Fiziksel Optik

Işığın Dalga Modeli

Huygens'in dalga ilkesine göre bir dalga cephesindeki her nokta yeni bir küresel dalgacık kaynağıdır. Işığın girişim, kırınım ve kutuplanma olayları dalga modeliyle açıklanır. Maxwell ışığın elektromanyetik dalga olduğunu göstermiştir; ışıkta elektrik ve manyetik alanlar birbirine ve yayılma doğrultusuna diktir (enine dalga).

Elektromanyetik Spektrum

Dalga boyu büyükten küçüğe: radyo dalgaları > mikrodalga > kızılötesi > görünür ışık (kırmızı ≈ 700 nm … mor ≈ 400 nm) > morötesi > X ışınları > gama ışınları. Frekans ve foton enerjisi ters sırada artar. Tümü boşlukta c hızıyla yayılır.

Girişim

• Young çift yarık deneyi (1801): Işığın dalga doğasını kanıtladı. Aydınlık saçak şartı: yol farkı d·sin θ = nλ; karanlık saçak: d·sin θ = (n − 1/2)λ. Ardışık iki aydınlık saçak arası uzaklık Δx = λL/d (L: perde uzaklığı, d: yarıklar arası uzaklık).
• Saçak aralığı dalga boyuyla doğru, yarıklar arası uzaklıkla ters orantılıdır; düzenek suya daldırılırsa λ küçülür, saçaklar sıklaşır. Beyaz ışıkta merkezî saçak beyaz, diğerleri renkli olur.
• İnce zar girişimi: Sabun köpüğü, su üstündeki yağ tabakası renkleri; çok yoğun ortamdan yansımada 180° faz değişimi olur. Yansıma önleyici kaplamalar (gözlük ve kamera mercekleri) yıkıcı girişim ilkesiyle çalışır.
• Newton halkaları ve Michelson interferometresi (çok hassas uzunluk ölçümü; Michelson-Morley deneyi esir varlığını çürüttü).

Kırınım

• Tek yarıkta kırınım: Karanlık saçak şartı a·sin θ = nλ (a: yarık genişliği). Merkezî aydınlık saçak diğerlerinin iki katı genişliktedir. Yarık daraldıkça kırınım belirginleşir.
• Kırınım ağı: Çok sayıda eşit aralıklı yarık; d·sin θ = nλ; keskin ve parlak çizgiler verir; spektroskopide dalga boyu ölçümünde kullanılır.
• Çözme gücü (Rayleigh ölçütü): Dairesel açıklıkta θ_min = 1,22λ/D; teleskop ve mikroskopların ayırt etme gücünü sınırlar. Açıklık çapı büyüdükçe ve dalga boyu küçüldükçe çözme gücü artar (elektron mikroskobu).
• X ışını kırınımı (Bragg yasası): 2d·sin θ = nλ; kristal yapıların incelenmesi.

Kutuplanma (Polarizasyon)

• Yalnız enine dalgalar kutuplanabilir; ışığın kutuplanması enine dalga olduğunun kanıtıdır.
• Malus yasası: Kutuplanmış ışık bir analizörden geçerken I = I₀·cos²θ.
• Kutuplanmamış ışık bir polarizörden geçince şiddeti yarıya düşer.
• Brewster açısı: tan θ_B = n₂/n₁; bu açıyla gelen ışığın yansıyan kısmı tamamen kutuplanır (yansıyan ve kırılan ışınlar birbirine diktir).
• Uygulamalar: Polarize güneş gözlükleri (yansıma parlamasını azaltır), LCD ekranlar, 3B sinema gözlükleri, gerilme analizinde fotoelastisite.

Saçılma ve Diğer Olaylar

Rayleigh saçılması: Küçük parçacıklarda saçılma 1/λ⁴ ile orantılıdır; mavi ışık kırmızıdan çok saçıldığı için gökyüzü mavi, gün batımı kırmızı görünür. Lazer: Uyarılmış emisyonla oluşan, tek renkli (monokromatik), eş fazlı (koherent) ve paralel ışık. Holografi girişim ilkesiyle üç boyutlu görüntü kaydeder.