فیزیک نور چیست و چه کاربردی دارد؟ + معرفی منابع یادگیری

برای صحبت در مورد فیزیک نور باید ویژگی‌های نور رابشناسیم. قدرت بینایی در حقیقت قدرت درک نور است. برای درک ماهیت بینایی انسان شناخت خواص نور ضروری است. بسیاری از فناوری‌های مورد استفاده برای معاینه چشم و درمان بیماری‌های چشمی از ویژگی‌های نور استفاده می‌کنند تا پزشکان را قادر سازد تا ارزیابی‌های موفقیت آمیزی را انجام دهند. به عنوان مثال اسلیت لامپ از برق برای تولید نور و از لنزها برای انداختن نور به چشم استفاده می‌شود. همچنین از لنزهای بیشتر برای ارائه تصویر بزرگتر به چشمی که دارای مشکلات بینایی است استفاده می‌شود و از مزایای پراکندگی برای تجسم در قرنیه و از لنزهای کریستالی برای وضوح بیشتر تصویر استفاده می‌شود. در این مطلب به طور خاص توضیح می دهیم که نور از کجا می‌آید، چگونه با اجسام برهمکنش می‌کند و چگونه می‌تواند برای کمک به تشخیص و درمان اختلالات چشم مورد استفاده قرار گیرد. برای بررسی منابع فیزیک نور و بررسی آن ابتدا مفاهیم ابتدایی از نور را به صورت خلاصه معرفی می‌کنیم و سپس منابع مختلف برای مطالعه فیزیک نور را معرفی می‌کنیم.

نور چگونه به وجود می‌آید؟

در نمای کلاسیک یک اتم، هسته‌ای وجود دارد که مجموعه‌ای از الکترون‌ها در اطراف آن می‌چرخند. به طور معمول اتم‌ها در حالت سکون هستند به این معنی که ابر الکترونی با بار منفی با هسته بار مثبت آن در تعادل است. اتم‌های برانگیخته دارای الکترون‌هایی هستند که به مدار یا سطح انرژی بالاتری برده شده‌اند. اتم‌های برانگیخته که از تعادل خارج شده‌اند بعد از مدتی به حالت سکون یا پایه برمی‌گردند. برای انجام این کار اتم‌های برانگیخته باید انرژی خود را از دست بدهند.

این انرژی به شکل فوتون آزاد می‌شود. فوتون بسته‌ای از انرژی است که می‌تواند تا زمانی که با جسم دیگر در تعامل باشد در فضا منتشر شود. فوتون به شکل موج الکترومغناطیسی در فضا منتشر می‌شود. امواج الکترومغناطیسی دارای میدان الکتریکی و میدان مغناطیسی هستند که با حرکت امواج در فضا نوسان می‌کنند. میدان‌های الکتریکی و مغناطیسی در سطوح عمود بر یکدیگر و عمود بر جهت حرکت موج نوسان می‌کنند. شکل (1) تصویری از یک موج الکترومغناطیسی را نشان می‌دهد.

مانند همه موج‌ها فاصله‌ای بین تاج موج‌ها وجود دارد که به طول موج یا $$\lambda$$ معروف است. طول موج با مقدار انرژی اتم نسبت معکوس دارد. بنابراین فوتون‌هایی با طول موج کوتاه دارای انرژی بالا و فوتون‌هایی با طول موج بلند دارای انرژی کمتری هستند. فوتون‌ها با سرعت ثابت در خلاء حرکت می‌کنند. این سرعت نور c نامیده می‌شود و برابر با 300,000,000 متر بر ثانیه است. با ورود فوتون‌ها به فضاهای غیر از خلاء سرعت آن‌ها کاهش می‌یابد. ضریب شکست یا n در یک محیط معین برابر با نسبت سرعت نور در خلاء به سرعت نور در محیط است.

یک مفهوم نهایی که در توصیف فوتون‌ها و امواج الکترومغناطیسی مفید است فرکانس یا  $$\nu$$ است. فرکانس تعداد نوسانات در ثانیه است که موج الکترومغناطیسی در یک نقطه معین از فضا طی می‌کند. فرکانس مستقیماً با انرژی داده شده توسط اتم متناسب است. بنابراین نور فرکانس بالا دارای انرژی بالا و نور فرکانس پایین انرژی کمتری را حمل می‌کند. فرکانس نیز مربوط به طول موج نور است و با رابطه $$\nu=\frac{c}{\lambda}$$ داده می‌شود.

مثالی مفید برای درک این مفاهیم را می‌توان در مورد دریا و اقیانوس بررسی کرد. هنگامی که امواج آب به ساحل می‌آیند، ممکن است که به یک مانع ضربه بزنند. فاصله بین تاج یا پیک امواج برابر با طول موج است. هر چه امواج سریعتر به ساحل برسند یعنی سرعت امواج بیشتر است و هر چه مانع سریعتر برخورد امواج را تجربه کند یعنی موج فرکانس بالاتری دارد.

مفهوم موج و فوتون در فیزیک نور یعنی چه؟

در فیزیک کلاسیک، پدیده های موجی مانند امواج صوتی و آب خواص فیزیکی خاصی را نشان می‌دهند و ذرات مجزا مانند توپ بیسبال و دانه‌های ماسه خواص فیزیکی متفاوتی را نمایش می‌دهند. با حرکت به سمت دنیای کوانتومی تمایز بین امواج و ذرات شروع به محو شدن می‌کند. فوتون‌ها ذرات کوانتومی مجزا هستند که خواصی شبیه موج از خود نشان می‌دهند. شرح کامل این اثرات کوانتومی را در مطالب دیگر بررسی می‌کنیم اما در این نوشتار تنها بر این موضوع تاکید می‌کنیم که نور هنگام برخورد با موجودات ماکروسکوپی یک موج و در هنگام برخورد با موجودات اتمی یا مولکولی به عنوان یک ذره در نظر گرفته می‌شود.

طیف الکترومغناطیسی در فیزیک نور چیست؟

مقدار انرژی که یک اتم برانگیخته می‌دهد، طول موج فوتون‌های ساطع شده را تعیین می‌کند. در این حالت ممکن است بازه پیوسته‌ای از طول موج وجود داشته باشد و این پیوستگی به عنوان طیف الکترومغناطیسی شناخته می‌شود. کوتاهترین طول موج ممکن از پرتوهای گاما ناشی می‌شود که با رویدادهای کیهانی بسیار شدید مرتبط هستند. طول موج برای اشعه گاما کوچکتر از بُعد اتمی است. بعد از آن در مقیاس طول موج اشعه ایکس است. در امتداد طیف الکترومغناطیسی اشعه ماوراء بنفش و سپس نور مرئی قرار دارند. فوتون‌هایی با طول موج بیشتر از طیف مرئی مادون قرمز هستند. در نهایت امواج رادیویی طولانی‌ترین طول موج‌های طیف را تشکیل می‌دهند. هر یک از این بخش‌های جداگانه طیف برای اهداف متفاوتی استفاده می‌شود که بستگی به توانایی آن‌ها در انتشار در محیط‌های مختلف و انرژی آن‌ها دارد. به عنوان مثال اشعه ایکس برای تصویربرداری از ساختارهای داخلی بدن استفاده می‌شود، زیرا این اشعه‌ها می‌توانند از طریق بافت بیولوژیکی نفوذ کرده و منتشر شوند. امواج رادیویی برای پخش برنامه‌های رادیویی و تلویزیونی مورد استفاده قرار می‌گیرند زیرا به خوبی در جو پخش می‌شوند.

نور و رنگ در فیزیک نور چه مفهومی دارند؟

تا این مرحله واژه نور به صورت عمومی مورد استفاده قرار گرفت. از نظر فنی نور فقط امواج الکترومغناطیسی است که در طیف مرئی قرار می‌گیرند. به عبارت دیگر نور مربوط به فوتون‌هایی است که توسط سیستم بینایی انسان قابل تشخیص است. فوتون‌هایی که خارج از طیف مرئی قرار می‌گیرند از نظر فنی نور نیستند، اگر چه اغلب از اصطلاحات ماوراء بنفش و نور مادون قرمز برای این طیف‌ها استفاده می‌شود. گاهی برای طیف قابل تشخیص توسط چشم انسان اصطلاح نور مرئی نیز مورد استفاده قرار می‌گیرد، اما واژه مرئی اضافی است. اصطلاح نور مربوط به طول موج‌های تقریباً 380 نانومتر تا 780 نانومتر است، با طول موج‌های کوتاهتر به عنوان انتهای آبی طیف و طول موج‌های بلندتر درک انتهای قرمز طیف را برمی‌انگیزد. اگر طول موج‌های بین 380 نانومتر تا 780 نانومتر به فردی ارائه شود، او تمام رنگ‌های ممکن موجود در طیف را درک می‌کند. با این حال اکثر منابع نوری یک طول موج واحد منتشر نمی‌کنند، اما به طور همزمان فوتون‌هایی با طول موج‌های مختلف منتشر می‌کنند. گیرنده‌های نوری در شبکیه این فوتون‌ها را جذب کرده و آنها را به سیگنالی تبدیل می‌کند که می‌توانیم درک کنیم.

سه نوع گیرنده نوری در ارتباط با بینایی رنگ وجود دارد که به مخروط L (طولانی)، M (وسط) و S (کوتاه) معروف هستند. مخروط‌ها دید رنگی ما را کنترل می‌کنند. مدل‌های بلند، میانی و کوتاه به طول موج‌های طیف مرئی اشاره می‌کنند. بنابراین مخروط‌های S عمدتا به انتهای آبی طیف پاسخ می‌دهند. مخروط‌های M به قسمت میانی یا سبز طیف پاسخ می‌دهند، در حالی که مخروط‌های L به طول موج‌های بلند یا انتهای قرمز طیف پاسخ می‌دهند. دو منبع نوری می‌توانند طیف‌های متفاوتی از فوتون‌ها را از خود ساطع کنند در حالی که ممکن است به نظر برسد که هنوز هم رنگ هستند. اگرچه طول موج‌های مختلف نور برای دو منبع وارد چشم می‌شود، اما جذب فوتون‌ها توسط انواع مختلف گیرنده‌های مخروطی می‌تواند در نسبت‌های یکسانی رخ دهد. به این ترتیب سیگنال‌های ارسال شده به قشر بینایی از دو منبع نوری یکسان هستند. دو منبع نوری در این مورد به عنوان «متامر» (metamers) شناخته می‌شوند. این اثر به این معنی است که خود نور رنگی نیست اما این رنگ ویژگی روش تشخیص نور توسط سیستم بینایی است.

یکی از ویژگی‌های پدیده موج تداخل است. تداخل عبارت از افزودن دو موج برای تشکیل موج جدید است. در مکان‌هایی که تاج یک موج با تاج موج دوم برخورد می‌کند تاج‌ها با هم ترکیب می‌شوند و قله‌ای بزرگتر از موج را تشکیل می‌دهند. در مکان‌هایی که پایین‌ترین نقطه یک موج با پایین‌ترین نقطه موج دوم برخورد می‌کند، امواج با هم ترکیب شده و انحنای بزرگتر و پایین‌تری را ایجاد می‌کنند. در مکان‌هایی که تاج یک موج با پایین‌ترین نقطه موج دیگر برخورد می‌کند این دو اثر یکدیگر را لغو می‌کنند و در موج حاصل هیچ قله یا ناهمواری وجود نخواهد داشت. وقتی دو موج با هم ترکیب می‌شوند و موجی با دامنه بزرگتر تشکیل می‌دهند به آن تداخل سازنده می‌گویند. در مواردی که دو موج اثر یکدیگر را حذف می‌کنند این فرایند تداخل مخرب نامیده می‌شود.

نمونه‌ای از این پدیده در صدا و هدفون‌های حذف کننده نویز اتفاق می‌افتد. در این وسیله سر و صدای مزاحم مورد تجزیه و تحلیل قرار می‌گیرد و موج صوتی دوم ایجاد می‌شود تا باعث ایجاد تداخل مخرب و حذف موثر سر و صدا از صدای اصلی شود. در اپتیک از تداخل به طور معمول برای اندازه گیری کیفیت و شکل سطوح نوری و بررسی اپتیک چشم و ایجاد حاشیه‌های حساسیت کنتراست به طور مستقیم بر روی شبکیه استفاده می‌شود. پدیده تداخل در منابع لیزری نیز مشاهده می‌شود. هنگامی که یک نقطه لیزری بر روی سطح ناهموار تابیده می‌شود، این لکه به دلیل خال خال بودن دانه‌ای به نظر می‌رسد. این لکه ناشی از تداخل تصادفی نور لیزر است. لکه‌های تیره مربوط به مناطق تداخل مخرب و لکه های روشن مربوط به مناطق تداخل سازنده است. تصویر (2) تداخل سازنده و مخرب را نشان می دهد.

همدوسی در فیزیک نور به چه معنا است؟

همه نورها با هم تداخل نخواهد داشت. همدوسی شرح توانایی تداخل دو موج است. نور نامتجانس و ناهمدوس برای ایجاد تداخل سازنده یا مخرب در تعامل با امواج دیگر نیست. برعکس نور همدوس یا متجانس این تأثیرات را نشان می‌دهد. به طور کلی دو موج همدوس باید تقریباً طول موج یکسانی داشته باشند، از یک منبع سرچشمه گرفته باشند و تقریباً در یک زمان منبع را ترک کرده باشند. لیزرها منابع نوری بسیار همدوس هستند و در مقابل چراغ‌های رشته‌ای و فلورسنت ناسازگاری بالاتری دارند.

پراش در فیزیک نور به چه معنا است؟

ویژگی دوم پدیده‌های موج پراش است. در حالی که تداخل یک موج در تعامل با موج دیگر است، پراش موجی است که با یک جسم در محیط تعامل دارد. با عبور موج از اتم‌های یک جسم، نور و اتم‌ها با یکدیگر تعامل دارند. این تعامل باعث می‌شود که موج دچار انحراف شود. اگر موج منحرف شده روی سطحی قرار گیرد الگوی پراش نور دیده می‌شود.

با مشاهده یک چراغ راهنمایی و رانندگی از دور و از طریق صفحه پنجره، پراش را می‌توان مشاهده کرد. با خروج نور از چراغ راهنمایی و رانندگی، این نور آزادانه در جو منتشر می‌شود. در عبور نور از صفحه چراغ، ابتدای موج با اتم‌های صفحه برهمکنش می‌کنند و در نتیجه موج مخدوش می‌شود. در مشاهده چراغ راهنمایی و رانندگی از طریق صفحه، الگوی پراش بر روی شبکیه نقش می‌بندد. به نظر می‌رسد که الگوی پراش در این حالت یک صلیب است. با عبور نور از صفحه، خطوط افقی مش یا تقسیم بندی‌های صفحه باعث انحراف نور در جهت بالا و پایین می‌شوند، در حالی که الیاف و تقسیم بندی‌های عمودی باعث انحراف نور به چپ و راست می‌شوند. الگوی پراش حاصل ترکیب فوق العاده‌ای از این دو اثر است که به صورت صلیب ظاهر می‌شود.

پراش باعث می‌شود مرزهای سایه نرم باشد. همچنین این پدیده قرار گرفتن یک نقطه کوچک روی شبکیه چشم را محدود می‌کند. با ورود نور به چشم، این نور با عنبیه ارتباط برقرار می‌کند. هنگام مشاهده منبع نقطه‌ای دور، اگر ساختار نوری چشم کامل باشد، الگوی پراش ناشی از مردمک دیده می‌شود. بنابراین پراش در نهایت دقت بینایی ما را محدود می‌کند زیرا یک نقطه نور را مجبور می‌کند که اندازه محدودی در شبکیه داشته باشد. به طور کلی هرچه ناحیه‌ای که موج مجبور به ورود به آن می‌شود کوچکتر باشد، الگوی پراش بزرگتر خواهد بود. تصویر (3) الگوی پراش را نشان می‌دهد.

پراکندگی در فیزیک  نور به چه معنا است؟

پراکندگی یکی دیگر از اثرات پراش است که در آن نور با مجموعه‌ای از ذرات کوچک در تعامل است. ذرات کوچک نور را جذب کرده و دوباره در تمام جهات مختلف تابش می‌کنند. اندازه و فاصله بین ذرات، میزان پراکندگی را تعیین می‌کند. علاوه بر این طول موج‌های کوتاهتر بیشتر از طول موج‌های طولانی مستعد پراکندگی هستند. دود، مه، ورم قرنیه و آب مروارید همگی باعث پراکندگی می‌شوند. همانطور که دود نور را پراکنده می‌کند، به دلیل پراکندگی بیشتر در انتهای آبی طیف، رنگ آبی به خود می‌گیرد. از آنجا که نور مادون قرمز کمتر پراکندگی دارد، از آن برای نفوذ به شبکیه برای دیدن ساختار در سطح کوروئیدها استفاده می‌شود. پراکندگی می‌تواند منبع درخشندگی برای بیماران باشد. منابع نوری محیطی می‌توانند اجسام پراکنده را در قرنیه و عدسی پراکنده کرده و به شبکیه ختم شوند. این نور پراکنده بر روی تصویری از جسمی که فرد روی آن ثابت شده است قرار می‌گیرد. نور پراکنده باعث کاهش کنتراست در تصویر می‌شود و بنابراین دید را دشوارتر می‌کند. تصویر (4) مفهوم پراکندگی را به خوبی نشان می‌دهد.

فلورسانس در فیزیک نور به چه معنا است؟

مولکول‌ها می‌توانند فوتون‌های نور را جذب کرده و به حالت برانگیخته حرکت کنند. سپس آن‌ها می‌توانند فوتون ساطع کنند تا به حالت انرژی کمتری برگردند. این فرآیند پایه و اساس فلورسانس است. به طور معمول یک فوتون با طول موج معین توسط مولکول جذب می‌شود و باعث تغییر در حالت مولکولی می‌شود. با بازگشت مولکول به حالت پایه، مقداری انرژی در اثر ارتعاش و چرخش از بین می‌رود در حالی که انرژی باقی مانده به عنوان فوتون ساطع می‌شود. طول موج فوتون جدید نسبت به فوتون اولیه بیشتر است. رنگ فلورسئین به طور معمول برای ارزیابی یکپارچگی قرنیه و تناسب لنزهای تماسی استفاده می‌شود. رنگ با طول موج آبی روشن می‌شود و رنگ سبز ساطع یا فلورس و شفاف می‌شود.

قطبی شدن در فیزیک نور به چه معنا است؟

قطبش با جهت گیری میدان الکتریکی در یک موج الکترومغناطیسی در حال انتشار سروکار دارد. نور غیر قطبی میدان الکتریکی خود را در جهت‌های تصادفی دارد. برعکس، نور قطبی شده دارای میدان الکتریکی در یک صفحه واحد است. مواد پولاراید فقط برای انتقال نوری طراحی شده که میدان الکتریکی آن در یک جهت متمرکز شده است. اگر محور عبور پولاراید همراستا با میدان الکتریکی نور برخوردی قرار گرفته باشد، نور منتقل می‌شود. اگر محور پولاراید یا قطبی 90 درجه بچرخد، نور مسدود می‌شود. نور خورشید قطبی نشده است، به طور متوسط میدان الکتریکی نور خورشید $$50\%$$ از زمان خود را در یک جهت و $$50\%$$ دیگر را در جهتی قرار دارد که 90 درجه با جهت اول زاویه دارد. بنابراین برخورد نور خورشید با عینک آفتابی پولاراید اجازه می‌دهد فقط نیمی از نور آن منتقل شود. بازتاب نور خورشید از یک جسم براق تا حدی در جهت افقی قطبی می‌شود. با جهت گیری محور عبور پولاراید در جهت عمودی، نور منعکس شده به طرز چشمگیری کاهش می‌یابد. بدین ترتیب عینک آفتابی پولاراید می‌تواند تاثیرات تابش نور را به میزان چشمگیری کاهش دهد.

انتقال، بازتاب، جذب و شکست در فیزیک نور به چه معنا هستند؟

زمانی که نور روی خط مرز بین دو محیط برخورد می‌کند، سه حالت ممکن است رخ دهد که عبارت از انتقال، انعکاس یا جذب هستند. به طور کلی باید گفت در هر برخورد هر سه حالت اتفاق می‌افتد و فقط مقادیر نسبی هریک بسته به مواد متفاوت است. برای طول موج‌های قابل مشاهده شیشه انتقال بالا، جذب و بازتاب کمی را فراهم می‌کند. وقتی از پشت ویترین مغازه به اجناس نگاه می‌کنید، بازتابی از خودتان به وضوح دیده می‌شود.

نور منعکس شده تقریباً 4 درصد از نور برخوردی را شامل می‌شود در حالی که نور منتقل شده تقریباً 96 درصد است و کمتر از 1 درصد از نور معمولاً توسط شیشه پنجره جذب می‌شود. سپر کروم تقریباً انعکاس $$100\%$$ را ارائه می‌دهد، این ماده با مقدار کمی جذب و بدون انتقال است. آسفالت بخش بزرگی از نور وارد شده را جذب می‌کند، بخش کوچکی از نور را منعکس می‌کند و به همین دلیل است که ما آن را به عنوان سایه تیره خاکستری می‌بینیم و هیچ نوری را منتقل نمی‌کند. میزان نوری که از سطح مشترک بین مواد منتقل و منعکس می‌شود بر اساس زاویه برخورد نور و شاخص‌های شکست دو ماده تنظیم می‌شود. برای آشنایی بیشتر با شکست نور این مطلب را در مجله فرادرس مطالعه کنید.

به طور کلی تفاوت‌های قابل توجه در شاخص‌های شکست باعث می‌شود که نور بیشتری منعکس شود. تصاویر «پورکینجه» (Purkinje) نمونه‌ای از نور منعکس شده از سطوح مختلف مواد است. اولین تصویر پورکینجه بازتاب از سطح قدامی قرنیه است. دومین تصویر پورکینجه بازتاب از سطح قرنیه آبی است. سومین آن بازتاب از رابط آبی-عدسی و چهارمین تصویر بازتاب از سطح لنز-زجاجیه است. تفاوت در شاخص‌های شکست بین محیط‌های مختلف داخلی چشم اندک است. در نتیجه تصاویر دوم، سوم و چهارم پورکینجه کم نور هستند. تفاوت بین ضریب شکست هوا و ضریب شکست قرنیه زیاد است که منجر به انعکاس تصویر روشن در اولین تصویر پورکینجه می‌شود.

امواج در مرز بین دو محیط در نتیجه تعامل با مرز تغییر جهت می‌دهند. قوانین انعکاس و شکست بر این تغییرات جهت حاکم است. قانون انعکاس نشان می‌دهد که زاویه تابش یعنی $$\theta_i$$ و زاویه بازتاب یعنی $$\theta_t$$ توسط یک ثابت با یکدیگر رابطه دارند. زاویه‌ها نسبت به خط عمود بر سطح رابط اندازه گیری می‌شوند. قانون بازتاب شبیه به یک توپ بیلیارد است که از سطح منعکس می‌شود. قانون شکست بر ویژگی موج منتقل شده حاکم است. قانون شکست که به نام قانون اسنل نیز شناخته می‌شود توسط رابطه زیر بیان می‌شود:

$$\large n_i sin \theta_i=n_t sin \theta_t$$

که $$n_i$$ شاخص شکست در محیط برخورد، $$\theta_i$$ زاویه برخورد، $$n_t$$ شاخص شکست محیطی است که موج منتقل شده به آن حرکت می‌کند و $$\theta_t$$ برابر با زاویه شکست است. تصویر (5) قوانین بازتاب و شکست را نشان می‌دهد.

به طور کلی اگر ضریب شکست محیط‌های دوم بزرگتر از محیط اول باشد، موج به سمت خط عمود بر سطح رابط خم می‌شود ($$ \theta_i < \theta_t$$). برعکس اگر موج از یک محیط با ضریب شکست بالاتر به یک محیط با ضریب شکست پایین‌تر حرکت کند موج منتقل شده از خط عمود فاصله می‌گیرد($$ \theta_i > \theta_t$$). نورپردازی پشت آینه‌ها و لنزها بر اساس این اصول است. در اصل لنزها راهی برای تغییر شکل رابط هستند تا زوایای برخورد و شکست در نقاط مختلف سطح باعث همگرایی یا واگرایی موج شوند. به طور مشابه آینه‌های منحنی نیز طوری طراحی شده‌اند که باعث همگرایی یا واگرایی موج بازتاب شده می‌شوند.

بازتاب داخلی کل در فیزیک نور چیست؟

حداکثر مقدار برای زاویه شکست یعنی $$\theta_t$$ می‌تواند برابر با 90 درجه باشد. این موضوع  زمانی اتفاق می‌افتد که موج منتقل شده در همان جهت اولیه حرکت می‌کند. در این مورد قانون اسنل را می‌توان به صورت زیر نوشت و داریم:

$$\large sin\theta_i=\frac{n_t}{n_i}$$

گرفتن سینوس معکوس هر دو طرف معادله بالا اجازه می‌دهد تا زاویه برخورد متناظر با این موقعیت خاص پیدا شود. در موردی که موج منتقل شده در راستای خط عمود بر دو محیط باشد، زاویه برخورد یا زاویه بحرانی به دست می‌آید. مثلثات می‌گوید سینوس یک زاویه نمی‌تواند بزرگتر از یک باشد. در بررسی معادله بالا این شرط مثلثاتی تنها زمانی صادق است که $$n_t < n_i$$ باشد. برای حرکت موج منتقل شده در همان جهت خط عمود، نور باید از ناحیه‌ای با شاخص شکست بالاتر به ناحیه‌ای با شاخص پایین‌تر برود. اگر زاویه برخورد بزرگتر از زاویه بحرانی شود چه اتفاقی می افتد؟ در این حالت بازتاب داخلی کامل رخ می‌دهد و نوری به محیط دوم منتقل نمی‌شود. برای زوایای برخورد بیشتر از زاویه بحرانی، $$100\%$$ نور از سطح مشترک منعکس می‌شود. تصویر (6) زاویه بحرانی و بازتاب داخلی کلی را نشان می‌دهد. بازتاب داخلی کلی در فیبر نوری استفاده می‌شود.

مواد اصولاً در هسته خود ضریب شکست بالایی دارند که با موادی با ضریب شکست پایین پوشیده می‌شوند. پس از تزریق نور به یک سر فیبر، نو بازتاب‌های داخلی مکرری را در مرز غلاف و هسته تجربه می‌کند و تا زمانی که از انتهای دیگر خارج شود در داخل فیبر باقی می‌ماند. بازتاب داخلی کامل نیز دلیل این است که نمی‌توان زاویه را در محفظه قدامی بدون کمک لنز گونیوسکوپی تجسم کرد. نوری که تحت زاویه برخورد می‌کند دارای انعکاس داخلی کامل در سطح مشترک قرنیه است. به بیان دیگر، نور خروجی زاویه دار سعی می‌کند از قرنیه با شاخص شکست بالاتر به هوا که شاخص شکست پایین‌تر دارد برود، اما دارای زاویه برخوردی است که از زاویه بحرانی بیشتر است و این اتفاق نمی‌افتد. یک لنز گونیوسکوپی در تماس با قرنیه قرار می‌گیرد، به طوری که نور از قرنیه با شاخص شکست پایین به لنز شیشه‌ای با شاخص شکست بالاتر بدون هیچ بازتاب داخلی منتقل می‌شود. لنز گونیوسکوپی به گونه‌ای طراحی شده است که وقتی نور به سطح لنز و هوا می‌رسد، کمتر از زاویه بحرانی است و از بیرون چشم قابل مشاهده است.

کمیت نور در فیزیک نور چگونه بیان می‌شود؟

نور را می‌توان از نظر رادیومتری و فوتومتری اندازه‌گیری کرد. اندازه گیری‌های رادیومتری بر اساس اندازه گیری مطلق انرژی تابش الکترومغناطیسی بدون در نظر گرفتن طول موج است. اندازه گیری‌های نور سنجی پاسخ طیفی سیستم بینایی انسان را در نظر می‌گیرد و بنابراین فقط باید برای اندازه گیری نور مرئی استفاده شود. یک فوتون دارای انرژی خاصی است که از انرژی از دست رفته در اثر انتشار اتم برانگیخته شده ناشی می‌شود. بنابراین میزان انرژی در یک پرتو نور متناسب با تعداد فوتون‌های پرتو است.

لیزرهای پالسی معمولاً بر اساس مقدار ژول (J، واحد انرژی) در هر پالس مشخص می‌شوند. این مشخصات تعداد فوتون‌های موجود در هر پالس را ارائه می‌دهد. لیزرهای موج پیوسته که یک جریان ثابت از نور ساطع می‌کنند، معمولاً بر حسب وات درجه‌بندی می‌شوند. وات (W) که واحد قدرت است، مقدار ژول بر ثانیه است که توسط لیزر ساطع می‌شود یا اساساً متناسب با تعداد فوتون‌هایی است که لیزر در ثانیه منتشر می‌کند.

مفهوم مهم دیگر در رادیومتری تابش است. تابش به تعداد وات در واحد سطح گفته می‌شود و معمولاً با $$\frac{W}{cm^2}$$ یا $$\frac{W}{m^2}$$ نشان داده می‌شود. اگر همه فوتون‌های یک پرتو نور در یک منطقه کوچک متمرکز شوند، تابش بسیار بیشتر از آن است که فوتون‌ها در یک منطقه بزرگ پخش شوند. تابش نور خورشید روی کاغذ نسبت به زمانی که نور خورشید با ذره بین جمع آوری شده و در یک نقطه متمرکز می‌شود، قدرت بسیار کمتری دارد. تابش بیشتر در مورد دوم برای آتش زدن کاغذ کافی است. استانداردهای ایمنی برای قرار گرفتن چشم و پوست در معرض منابع لیزری و غیر لیزری وجود دارد که بر اساس واحدهای اندازه‌گیری است که در بالا مورد بحث قرار گرفت. نورسنجی دارای واحدهای اندازه گیری مشابه است اما اکنون طول موج و پاسخ چشم ما به آن طول موج را در محاسبات در نظر می‌گیریم. بنابراین از انتهای آبی یا قرمز طیف فوتون‌های بیشتری و در زمان طولانی‌تری به همان اثر فوتومتری یک فوتون واحد در طول موج سبز دست پیدا می‌کنند، زیرا واکنش طیفی انسان در رنگ سبز به اوج می‌رسد.

لومن (lm) مشابه وات است زیرا به تعداد فوتون‌هایی که منبع نور در ثانیه معین تابش می‌کند مربوط می‌شود، اما تعداد فوتون‌ها با پاسخ طیفی چشم وزن می‌یابد. روشنایی بر حسب $$\frac{lm}{m^2}$$ یا lux مشابه تابش است. این کمیت نشان دهنده تعداد فوتون‌های وزنی طیفی است که در هر ثانیه به یک منطقه مشخص برخورد می‌کنند. رادیومتری برای توصیف سیستم‌های چشمی که نور با بافت چشم در تعامل است مانند عمل جراحی انعقاد نوری با لیزر و لیزر اگزایمر مفید است. نورسنجی برای تجزیه و تحلیل سیستم‌هایی که چشم آخرین آشکارساز نور است به عنوان مثال، طراحی نمایشگرهای رایانه‌ای یا روشنایی داخلی مفید است.

منابع برتر برای مطالعه فیزیک نور چه کتاب‌هایی هستند؟

در اینجا لیست 10 کتاب برتر مرجع در زمینه اپتیک و فیزیک نور را گردآوری کرده‌ایم. این کتاب‌ها توسط دانشجویان دانشگاه‌ها، موسسات و کالج‌های برتر استفاده می‌شود. در ادامه لیست کامل 10 کتاب برتر در زمینه اپتیک به همراه شرحی بر آن‌ها آمده است.

اپتیک، اصول و کاربردها توسط K K Sharma

در این کتاب، آموزش فیزیک نور کاربردی‌تر و مفهومی‌تر شده است. این کتاب شامل سطوح ابتدایی فیزیک نور است و به راحتی با موضوعات پیشرفته همراه با پوشش همه مباحث استاندارد آشنا می‌شوید. این کتاب با پرداختن به اعداد و کاربرد موضوع، ایده‌های بسیاری را در زمینه اپتیک و فیزیک نور به خواننده منتقل می‌کند. کتاب اپتیک، اصول و کاربردها به خوبی نوشته شده است و موضوع را به وضوح با تصاویر و مسائل متعدد در هر فصل توضیح می‌دهد. این کتاب شامل حل مسائل مربوط به مباحث انحرافات باریکه، خطاهای همگرایی یا فوکوس پرتوی نور و اعوجاج به همراه گنجاندن آن‌ها در انتهای کتاب به منظور درک دقیق این مفاهیم است. تقریباً یک سوم کتاب به کاربردهای اپتیک می‌پردازد. این کتاب باعث می‌شود که موضوع از حالت تئوری خارج شود تا خواننده بتواند چیزهایی را که در اطراف شکل می‌گیرند تجسم کند. در کتاب دیدگاه روشنی در مورد موضوعات محتلف ارائه می‌شود تا خواننده نه تنها آن را درک کند بلکه بداند در کجا این مفاهیم را مورد استفاده قرار دهد. جامعه هدف این کتاب مهندسان اپتیک، دانشجویان ارشد، دانشجویان کارشناسی ارشد و اساتید علوم پایه، اپتیک و فیزیک هستند. فصل‌های این کتاب را می‌توانید در اینجا (+) مشاهده کنید.

اصول اپتیک توسط M Born و E Wolf

در سراسر کتاب فیزیک نور و اپتیک به خوبی ارائه شده است و به دانشجویان اجازه می‌دهد تا عمیقاً در مورد موضوع صحبت کنند. این کتاب بسیار خواندنی، واضح و مختصر است. در این کتاب به طور مختصر در مورد امواج الکترومغناطیسی و همچنین نظریه پراکندگی امواج اسکالر، از جمله سری Born و سری Rytov به همراه گزارشی از اصول توموگرافی پراش با مفاهیم اساسی در زمینه اپتیک صحبت شده است. این کتاب موضوعاتی مانند خواص اساسی میدان الکترومغناطیسی، عناصر نظریه پراش، پتانسیل‌های الکترومغناطیسی و قطبش، نظریه هندسی تصویربرداری نوری، مبانی اپتیک هندسی، نظریه هندسی اختلالات، ابزارهای شکل‌دهنده تصویر، اصول و عناصر نظریه تداخل و تداخل سنج‌ها، اصول نظریه پراش، نظریه پراش اختلالات، تداخل و پراش با نور تا حدی همدوس، نظریه پراش شدید، پراش نور توسط امواج فراصوت، فیزیک نور فلزات، فیزیک نوری کریستال به همراه برخی ضمائم و غیره را پوشش می‌دهد. فصل‌های این کتاب را می‌توانید در اینجا (+) مشاهده کنید.

مقدمه‌ای بر اپتیک مدرن اثر G B Fowles

این کتاب یک دوره مقدماتی فیزیک نور و اپتیک مدرن را در مقطع کارشناسی برای دانشجویان فیزیک، فناوری و مهندسی ارائه می‌دهد. اساساً این کتاب را می‌توان به دو قسمت تقسیم کرد، نیمه اول کتاب به فیزیک نور کلاسیک و قسمت دوم عمدتاً به ماهیت کوانتومی نور می‌پردازد. این کتاب به موضوعاتی مانند انتشار امواج نور، مفاهیم سرعت فاز و گروه، ماهیت بردار نور، مفاهیم همدوسی جزئی، طول همدوسی تا مطالعه تداخل، تداخل پرتوهای چندگانه، تداخل سنج فابری-پرو، نظریه فیلم چند لایه، پراش و هولوگرافی، انتشار نور در محیط‌های مادی، نظریه کوانتومی نور، طیف‌های نوری اولیه، نظریه تقویت نور و لیزرها و غیره می‌پردازد. این کتاب کاربردهای زیادی در زمینه اپتیک لیزری نیز ارائه می‌دهد. پیش نیاز فهم مباحث این کتاب داشتن دانش اولیه در الکتریسیته و مغناطیس و برخی ریاضیات پیشرفته است. فصل‌های این کتاب را می‌توانید در اینجا (+) مشاهده کنید.

اپتیک اثر گاتک

این کتاب گزارشی جامع و کامل از اپتیک کلاسیک و همچنین برخی از پیشرفت‌های اخیر در این زمینه ارائه می‌دهد. این کتاب برای دانشجویان کارشناسی علوم و مهندسی و همچنین دانشجویانی که در مقطع لیسانس در رشته فیزیک تحصیل می‌کنند برای کورس‌های اپتیک و فیزیک نور در نظر گرفته شده است. موضوعاتی مانند فیزیک نور پاراکسیال، نظریه هندسی اختلالات مرتبه سوم، توابع مشخصه، پراش، نور تا حدی همدوس، اپتیک فوریه 1، فیلتر فرکانس فضایی، اپتیک فوریه 2، توابع انتقال نوری، هولوگرافی، خود همگرایی، راهنمای موج‌های درجه بندی شده، امواج درخشان و اثر «گوس-هنشن» (Goos-Hänchen) در این کتاب آموزش داده شده‌اند. این کتاب به زبان ساده نوشته شده و برای دانشجویان مفید است. فصل‌های این کتاب را می‌توانید در اینجا (+) مشاهده کنید.

اپتیک (سری طرح کلی شائوک) توسط Eugene Hecht

از سری کتاب‌های شائوم در معرفی بهترین منابع ترمودینامیک نیز استفاده کردیم. در زمینه فیزیک نور و اپتیک نیز این کتاب مروری عالی بر نظریه‌های کلیدی واساسی موضوع ارائه می‌دهد. متن این کتاب با کلمات ساده و با درک دقیق همه موضوعات کلیدی بیان شده است. این کتاب شامل چندین تصویر، نمودار و آزمایش است تا به درک بهتر مفاهیم پیچیده اپتیک کمک کند. این کتاب برای دانشجویانی که برای امتحانات رقابتی مانند کنکور ارشد آماده می‌شوند، مفید است. در این کتاب موضوعاتی مانند حرکت موج، انتشار نور، اپتیک هندسی، اپتیک فوریه، برهم نهی امواج، قطبش، پراش و مبانی نظریه همدوسی گنجانده شده است. کتاب اپتیک  همه حقایق مهمی را که باید در زمینه فیزیک نور بدانیم بیان کرده است. فصل‌های این کتاب را می‌توانید در اینجا (+) مشاهده کنید.

مبانی اپتیک نوشته فرانسیس جنکینز و هاروی وایت 

تمرکز اصلی کتاب مبانی اپتیک بر توضیحات موضوعات پایه اپتیک و فیزیک نور است تا دید واضحی از موضوع ارائه شود. این کتاب به گونه‌ای طراحی شده است که به شما امکان می‌دهد طعم واقعی اپتیک را بچشید. کتاب مبانی اپتیک به خوبی مفاهیم مختلف را توصیف می‌کند و ساده نیز است. این کتاب به خواننده کمک می‌کند تا اعتماد به نفس خود را در زمینه فیزیک نور افزایش دهد. مبانی اپتیک تمام نکات اصلی اپتیک را به طور مداوم، روشن و مختصر پوشش می‌دهد. هر فصل دارای مجموعه‌ای از مسائل است که تا حد زیادی مسائل عددی هستند و پاسخ آن‌ها برای مسائل با شماره فرد ارائه شده است. این کتاب موضوعاتی را در بر می‌گیرد که عبارت از خواص نور، سطوح تخت و منشورها، سطوح کروی، آینه‌های کروی، اثرات توقف، ردیابی پرتو نور، انحرافات لنز، اپتیک امواج، ارتعاشات و امواج، سرعت نور، جذب و پراکندگی، شکست دوگانه، کوانتوم نوری، کوانتای سبک و منشأ آن، ضریب شکست و پراکندگی شیشه‌های نوری و غیره هستند. فصل‌های این کتاب را می‌توانید در اینجا (+) مشاهده کنید.

نظریه و تمرین فیزیک نور و شکست توسط خورانا

در این کتاب فیزیک نور یا اپتیک مفیدتر و کاربردی‌تر بیان شده است. این کتاب از سطوح ابتدایی اپتیک شروع می‌کند و به راحتی با موضوعات پیشرفته با پوشش همه مباحث استاندارد همراه می‌شود. هر فصل در این کتاب به طور کامل به روز و ویرایش شده است. این کتاب اطلاعاتی را در مورد اصول اولیه بینایی و انکسار به دانشجویان چشم پزشکی و همچنین دانشجویان اپتومتری و ارتوپتیک ارائه می‌دهد. در این کتاب متن در قالب چهار رنگ جذاب تزئین شده است تا درک، حفظ و تکرارپذیری مفاهیم را آسان کند. این کتاب موضوعاتی مانند نور، فیزیک نور، جراحی انکساری، ابزارها و تکنیک‌های نوری، اپتیک هندسی و اپتیک چشم، مدیریت کم بینایی، دقت بینایی، حساسیت کنتراست و آزمایشات برای بینایی بالقوه، خطاهای شکست و نقص‌های نوری دو چشمی، ناهنجاری‌های تطبیق و همگرایی، توپوگرافی قرنیه و ابرومتری، شکست بالینی و غیره را پوشش می‌دهد. فصل‌های این کتاب را می‌توانید در اینجا (+) مشاهده کنید.

مقدمه‌ای بر اپتیک اثر پدروتی 

در این کتاب فیزیک نور یا اپتیک مفیدتر و کاربردی‌تر بیان شده است. این کتاب از سطوح ابتدایی اپتیک شروع می‌کند و به راحتی با موضوعات پیشرفته با پوشش همه مباحث استاندارد همراه می‌شود. جامعه هدف این کتاب دانش آموزان فیزیک و مهندسی در مقاطع متوسط ​​و بالاتر است و مقدمه‌ای جامع و جذاب بر اپتیک ارائه می‌دهد. ویژگی خاص این کتاب این است که بیشتر محتوای تخصصی خود را متناسب با نیازها و اهداف برنامه درسی فردی تنظیم می‌کند. این کتاب به موضوعاتی مانند اپتیک چشم، لیزرها، همدوسی نور، ردیابی نور، قطبش، تداخل متعدد فیلم نازک، هولوگرافی، فیبر نوری، تداخل سنجی، اپتیک فوریه، اپتیک غیر خطی و معادلات فرنل می‌پردازد. فصل‌های این کتاب را می‌توانید در اینجا (+) مشاهده کنید.

اپتیک: سخنرانی در مورد فیزیک نظری نوشته سامرفلد آرنولد

این کتاب برای کمک به دانشجویان برای تمرین و بهبود مهارت‌های درک مسائل فیزیک نور و اپتیک و پاسخ دادن به سوالات این موضوع طراحی شده است. در انتهای هر فصل‌ این کتاب مسائل و تمرینات مختلف در زمینه موضوعات همان فصل به همراه تمریناتی که شامل تفکر در مورد موضوعات گوناگون و نوشتن در مورد آن‌ها است، قرار دارد. این کتاب جامع است و می‌تواند حتی برای دانش آموزانی که مایل به بررسی عمیق فیزیک نور و اپتیک هستند مورد استفاده قرار گیرد. فصل‌های این کتاب را می‌توانید در اینجا (+) مشاهده کنید.

ارتباطات فیبر نوری توسط Palais

این کتاب مروری عالی بر نظریه‌های کلیدی و مهم اپتیک و فیزیک نور را ارائه می‌دهد. مطالب در این کتاب با کلمات ساده و با درک دقیق همه موضوعات کلیدی همراه با پوشش پیشرفت‌های قابل توجه در صنعت فیبر در طول زمان و آشنایی عمیق با اصول ارتباط با خطوط انتقال فیبر نوری، همراه شده است. در سراسر کتاب نظریات مربوط به فیزیک نور و فیبر نوری به خوبی ارائه شده است و این موضوع به دانشجویان و خوانندگان کتاب این اجازه را می‌دهد تا درک عمیقی از موضوعاتی مانند تقویت کننده رامان، تقویت کننده موج دار دوپ شده با اربیوم، گریتینگ موج دار آرایه دار، تعدیل کننده جذب الکتریکی، اجزای میکروالکترومکانیکی نوری (MEMs)، جبران و تصحیح پراکندگی، منابع نوری قابل تنظیم، فیلترهای قابل تنظیم، چندگانه تقسیم کننده نوری زمان، چندگانه تقسیم طول موج متراکم و درشت، افزایش استفاده از طیف نوری، لیزرهای فیبر و تقویت کننده‌های نوری، دیودهای لیزری ساطع کننده سطح عمودی، تقسیم طول موج متراکم مالتی پلکس، تکنولوژی گریتینگ فیبر براگ و غیره داشته باشند. این کتاب به خواننده اجازه می‌دهد تا اصول عملکرد فیبر نوری را بیاموزد و آن را طراحی کند. فصل‌های این کتاب را می‌توانید در اینجا (+) مشاهده کنید.

معرفی فیلم‌های فیزیک نور و اپتیک فرادرس

در ادامه برخی آموزش‌های فیزیک نور و اپتیک فرادرس را که برای رشته‌های فیزیک، فوتونیک و لیزر آماده شده است را معرفی می‌کنیم. این فیلم‌های و دوره‌های ویدیویی در کنار یک منبع اصلی می‌تواند کمک شایانی به دانشجویان این رشته کند.

معرفی فیلم آموزش اپتیک فوریه 

مجموعه فرادرس در تولید و تهیه محتوای آموزشی خود اقدام به تهیه فیلم آموزش اپتیک فوریه کرده است. این مجموعه آموزشی از ده درس تشکیل شده و برای دانشجویان رشته فیزیک، مهندسی فوتونیک و افراد علاقه‌مند به مباحث نورشناسی مفید است. 

درس اول این مجموعه به بیان مقدمه‌ای بر اپتیک و نظریه ارتباطات و درس دوم به بررسی انتگرال‌های فوریه، وجود و همگرایی، شرح و تفسیر، ارتباط با سری‌های فوریه، تبدیلات تعمیم‌یافته می‌پردازد. درس سوم به تبدیلات فوریه، قضایای تبدیل فوریه و درس چهارم به توابع متداول و تبدیل فوریه آن‌ها، سیستم‌های خطی ناوردا (Invariant) اختصاص دارد. در درس پنجم و ششم به ترتیب سیستم‌های LSI به عنوان فیلترها، فیلترهای دامنه، فیلترهای فاز، حذف سیگنال‌های نامطلوب و میدان‌های موجی اپتیکی را خواهید آموخت و در درس هفتم مفاهیم مربوط به قضیه نمونه‌گیری دوبعدی و قضیه نمونه‌گیری بررسی می‌شود. درس هشتم این مجموعه به آموزش پراش و مقدمه‌ای بر این پدیده می‌پردازد و درس نهم به پراش در محدوده فرنل و فرانهوفر اختصاص دارد. در نهایت در درس دهم مفاهیم مربوط به تشکیل تصویر که شامل تصویرگیری عدسی، تشکیل تصویر با نور همدوس و تشکیل تصویر با نور ناهمدوس است، بررسی می‌شود.

• برای دیدن آموزش اپتیک فوریه +‌ اینجا کلیک کنید.

معرفی فیلم آموزش فیزیک لیزر

مجموعه فرادرس در تولید و تهیه محتوای آموزشی خود اقدام به تهیه فیلم آموزش فیزیک لیزر
کرده است. این مجموعه آموزشی از هفت درس تشکیل شده و برای دانشجویان رشته فیزیک، مهندسی اپتیک و لیزر و فوتونیک مفید است. 

درس اول این مجموعه به بیان مفاهیم مقدماتی لیزر و درس دوم به بررسی بر هم کنش تابش با اتم‌ها و یون‌ها می‌پردازد. درس سوم به بررسی فرآیندهای تحریک و روش‌های آن و درس چهارم به بررسی و مطالعه کاواک‌های تشدید نوری اختصاص دارد. در درس پنجم و ششم به ترتیب رفتار لیزر پیوسته و پالسی و خواص باریکه لیزری را خواهید آموخت و در نهایت در درس هفتم چند نوع لیزر یعنی لیزرهای سه و چهار ترازی، لیزرهای کربن دی اکسید، لیزر یاقوت، لیزرهای نیمه رسانا و لیزرهای رنگی بررسی می‌شود.

• برای دیدن آموزش فیزیک لیزر +‌ اینجا کلیک کنید.

جمع‌بندی

در این مطلب در مورد فیزیک نور و اپتیک صحبت کردیم. بدین منظور ابتدا مفاهیم اولیه و ابتدایی مرتبط با نور را به صورت مختصر معرفی کردیم و سپس به معرفی منابع برتر در زمینه فیزیک نور و اپتیک پرداختیم. در نهایت آموزش‌های ویدیویی را که به دانشجویان در یادگیری بهتر و آسان‌تر فیزیک نور کمک می‌کند و توسط فرادرس منتشر شده است را معرفی کردیم.