Andijon davlat universiteti fizika kafedrasi «amaliy optika»

O‘ZbeKISTON RESPUbLIKASI
OLIY VA O‘RTA MAXSUS TA’LIM VAZIRLIGI
ANDIJON DAVLAT UNIVERSITETI
FIZIKA KAFEDRASI


«AMALIY OPTIKA»
Bilim soxasi: 100000 - Fan
Ta’lim soxasi: 140000 - tabiiy fanlar
Ta’lim yo‘nalishi: 5140200 - Fizika

ANDIJON-2021
«Amaliy optika» fanidan o‘quv-uslubiy majmua Oliy va o’rta mahsus ta’lim vazirligining 2017 yil 24- yanvaridagi № 603 sonli buyrug’i bilan tasdiqlangan o’quv reja va fan dasturiga muvofiq ishlab chiqildi.

Tuzuvchilar:

Akbarov Sh.-ADU, “Fizika” kafedrasi o’qituvchisi
Taqrizchilar:
Ortiqov A. –ADU, “Fizika” kafedrasi dotsenti,fizika-matematika fanlari nomzodi;
Mamatoxunov Y.- ADU, “Fizika” kafedrasi katta o’qituvchisi
Ushbu O‘UM si Andijon davlat universiteti kengashining 2020 - yil 26 - avgustdagi 1 – son majlisida tafsiya etildi.
Mundarija
1-mavzu.Amaliy optika fanining rivojlanish tarixi va boshqa bo‘limlar bilan bog‘liqligi. Amaliy optika tadqiqotlarida faol qo‘llaniladigan optik xodisal........................................4
2-mavzu.Yorug‘likning qaytishi va sinishi. Frenel formulalari.Ularning amaliy optikada qo‘llanilishi.............................................................................................................10
3-mavzu.Yorug‘likning to‘la ichki qaytishi. uning amaliy optikada qo‘llanilishi..............................................................................................................12
4-mavzu.Amaliy optika fanining rivojlanishida fotometriyaning ahamiyati. Fotometriya asoslari.Asosiy fotometrik kattaliklar. Birliklar sistemasi. Spektral qurilmalarni klassifikatsiyasi. Asosiy xarakteristikalari. Optik sxemalari va ishlash tamoillari. Prizmali spektral qurilmalar…………………………………………......................................15
5-mavzu.Amaliy optikada dispersiya xodisasining axamiyati. Optikaviy spektr....17
6-mavzu. amaliy optika va korpuskulyar-to‘lqin dualizmi…………………….…..25
7-mavzu.Yorug‘lik to‘lqinlarining energiyasi, quvvati, impulsi, massasi va impuls momenti………………………………………………………………………………26
8- mavzu.Interferensiya .Ko‘p nurli interferensiya…………………………………32
9- mavzu.Ko‘p nurli interferometrning dispersiyasi va ajrata olish kuchi………….40
10- mavzu.Interferensiyaning fanda va texnikada qo‘llanishi. inter­ferometrlar…..44
11- mavzu.Yorug‘likning kaytishini interferensiya yordamida orttirish
va kamaytirish………………………………………………………………………..49
12- mavzu.Yorug‘likning yassi sirtlarda sinishi. Prizmalar………………………..50
13- mavzu.O‘zgarmas elektr maydonning yorug‘lik nurlanishi va tarqalishiga ta’siri………………………………………………………………………………...52
14- mavzu.Yorug‘likning xira muhitlarda tarqalishi.Yorug‘likning optikaviy jihatdan bir jinsli bo‘lmagan muhitlarda tarkalishi……………………………....................…55
15- mavzu.Yorug‘likning molekulyar sochilishi………………………………….57
16- mavzu.Sochilgan yorug‘lik intensivligining modda zichligiga bog‘liqligi…...61
17- mavzu.Yorug‘lik sochilishidagi kvant hodisalar……………………………...62
18- mavzu.Yorug‘likning yirik zarralarda sochilishi……………………………...68
19- mavzu.Optikaviy detektorlash va garmonikalar generatsiyasi……………….70
20- mavzu. Yorug‘likning o‘z-o‘zidan fokuslanishi ……………………………..72
21- mavzu. Yoruglikning majburiy sochilishi …………………………………….73
22- mavzu.Spektroskopik metodlar.Modda tuzilishini o‘rganishning akustik
metodi …………………………………………………………………………….75
LABORATORIYA ISHLARII.
1-laboratoriya ishi…………………………………………………………………81
2- laboratoriya ishi………………………………………………………………..84
3- laboratoriya ishi………………………………………………………………..88
4- laboratoriya ishi………………………………………………………………..91
5- laboratoriya ishi……………………………………………………………….101
6- laboratoriya ishi……………………………………………………………….103
Adabiyotlar………………………………………………………………………….106
ILOVA 1………………………………………………………………………….107
ILOVA 2………………………………………………………………………….110
ILOVA 3………………………………………………………………………….123
Glossariy………………………………………………………………………..133
1-mavzu.
Amaliy optika fanining rivojlanish tarixi va boshqa bo‘limlar bilan bog‘liqligi. Amaliy optika tadqiqotlarida faol qo‘llaniladigan optik xodisalar
Reja
1.Amaliy optika fanining rivojlanish tarixi
2 Amaliy optika fanining boshqa bo‘limlar bilan bog‘liqligi
3.Amaliy optika fan sifatida
4.Qadimgi Yunon va sharq allomalarining optika va amaliy optikaga qo‘shgan hissalari
5.Nyuton davrida optika va amaliy optikaning rivojlanishi.Uning yutuqlari va kamchilliklari
6.Gyuygens va Frenel ishlari.Yorug‘likning to‘lqin tabiati
7.Maksvell nazariyasi va amaliy optikaning rivojlanishi
8.Kvant nazariyasi va amaliy optikaning rivojlanishi


Tayanch so‘zlar va iboralar: Amaliy optika, Geometrik optika, yorug‘likning qaytishi, yorug‘likning sinishi, texnologik tizimlar, Tushish burchagi, sinish burchagi, sindirish ko‘rsatkichi, elastiklik, korpukula, to‘lqin, kvant, foton, energiya.

Amaliy optika fanining rivojlanish tarixi aslida,optika fanining yaratilishi bilan va aksincha, optikaning rivoji amaliy optika fanining taraqqiyoti bilan uzviy bog‘langandir. Amaliy optika fanining fizika fanining optikadan boshqa bo‘limlari bilan bog‘liqligi ham bugungi texnologiyalar va texnologik jarayonlarda, robotexnikada va taraqqiyotning deyarli barcha soxalarida namoyon bo‘lmoqda.

Amaliy optika tadqiqotlarida deyarli biz bugun biladigan barcha optik jarayonlar, xodisalar, qonunlar va tamoillar faol qo‘llanilib kelmoqda. Geometrik optika qonunlari, yorug‘likning qaytishi va sinishi kabi eng sodda jarayonlar va ularning qonunlaridan yorug‘likning sochilishi, yutulishi, qutblanishi kabi murakkab boshqa barcha jarayonlarni bilib olmasdan turib, amaliy optikani o‘rganib bo‘lmaydi.
Amaliy optika fan sifatida optik xodisalar, ularning qonunlari, prinsip(tamoil)lari va yutuqlaridan optik asbobsozlikda, maishiy xayotda, fanda,deyarli barcha zamonaviy texnologik jarayonlar va texnologik tizimlarda, ta’limda va boshqa minglab soxalarda foydalanish usullarini, yo‘llarini va qonun-qoidalarni o‘rganadi. Amaliy optika fani kashfiyotlari,yutuqlari va usullari qo‘llanilmaydigan biror zamonaviy texnologik jarayonni o‘zi yo‘qligi ham bu fanning axamiyatini ko‘rsatib turibdi.
Inson olam to‘g‘risidagi asosiy ma’lumotlarni ko‘rish sezgisi orqali oladi. Olam uni tashkil etgan mavjudotlar, jismlar yorug‘likni chiqargani yoki qaytarganliklari uchun ham ko‘zga ko‘rinadi. Aslida shu ko‘rish jarayonining o‘ziyoq amaliy optika elementi,obekti hisoblanadi. Yorug‘likning tabiati va tarqalishi bilan bog‘liq bo‘lgan dastlabki fikrlar juda qadimdan insoniyatni o‘ylantirib kelgan. Eramizdan oldingi 6-3 asrlarda yashagan faylasuflar Pifogor, Platon, Evklid va Aristotel asarlarida yorug‘lik,uning axamiyati,undan foydalanish va shu kabi amaliy jihatlar haqidagi mulohazalar uchraydi. Geometrik optikaning hozir biz yaxshi biladigan to‘rtta amaliy tadbiqlari-qonunlari:
1.Yorug‘likning to‘g‘ri chiziqli tarqalishi
2.Yorug‘lik dastalarining mustaqilligi
3.Yorug‘likning qaytishi
4.Yorug‘likning sinishi
Eramizdan oldingi 430 yil ilgari yashagan Platon maktabi vakillariga, 350 yil ilgari yashagan Evklidga ham ma’lum bo‘lgan edi. Bu haqidagi batafsil ma’lumotlarni optika tarixi kitoblaridan olishingiz mumkin.*
Amaliy optika taraqqiyotini,optika fani rivojidan ajratib bo‘lmaydi. Optika soxasidagi dastlabki izlanishlar,kuzatish va tajribalar aslida amaliy optikaning paydo bo‘lishi va rivojlanishi deb qaralsa maqsadga muvofiqroq bo‘lar edi. Amaliy optikani optikadan ajrilgan fan deb qaraladi.Aslida esa, Amaliy optikani optikadan ajratib bo‘lmaydi.Faqat yorug‘lik xodisalaridan foydalanishda Amaliy optikani optik asbobsozlik, optik tadqiqot metodlari, o‘qitish vositalari, meditsina diagnostikasi asboblari va metodlari va x.k.larning asoslari sifatida qarash mumkin. Optik tajriba, xodisa, asboblar, metodlarning barchasi ham aslida amaliy optikani o‘zidir. Shuning uchun amaliy optikani o‘rganish,optikani qayta o‘rganish,chuqurroq bilish va tadbiq qilish deb qaralsa maqsadga muvofiqroq bo‘lar edi.** Eramizdan oldingi 120 yilda yashagan Ptolomey esa sinish qonunini o‘rganib, yulduzlarning refraksiya jadvalini ham tuzgan edi. Pifagor va Demokrit (E.O. 460-370 y.y.) tomonidan ko‘rish jarayonini tushuntirib berish borasidagi dastlabki muloxazalar yorug‘likning zarracha nazariyasiga asos solgan bo‘lsa ajab emas. Pifagor «issiq nurlanish» nazariyasini ilgari surdi va jismlar o‘zlaridan mayda zarralarni chiqargani uchun ham ko‘rinadi degan xulosaga keldi. Demokrit esa bu zarrachalar (yorug‘lik)ni atomlar deb atadi. Lekin optika, amaliy optika va astranomiyaning tarixi insonning yaratilish tarixi bilan bog‘liq bo‘lib, juda qadimga borib taqaladi. Epigen fikriga ko‘ra osmon yoritqichlarini o‘rganish e.o.720 ming yilliklarga borib taqaladi.Gipparx esa bu jarayonlarni 270 ming yil ilgari sodir bo‘lganligini ta’kidlaydi. Diodor xisoblariga ko‘ra esa bu xodisalarni o‘rganilishi mesopotamiya ikki daryo oralig‘ida 173 ming yil ilgaridan ma’lum deb hisoblaydi.***
1000 yillarga kelib arab olimi Al Xotam (Al Gazen) yorug‘likning ikki muhit chegarasida tushish va sinish burchaklarining nisbati doimiy bo‘lishini va bu kattalik turli moddalar uchun turlicha bo‘lishini aniqladi. Keyinroq Snellius (1591-1626y) sinish qonunini ta’rifladi. 1630 yili esa R. Dekart tomonidan sinish qonuni yana «kashf» qilindi. Ayrim manbalarda Dekart Snellius ishlaridan behabar bo‘lgan degan ma’lumotlar keltirilgan.
________________________________________________
*)Gurikov V.A.Stanovleniye prikladnoy optiki.M.,FMN.2006
**)1.Ya.B.Muzыchenko i dr. Vizirnыye sistemы drevnosti. SPb GU ITMO. 2009.
***) Ya.B.Muzыchenko, S.V.Slobodyanyuk, S.K.Stafeyev, M.G.Tomilin Istoriya optiki.Chast 1. Vizirnыye sistemы drevnosti.Uchebnoye posobiye.Sankt-Peterburg.(SPb GU ITMO)2009.

1637 yili nashr qilingan «Dioptrika» asarida Dekart bu qonun ta’rifini va matematik ifodasini quyidagi ko‘rinishda beradi:

(1)
Bu yerda -tushish burchagi -sinish burchagi, n-ikkinchi muhitning nisbiy sindirish ko‘rsatkichidir.
Keyinroq Nyuton yorug‘likni zarrachalar oqimi deb qarab, o‘z nazariyasi (1675) asosida yorug‘likning sinish qonunini tushuntirib berdi. Lekin bu korpuskulyar nazariya asosida fikr yuritilsa, garchi sinish qonuni uchun to‘g‘ri (1) ko‘rinishdagi ifoda olinsada, sindirish koeffitsienti uchun tamoman noto‘g‘ri natijaga kelinadi.
Faraz qilaylik yorug‘lik zarrachasi havoda biror ₁ tezlik bilan harakat qilib, ikki muhit chegarasiga kelib tushsin va ikkinchi muhitga sinib o‘tsin. Yorug‘lik tezligini vertikal va gorizontal tashkil etuvchilarga ajrataylik. U holda yorug‘likning bu muhitdagi tezligining faqat vertikal tashkil etuvchisigina o‘zgaradi (1- rasmga qarang) _1­ tezlikni _1x, _1z va _2x, _2z tashkil etuvchilari mavjudligi 1-rasmdan ko‘rinib turibdi. Ma’lumki Nyuton nazariyasiga ko‘ra, yorug‘likning zarrachasi bilan ikkinchi muhit zarralari o‘zaro tortishishi tufayli, zarracha tezligi o‘zgaradi. Ta’sir kuchlari ikki muhit chegarasiga o‘tkazilgan normal bo‘ylab yo‘nalganligi uchun tezlikning faqat vertikal tashkil etuvchisigina o‘zgaradi va quyidagi shartlar bajariladi.
_1z _2z va _1x _2x (2)
Ikkinchi muhitning optik zichligi birinchisinikidan katta deb faraz qilsak; tezliklar uchun quyidagi shartlar: _2z>_1z o‘rinli bo‘ladi va bundan ₂>₁ kelib chiqadi.1-rasmdan esa quyidagi ifodalarni olish mumkin.
_1z ₁ Sin va _2z₂ Sin (3)

Ikkinchi tomondan _1x  _2x ekanini (2) xisobga olsak,(3) dan quyidagi ₁Sin ₂Sin tenglik hosil bo‘lib: bundan esa:

(4)
ifoda kelib chiqadi.

Bu ifodadan ko‘rinadiki n-sindirish ko‘rsatkichi uchun ushbu ifoda

(5)
to‘g‘ri bo‘lib, uning qiymati tushish burchagiga bog‘liq emas ekan. Chunki _1x va _2x tezliklar tarqalish yo‘nalishiga, bir jinsli muhitlar bo‘lganligi uchun bog‘liq bo‘lmaydi. Lekin yorug‘lik rangiga bog‘liq bo‘ladi.
Bu nazariya asosida yuritilgan mulohazalar va (4) ifodadan yorug‘likning optik zichligi katta bo‘lgan muhitdagi tezligidan, optik zichligi kichik bo‘lgan kelib chiqadi yoki aksincha, yorug‘lik optik zichroq muhitda tezroq tarqaladi degan xulosa kelib chiqadi. Masalan, havo-suv o‘tishi (sinishi) uchun n1,33 ga teng va ₂1,33₁ ekanini olamiz.
Yorug‘lik tezligini tajribada o‘lchashlar esa, optik zichligi havodan katta bo‘lgan muhitlarda yorug‘lik tezligi, havodagidan kichik ekanligini ko‘rsatdi. Nyuton tomonidan sindirish ko‘rsatkichiga berilgan tushuncha noto‘g‘ri ekanligi aniqlandi.*
Nyuton davrida, Reomer tomonidan 1676 yili astoronom usulda yorug‘likning fazoda tarqalish tezligi aniqlandi va uning qiymati 300000kmc bo‘lib, bunday tezlik bilan harakatlanayotgan zarrachalarni tasavvur qilish u zamonda mumkin emas edi. Shuning uchun ham korpuskulyar nazariya o‘ziga xos krizisga uchradi. 1678 yili esa Gyuygens «Yorug‘lik to‘g‘risida traktat» nomli asarni yozdi va unda «Yorug‘lik xuddi suv yuziga tosh tashlaganda tarqalayotgan to‘lqinlar singari tarqaladi» degan fikrni aytadi. Bu bilan yorug‘likning to‘lqin nazariyasi paydo bo‘ldi. Yorug‘likning to‘lqin tabiatini namoyon qiladigan xodisalarni ko‘p o‘rganishiga qaramasdan Nyuton bu fikrni ayta olmagan edi. Lekin Gyuygens ham o‘z ishlarida to‘lqin uzunligi tushunchasidan foydalanmadi. Nyutonning obro‘si esa to‘lqin tasavvurlarining rivojlanishiga ancha vaqt to‘sqinlik qilib keldi. Gyuygens yorug‘lik efirda tarqaluvchi elastik impulslar deb qaradi. Gyuygensning buyuk kashfiyotlari dan biri uning nomi bilan ataladigan prinsipdir.** Bu prinsipga ko‘ra: yorug‘lik to‘lqini yetib borgan har bir nuqta o‘z navbatida ikkilamchi to‘lqinlar markazi bo‘ladi, biror paytda bu ikkilamchi to‘lqinlarni o‘rovchi sirt haqiqatda tarqalayotgan to‘lqinning shu paytda egallab turgan vaziyatini ko‘rsatadi.
Bu prinsip asosida Gyuygens sinish qonunini to‘g‘ri izohlab berdi. 0^I 0^II sirtga yassi to‘lqin fronti 2-rasmdagidek kelib tushayotgan bo‘lsin.
___________________________________________________________________
*) Randall D. Knight “Physics for scientists and engineers.” Addision Wesley, 2004.
**) Devid Hallidey,Robert Reznik,Jearl Walker ”Fundamentals of Physics.”John Wesley & Sons,Inc.New York Cichester Brisdane Toronto Singapore.2004

B
0¹ f₁ 0¹¹

Tushish burchagini  va sinish burchagini  bilan belgilaylik. Vaqtning dastlabki payti t0 da to‘lqin fronti 0 nuqtaga yetib kelsin. To‘lqin frontining A nuqtasi esa sirtga V nuqtada yetib kelguncha t vaqt o‘tadi. Shu vaqt davomida 0 markaziy nuqtadan chiqqan ikkilamchi to‘lqin 0f masofaga borib yotadi. Xuddi shu kabi 0, 0₁, 0₂, ... nuqtalardan chiqqan ikkilamchi to‘lqinlar ham f, f₁, f₂, ... nuqtalarga yetib boradi va bu to‘lqinlar fronti urunmasi fB singan to‘lqin frontini hosil qiladi. U holda 2- rasmdan

ni olamiz. Bu yerga mos qiymatlar: A`B₁ t va Of₂t larni to‘lqin quyidagilarni olamiz:

(6)
Bu mulohazalarni to‘g‘ri ekanligini 1850 yili Fuko Janverman Leon tomonidan yorug‘lik tezligini o‘lchash borasidagi ishlari (tajriba) da isbotlandi.
Gyuygens prinsipi geometrik yasash usulidir. Bu prinsip asosida qaytish qonuni ham osongina tushuntirish mumkin. To‘lqin nazariyasi 18 asrda rivoj topa olmadi. Bunga birinchidan Nyuton obro‘si ancha to‘sqinlik qildi. To‘lqin nazariyasi Shvetsariyalik fizik olim Leonard Eylerning 1746-1752 yillar davomida olib borgan ishlarida yanada rivojlantirildi. 1746 yili «Yorug‘lik va ranglarning yangi nazariyasi» nomli asarida to‘lqin nazariyasi asosida ko‘plab yorug‘lik xodisalarni izohlab berdi. M.V. Lomonosov o‘z ishlarida bu nazariyani ma’qulladi. «Yorug‘likning kelib chiqishi to‘g‘risidagi u qissa ranglar haqidagi yangi nazariyadir» (1756) nomli asari buning yaqqol dalilidir. Bu olimlarning fikricha yorug‘lik efirning to‘lqinsimon tebranishlaridir.
IX-asr boshlaridan Yung va Frenel ishlari bu nazariyani yanada mustahkamladi. 1801-yili Yung qaytgan yorug‘likda kuzatiladigan yupqa plastinkalar rangini qanoatlanarli ravishda to‘g‘ri izohlab berdi. Yorug‘lik to‘lqinlarida qutblanish hodisasini o‘rganish Yung va Frenelni bu to‘lqinlar ko‘ndalang to‘lqinlar bo‘lishi kerak degan xulosaga olib keladi. Chunki to‘lqinlarning elastik muhitda tarqalish tezligi
(6)
bo‘lib, bu yerda p-muhit zichligi va N-siljish moduli. Bu ifodaga ko‘ra N juda katta bo‘lishi kerak degan xulosa kelib chiqadi.*
7.Keyinroq Faradey optik xodisalar magnit xodisalarini keltirib chiqarishini isbotladi. Faradey 1846 yili qutblanish tekisligining magnit maydonida burilishi xodisasini kashf etdi. Veber va Kolraush esa 1856 yili tok kuchining elektromagnit birligining elektrostatik birligiga nisbati 310⁸ ms ekanligini aniqladilar. 1888 yli gers va Maksvell (1865) o‘z tadqiqotlarida yorug‘likning elektromagnit to‘lqinlar ekanligini isbotladilar Maksvell nazariyasidan tezliklar nisbati uchun:
(7)

ifoda kelib chiqadi, bu yerda c-yorug‘likning vakuumdagi tezligi, -yorug‘likning muhitdagi tezligi, -muhitning dielektrik singdiruvchanligi, -magnit singdiruvchanlik

(8)
bo‘lganligidan
(9)
ifoda kelib chiqadi. Ko‘pchilik moddalar uchun 1 ga teng bo‘lib
(10)
hosil bo‘ladi. (9) ifoda chindan ham muhitning optik, magnit va elektr xossalari bir-birlariga bog‘liq ekanligini tasdiqlaydi.
8.Optikaning keyingi revolyutsion taraqqiyoti 1900-yildan Plankning kvant nazariyasi va Eynshteyn tomonidan «Harakatdagi jismlar elektrodinamikasi» ning yaratilishi bilan yuz berdi. Maykelson va Fizo tajribalari yorug‘likning tezligini aniqlash imkonini beradi. Keyinroq optik kvant generatorlarining kashf qilinishi nochiziqli jarayonlar optikasining va amaliy optikaning rivojiga katta xissa qo‘shdi.
Dastlabki optik asboblarning yaratilishi va takomillashtirilishida geometrik optika soxasidagi fundamental bilimlar muhim axamiyat kasb etdi.Geometrik optika qonunlari va tushunchalari bugungi kunda ham amaliy optikaning asosi bo‘lib qolmoqda.Shuning uchun ham amaliy optikani o‘rganishda geometrik optikaning barcha qonunlari,tamoillari va tushunchalarini yanada chuqurroq o‘rganishga to‘g‘ri keladi.
__________________________________________________________________________
*)A.B.Arons. Cognitive level of college physics students.// Am.J.Phys.47.650- 651(1979)

2-mavzu. YoRUG‘LIKNING QAYTIShI VA SINIShI. FRENEL FORMULALARI.ULARNING AMALIY OPTIKADA QO‘LLANILIShI

Reja
1. vektorni tushish tekisligida va unga perpendikulyar tekisliklardagi ikki tashkil etuvchilar
2.Chyegaraviy shartlar
3.Frenel formulalari