Wie Licht biegen?

Licht bewegt sich unter allgemeinen Umständen nicht in geraden Linien (obwohl es Dies geschieht in den Fällen, denen wir normalerweise begegnen.

Zum einen ist Licht wirklich eine Welle und kann nur annähernd als aus sich unabhängig ausbreitenden Strahlen bestehend betrachtet werden. Dies geschieht, wenn die Wellenlänge des Lichts viel kleiner ist als die Entfernungen, über die es sich ausbreitet, was normalerweise für Licht der Fall ist (dessen Wellenlänge im sichtbaren Bereich $ 0,4 $ bis $ 0,7 \, \ mu \ textrm {m} $ beträgt), aber ist nicht unbedingt der Fall zB für Radiowellen und , wenn Nanopartikel beteiligt sind .

Hierbei Kurzwellenlängenbegrenzung, Wellenausbreitung weicht der Strahlausbreitung (was ein spezieller, ungefährer Fall des ersteren ist) und speziell dem Fermat-Prinzip für das mathematische Beschreibung des Lichts Dieses Prinzip besagt, dass Lichtstrahlen, die bei $ A $ beginnen und bei $ B $ enden, dem Pfad folgen, der die Laufzeit minimiert. $$ S = \ int_A ^ B n (s) \ textrm {d} s , $$ wobei $ n (s) $ der (möglicherweise räumlich abhängige) Brechungsindex entlang des Pfades ist.

Für ein homogenes Medium ergibt dies tatsächlich gerade Linien für die Ausbreitung. Für eine planare Grenzfläche zwischen zwei verschiedene Medien gibt es Snells Brechungsgesetz und es beschreibt auch die Reflexion. (Da jedoch die tatsächliche Natur des Lichts als oszillierendes elektrisches Feld nicht berücksichtigt wird, kann diese Beschreibung keine Transmissions- oder Reflexionskoeffizienten vorhersagen.

Wenn das Medium nicht homogen ist, wird das Licht nicht auf einer geraden Linie fahren, und für komplizierte Inhomogenitäten kann der Pfad entsprechend schwierig zu berechnen sein. Ein Beispiel finden Sie in der Bildung von Trugbilder oder allgemeiner atmosphärische Brechung . Wenn man dagegen einen Weg hat, den ein bestimmter Lichtstrahl nehmen soll, ist dies möglich Entwickeln Sie eine räumliche Abhängigkeit des Brechungsindex, durch die sich das Licht auf diese Weise biegt. (Ob eine solche Abhängigkeit physikalisch sinnvoll ist, ist natürlich eine andere Frage. Wenn sich der Pfad zu stark biegt, ist es möglicherweise nicht möglich, Materialien mit den entsprechenden Werten zu finden besonders große Index- und Indexgradienten erforderlich.)

Wir biegen das Licht ständig – mit Linsen.

Licht biegt sich beim Übergang von einem Material zum anderen aufgrund der Impulserhaltung.

Das Snell-Gesetz beschreibt, wie sich Licht biegt.

Licht wird auch gebogen, wenn es an massiven Materialien vorbeifährt Objekte – schauen Sie bei Interesse in die „Gravitationslinse“.

Licht kann mithilfe von Materialien mit sich änderndem Brechungsindex effektiv in einen parabolischen Pfad gebogen werden. Dies erfolgt in Glasfasern mit „ Gradientenindexfaser .“

Kommentare

• Entschuldigung, ich habe vergessen, einen parabolischen Pfad hinzuzufügen! Ich habe das jetzt getan!
• Ich würde ‚ nicht sagen, dass Licht in den abgestuften Indexfasern sowieso (effektiv oder nicht) gebogen ist. ‚ ist so irreführend wie das Zeichnen von Lichtstrahlreflexionen in einer Stufenindexfaser. In einer Single-Mode-Faser mit geradem Gradientenindex breitet sich Licht entlang einer geraden Linie aus, da es in Querrichtung eine stehende Welle bildet, sodass keine Ausbreitung erfolgt.
• @texnic: aber im Multimode-Gradientenindex Fasern Das Licht Indee folgt einem sinusförmigen Pfad.

Um alle schönen Antworten hier zu verallgemeinern, können wir Biegen Sie Licht in nahezu jeder Form mit optischen Fasern oder photonischen Kristallen. Obwohl es künstlich aussehen mag, entspricht es im Grunde allen anderen Methoden, da es denselben Gesetzen der Physik unterliegt.

Es wurden theoretische Lösungen für Maxwell-Gleichungen gezeigt, bei denen Lichtstrahlen auch im Vakuum entlang gekrümmter Trajektorien wandern können. Ich bin sicherlich kein Experte auf diesem Gebiet, daher werde ich nicht versuchen, eine Theorie zu erklären. Ich erinnere mich nur daran, dass ich über die Studie gelesen habe. Sie können hier darüber lesen: http://physics.aps.org/articles/v5/44 . Oder googeln Sie „Airy Beam“

Ich stimme 16 Bit zu. Es heißt, dass sich das Licht in einer geraden Linie bewegt, aber aufgrund der großen Anzahl optischer Instrumente, die wir heute verwenden, nämlich Linsen, Spiegel, Prismen usw. Wir sind in der Lage, die Richtung der Bewegung des Lichts zu ändern, es von seinem tatsächlichen Weg abzuweichen und es daher zu „biegen“.Hier würde ich auch vorschlagen, dass wir wie in der Geometrie wissen, dass der Kreis eine Kombination aus mehreren kleinen geraden Linien ist, die zusammengefügt werden, um die endgültige Form zu bilden. Versuchen Sie, Dreieck, Quadrat, Fünfeck …, Ikosagon, … und wenn Sie höher und höher steigen, neigt die Form dazu, mehr zu einem Kreis zu werden. Wenn ein ähnlicher Versuchsaufbau angeordnet werden kann, um einen Teil der Kurve unter Verwendung einer Kombination mehrerer Spiegel vorzubereiten, und dann das Licht von einem Ende einfällt, können wir möglicherweise die „Biegung“ des Lichts betrachten vom anderen Ende.