، منتقل خواهد شد.

جریانهای الکتریکی از دیودهای نوری روی تراشه سپس به ارسال سیگنال‌هایی به شبکیه و از آن جا به مغز می‌پردازند که منجر به دید بیمار از تصویر می‌شود.

این پژوهش که در مجله نیچر فوتونیکس منتشر شده، به توصیف چگونگی آزمایش محرک فتولتائیک توسط این دانشمندان با استفاده از مجموعه دیود دستگاه پروتز در شبکیه موشهای آزمایشگاهی پرداخته و چگونگی استخراج واکنشهای الکتریکی توسط آنها را که شاخص‌های کاملا پذیرفته‌شده از سلولهای شبکیه برای فعالیت بینایی به شمار می‌روند، آشکار کرده است.

دانشمندان اکنون در حال آزمایش این سیستم در موش‌های زنده و انجام سنجش‌های روانشناسی و رفتاری در آنها هستند و امیدوارند بتوانند در آینده یک پشتیبان برای انجام این آزمایشات بر روی انسان بیابند.

به گفته دانشمندان این سیستم مانند صفحات خورشیدی روی سقف منازل کار کرده که نور را به جریان برق تبدیل می‌کنند.

در حال حاضر چندین پروتز شبکیه دیگر در حال ساخت است و حداقل دو مورد از آنها در مرحله کارآزمایی بالینی قرار دارند. شرکت «سکند سایت» (دید دوم) در ماه آوریل اجازه استفاده از پروتز خود را در اروپا بدست آورد. همچنین شرکت «رتینا ایمپلنت AG» نیز اخیرا به اعلام نتایج آزمایشات بالینی خود در اروپا پرداخته است.

برخلاف این دستگاه‌ها که به سیم‌پیچی، کابل و آنتن درون چشم برای انتقال نیرو و اطلاعات به کاشت چشمی نیاز داشته، دستگاه محققان استنفورد از نور نزدیک به مادون قرمز برای انتقال تصاویر استفاده کرده که نیاز به سیم و کابل را از بین برده و این دستگاه را نازک و قابل کاشت در چشم می‌کند.

به گفته این محققان،‌ عینک این دستگاه از تمام ابزار لازم برخوردار است و جراح باید تنها یک شکاف در زیر شبکیه ایجاد کند و سلولهای فتولتائیک را درون آن قرار دهد. همچنین فرد می‌تواند این سلولها را در تعداد بیشتر استفاده کند تا میدان دید وسیع‌تری نسبت به دیگر سیستم‌ها بدست آورد.
 

infrequent

کاربر ممتاز
عدسی اپتیکی

عدسی اپتیکی



چشم وسیله‌ای عجیب است. این کاملاً به جاست که بینایی که مربوط به چشم می‌شود را ارزشمندترین حس از میان حواس شش‌گانه‌ی بشر بدانیم. دیدن و درک پیرامون از پس پنجره‌ی چشم والاترین قابلیتی است که یک اندام حسی می‌تواند داشته باشد و تأثیرگذارترین توانایی را به ما می‌بخشد. ساختمان چشم، ترکیبی و واقعاً پیچیده است. قسمت اصلی یک چشم، عدسیِ آن است که انعطاف پذیری دقیقی دارد و یک سری از عضلات آن را به حالت معلق نگاه داشته‌اند و همین عضلاتِ چسبیده به کناره‌های عدسی است که با انقباض و انبساط خود تحدب عدسی را بنا به ضرورت تغییر می‌دهند. با این کار انحنای سطوح عدسی‌ها به گونه‌ای تغییر می‌نماید که ما قادر خواهیم شد اشیاء را در فاصله‌های گوناگون، واضح ببینیم. این فاصله از چند سانتیمتری تا فاصله‌ی بی‌نهایت دور را دربر می‌گیرد. بر روی سطح جلویی عدسی پرده‌ی نسبتاً ضخیمی به نام عنبیه قرار دارد که وسط آن سوراخی وجود دارد. عضلات متصل به این پرده قادرند که قطر سوراخ وسط آن، که مردمک نام دارد، را کم و زیاد کنند. فایده‌ی این کار این است که در شرایطی که نور، شدید است مردمک کوچک می‌شود تا نور زیاد به عصب‌های بینایی آسیب نرساند و نیز به هنگام تاریکی با باز شدنش حداکثر نور ممکن به شبکیه برسد. نوری که از مردمک و عدسی رد می‌شود به دیواره‌ی عقبی کره‌ی چشم که شبکیه در آنجا قرار دارد می‌رسد. اپتیکِ چشم که از انحناهای عدسی و عنبیه و نیز عمق شبکیه و انحنای آن تشکیل می‌شود ایجاب می‌کند که تصویر شیئی که برای دیدن روی آن تمرکز می‌کنیم در صورتی که چشممان سالم باشد به صورت کامل و تیزی روی شبکیه تشکیل شود. در آنجا تقریباً یک‌صد و سی و دو میلیون سلول مربوط به اعصاب بینایی وجود دارند که برحسب شدت و ضعف نوری که به آنها برخورد کرده است تحریک می‌شوند و پیام‌های لازم را به مغز می‌فرستند و به این‌گونه ما قادر به دیدن آن شیئ خواهیم شد.




گرچه این اندامِ ظریف، عمل دیدن را برای ما ممکن می‌سازد اما بشر در فرایند پیشرفت‌های فن‌آورانه‌ی خویش نیاز داشت قابلیت رؤیت خود را از دو سو گسترش دهد یعنی هم بتواند کوچک‌ترین ذرات را در نزدیک‌ترین فاصله‌ها ببیند و هم بزرگ‌ترین اجرام سماوی را در دورترین فاصله‌های نجومی به نظاره‌ی خویش درآورد. او به علاوه می‌خواست از آن‌چه در این فواصل کوچک و بزرگ و در همه‌ی فواصل می‌بیند تصاویر واضح ماندگاری بگیرد تا سپس سرصبر آنها را مورد مطالعه قرار دهد. برای این کار، بشرِ ابزار ساز به ساخت قطعات اپتیکی پرداخت و در این میانه عدسی مصنوعی کلید گسترش بینایی او بود. عدسی مصنوعی تکه شیشه‌ی شفافی است که برای انحناهای مطلوب به طور مناسب تراش خورده است. هنگامی که بشر به اختراع عدسی‌های مصنوعی دست زد نادانسته از طبیعت تقلید می‌کرد. این اختراع، علم نورشناسی یا اپتیک را بنیان نهاد که گسترش آن خدمت والایی به پیشرفت بشریت کرد. لازم است گفته شود که قبل از تحلیل ریاضی، قانون عدسی‌ها از طریق تجربه و مشاهده استنتاج گردید. شاید شنیده باشید که گاهی آتش‌سوزی‌های غیر عمدی در بعضی مناطق جنگلی رخ می‌دهد. علت‌های مختلفی برای این امر وجود دارد که یکی از آنها این است که نور تابشی خورشید در فرایندی اپتیکی بر روی خس و خاشاک‌های قابل اشتعال متمرکز می‌شود و آنها را بر اثر گرمای متمرکز، شعله‌ور می‌سازد. این پروسه‌ی طبیعی در یک سیستم اپتیکی طبیعی که احتمال دارد اتفاقاً به وجود آمده باشد رخ می‌دهد. ممکن است مثلاً صمغ شفافی که از درختی به بیرون نفوذ کرده و نسبتاً سخت شده است هم‌چون ذره بینی بتواند در شرایطی، آفتاب عبوری از خود را روی برگ‌های خشک متمرکز کند و باعث اشتعال آنها شود. همین عمل احتمال دارد از طریق قطره‌ای آب شفاف آویزان از برگی که تقریباً حالتی کروی دارد انجام شود. این آب لزوماً از بارندگی نیست و می‌تواند بر اثر نشت از آوندهای گیاهی باشد. قطره‌های آب هم‌چون عدسی عمل می‌کنند. شاید دقت کرده باشید که قطره‌ای محدب که روی برگی واقع شده باشد قسمتی از برگ را که بر روی آن قرار گرفته است یزرگ‌تر نشان می‌دهد.



اگر بخواهیم یک عدسی بسازیم نخستین چیزی که نیاز داریم ماده‌ای شفاف در برابر نور است. این به این معناست که اگر احیاناً سیستمی اپتیکی داشته باشیم که برای کار روی تابش‌هایی از امواج الکترومغناطیس طراحی شده است که مرئی نیستند لزوماً عدسی‌های به کار رفته در آن برای نور مرئی شفاف نیستند و معمولاً تیره به نظر می‌رسند چون تنها برای طول موجی غیر مرئی شفاف‌اند. برای ساخت عدسی مرئی نیاز داریم که آن ماده‌ی شفاف را در ضخامت‌های گوناگون و در انحناهای مختلف شکل دهیم. همان‌طور که اشاره کردیم مواد شفاف طبیعی گوناگونی در طبیعت وجود دارد. اما عملاً نمی‌توان به نحو مطلوبی با این مواد برای ساخت سیستم‌های اپتیکی مطلوب کار کرد. عملاً هنگامی ساخت عدسی‌ها امکان پذیر شد که ماده‌ی سخت جامد شفاف یعنی شیشه اختراع شده بود. این ماده واجد همه‌ی خصوصیات لازم برای ساخت مطلوب عدسی بود. البته ساخت شیشه مربوط به هزاران سال پیش است، شاید در حدود شش هزار سال قبل. افراد نکته سنج و کنجکاوی در همان زمان‌ها متوجه تغییرات نسبتاً عجیبی که در عبور نور از شیشه‌های ناصاف آن زمان یا از مواد شفاف دیگری مثل آب دچار نور می‌شد گردیدند. بطلمیوس از نخستین کسانی بود که به مطالعه‌ی علمی این تغییرات پرداخت. در کتابِ حجیمِ اپتیکش او به شرح انکسار نور در حباب‌های شیشه‌ای می‌پردازد. در دوران طلایی تمدن اسلامی نیز فیزیک‌دانان مسلمان، به ویژه ابن هیثم، به تفصیل به اپتیک پرداختند و مطالب بدیعی در مورد اثر آینه‌های محدب و بزرگ‌نمایی عدسی‌های و حتی قانون شکست نور نوشتند. به هر حال اما همه‌ی این دانش‌ها علی‌رغم زیبایی‌های جذابشان کمتر جنبه‌ی کاربردی یافته بودند هرچند گزارش‌هایی مبنی بر استفاده از عینک طبی در دوره‌ی تمدن اسلامی وجود دارد. عملاً از قرن سیزدهم میلادی به بعد استفاده‌ی کاربردی و صنعتی از پدیده‌ی شکست نور شروع شد. در اروپا عدسی‌ها برای نخستین بار در نوعی عینک در قرن سیزدهم میلادی توسط دو نفر انگلیسی به کار گرفته شد. سپس راجر بیکن توانست نشان دهد که عدسی‌ها نه تنها می‌توانند تصاویر بزرگ‌تر تشکیل دهند بلکه قادرند تصاویر کوچک‌تر نیز تشکیل دهند. او از این ویژگی عدسی‌ها برای تصحیح اختلال‌های بینایی توسط عینک‌های مناسب استفاده نمود. در آن زمان شیشه‌گری که فن شکل دادن به شیشه توسط عملیات حرارتی است کاملاً رونق یافته بود و لذا صنعتگران قادر شده بودند عدسی‌های مختلف و مناسب و سفارشی بسازند و به این ترتیب استفاده از عینک برای تصحیح دید در اواخر قرن سیزدهم رایج گردیده بود. عدسی‌های عینک‌های آن زمان ضخیم و دارای انحناهای زیاد و بدقواره‌ای بودند. دانشمندان، تازه در قرن شانزدهم دریافتند که می‌توان از عدسی‌های ترکیبی با ضریب شکست‌های گوناگون برای تصحیح اختلالات بینایی استفاده کرد بدون این‌که عدسی چندان ضخیم و نافرم شود.



پیشرفت اپتیک مربوطِ به عدسی، فقط محدود به عینک نماند بلکه استفاده از آن در ساخت تلسکوپ و میکروسکوپ گسترش یافت. در اواخر قرن شانزدهم در هلند عینک سازی از عدسی‌های محدب و مقعر پشت سر هم استفاده کرد و متوجه شد که از درون چنین سیستمی با تنظیم فاصله‌ی بین آنها قادر است چیزهایی که در دوردست‌ها قرار دارند را بسیار بسیار بزرگ‌تر از آنی که با چشمان معمولی دیده می‌شود ببیند. به این ترتیب عملاً نخستین تلسکوپ ولادت یافته بود. ساخت این نوع تلسکوپ‌ها در سال‌های بعد در هلند ادامه یافت و عینک سازان با تلسکوپ‌های ساخت خود مردم را به تماشای مناظر دور دعوت می‌کردند. دانشمند طبیعت شناسی در ایتالیا به نام گالیله خبر این نوع تلسکوپ‌ها را شنید و خود تلسکوپ بهتری ساخت و اولین کسی بود که به وسیله‌ی آن به مشاهده‌ی اجرام سماوی پرداخت. در این مشاهدات بر نکات بسیاری وقوف پیدا کرد. مثلاً متوجه وجود لکه‌هایی در خورشید شد، هلال‌های سیاره‌ی ونوس را پیدا کرد و دید که سیاره‌های کیوان و مشتری دارای حلقه‌هایی به دور خویش می‌باشند. این یافته‌های بدیع و بی‌سابقه شور و هیجان بسیاری را در جوامع علمی آن زمان باعث شد آن چنان که بسیاری به اشتباه گالیله را مخترع تلسکوپ می‌دانستند. سپس فیزیک‌دان بزرگ قرن هفدهم و هجدهم، نیوتون، تلسکوپی بازتابی (آینه‌ای) ساخت و با آن آسمان را کاوید. چون در تلسکوپ او تنها از بازتاب و نه شکست برای بزرگنمایی استفاده می‌شد فاقد عیب رنگی تلسکوپ گالیله بود که بر اثر وجود ضریب شکست‌های مختلف برای طول موج‌های مختلف در تلسکوپ‌های شکستی پدید می‌آید.
گر چه از تلسکوپ می‌توان استفاده‌های زیادی برای مشاهده‌ی دقیق اشیاء دور دست موجود بر روی زمین نمود اما استفاده عمده‌ی تلسکوپ در مطالعات و رصدهای نجومی است. بیشترین دانسته‌های ما از سیارات و ستارگان و اجرام مختلف سماوی مثل دنباله‌دارها و نیز از سحابی‌ها و کهکشان‌ها از طریق مشاهدات انجام شده با تلسکوپ‌ها به دست آمده است. علاوه براین پیرو همین مشاهدات و مطالعات، دانش فراوانی در مورد ساختمان و تحولات زمینی که بر آن ساکنیم کسب کرده‌ایم. در همین مشاهدات بود که انسان متوجه شد که نه زمین و نه خورشید مرکز جهان نیستند و تنها ذره‌ای ناچیز در کل کائنات می‌باشند. گویا هرچه مشاهدات از دورن تلسکوپ بیشتر می‌شد جهان بزرگ‌تر می‌شد و منظومه‌ی ما کوچک‌تر.




از سوی دیگر از عدسی برای کشف دنیای بسیار کوچک‌ها استفاده شد. سیستمی که در آن از عدسی‌ها برای نیل به این هدف استفاده می‌شود میکروسکوپ نام دارد. سیستم اپتیکی میکروسکوپ متعاقب تلسکوپ توسعه یافت. از لحاظ کلی اپتیک این دو وسیله دارای شباهت‌هایی با یک‌دیکر می‌باشد. نخستین بار این گالیله بود که با انجام تغییراتی در ساختمان تلسکوپ موفق به ساختن یک میکروسکوپ گردید. مسأله‌ی اساسی در میکروسکوپ ساخت عدسی‌های کوچک با تحدب زیاد است که هر چه کوچک‌تر و تحدبشان بیشتر باشد از این قابلیت بیشتر برخوردار خواهند بود که به سوژه‌ی ریز نزدیک‌تر شده و تصویر بزرگ‌تری از آن ایجاد نمایند. به همین دلیل در اوایل، ساخت میکروسکوپ به عنوان یک تفنن تلقی می‌شد و هر سازنده‌ای که قادر یود عدسی‌های ریزتری را تراش و پولیش دهد در این زمینه موفق‌تر بود. در این زمینه باز هلندی‌ها پیش‌گام بودند. نخستین بار یک صنعت‌گر ظریف‌ساز هلندی با پشت‌کار فراوان توانست به تراش و پرداخت عدسی‌های محدبی به ضخامت سه چهار میلیمتر بپردازد. با میکروسکوپ‌های اولیه‌ای که او با استفاده از این عدسی‌ها ساخت می‌شد به دنیایی نگاه کرد که از فرط کوچکی تا آن زمان کسی آن را نظاره نکرده بود. او سوراخ‌های روی پوست، ساختمان بال حشرات و ازدحام باکتری‌های موجود در قطره‌ای آب را مشاهده نمود و تحت بررسی قرار داد. و چندی بعد او، یعنی لیونهوک، نخستین کسی شد که پیرو مشاهداتش از پشت وسیله‌ی اختراعیش، میکروسکوپ، توانست به تشریح گلبول خون بپردازد. او میکروسکوپ‌های متعددی ساخت اما نتوانست بزرگ‌نمایی آنها را به بیش از سه هزار برابر افزایش دهد. این فرد، دنیای بی‌کرانی این سوی دنیای بی‌کرانِ ستارگان را فرا روی بشریت نهاد. در واقع او پرده از جهان پنهانی که در دسترس مستقیم بشریت بود برداشت. در این جهانِ پنهان، سرچشمه‌ی بسیاری از مشکلات سلامتی انسان و دیگر جانداران نهفته بود. این وسیله‌ی بسیار ارزشمند به ویژه در پزشکی بسیار به کار آمد. تا قبل از آن، دانش پزشکی صرفاً بر مبنای علائم و با سعی و خطاها و استفاده از تجربیات اندوخته شده در دوران‌های مختلف برای درمان بیماری‌ها اقدام می‌نمود. اکنون این وسیله به پزشکان امکان داده بود که مستقیماً موجودات بسیار ریز مولد بیماری‌های متعددی را نظاره کنند و حرکات و عکس العمل‌هایشان در مقابل داروهای مختلف را مشاهده و بررسی نمایند. میکروب‌ها یا باکتری‌ها یا ویروس‌های باعث بیماری‌ها را شناسایی و برای مقابله‌ی مستقیم با آنها چاره‌اندیشی کنند. در واقع به وسیله‌ی میکروسکوپ بود که کُخ، عامل بیماری سل را و پاستور عامل بیماریِ هاری را و جونز سالک عامل فلج اطفال را کشف کردند و راه‌های مقابله با آنها را یافتند. استفاده از میکروسکوپ محدود به حوزه‌ی پزشکی نیست. میکروسکوپ وسیله‌ی‌لازم تحقیقاتی شیمی‌دانان، فیزیک‌دانان و زیست‌شناسان است. اکنون پیشرفت علم میکروسکوپیک چنان توسعه یافته است که برای نفوذ هر چه عمیق‌تر به دنیای ریز ذره‌ها دیگر میکروسکوپ‌های اپتیکی جواب‌گو نیستند و به جای آنها از میکروسکوپ‌های الکترونی استفاده می‌شود که بزرگ‌نمائی‌های تا بیش از سی‌صد هزار برابر را به دست می‌دهند. با استفاده از چنین میکروسکوپ‌هایی بشر حتی قادر شده است در مواردی به نظاره‌ی ابعاد مولکولی و شبکه‌های اتمی مواد بپردازد. کرچه در این نوع تلسکوپ‌ها از عدسی‌هایی مشابه با عدسی‌های اپتیکی استفاده نمی‌شود اما فرایند انحرافات و انحناهایی که به مسیرهای پرتوهای الکترونی تحت میادین کنترل شده‌ی الکتریکی و مغناطیسی داده می‌شود مشابه با انحرافات نوری حادث بر اثر عبور نور از عدسی‌ها و دیگر قطعات اپتیکی می‌باشد.



نویسنده: حمید وثیق زاده انصاری
منبع:راسخون
 

infrequent

کاربر ممتاز
نور خودش را در انحناهای دایره‌ای خم می‌کند

نور خودش را در انحناهای دایره‌ای خم می‌کند

پژوهشگران موفق شده‌اند در آزمایش‌هایی باریکه‌ی نور را خم کنند. این نتیجه کاربردهای زیادی از جمله در پزشکی دارد.

۵ سال پیش فیزک‌دانان نشان دادند انتشار انواع خاصی از باریکه لیزری می‌توانند در فضای آزاد مسیر‌های خمیده را دنبال کنند. این چنین رفتار غیر منتظره‌ای می‌تواند کاربرد‌های زیادی داشته باشد؛ از کاربرد برای نانو ذرات تا نابودی تومورهایی که دسترسی به آن‌ها دشوار است. اما قبل از آنکه این پدیده عجیب بتواند مفید واقع شود محققان با چالشی روبرو شدند که چطور نور را در زوایای به اندازه کافی بزرگ خم کنند تا بتواند مفید باشد. اکنون دو گروه مستقل این مشکل را حل کرده‌اند. در راستای همین پژوهش آن‌ها ادعا می‌کنند که خمش صوت و دیگر انواع امواج می‌تواند در آینده ممکن باشد.

ایده خمش نور از مکانیک کوانتومی الهام گرفته شد. درک این ایده در سال ۱۹۷۹ توسط میشاییل بری و ناندور بالاز روشن شد. آن‌ها نشان دادند که معادله شرودینگر می‌تواند بسته موج‌های «ایری۱» ذرات (که بدون یک نیروی خارجی شتاب می‌گیرد) را تأیید ‌کند. سپس در سال ۲۰۰۷ دیمتریوس کریستودولیز و همکارانش در دانشگاه Central Florida معادل اپتیکی یک بسته موج ایری را تولید کردند. این کار شدنی است چرا که معادله توصیف کننده باریکه‌های محور-موازی (باریکه‌هایی که در آن پرتو‌های تشکیل دهنده باریکه همگی تقریباً موازی با جهت انتشار باریکه منتشر می‌شوند) از نظر ساختار ریاضی با معادله شرودینگر یکسان است و تنها چندین پارامتر از قبیل جرم و ضریب شکست عوض شده‌اند.

گروه کریستودولیز باریکه لیزری با شکلی خاص تولید کردند که می‌توانست از پهلو خم شود (خودش شتابیده شود). این محققان کل باریکه لیزری را خم نکردند، بلکه ناحیه‌های با شدت بالا را خم کردند. برای این کار آن‌ها یک باریکه لیزری با پهنای معمول در حد چند سانتی‌متر را از یک وسیله تحت عنوان «مدول‌کنندهٔ فضایی نور» عبور دادند به طوری که فاز باریکه در هزاران نقطه در عرض پهنای باریکه را تنظیم کرد. بر خلاف تأثیر یک لنز که تمام پرتو‌های تشکیل دهنده باریکه را در یک نقطه کانونی می‌کند این مدول کننده، فاز نسبی پرتوهای باریکه را چنان تغییر داد که تداخلشان یک ناحیه با شدت بیشینه ایجاد کرد، به نحوی که از پهلو به شکل یک سهمی نرم در سرتاسر باریکه خم شده بود و در یک سمت آن نواحی کم‌سوتر بودند.





خمش نور به شکل یک سهمی: تئوری و آزمایش


ویژگی‌های جذاب

علاوه بر این خمش، الگوی شدت باریکه نیز دو ویژگی جالب دارد. یکی اینکه در هنگام انتشار باریکه پراشی وجود ندارد، به این معنی با انتشار باریکه پهنای هر ناحیه شدت به طور چشم‌گیری زیاد نمی‌شود. این مطلب برخلاف انتشار یک باریکه معمولی می‌باشد؛ چرا که در باریکه‌های معمولی حتی اگر پرتو‌های باریکه به شکل خوبی موازی شده باشند با انتشار باریکه بازهم پهن‌شدگی داریم. ویژگی عجیب دوم، خاصیت خود-ترمیمی این باریکه است. به این معنی که اگر بخشی از باریکه توسط اشیاء کدر مسدود شود آنگاه هر اختلالی به الگوی شدت باریکه می‌تواند به آرامی ترمیم شود همچنان که باریکه به سمت جلو منتشر می‌شود.

یکی از محدودیت‌های کار این گروه این است که باریکه‌های ایری می‌توانند در زوایایی کوچک در حدود ۱۵ درجه خم ‌شوند. این به این معنی است که آزمایش این گروه انحناهای تیز مورد نیاز برای کار کردن در مقیاس‌های نانومتر و میکرومتر را نمی‌تواند فراهم کند.

اما در آوریل امسال موردیچای سیگِف و همکارانش مجموعه‌ای از جواب‌های عمومی معادله‌ی ماکسول را به‌دست آوردند. طبق این جواب‌ها باریکه‌ای بدون پراشیدگی و غیرمحور-موازی بایستی وجود داشته باشد که می‌بایست در یک مسیر دایره‌ای شتاب بگیرد. یک ماه بعد دو گروه چنین باریکه‌هایی (باریکه‌هایی با قابلیت خمش ۶۰ درجه) را در آزمایشگاه تولید کردند. یکی از دو تیم به رهبری ژیانگ ژانگ از دانشگاه California بود و رهبری گروه دیگر را جان دادلی از دانشگاه Franche-Comte برعهده داشت.


نه تنها حرکت‌های دایر‌ه‌ای

اکنون دو گروه مستقل از هم به طور آزمایشگاهی و از روش نظری نشان داده‌اند که شتاب در مسیرهای غیر از دایره هم ممکن است. یک گروه به رهبری ژانگ از دانشگاه Berkeley می‌باشد به طوری که حرکت‌های بیضوی و سهموی را هم به روش تحلیلی و هم به روش آنالیز عددی دو بعدی مطالعه کردند. گروه دیگر به رهبری ریستودولیز حرکت بیضوی را با استفاده از آنالیز برداری ۳ بعدی (به روش عددی) مطالعه کردند. هر دو گروه از لیزرهای موج-پیوسته استفاده کردند (طول موج ۵۳۲ نانومتر برای گروه ژانگ و طول موج ۶۳۳ نانومتر برای گروه کریستودولیز) به طوری که نور لیزرها را به درون مدول کننده فضایی نوری تاباندند. تغییر فاز مورد نیاز این فرآیند با استفاده از برنامه‌های کامپیوتری خاص محاسبه می‌شود. در هر دو مورد گروه‌ها توانستند نور را در زاویه‌ای در حدود ۶۰ درجه خم کنند.

طبق گفته پنگ ژانگ عضو گروه Berkeley این مطالعات جدید می‌تواند کاربردهای زیادی داشته باشد. او می‌گوید که از این تکنولوژی می‌توان در پزشکی استفاده کرد به طوری که به پزشکان این اجازه را می‌دهد تا تومورهای پشت یک اندام را عکس‌برداری کنند و یا حتی از بین ببرند بدون آنکه به اندام آسیب برسد. همچنین خاصیت خود-ترمیمی باریکه می‌تواند بسیار مفید باشد، چرا که اجازه انتقال انرژی را به بافت های درونی می‌دهد، حتی درصورت وجود یک مانع بر سر راه آن.

علاوه بر این ژیانگ ژانگ می‌گوید که این رهیافت می‌تواند به هر سیستم موجی از قبیل موج‌های ماده، موج‌های الکترونی و یا حتی به موج‌های صوتی و غیره تعمیم داده شود. در حقیقت او خاطر نشان می‌کند گروهش به دنبال خمش صوت است. او باور دارد که با دستکاری فاز موج صوتی به کمک دستگاهی مشابه مدول کننده فضایی نور می‌توان انرژی صوت را در لبه‌ها جابه‌جا کرد.

جرومه کاسپاریان از دانشگاه Genevaدر سوئیس که در این پژوهش سهیم نبوده است (اما به این تحقیق علاقه‌ دارد) می‌گوید که این دو گروه یک چارچوب کلی درست کرده‌اند که خمش نور در زوایای بزرگ را شرح داده و بنابراین پیش‌بینی می‌کند. اما در مقابل میشائیل بری از دانشگاه Bristolبا این موضوع موافق نیست. او اعتقاد دارد که نویسندگان این موضوع را روشن بیان نمی‌کنند که در آزمایش مربوطه، آن‌ها باریکه‌ی نور را خم نمی‌کنند. جزئیات این آزمایش زیرکانه است و از طرفی متخصصان بدان علاقه دارند. با این حال او می‌گوید: با این که مقالات از نظر تکنیک به‌کار رفته جالب است اما تعجب‌ برانگیز نمی‌باشد، چرا که دارای ایده‌ی بنیادی جدیدی نیست.

۱- Airy wavepacket، نوعی بسته موج است که برخلاف بسته موج گاوسی معروف، بدون پراکندگی آزادانه انتشار می‌یابد.

psi.ir
 

infrequent

کاربر ممتاز
علت قطبش نور بر اثر بازتاب

علت قطبش نور بر اثر بازتاب

چنانکه می‌دانیم یک پرتوی غیرقطبیده‌ی نور متشکل از امواج عرضی الکترومغناطیسی متعددی است که هرکدام دارای جهت قطبش کاتوره‌ای است و به‌طور متوسط در این پرتو در همه‌ی جهات دارای امواج عرضی الکترومغناطیسی می‌باشیم. اگر صفحه‌ای را درنظر گیریم که پرتو در آن واقع است می‌توانیم با تجزیه‌ی هر حرکتِ عرضیِ هر موج به جابجایی عرضی تنها در دو جهت عمود بر صفحه و در داخل صفحه و جمعِ این جابجایی‌ها فرض می‌کنیم که برای پرتو تنها دارای دو موج الکترومغناطیسی هستیم یکی با حرکت ارتعاشی عرضی عمود بر صفحه و دیگری با حرکت ارتعاشی عرضی در داخل صفحه که اولی در شکل 1 با دایره و دومی با فلشِ دوطرفه نمایانده شده است.





شکل 1


حال فرض کنید بنحوی این امکان وجود داشته باشد که در نقطه‌ای در مسیرِ پیشرویِ این پرتو که متشکل از این دو حرکت موجی عرضی است قسمتی از موج در مسیری عمود بر مسیرِ پرتو تغییرِ جهت دهد. مسلماً موجی از پرتو که در این مسیر خواهد رفت تنها دارای ارتعاش عرضی عمود بر صفحه خواهد بود زیرا به‌روشنی ارتعاش عرضی داخلِ صفحه دارای مؤلفه‌ای در این مسیر نخواهد بود (زیرا خودِ مسیر به‌موازاتِ امتداد این ارتعاش است). بنابراین موجی که از این مسیر خواهد رفت کاملاً قطبیده (و به‌طور خالص دارای امتداد عرضی ارتعاش عمود بر صفحه) است.
اما چگونه ممکن است در نقطه‌ای از مسیر پیشروی پرتو ، قسمتی از پرتو چنانکه در شکل 1 نشان داده شده است تغییر مسیر دهد؟ احتمالاً چنین حالت فیزیکی‌ای به‌سادگیِ نشان داده شده در شکل 1 وجود نداشته باشد اما حداقل یک حالت فیزیکی وجود دارد که نهایتاً به همین وضعیتِ نشان داده شده در شکل 1 بازمی‌گردد و آن بازتاب از یک سطح شفاف است. به این وضعیت در شکل 2 پرداخته شده است.


شکل 2


هرچند پرتو در عبور از سطح ماده‌ی شفاف به داخلِ آن، چنانکه در این شکل نشان داده شده است، شکسته می‌شود اما وضعیت کاملاً مشابه این است که در عوضِ شکسته نشدنِ پرتو اصلاً ماده‌ی شفافی وجود نداشته باشد و وضعیت مشابهِ شکل 1 باشد. اما تفاوتی که وجود خواهد داشت این است که وجودِ سطحِ ماده‌ی شفاف باعثِ بازتابِ قسمتی از پرتو خواهد شد که همان وضعیتِ تغییرِ مسیرِ قسمتی از پرتو که در شکل 1 می‌بینیم را به‌دست می‌دهد. پس شکل 2 درواقع همان شکل 1 است و بنابراین اگر وضعیت به‌گونه‌ای باشد که موج بازتابیده شده از سطح شفاف و موج عبور کرده از سطح ماده‌ی شفاف (و دچارِ شکست شده در آن) بر هم عمود باشند آنگاه بنا بر استدلال فوق، موجِ بازتابیده کاملاً قطبی (و دارای امتدادِ ارتعاش عرضی عمود بر صفحه‌ی تصویر) می‌باشد.
چند صد سال پیش، قانونی به‌طورِ تجربی توسط بروستر بیان گردید مبنی بر اینکه درصورتی‌که وضعیت به‌گونه‌ای باشد که پرتوی بازتابیده و تراگسیلیده برهم عمود باشند پرتوی بازتابیده کاملاً قطبی است. توجیهِ نظریِ کاملی برای این قانون ارائه نشده بود. آنچه در بالا بیان شد تلاشی در ارائه‌ی توجیه نظریِ قابل قبولی در این رابطه است.


نویسنده : حمید وثیق زاده انصاری
منبع : راسخون
 

infrequent

کاربر ممتاز
عدسي هاي گرانشي

عدسي هاي گرانشي

شبيه به لنزها و عدسي هاي اپتيكي كه نور را متمركز مي كنند و يا مانند ميدانهاي مغناطيسي كه باريكه الكتروني را خمش داده و يا منحرف ميكنند; عدسي هاي گرانشي هم باعث انحراف پرتو نور مي شوند.
بر اساس نسبيت عام ; يك جرم سنگين مانند خورشيد به دليل گرانش; فضا - زمان اطراف خود را خميده خواهد كرد. و نور مسير فضا - زمان را براي انتشار دنبال مي كند. پس پرتو هاي نوري در هنگام عبور از كنار جرم سنگيني چون خورشيد دچار خمش شده و به اصطلاح منحرف مي شوند. البته اين انحراف زياد نيست . به صورت تجربي در هنگام يك خورشيد گرفتگي توسط آرتور ادينگتون اختر شناس انگليسي مشاهده و محاسبه شد كه با مقدار پيش بيني شده توسط انيشتين توافق بسيار خوبي داشت و يكي از موفقيتهاي نظريه نسبيت به حساب مي آيد. چون نظريه بايد با تجربه سازگاري داشته باشد.




حال فرض كنيد دو جرم سنگين طوري قرار گيرند كه فضا- زمان اطراف آنها همانند يك عدسي همگرا عمل كند و پرتوهاي نوري كه از اعماق فضا به اين ناحيه برسد منحرف شده و بزرگنمايي شوند. در اين صورت ما يك تلسكوپ فضايي خيلي قدرتمند خواهيم داشت كه مي تواند از فواصل بسيار دور براي ما تصوير تهيه كند. يعني تصوير اجسام دور از ما را كه احتمالا كم نور نيز هستند را بزرگ و پر نورتر نشان دهد. از طريق محاسبات مي توان نشان داد كه ميزان انحراف و يا خمش به مقدار جرمي كه باعث خمش شده بستگي دارد. پس به روش معكوس مي توان با محاسبه ميزان خمش جرم اجرام آسماني مانند ستارگان و كهكشانها و ... محاسبه كرد. انحراف نور باعث مي شود كه مسير پيمده شده طولاني تر شد و مدت زمان رسيدن نور شي مورد نظر متفاوت شود. اين باعث مي شود كه گاهي از يك شي چند تصوير بدست آيد. مثلا كوازارها گاهي چند تصوير مختلف دارند.
تصويري كه اين لنزها ارائه مي دهند در حقيقت مانند اين است كه از پشت يك بطري شيشه اي به اطراف نگاه كنيم. اين كار باعث مي شود كه تصاوير بزرگتر و نامرتب به نظر برسند. بايد توجه داشته باشيد كه هر چه قدر نور عبوري از كنار يك جرم سنگين به از يك شعاع خاصي نزديكتر باشد; ميزان انحراف نور بيشتر مي شود. يعني بر خلاف عدسي هاي اپتيكي كه هر چه قدر به مركز عدسي نزديكتر باشيم نور با انحراف كمتري عبور ميكند. پس از اين نظر عدسي اپتيكي با عدسي گرانشي تفاوت دارد. بعيد نيست قسمتهايي از جهان را كه نمي بينيم به علت اين باشد كه نور آنها در عدسي هاي گرانشي پي در پي آنچنان دچار انحراف و اعوجاج شده باشد كه تصوير اصلي غير قابل ديد و مات باشد.
قبل از اينكه انيشتين نسبيت عام را ارائه كند با استفاده از قانون گرانش عمومي نيوتن محاسبات مربوط به انحراف نور بدست آمد و بعد از آن نيز اين مقدار توسط نسبيت عام پيش بيني شد كه 2 برابر مقدار نيوتني آن است و با آزمايشات مختلف به اثبات رسيده است و نشان مي دهد كه ديناميك نيوتني نمي تواند انتشار نور را به طور كامل و صحيح توضيح دهد. در كل ديناميك نيوتني براي سرعتهاي كم صادق است و در سرعتهاي نزديك به سرعت نور بايد از ديناميك نسبيتي استفاده كرد. نور يك جرم آسماني كه در پشت يك جرم سنگين مانند سحابي قرار گرفته منحرف شده و ما قادريم اطلاع پيدا كنيم كه در پشت اين سحابي چه اجرامي وجود دارد. البته هر جرم آسماني باعث خمش در فضا زمان مي شود ولي شايد يك عدسي گرانشي نباشد. عدسي گرانشي معمولا از كنار هم قرار گرفتن تعدادي اجرام آسماني به وجود مي آيد. براي مثال يك كهكشان كه ما آنرا از راه دور هم چون يك حلقه چرخان مي بينيم مي تواند يك عدسي گرانشي قوي باشد كه پرتوهاي نوري را دچار انحراف و در نتيجه تصاوير را اعوجاج گونه نشان دهد. شايد دقت كرده باشيد كه يك حباب بزرگ هوا كه روي سطح آب قرار دارد;سطح آب اطراف خود را دچار انحنا مي كند و در نتيجه يك تصوير نامفهوم همچون يك حاله گرداگرد حباب را فرا مي گيرد كه دليل آن; منحرف شدن پرتوهاي نوري هستند كه از انتهاي سطح آب و اطراف به حباب مي رسند است. در اينجا علت انحناي آب سنگيني حباب به دليل جاذبه مي باشد. اما در مورد خود اجرام سنگين درفضا; آنها چگونه و با چه ساز و كاري فضا - زمان را دچار انحناء مي كنند؟ هم چنين ممكن است اين سوال مطرح شود كه نور براي انتشار به محيط مادي نيازي ندارد و در فضاي بين ستاره اي نيز منتشر مي شود و انتشار آن در فضا - زمان صورت مي گيرد. حال فرض كنيد در محيط لايتناهي عالم كه هيچ جرم و ماده اي وجود ندارد قرار داريم. سوال اين است كه فضا- زمان از چه ساخته شده است؟ به نظر شما فضا - زمان ازماده تاريك كه هنوز هم مجهول است; ساخته نشده است.؟!
از نظر تاريخي موضوع انحراف نور توسط اجرام سنگين اولين بار در سال 1783 توسط ستاره شناسي به نام John Mitchell - 1724-1793 مطرح شد. او در يك مقاله كه براي هنري كاونديش فرستاده بود; روشي را شرح داده بود كه مي توانست جرم ستارگان را از طريق محاسبه انحراف نور آنها در هنگامي كه نورشان به زمين مي رسد; بدست آورد. كاونديش سعي كرد كه محاسبات نيوتني را دراين باره انجام داده و آنها را منتشر كند. ولي نتايج منتشر نشد. سالها بعد در سال 1924 توسط " اورست چالسون" مورد توجه قرار گرفت و سپس انيشتين در نسبيت عام كاملا به اين موضوع پرداخت و توسط منجمان و فيزيكدانان بارها آزمايش شد و به اثبات رسيد كه جزو اولين مواردي بود كه صحت نسبيت را نشان مي دادند. چون مقدار بدست امده از طريق تجربي با مقدار پيش بيني شده توسط نسبيت عام و نه ديناميك نيوتن ; توافق داشت.





بيشتر عدسي‌هاي گرانشي در گذشته به صورت تصادفي کشف شده اند.امروزه منجمان از دوربين‌هاي الکترونيکي مخصوص بر روي تلسکوپ‌هاي بزرگ خود استفاده مي کنند تا بتوانند با دقت بسيار بالايي مقدار خميدگي نور درپشت اشياي پرجرم را پيدا کنند.با تجزيه و تحليل بر روي مقدار خميدگي نور مي توان جرم ماده اي که اين خميدگي را بوجود اورده است تعيين کرد.
جستجو براي لنزهاي جاذبه اي در نيم کره شمالي در فرکانس‌هاي راديويي با استفاده از(آرايه ي خيلي بزرگ) در نيو مکزيکو انجام شد که منجر به کشف 22 سيستم لنزهاي جديد گرديد و اين زمينه ي بسيار وسيعي را براي جستجوي پارامترهاي کيهاني گشود.
براي مطالعه در زمينه عدسي هاي (لنزها) گرانشي بايد اطلاعات اوليه درباره نسبيت عام ; بحث گرانش عموي; محاسبات تانسوري و مقداري هم اختر فيزيك داشته باشيد.



توسط سید روح الله معصومی
منابع:
Introduction to Gravitational Lensing- Massimo Meneghetti
Gravitational Lensing - P Saha
 

infrequent

کاربر ممتاز
ابیراهی در عدسی

ابیراهی در عدسی

در سیستمهای نوری هر انحرافی از تصویر کامل تحت عنوان ابیراهی مطرح می‌شود که این انحراف برای نور تکرنگ شامل ابیراهی کروی ، ابیراهی کما ، انحنای میدان ، اعوجاج و آستیگماتیسم می‌باشد. نور مرکب علاوه بر ابیراهیهای مذکور ابیراهی رنگی نیز خواهد داشت.

در سیستمهای نوری مرکزدار و عدسیها چنین فرض می‌شود که در تمام حالات از طرف جسم دسته باریکی اشعه که شعاع اصلی آن عمود بر سطح عدسی باشد، می‌تابد. همچنین ، جسم کوچک ، عمود بر محور اصلی و نور تابشی تک‌رنگ فرض می‌شود، ولی در عمل شرایط فوق موجود نیست، در نتیجه تصویری که توسط دستگاهی ، از یک جسم حاصل می‌شود، با تصویر نظری یکسان نمی‌باشد، یعنی در نتیجه عدم رعایت تقریب گاوس و بکار نبردن نور تک‌رنگ معایبی در تصویر حاصل می‌شود و هر انحرافی از تصویر کامل تحت عنوان ابیراهی مطرح می‌شود.







[h=1]انواع ابیراهی [/h] [h=2]ابیراهی رنگی [/h] هر جا که تغییر ضریب شکست یا رنگ نور به حساب بیاید، ابیراهی رنگی مطرح می‌شود، زیرا ضریب شکست مواد شفاف با رنگ نور تغییر می‌کند. عدسی از جسم ، تنها یک تصویر نمی‌دهد بلکه از آن یک سری تصویر (به ازای هر رنگ موجود در دسته شعاع یک تصویر) تشکیل می‌دهد. مشابهت عدسی با منشور که در لبه‌های آن مشهودتر است، موجب پاشندگی نور می‌گردد. بزرگنمایی جانبی هم به دنبال تغییر فاصله کانونی با رنگ تغییر می‌کند. خود ابیراهی رنگی به دو نوع ابیراهی رنگی محوری یا طولی و ابیراهی جانبی یا عرضی تقسیم می‌شود.

[h=2]ابیراهی تکفام [/h] انحراف هر شعاع از مسیر تعیین شده (ابیراهی آن) بوسیله فرمول گاوس برحسب پنج حاصل‌جمع موسوم به جمعهای سیدل بیان می‌شود. اگر تصویر حاصل بدون عیب می‌بود، تمام این حاصل‌جمعها صفر می‌شد، اما هیچ دستگاه نوری نمی‌توان ساخت که در آن تمام این شرایط را یکجا داشته باشیم. صفر شدن هر یک از این جمله‌ها متناظر با نبودن ابیراهی معینی است. این ابیراهیها که برای هر رنگ و ضریب شکست خاصی وجود دارد، تحت عنوان ابیراهی نور تکفام مطرح می‌شوند.

[h=1]انواع ابیراهی نور تکفام [/h] [h=2]ابیراهی کروی [/h] هرگاه دهانه عدسی‌های کروی بیش از حد مجاز در تقریب گاوس باشد، تصاویر حاصل معایبی از خود نشان می‌دهند که ناشی از یکسان نبودن بزرگنمایی در مرکز و لبه عدسی می‌باشد. این عیب و تغییر شکل تصاویر ، به نام ابیراهی کروی در عدسی خوانده می‌شود که تحت این شرایط میان کانون پرتو پیرامحوری و کانون پرتو کناری سطحی به عنوان سطح کمترین تاری ایجاد می‌شود. خود ابیراهی کروی به دو نوع ابیراهی طولی کروی ، ابیراهی جانبی کروی تقسیم می‌شود.







[h=2]ابیراهی کما [/h] اگر نقطه نورانی خارج از محور اصلی عدسی باشد و یک دسته اشعه با زاویه بزرگ به عدسی فرستاده شود، اشعه خروجی پس از خروج از عدسی در روی صفحه‌ای عمود بر محور فرعی تصویر غیرقرینه‌ای بدست خواهد داد. این تصویر از نظر شکل و توزیع انرژی نامتقارن است، این ابیراهی تصویر را ابیراهی کما می‌نامند. در حقیقت ابیراهی کما همان ابیراهی کروی است که از قرار گرفتن نقطه نورانی در خارج از محور اصلی حاصل می‌شود. خود ابیراهی کما بر دو نوع کما مثبت و کما منفی تقسیم می‌شود.

[h=2]ابیراهی آستیگماتیسم [/h] این عیب تصویر موقعی روی می‌دهد که فاصله نقطه‌ای از جسم ، از محور آینه مقعر تا حدی زیاد باشد و اشعه‌های تابشی چه باهم موازی باشند و چه باهم موازی نباشند، با آینه زاویه φ می‌سازند. در مورد عدسی‌ها هم ابیراهی به همین شکل مطرح است، یعنی عدسی از نقطه دور از محور نمی‌تواند تصویر نقطه‌ای بدهد. در این صورت دچار ابیراهی آستیگماتیسم است و تصویر مبهم حاصل از آن آستیگماتیک نام دارد، زیرا خطوط شعاعی متفاوتی در کانون متفاوتی نسبت به خطوط عمودی متمرکز می‌شوند.

[h=2]انحنای میدان [/h] اگر عیب دستگاه نوری از هر لحاظ اصلاح شده باشد، باز نقایصی در تصویر به علت انحنای میدان ایجاد می‌شود که میدان و تصویر در مرکز واضح است و در کناره‌‌ها به کلی ناواضح است، زیرا اشعه آمده از هر یک از نقاط جسم محدود نیست. بطوری که شعاعهای ویژه نقاط مختلف جسم از نقاط مختلف عدسی عبور نمی‌کند.

[h=2]ابیراهی اعوجاج یا واپیچش نور [/h] ابیراهی مربوط به اعوجاج یا واپیچش در مورد اجسام مربعی بوجود می‌آید، بطوریکه تصویر یک شی مربعی ، دیگر مربع نباشد، زیرا بزرگنمایی جانبی در تمام جهات یکنواخت نیست، ممکن است اضلاع به درون خمیده باشند که واپیچش بالشی ایجاد کنند، یا اضلاع به بیرون خمیده شوند و تولید واپیچش بشکه‌ای کنند.

[h=1]کنترل و بهینه ‌سازی ابیراهی‌ها در دستگاههای نوری [/h] ابیراهی در عدسی به نوع شیشه عدسی که نوع محیط عدسی نیز تعبیر می‌شود، ‌توان (فاصله کانونی) تک تک اجزای نوری در صورتی که توان اجزا مختلف عوض شوند، یکسری از ابیراهی‌ها تصحیح می‌شوند که در رفع کما و آستیگماتیسم عامل مهم است.

شکل عدسی (میزان خمیدگی عدسی) توان عدسی تغییر کند، شعاع سطوح عوض می‌شود، آنچه بر ابیراهی‌ها اثرگذار است، شکل عدسی ، فاصله بین عدسی‌ها یا اجزای نوری دستگاه که این فاصله بر ارتفاع پرتو و یا توان کل ذستگاه تاثیر دارد. ضخامت عدسی‌ها محل دریچه در مورد ابیراهی آستیگماتیسم ، واپیچش ،
انحنای میدان ، رنگی عرضی و کما این عامل اثر گذار است.




منبع : شبکه رشد http://daneshnameh.roshd.ir
ایجاد شده توسط: حسین خادم
 
بالا