Оптика

• См. также Оптика (версия Миг)

Важнейшие понятия оптики: отражение, преломление, рассеяние и дисперсия света (ход лучей света на примере призмы).

Таблица «Оптика» из энциклопедии 1728 г.

О́птика (от др.-греч. ὀπτική появление, взгляд) — раздел физики, рассматривающий явления, связанные с поведение и свойствами электромагнитного излучения, прежде всего света, и взаимодействие света с различными средами (веществом).

В оптике рассматривается распространение электромагнитных волн, преимущественно видимого и близких к нему широких областей спектра - инфракрасного и ультрафиолетового диапазонов.

Оптические методы исследований (микроскопия, фотография), и различные оптические приборы широко используются во многих прикладных дисциплинах, включая электротехнику, физику, медицину (в частности, офтальмологию). В этих, а также в междисциплинарных сферах широко применяются достижения прикладной оптики.

Вместе с точной механикой оптика является основой оптико-механической промышленности (см. Точная механика и оптика).

Электромагнитный спектр принято делить на радиоволны, инфракрасное, видимое, ультрафиолетовое, рентгеновское и гамма-излучения. Эти участки спектра различаются не по своей природе, а по способу генерации и приёма излучения. Поэтому между ними нет резких переходов, сами участки перекрываются, а границы между ними условны.

Волновые и квантовые закономерности являются общими для всего спектра электромагнитного излучения. Только, в зависимости от длины волны, на первый план выступают разные явления, разные методы исследования и разные практические применения. Поэтому на оптику нельзя смотреть как на замкнутую дисциплину, изучающую только видимую область спектра, отделенную от других областей чёткими границами. Закономерности и результаты, найденные в этих других областях, могут оказаться применимыми в видимой области спектра и наоборот.

Аналогичные явления встречаются в рентгеновском излучении, СВЧ-диапазоне, радиоволнах и в виде других форм электромагнитного излучения. Оптика может, таким образом, быть расценена как исследования электромагнетизма. В некоторых оптических явлениях более сильно заметна квантовая природа света, что связывает некоторые области оптики с квантовой механикой. Практически, большинство оптических явлений могут рассматриваться, как электромагнитные колебания, описанные Уравнениями Максвелла.

Из-за широкого использования науки о свете в жизни реального мира, области оптической науки и оптических разработок часто очень междисциплинарны. Оптическая наука связывает многие дисциплины, включая электротехнику, физику, психологию, медицину и другие. Полное описание оптических явлений обычно очень сложно, и для большинства проблем используются специфические упрощенные модели. Эти ограниченные модели соответственно описывают подмножества оптических явлений, игнорируя поведение, несоответствующее и/или не обнаруживаемое в рассматриваемой области интереса науки и техники.

Природа света

История

Фрагмент рукописи «Оптики» Ньютона с описанием одного из экспериментов с призмой.

Исторически на опытах с призмой было начато исследование первых спектров — оптических. Первым был Исаак Ньютон, который в своем труде «Оптика», вышедшем в 1704 г. опубликовал результаты своих опытов разложения с помощью призмы дневного солнечного света в непрерывный спектр различной цветности. Исаак Ньютон получил спектр солнечного излучения, и объяснил его природу, показав, что цвет есть собственное свойство света, а не вносимое призмой, как утверждал Роджер Бэкон в XIII столетии.

Корпускулярно-волновой дуализм

Оптика оказалась одним из первых разделов физики, где проявилась ограниченность классических представлений о природе. Была установлена двойственная природа света:

• Корпускулярная теория света, берущая начало от Ньютона, рассматривает его как поток частиц — квантов света или фотонов. В соответствие с идеей Планка любое излучение происходит дискретно, причём минимальная порция энергии (энергия фотона) имеет величину $\varepsilon = h\nu$ , где частота $\nu$ соответствует частоте излучённого свтеа, а $~h$ есть постоянная Планка. Использование представлений о свете, как потоке частиц, объясняет явление фотоэффекта и закономерности теории излучения.
• Волновая теория света, берущая начало от Гюйгенса, рассматривает свет как совокупность, поперечных монохроматических электромагнитных волн, а наблюдаемые оптические эффекты как результат сложения (интерференции) этих волн. При этом считается, что в отсутствие перехода энергии излучения в другие виды энергии, эти волны не влияют друг на друга в том смысле, что, вызвавшая в некоторой области пространства интерференционные явления, волна продолжает распространяться дальше без изменения своих характеристик. Волновая теория электромагнитного излучения нашла своё теоретическое описание в работах Максвелла в форме уравнений Максвелла. Использование предтавления о свете, как волне, позволяет объяснить явления, связанные с интерференцией и дифракцией, в том числе структуру светового поля (построение изображений и голографию).

Скорость света

Универсальным в физике понятием является скорость света $~c$. Её значение в вакууме представляет собой не только предельную скорость распространения электромагнитных колебаний любой частоты, но и вообще предельную скорость распространения любого воздействия на материальные объекты. При распространении света в различных средах скорость света $~v$ уменьшается: $~v = c/n$, где $~n$ есть показатель преломления среды, характеризующий её оптические свойства и зависящий от частоты света: $~n = n(\nu)$

Разделы оптики

• Геометрическая оптика
• Волновая оптика или (Физическая оптика)
• Фироде
• Лазер
• Физика лазеров (когерентная оптика)
  • Рентгеновский лазер
• Квантовая оптика
  • Рентгеновская оптика преломления
• Градиентная оптика
• Волоконная оптика

Классическая оптика

Прежде как квантовая оптика выделилась в физике, оптика состояла главным образом из классического электромагнетизма и высокочастотного приближения, освещающих в то время стоящие проблемы. Классическая оптика делится на две главные ветви: геометрическая оптика и физическая оптика.

Геометрическая оптика

Геометрической оптикой или лучевой называется предельный случай волновой оптики, когда λ → 0, (где λ — длина волны). Геометрическая оптика описывает распространение света в виде луча. Работы Гюйгенса «Волновая теория света», которые были написаны под влиянием фундаментальных работ Ньютона, и вошли потом в «Оптику» оказали большое влияние на современников. Действительно, будучи приверженцем теории цветов Гука, он после работ Ньютона, восхищаясь их экспериментальной стороной, но не разделяя его теоретической интерпретации, пришел к выводу, что «явление окрашивания остается еще весьма таинственным из-за трудности объяснения этого разнообразия цветов с помощью какого-либо физического механизма». Поэтому он счёл наиболее целесообразным вообще не рассматривать вопроса о цветах в своем трактате. В своем небольшом трактате он первым рассмотрел прямолинейное распространение света, во второй части — отражение, в третьей — преломление, в четвертой — атмосферную рефракцию, в пятой — двойное лучепреломление и в шестой — формы линз.

Неудовлетворительное объяснение прямолинейного распространения света Гюйгенс возместил блестящим объяснением с помощью своего механизма частичного отражения, преломления и полного внутреннего отражения — явлений, интерпретация которых вынудила Ньютона осложнять свою теорию, нагромождая одну теорию на другую. По существу эти объяснения Гюйгенса и сейчас приводятся во всех учебниках. Новая теория обладала также тем преимуществом, что для объяснения преломления она согласно здравому смыслу требовала меньшей скорости в более плотной среде.

Время, за которое свет, пущенный с Земли, достигает Луны.

Световой луч в геометрической оптике — абстрактный объект (цель), который является перпендикулярным фронтом импульса фактических оптических волн. Геометрическая оптика принимает правила, которые обеспечивают возможность получить и размножить эти лучи через оптическую систему, дающая размножение фактического фронта импульса. Приняв это мы существенно упрощаем задачу оптики, но не в состоянии объяснить много важных оптических эффектов, типа дифракция и поляризация.

Геометрическая оптика часто упрощается, приняв параксиальное приближение, или «маленькое угловое приближение». Математическое поведение тогда становится линейным, позволяя оптические компоненты и системы излагаться простыми матрицами. Это приводит к методам Гауссовской оптики и параксиальному приближению, которые используются для нахождения свойства первого порядка оптических систем, типа приблизительного изображения (образа) и положений(позиций) объекта (цели) или его акцентирования.

Гауссовское распространение луча — расширение параксиальной оптики обеспечивает более точную модель последовательной(связаной) радиации как лазер лучей. Используя параксиальное приближение, это частично составляет(объясняет) дифракцию, позволяя произвести точные вычисления нормы(разряда), по которой лазерный луч расширяется с расстоянием, и определения минимального размера, который может принять сосредоточенный луч. Гауссовское распространение луча таким образом соединяет промежуток между геометрической и физической оптикой.

Физическая оптика

Трёхгранная призма раcщепляет белый свет, лучи с разной длиной волны преломляются по-разному

Единичная параболическая линза преломления Х-лучей

Физическая, или волновая оптика основывается на принципе Гюйгенса и моделирует распространение сложных фронтов импульса через оптические системы, включая и амплитуду и фазу волны. Эта техника обычно применяется в цифровой форме на компьютере и может объяснять дифракцию, интерференцию, эффекты поляризации, так же как аберрацию, природу преломления Х-лучей и природу других сложных эффектов. Приближения все еще используются, однако, таким образом это не полная электромагнитная модель теории волны распространения света. Для полной модели (в настоящее время) требуется в вычислительном отношении решить много проблем. Хотя некоторые небольшие проблемы с использованием известных полных моделей волны могут решаться.

Темы, связанные с классической оптикой

• Аберрация
• Когерентность
• Дифракция
• Дисперсия света
• Искажение (оптика)
• Принцип Ферма
• Оптика фурье
• Градиентная оптика
• Поляризация волн
• Световой луч
• Трассировка лучей
• Отражение (физика)
• Преломление
• Рассеивание
• Волна
• Геометрическая оптика
  • Линза
  • Зеркало
  • Оптические устройства
  • Призма (оптика)

Современная оптика

Основные закономерности оптики

‎Электромагнитный спектр принято делить на радиоволны, инфракрасное, видимое, ультрафиолетовое, рентгеновское и гамма-излучения. Эти участки спектра различаются не по своей природе, а по способу генерации и приёма излучения. Поэтому между ними нет резких переходов, сами участки перекрываются, а границы между ними условны.

Волновые и квантовые закономерности являются общими для всего спектра электромагнитного излучения. В зависимости от длины волны, на первый план выступают разные явления, разные методы исследования и разные практические применения. Поэтому на оптику нельзя смотреть как на замкнутую дисциплину, изучающую только видимую область спектра, отделенную от других областей чёткими границами. Закономерности и результаты, найденные в этих других областях, могут оказаться применимыми в видимой области спектра и наоборот.

Современная оптика охватывает области оптической науки и разработок, которые стали популярными в 20-ом столетии. Эти области оптической науки в основном касаются электромагнитных или квантовых свойств света, но на самом деле включают другие области.

Нелинейная оптика

Этот раздел физической оптики охватывает процессы распространения мощных световых пучков в различных средах (твёрдых телах, жидкостях, газах) в условиях сильного их взаимодействия с веществом. Термин был введен в физику С. И. Вавиловым, но эффекты нелинейной оптики стали особенно заметны после начала использования таких сверхмощных источников электромагнитного излучения, как лазеры, с мощностью до 10⁹—10¹⁰ Вт. В сильных световых полях существенно изменяется характер уже известных оптических явлений возникают новые оптические эффекты (самофокусировка, самопросветление и др.). Общая черта всех этих явлений — зависимость характера их протекания от интенсивности света, что приводит к нелинейным эффектам. Световые поля высоких интенсивностей меняют на своём пути оптические характеристики среды (показатель преломления n, коэффициент поглощения), что приводит, в частности, к нарушениям традиционной, «линейной» и геометрической оптики. Оптические характеристики среды становятся функциями напряжённости электрического поля (Е) световой волны, например, поляризация среды нелинейно зависит от напряжённости поля.

Рентгеновская оптика преломления

Линза из кремния для преломления Х-лучей

Единичная параболическая линза

Рентгеновская оптика преломления  — оптика, отличаются новыми свойствами и характкристиками, обеспечивающая преломление и фокусировку Х-лучей аналогично тонким линзам на базе преломляющих линз, фокусирующих оптических элементов, на базе киноформных преломляющих профилей и оптических элементов призм, полученных из кремния.

Нанооптика

Наносреда из электромагнитно-двойных пар золотых точек

В наносозданной среде получен эффект взамодействия электромагнитных волн с сильным магнитным ответом в зоне видимого спектра электромагнитных волн («видимых-легких частот»), включая полосу с отрицательным магнетизмом. Среда сделана из электромагнитночувствительных двойных пар золотых точек с геометрией и симметрией, тщательно разработанной на нанометрическом уровне. Возникающий магнитный ответ величиной 600—700 ТГц (10¹² Гц) получается благодаря возбуждению антисимметричного плазменного резонанса. Высокочастотная проходимость проявляет себя качественно с новым эффектом оптического взаимодействия в данных наносредах. Это впервые показывает возможность применения электромагнетизма в зоне видимых частот и прокладывает путь в видимой оптике для получения оптических систем с лучшими показателями преломления, прозрачности к определённым лучам света.

Физиологическая оптика

Глаз человека

Физиологическая оптика — наука о зрительном восприятии света глазами. Она объединяет сведения по биофизике, биохимии, биотехнологиям, психологии зрительного восприятия и др. В настоящее время выдающиеся достижения в области офтальматологии связаны с достижениями в биотехнологиях привело, например, в области создания фотосенсоров с матрицей на базе органических соединений, способных вживаться в атрофированную сетчатку глаза слепых и возвращать им зрение (См. Бионический глаз).

У истоков развития науки об оптике было Зрительное восприятие, зрение, строение глаза. Само название (от др.-греч. ὀπτική — в переводе оптика) определила область в физике под названием Оптика. Линза (биологическая)— не что иное как хрусталик глаза, сетчатка же глаза — основа появления светочувствительных фотоматериалов, глаз — это биологисеский фотоаппарат. Откуда направление в физике —Оптика закономерно изучает взаимодействие спектра видимых и примыкающих к ним электромагнитных лучей со средой и веществом.

Волоконная оптика

Световод

Волоконная оптика — раздел оптики, который изучает физические явления, возникающие и протекающие в оптических волокнах, включая продукцию отраслей точного машиностроения на основе оптических волокон.

Волоконная оптика — сочетание прикладной науки и производства, востребованные проектом на основе применения оптических волокон.

Темы, связанные с современной оптикой

Адаптивная оптика Лазер Фотометрия Рентгеновская оптика преломления Рентгеновское зеркало Отражение рентгеновских лучей‎ Бионическое зрение Дифракция Волновод Голография Квантовая оптика

Фотоника Радиометрия Статистическая оптика Утомлённый свет Оптика тонких плёнок Микрооптика Неотображение оптики Нелинейная оптика Оптические методы моделирования Оптическое распознавание образов Оптический компьютер Оптический Вихрь Круговой дихроизм Кристаллическая оптика Интегральная оптика Исчисление Джонса

См. также

• ТП:Оптика, свет и цвет

• List of optical topics
• Important publications in optics
• Поляризация
• Стекло
• Оптическое стекло
• Оптическая система
• Оптические устройства
• Оптические материалы
• Оптическое общество Америки OSA
• Общество оптики и фотоники SPIE
• Объектив

Внешние ссылки

• Раздел по оптике на сайте "Вся Физика".
• Свет. Природа. Теории
• Научные публикации по оптике

Дополнительно

• Principles of Optics (7th ed.). — Pergamon Press, 1999.^{о книге}
• Optics (4th ed.). — Pearson Education, 2001. — ISBN 0805385665^{о книге}
• Physics for Scientists and Engineers (6th ed.). — Brooks/Cole, 2004. — ISBN 0534408427^{о книге}
• Physics for Scientists and Engineers: Electricity, Magnetism, Light, and Elementary Modern Physics (5th ed.). — W. H. Freeman, 2004. — ISBN 0716708108^{о книге}
• Optical Physics (3rd ed.). — Cambridge University Press, 1995. — ISBN 0521436311^{о книге}
• Introduction to Modern Optics. — Dover Publications, 1989. — ISBN 0-486-65957-7^{о книге}

На английском

Textbooks and tutorials

• Optics – an open-source optics textbook
• Optics2001 – Optics library and community
• Fundamental Optics - CVI Melles Griot Technical Guide

Викиучебник

отдельные модули на английском языке

Physics Study Guide/Optics

Optics

Общества

SPIE – link Optical Society of America – link European Optical Society – link

European Photonics Industry Consortium – link Optical Society of India – link Dutch Photonics Society – link