Kuinka taivuttaa valoa?

Valo ei yleensä kulje suorissa linjoissa (vaikka se tekee niin tavallisissa kohdissa).

Ensinnäkin valo on todella aalto, ja sen voidaan ajatella koostuvan vain itsenäisesti etenevistä säteistä. Tämä tapahtuu, kun valon aallonpituus on paljon pienempi kuin etäisyydet, joiden yli se leviää, mikä on yleensä valoa (jonka aallonpituus näkyvällä alueella on 0,4 $ – 0,7 $, \ mu \ textrm {m} $), mutta ei välttämättä ole asia esimerkiksi radioaalloille ja , kun mukana ovat nanohiukkaset .

Tässä lyhyen aallonpituuden raja, aaltojen eteneminen antaa keinon säteen etenemiseen (mikä on edellisen erityinen, likimääräinen tapaus) ja erityisesti Fermat -periaatteelle matemaattinen valon kuvaus. Tämän periaatteen mukaan valonsäteet, jotka alkavat $ A $: sta ja päättyvät dollariin $ B $, seuraavat polkua, joka minimoi matkustusajan $$ S = \ int_A ^ B n (s) \ textrm {d} s , $$ missä $ n (s) $ on (mahdollisesti alueellisesti riippuva) taitekerroin polun varrella.

Homogeeniselle väliaineelle tämä todellakin antaa suorat viivat etenemiseen. Tasomaiselle rajapinnalle kahden välillä eri mediaa se antaa Snellin taittolaki ja se kuvaa myös heijastusta. (Koska kuvauksessa ei kuitenkaan oteta huomioon valon todellista luonnetta värähtelevänä sähkökenttänä, tämä kuvaus ei pysty ennustamaan lähetys- tai heijastuskertoimia .

Kuitenkin , jos väliaine ei ole homogeeninen, valo ei kulje suoralla linjalla, ja monimutkaisten epähomogeenisuuksien vuoksi polkua voi olla vastaavasti vaikea laskea. Katso esimerkiksi mirage tai yleisemmin ilmakehän taittuminen . Toisaalta, jos jollakin on polku, jonka haluaa tietyn valonsäteen kulkevan, on mahdollista insinööri taitekerroin-alueellinen riippuvuus, joka saa valon taipumaan tällä tavalla. (Tietysti, onko tällainen riippuvuus fyysisesti kohtuullinen, on toinen asia; jos polku taipuu liian jyrkästi, ei ehkä ole mahdollista löytää materiaaleja vaatii uskomattoman suuria hakemisto- ja indeksiastioita.)

Taivutamme valoa koko ajan – linssejä käyttämällä.

Valo taipuu, kun siirrytään materiaalista toiseen, vauhdin säilyttämisen vuoksi.

Snellin laki kuvaa, kuinka valo taipuu.

Valo taipuu myös, kun kulkee massiivisen ohi esineitä – tutki ”gravitaatiolinssejä”, jos olet kiinnostunut.

Valo voidaan tehokkaasti taivuttaa paraboliseen polkuun käyttämällä materiaaleja, joilla on muuttuva taitekerroin. Tämä tehdään kuituoptiikassa käyttämällä ” graded-index-kuitua .”

Kommentit

• anteeksi, että unohdin lisätä siihen parabolisen polun! Olen nyt tehnyt niin!
• En sanoisi, että ' ei sanota, että valo on joka tapauksessa (tehokkaasti tai ei) taipunut luokiteltujen hakemien kuiduissa. Se ' on yhtä harhaanjohtavaa kuin piirtää valonsäteen heijastus askelmerkkokuituun. Suoralla luokitellun indeksin yksimoodisella kuidulla valo etenee suoraa pitkin, koska se muodostaa seisovan aallon poikittaissuunnassa, joten etenemistä ei tapahdu.
• @texnic: mutta monimoodisessa graded-index kuidut valoindee seuraa sinimuotoista polkua.

Voit yleistää kaikki hyvät vastaukset täällä taivuta valoa melkein missä tahansa muodossa käyttämällä optisia kuituja tai fotonikiteitä. Vaikka se saattaa näyttää keinotekoiselta, se vastaa periaatteessa kaikkia muita menetelmiä, koska sitä säätelevät samat fysiikan lait.

Teoreettiset ratkaisut Maxwellin yhtälöihin, joissa valonsäteet voivat liikkua kaarevia polkuja pitkin myös tyhjiössä, on esitetty. En todellakaan ole asiantuntija tällä alalla, joten en yritä selittää mitään teoriaa, muistan vain lukeneeni tutkimuksesta. Voit lukea siitä täältä: http://physics.aps.org/articles/v5/44 . Tai kokeile googlata ”Airy Beam”

Hyväksyn 16BitTons. Sen mukaan valo kulkee suorassa linjassa, mutta valtavan määrän optisten instrumenttien, joita käytämme tänään, nimittäin linssit, peilit, prismat jne. pystymme muuttamaan valon liikkeen suuntaa, poikkeamaan sen todellisesta polusta ja siten ”taivuttamaan” sitä.Tässä ehdotan myös, että kuten geometriassa, tiedämme, että ympyrä on yhdistelmä useita pieniä suoria viivoja, jotka on liitetty yhteen muodostaen lopullisen muodon. Yritä ottaa kolmio, neliö, viisikulmio ….., ikosagoni … ja kun nouset ylös ja ylös, muodosta tulee yleensä ympyrä enemmän. Jos samanlainen kokeellinen kokoonpano voidaan järjestää valmistamaan osa käyrästä useiden peilien yhdistelmällä, ja sitten valo tehdään törmäämään toiseen päähän, voimme ehkä nähdä valon ”taipumisen” toisesta päästä.