فروع علم البصريات
يُعد علم البصريات جزءًا من الفيزياء المسؤولة عن دراسة الضوء والظواهر المرتبطة به، ونظرًا لأن الضوء يمثل سلوكًا مزدوجًا، ويمكن اعتباره موجة أو جسيمًا، حيث يُصنف علم البصريات إلى نوعين:
- البصريات الفيزيائية: تُعنى البصريات الفيزيائية بطبيعة موجة الضوء.
- البصريات الهندسية: يُستخدم مفهوم البصريات الهندسية، عندما يُعتبر الضوء جسيمًا وتستند دراساته على مفهوم أشعة الضوء، مما يوفر نموذجًا هندسيًا للضوء.
مصادر الضوء
تُعرف أشعة الضوء بأنها عبارة عن مقاطع مستقيمة تُمثل مصدر واتجاه انتشار الضوء، حيث تُصنف مصادر الضوء حسب مصدرها أو حجمها كالآتي:
- المصادر الأولية: من المصادر التي ينبعث منها الضوء مثل الشمس أو لهب الشمعة أو المصباح.
- المصادر الثانوية: تقوم المصادر الثانوية بعكس الضوء الذي يتلقاه من مصدر أساسي، مثل القمر الذي يعكس الضوء الذي يتلقاه من الشمس، أو كتاب لا يمكن رؤيته إلا إذا كان يعكس الضوء الذي يستقبله من المصباح.
- مصادر واسعة النطاق: يُستخدم مفهوم المصادر واسعة النطاق عندما يكون لها أبعاد كبيرة مقارنة بأبعاد الكائن المراد إضاءته، على سبيل المثال مصباح مضاء بالقرب من كتاب.
- مصادر النقطة: يُستخدم مصطلح مصادر النقطة إذا كانت أبعاد مصدر الضوء تعتبر مهملة بالنسبة للكائن المراد إضاءته.
مبادئ البصريات الهندسية
تُعد البصريات الهندسية هي المسؤولة عن دراسة المفاهيم الفيزيائية المختلفة، بما في ذلك تشكيل الظل، والظلام، والكسوف، وانعكاس وانكسار الضوء ، وتكوين الصورة في المرايا والعدسات والأجهزة البصرية، ويوجد ثلاثة مبادئ اعتمدتها البصريات الهندسية لشرح ظاهرة الضوء كالآتي:
- مبدأ الانتشار المستقيم للضوء: ينص مبدأ الانتشار المستقيم للضوء على أن "ينتشر الضوء في خط مستقيم، في البيئات غير المتجانسة والشفافة"، ويُفسر هذا المبدأ عدة ظواهر، مثل التشابه الهندسي بين الظل والشيء الذي ينتجه، بالإضافة إلى تكوين شبه الظل والكسوف.
- مبدأ استقلالية أشعة الضوء: ينص مبدأ استقلالية أشعة الضوء على أنه "عندما يتقاطع شعاعان أو أكثر من الضوء، فإن أحدهما لا يغير من انتشار الآخر."
- انعكاس أشعة الضوء: ينص مبدأ انعكاس أشعة الضوء على أنه "المسار الذي يتبعه الضوء لا يعتمد على اتجاه انتشاره."
- الألياف البصرية: تُعرف الألياف البصرية بأنها خيوط مثل الهيكل المصنوع من الزجاج والبلاستيك حيث ينتقل الضوء من خلال الانعكاس الداخلي الكلي، وتُعرف أيضاً بأنها خيوط بحجم الشعر يمر من خلالها الضوء عن طريق الانعكاس الداخلي الكلي.
آلية عمل الألياف البصرية
تعمل الألياف البصرية من خلال انتشار الضوء في الألياف الضوئية بحيث يكون الضوء محصورًا تمامًا داخل الألياف، ويمكن القيام بذلك عن طريق الانعكاس الداخلي الكلي والانكسار المستمر.
أنواع الألياف الضوئية
يوجد ثلاثة أنواع من الألياف الضوئية يتم تصنيفها على أساس الوضع الذي ينتشر به الضوء، وهي:
- مؤشر خطوة الانتشار الفردي.
- مؤشر خطوة متعدد الانتشار.
- مؤشر متعدد الانتشار المتدرج.
