Jak zginać światło?

Światło w ogólnych okolicznościach nie porusza się po liniach prostych (chociaż robi to w tych, które zwykle napotykamy).

Po pierwsze, światło jest w rzeczywistości falą i tylko w przybliżeniu można o nim myśleć jako o niezależnie rozchodzących się promieniach. Dzieje się tak, gdy długość fali światła jest znacznie mniejsza niż odległości, na które się rozchodzi, co zwykle ma miejsce w przypadku światła (którego długość fali w zakresie widzialnym wynosi od 0,4 do 0,7 USD \, \ mu \ textrm {m} $), ale niekoniecznie tak jest np dla fal radiowych i gdy w grę wchodzą nanocząsteczki .

W tym limit krótkiej długości fali, propagacja fal ustępuje miejsca propagacji promieni (co jest specjalnym, przybliżonym przypadkiem pierwszego), a konkretnie zasadzie Fermata dla matematyczny opis światła. Zasada ta mówi, że promienie światła zaczynające się od $ A $ i kończące się na $ B $ będą podążać ścieżką, która minimalizuje czas podróży $$ S = \ int_A ^ B n (s) \ textrm {d} s , $$ gdzie $ n (s) $ jest (prawdopodobnie zależnym przestrzennie) współczynnikiem załamania wzdłuż ścieżki.

W przypadku ośrodka jednorodnego rzeczywiście daje to proste do propagacji. W przypadku płaskiej granicy między dwoma różne media podaje prawo Snella dotyczące załamania światła , a także opisuje odbicie. (Ponieważ jednak nie uwzględnia on rzeczywistej natury światła jako oscylującego pola elektrycznego, opis ten nie może przewidzieć współczynników transmisji lub odbicia .

Jednak , jeśli medium nie jest jednorodne, światło będzie nie jechać po linii prostej, a w przypadku skomplikowanych niejednorodności droga może być odpowiednio trudna do obliczenia. Na przykład zobacz tworzenie miraże lub bardziej ogólnie załamanie atmosferyczne . I odwrotnie, jeśli ktoś ma ścieżkę, którą chce, aby dany promień światła podążał, to można zaprojektować zależność przestrzenną współczynnika załamania światła, która spowoduje zakrzywienie światła w ten sposób. (Oczywiście, czy taka zależność jest fizycznie uzasadniona, to inna sprawa; jeśli ścieżka wygina się zbyt ostro, może nie być możliwe znalezienie materiałów z odpowiednimi konieczne są bardzo duże wskaźniki i gradienty.)

Cały czas załamujemy światło – używając soczewek.

Światło ugina się podczas przechodzenia z jednego materiału do drugiego ze względu na zachowanie pędu.

Prawo Snella opisuje, jak światło się ugina.

Światło jest również wyginane podczas przechodzenia obok masywu obiekty – jeśli jesteś zainteresowany, spójrz na „soczewkowanie grawitacyjne”.

Światło można skutecznie wygiąć w ścieżkę paraboliczną przy użyciu materiałów o zmiennym współczynniku załamania światła. Odbywa się to w światłowodach za pomocą „ światłowodu ze stopniowanym indeksem .”

Komentarze

• przepraszam, zapomniałem dodać do niego ścieżkę paraboliczną! Właśnie to zrobiłem!
• Nie ' nie powiedziałbym, że światło jest w każdym razie (skutecznie lub nie) zagięte we włóknach o stopniowanym indeksie. ' jest tak mylące, jak rysowanie odbicia promienia świetlnego we włóknie o indeksie krokowym. W prostym światłowodzie jednomodowym o stopniowanym indeksie światło rozchodzi się wzdłuż linii prostej, ponieważ tworzy falę stojącą w kierunku poprzecznym, więc nie ma propagacji.
• @texnic: ale w wielomodowym graded-index Włókna światło podąża ścieżką sinusoidalną.

Aby uogólnić wszystkie ładne odpowiedzi tutaj, możemy zakrzywiaj światło o niemal dowolnym kształcie za pomocą światłowodów lub kryształów fotonicznych. Chociaż może wyglądać sztucznie, jest w zasadzie odpowiednikiem wszystkich innych metod, ponieważ podlega tym samym prawom fizyki.

Przedstawiono teoretyczne rozwiązania równań Maxwella, według których wiązki światła mogą przemieszczać się po zakrzywionych trajektoriach nawet w próżni. Z pewnością nie jestem ekspertem w tej dziedzinie, więc nie będę próbował wyjaśniać żadnej teorii, po prostu pamiętam, że czytałem o badaniu. Możesz o tym przeczytać tutaj: http://physics.aps.org/articles/v5/44 . Lub spróbuj googlować „Airy Beam”

Zgadzam się na 16 bitów. Stwierdzono, że światło porusza się w linii prostej, ale ze względu na ogromną liczbę instrumentów optycznych, których używamy dzisiaj, a mianowicie soczewki, lustra, pryzmaty itp. jesteśmy w stanie zmienić kierunek ruchu światła, zboczyć z jego rzeczywistej ścieżki, a tym samym „zgiąć”.Tutaj również sugerowałbym, że podobnie jak w geometrii wiemy, że okrąg jest połączeniem kilku małych prostych, połączonych ze sobą, tworząc ostateczny kształt. Spróbuj wziąć trójkąt, kwadrat, pięciokąt ….., ikosagon, … a kiedy wchodzisz coraz wyżej i wyżej, kształt ma tendencję do coraz bardziej przypominania koła. Jeśli podobny układ eksperymentalny można ustawić w celu przygotowania części krzywej przy użyciu kombinacji wielu luster, a następnie światło pada na jeden koniec, możemy być w stanie zobaczyć „wygięcie” światła z drugiego końca.