Таблица «Оптика» из Циклопедии 1728 г.

О́птика (от др.-греч. ὀπτικήоптика, наука о зрительных восприятиях) — раздел физики, рассматривающий явления, связанные с распространением электромагнитных волн видимого, инфракрасного и ультрафиолетового диапазонов спектра. Оптика описывает свойства света и объясняет связанные с ним явления. Методы оптики используются во многих прикладных дисциплинах, включая электротехнику, физику, медицину (в частности, офтальмологию и рентгенологию). В этих, а также в междисциплинарных сферах широко применяются достижения прикладной оптики[1].

Важнейшие понятия оптики: преломление и отражение света (ход лучей света на примере призмы)

Вместе с точной механикой оптика является основой оптико-механической промышленности.

Природа света

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

  • Волновая теория света, берущая начало от Гюйгенса («Трактат о свете» — фр. Traité de la lumière; 1690), 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 представления о свете, как о волне, позволяет объяснить явления, связанные с интерференцией и дифракцией, в том числе структуру светового поля (построение изображений и голографию).
  • Корпускулярная теория света[en], берущая начало от Ньютона («Оптика» — англ. Opticks; 1704), рассматривает свет как поток частиц — квантов света или фотонов. В соответствии с идеей Планка любое излучение происходит дискретно, причём минимальная порция энергии (энергия фотона) имеет величину , где частота соответствует частоте излучённого света, а

    Длина световой волны зависит от скорости распространения волны в среде и связана с нею и частотой соотношением:

    где показатель преломления среды. В общем случае показатель преломления среды является функцией длины волны: . Зависимость показателя преломления от длины волны проявляется в виде явления дисперсии света.

    Характеристиками света являются:

    • спектральный состав, определяемый диапазоном длин волн света.
    • обширный класс фотометрических величин, среди которых по широте использования выделяются энергетические и световые фотометрические величины.
    • поляризация, определяемая изменением пространственной ориентации электрического вектора по мере распространения волны в пространстве.
    • направление распространения

      Универсальным понятием в физике является скорость света . Её значение в вакууме представляет собой не только предельную скорость распространения электромагнитных колебаний любой частоты, но и вообще предельную скорость распространения информации или любого воздействия на материальные объекты. При распространении света в различных средах фазовая скорость света обычно уменьшается: , где есть показатель преломления среды, характеризующий её оптические свойства и зависящий от частоты света: . В области аномальной дисперсии света показатель преломления может быть и меньше единицы, а фазовая скорость света больше . Последнее утверждение не входит в противоречие с теорией относительности, поскольку передача информации с помощью света происходит не с фазовой, а, как правило, с групповой скоростью.

    Оптика других диапазонов

    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, отделённую 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 распространении рентгеновского излучения и радиоволн, в микроволновых печах и т. п. Оптика, таким образом, может рассматриваться как раздел электромагнетизма. Некоторые оптические явления зависят от квантовой природы света, что связывает некоторые области оптики с квантовой механикой. Практически, огромное большинство оптических явлений могут рассматриваться, как электромагнитные колебания, описанные Уравнениями Максвелла.

    Разделы оптики

    • Классическая оптика
    • Зрительное восприятие
    • Лазеры
    • Нелинейная оптика
    • Квантовая оптика
    • До появления квантовой оптики оптика в целом основывалась на классическом электромагнетизме. Классическая оптика делится на две главные ветви: геометрическая оптика и физическая оптика.

      Геометрическая оптика

      Геометрическая оптика (оптика луча) не занимается рассмотрением вопроса о природе света, а основывается лишь на эмпирических законах его распространения. Центральное понятие геометрической оптики, с помощью которого описывается распространение света, — световой луч, представляющий собой линию, вдоль которой переносится энергия света. В однородной оптической среде световые лучи представляют собой прямые линии.

      Геометрическая оптика позволила успешно объяснить многие явления, наблюдающиеся при прохождении света в различных средах. К таким явлениям относятся, например, искривление лучей в земной атмосфере, образование радуг и миражей. Геометрическая оптика позволяет изучать и определять закономерности и правила построения изображений. Её методы широко используются при расчётах и конструировании разнообразных оптических приборов.

      Вместе с тем в приближении геометрической оптики невозможно объяснить происхождение многих важных оптических эффектов, таких, например, как дифракция, интерференция и поляризация света.

      Параксиальное приближение

      Следующее упрощение в геометрической оптике — параксиальное приближение, или «приближение малых углов». Математически поведение луча становится линейным, позволяя представить оптические компоненты простыми матрицами. Применение методов Гауссовской оптики позволяет найти свойства первого порядка оптических систем.

      Гауссовское распространение луча — расширение параксиальной оптики, описывающее более точную модель поведения лучей. Используя параксиальное приближение и явление дифракции, данный набор методов описывает расширение светового пучка с расстоянием и минимальный размер светового пятна, в которое может быть сосредоточен световой пучок. Тем самым эта модель является промежуточной между геометрической и физической оптикой.

      История

      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, пришёл к выводу, что «явление окрашивания остаётся ещё 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 своём трактате.

      В своем небольшом трактате первым он рассмотрел прямолинейное распространение света, во второй части — отражение, в третьей — преломление, в четвёртой — 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 усложнять 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 в соответствии со здравым смыслом требовала меньшей скорости в более плотной среде.

      Физическая оптика

      Наглядное изображение дисперсии света в призме

      Физическая оптика или оптика волны основывается на принципе Гюйгенса и моделирует распространение сложных фронтов импульса через оптические системы, включая и амплитуду и фазу волны. Этот раздел оптики объясняет дифракцию, интерференцию, эффекты поляризации, аберрацию и природу других сложных эффектов.

      В этом разделе оптики также используются приближения, а не полная электромагнитная модель распространения света. Однако в простых случаях, а по мере роста доступных вычислительных мощностей и в более сложных, становится возможным полный расчёт по точной теории.

    Современная оптика

    Современная оптика охватывает области оптической науки и разработок, которые стали популярными в XX столетии. Эти области оптической науки в основном касаются электромагнитных или квантовых свойств света, но включают и другие области.

    Физиологическая оптика

    Физиологическая оптика — междисциплинарная наука о зрительном восприятии света. Она объединяет сведения по биофизике, биохимии и психологии зрительного восприятия.

    Рентгеновская оптика

    Рентгеновская оптика — отрасль прикладной оптики, изучающая процессы распространения рентгеновских лучей в средах, а также разрабатывающая элементы для рентгеновских приборов. Рентгеновская оптика в отличие от обычной рассматривает электромагнитные волны в диапазоне длин волн рентгеновского 10−4 до 100 Å (от 10−14 до 10−8 м) и гамма-излучений < 10−4 Å.

    Темы, связанные с современной оптикой