Optik Nedir
Optik, Optik ışıkla ilgili olayları inceleyen fizik dalı. Optik, ışıkla ilgili olayları üç değişik modelde inceler. Buna göre optik üç kısma ayrılır
1) Geometrik optik
2) Fizik optik (Dalga optiği)
3) Kuvantum optiği
1) Geometrik optik
ışığın izotrop (her tarafının fiziksel özelliği aynı) ortamda doğrusal yayılmasını temel kabul eder. Yansıma, kırılma ve aydınlanma olaylarını inceleyen optik kısmıdır. Newton, çalışmalarında ışığı bir kaynaktan yayılan tanecikler gibi düşünüyordu. Böylece geometrik optik gelişti. ışık olaylarını izah etmede yeterli zannedildi. Halbuki Newton’un düşünceleriyle gelişen geometrik optikle ancak yansıma, kırılma ve aydınlanma olayları izah edilebilir. Aynalar, ışık prizmaları, mercekler, optik aletler, geometrik optikle incelenebilir.
2.Fizik optik
ışığın dalga yapısında olduğunu temel kabul ederek girişim, kırınım ve kutuplanma olaylarını inceleyen optik kısmıdır. Newton’la aynı çağda yaşayan Huygens, Newton’un yanıldığını ve ışığın dalga şeklinde düşünülmesi gerektiğini ortaya attı. Dalga modeli, geometrik optikle açıklanamayan girişim, kırınım, polarma (kutuplanma) olaylarını açıklayabiliyordu.
Girişim Young deneyi
Paralel demet haline getirilmiş akkor lamba ışığı önce dar bir yarıktan geçirilir, yarıktan geçirilen ışık tekrar birbirlerinden yaklaşık 1 mm mesafede bulunan iki dar yarıktan geçirilirse, yarıktan çıkan dalgalar aynı fazlı dalgalar haline gelir. Yani iki yarık, aynı fazlı iki kaynak haline gelmiş olur. Bu iki kaynağa takriben 1 m uzaktaki perdede karanlık ve aydınlık şeritler görülür. Bu şeritlere, girişim saçakları denir. Bu olay, Newton’un ışık hakkındaki düşüncesiyle açıklanamaz. Çünkü siyah şerit noktalarında, iki kaynağın ışıklarına ait yol farkı, dalga boyunun tek katları şeklindedir ve yokedici girişimle siyah görünürler.
Aydınlık şerit noktalarında ise iki kaynaktan çıkan dalgaların girişimi, aralarındaki yol farkı dalga boyunun tam katları olduğundan birbirini kuvvetlendirici girişim olmuştur.
ince zarların, mesela sabun köpüğünün rengarenk görünmesi de, alt ve üst yüzeyden yansımış dalgaların girişimleriyle meydana gelir. Yol farklarının geometrik yeri kürevî bir yüzey olursa meydana gelen girişim deseni, aynı merkezli içiçe halkalar şeklindedir, bunlara “Newton halkaları” denir.
interferometre
Girişim özelliğinden faydalanılarak kullanılan cihazdır. Araştırma sahalarında çok kullanılır. En yaygın kullanma sahası çok küçük mesafelerin ölçülmesidir. Kırılma indislerinin ölçümünde, saydam cisimlerin yüzlerinin düzgünlüğünün kontrolünde kullanılır.
interferometrelerin çalışma prensipleri şöyledir Monokromatik (tek renkli) bir ışık kaynağından çıkan ışınlar, paralel demet haline getirilerek kısmî geçirgen bir levha üzerine düşürülürler. Bu levha, ışığı iki demete ayırır. Birinci demeti geçirerek bir paralel kaydırıcı lama gönderir.
Kaydırıcıdan çıkan ışınlar, bir aynadan yansıtılarak tekrar kaydırıcıya düşürülür. Bu ışınlar kaydırıcıdan geçip tekrar kısmi yansıtıcı üzerine dönerler. Kısmî yansıtıcı bu sefer bu ışınları bir dürbüne gönderir. Kısmî geçirgen levhadan yansıtılan ikinci demet halindeki ışınlar ise, geçen ışınların yansıdıkları aynaya dik olan başka bir aynadan yansıyaralı tekrar levhaya dönerler
Levhaya geçen ışınlar da dürbüne ulaşırlar. Aynaların levhaya uzaklıkları eşit alınarak, iki demet arasındaki yol farkı sıfır olacak şekilde ayarlanır. ikinci demetin yansıdığı ayna, levhaya dalga boyunun yarısı kadar yaklaştırılırsa yol farkı yine dalga boyu kadar olur ve yine yapıcı girişim yani dürbünde ışık gözlenir. Ayna, levhaya dalga boyunun dörtte biri kadar yaklaştırılırsa yol farkı dalga boyunun yarısına eşit olduğundan yok edici girişim olur ve dürbün içi karanlık olur. Ayna sürekli yaklaştırılırsa karanlık ve aydınlık görünüm birbirini takip eder. Kararma sayısı, aynanın yaklaşma miktarını, dalga boyuna bağlı olarak verir. Bu durumda ayna, mikrometre olarak kullanılır. interferometrelerde laser ışınları kullanılarak ölçümler daha da hassaslaştırılmıştır.
Kırınım
ışığın bir engel arkasındaki gölge bölgesinde bulunmasıdır. Gölge bölgesi, tanecik modeline göre yasak bölgedir. Çok dar yarıklara (yarık genişliği ışığın dalga boyu mertebesinde) gelen ışık, yarıktan geçtikten sonra, sanki yarık noktası ışık kaynağı imiş gibi yayılır. (Bu olaya tek yarıkta girişim olayı da denir.) Bir kaynaktan çıkıp paralel hale getirilen ışığın çok dar bir yarıktan geçmesi ile yarığın gerisindeki perde (ekran) üzerinde aynı merkezli aydınlık ve karanlık halkalar meydana gelir. Bu halkalara kırınım saçakları denir.
Saydam bir levha üzerindeki çizgi veya yarık sayısı 1 cm’de birkaç yüz adet olursa “kırınım ağı” elde edilir. Kırınım ağı, ışığın dalga boyunu ölçmede kullanılır. Birbirine çok yakın iki nokta mikroskopta incelenirken her nokta, kırınım halkaları birbirine karışmış halde görünür. Böyle yakın noktalar birbirinden ayırd edilemez. Mikroskopların ayırma gücü, ihtiva ettikleri merceğe bağlıdır. Fakat ayırma gücünün sınırı vardır. Bu sınır mesafesi, ışığın dalgaboyunun yarısı kadardır. (Bkz. Mikroskop)
Kutuplanma (Polarma)
ışık dalgaları enine dalgalardır. Yayılma doğrultusuna ve birbirine dik olan elektrik ve manyetik alanlar titreşim yaparlar. Bu titreşim sinüzoidal bir titreşimdir (Bkz. Elektromanyetik Dalga). ışığın titreşiminden, daha ziyade elektrik alanının titreşimi anlaşılır. Çünkü elektrik alanı daha baskındır.
ışık dalgaları ince bir turmalin kristali levhasından geçirilirse, sadece bir düzlemde titreşim kalır, diğer düzlemlerdeki titreşimler soğurulur. Böylece ışık kutuplanmış olur. Bu kristal levhaya çapraz durumda ikinci bir kristal levha, kutuplanmış ışığın önüne konursa, ışık titreşimi tamamen kaybolur, ikinci levhadan ışık geçemez.
ışığın kutuplanması yansıma ve kırılma olayında da gözlenir. Yansıyan ve kırılan ışınlar kutuplanır. Yansıyan ışın gelme düzlemine dik olarak, kırılan ışın ise paralel olarak kutuplanır. Yansıyan ve kırılan ışınların birbirine dik olma şartını sağlıyan gelme açısına “Brewster açısı” denir. Bu açının tanjantı, kıran ortamın kırılma indisine eşittir.
“Malus kanununa” göre, kutuplanmış ışığın şiddetinde azalma görülür.
Kristallerin çoğu “çift kırıcı” özelliği gösterirler. Çift kırıcılık, ışığı iki demet haline getirmektedir. Bunun sebebiyse ışığın bu kristaller içindeki her doğrultuda aynı hızla yayılmamasıdır. ikiye ayrılan ışığın her iki kısmı da kutuplanır. Gelme düzlemine, dik olarak kutuplanmış ışına normal ışın, paralel olarak kutuplanmış ışına ise extra normal ışın denir. ince turmalin kristali levhaları bu ışınlardan birini soğurarak (emerek) diğerini geçirir. Böylece kutuplanmış ışın elde edilmiş olur. Çift kırıcı kristallerde, iki demetin birleştiği bir doğrultu bulunur. Bu doğrultuya “optik eksen” denir.
Çift kırıcı kristallerden kalsit (izlanda spatı olarak da bilinir). Optik ekseninden geçen özel bir düzlemle kesilip “Kanada balsamı” ile tekrar yapıştırılarak, içinde ince bir yapıştırıcı tabakası olan prizma elde edilir. Bu prizmaya “Nicol prizması” denir. Nicol prizmasında Kanada balsamı, ikiye ayrılan demetten normal ışını yansıtır. Extra-normal ışını ise geçirir. Böylece, ışın gelme düzlemine paralel olarak kutuplanmış olarak çıkar.
Günümüzde tabiî kristaller yerine, çift kırıcı ve bir demeti soğurucu (emici) plastik kutuplayıcılar kullanılmaktadır.
Polaraid kutuplayıcı, Herapath isimli fizikçi tarafından 1928 yılında yapıldı, o tarihten sonra Nicol prizmaların yerine kullanıldı. Polaraid, nitroselüloz üzerine iyodokinin sülfat eriyiği sürülüp gerdirilerek elde edilir. Daha sonra iki cam arasına sıkıştırılır. Polaraid güneş gözlükleri, sadece düşey yönde kutuplanmış ışınları geçirerek gözü şiddetli ışıktan korurlar. Ayrıca, yine ışığın şiddetini azaltmak maksadı ile oto camlarında da kullanılırlar. ışığın kutuplanma özelliğinden faydalanılarak polarimetreler ve fotoesneklikle gerilim analizi çalışmaları yapılmaktadır.
Polarimetre
Maddelerin optikçe aktifliklerini ölçen cihazdır. Optikçe aktiflik, kutuplanmış, (polarılmış) ışığın, kutuplanma düzlemini değiştirmek demektir. Kuvarts, şeker eriyiği ve bazı yağlar optikçe aktiftirler (Organik maddelerin çoğu optikçe aktiftirler).
Polarimetre (polariskop da denir), biri sabit diğeri düşey bir düzlemde dönebilen iki kutuplayıcıdan meydana gelir. Kutuplayıcı olarak çoğunlukla kalsit kristalleri kullanılır. Bu iki kristalden birincisine (sabit olana) polarizör, ikincisine ise (dönebilene) analizör denir. ışık polarizörden girip kutuplanarak analizör üzerine düşer. Analizör, polarizöre paralel halde iken ışık analizörün gerisine düşebilir, çapraz halde iken ışık analizörü geçemez. Ara durumlarda (ne paralel ne de çapraz durumlarda) ise aydınlanma şiddeti düşer.
Çapraz durumdaki polarizör ve analizör arasına optikçe aktif bir madde konursa, analizörden ışık geçtiği görülür. Çünkü araya konan madde polarizörden çıkan ışığın kutuplanma düzlemini çevirmiştir. Çevirme miktarı, analizörü tekrar ışık geçmiyecek şekilde döndürerek bulunur. Böylece maddelere ait değişik çevirme açıları bulunabilir. Bu açılar optikçe aktifliğin miktarını gösterir. Çevirme açısının sağa veya sola olması durumuna göre maddeler sağ-sol optik izomeriye sahiptir, denir.
Polarimetre molekül boyutlarının tayininde, konsantrasyon miktarının (derişikliğin) tayininde ve gıda maddelerinin kontrollerinde kullanılır.
Hassas polarimetrelerde polarizör-analizör arasına, polarizör küçük bir açı yapacak şekilde üçüncü bir kristal kutuplayıcı konur. Böylece gözleme bölgesinde en karanlık durum aydınlanma ile mukayese edilerek daha kolay incelenir. Elektronik kontrollü otomatik polarimetreler halihazırda en hassas ölçmeyi yapabilen aletlerdir.
Sadece şeker için kullanılan polarimetrelere sakarimetre de denir. Titreşim düzleminin dönmesini tayf analiziyle grafik halinde veren polarimetrelere de spektropolarimetre cihazları denir.
Bazı maddelere ait optikçe aktiflik dış kuvvetlerin meydana getirdikleri gerilme ile değişmektedir. Cam selüloit, pleksi camı gibi maddeler, gerilimler sebebiyle çift kırıcı hale gelirler. Statik hesaplamalarda gerilime maruz kalacak elemanların yukarıdaki maddelerden yapılmış küçük modelleri, jips tabakaları arasında iki kutuplayıcı arasına konarak küçük kuvvetlerle gerdirilirler. Gerilen bölgeler çift kırıcı durumuna geçtiklerinden, modelin fotoğrafında gerilen bölgeler meydana çıkar, görülür. Bu tekniğe fotoesneklikle gerilim çözümleme denir.
Kuvantum Optiği
Max Planck’ın ışık dalgalarının enerjilerinin kuvantumlu oluşunu keşfetmesiyle ortaya çıkmıştır. Buna göre ışık, atomdan yayılan enerji paketleri (dalga katarları) şeklindedir. Her bir pakete “foton” denir. Kuvantum optiği ile ışık madde etkileşimi, fotoelektrik olay, “Compton” olayı incelenebilir.