Оптика

Литература

История происхождения слова оптика

В третьем веке до нашей эры древнегреческий ученый Евклид формулирует законы распространения света в трактате «Оптика». По сути, это событие можно считать зарождением геометрической (или линейной) оптики. После появления попытки систематизации знаний о свойствах света прошли многие века прежде чем набор теорий и законов оформился в науку.

Нерешаемым вопросом долгое время оставалась природа происхождения цвета. Высказывались мнения о том, что цвет — это смесь света и тьмы в разных пропорциях (Аристотель), а также версия о разной скорости вращения световых частиц (Декарт).

Настоящим прорывом стали открытия 17 века в сфере волновой оптики. Но стройкой версии о том, что такое оптика, объясняющей существование дифракции, интерференции и других свойств света, не существовало. Господство корпускулярной теории происхождения света пошатнул Ньютон. Он прекрасно осознавал плюсы и минусы как корпускулярной, так и волновой теорий.

Поэтому в его трактате «Оптика» детально прописана математическая модель корпускулярно-волновой теории света. Основные понятия оптики (волновой или физической) построены на ньютоновских моделях. Описание распространения световых волн содержит принцип Гюйгенса-Френеля, который и стал основанием для развития физической теории.

Только в начале 19 века Классическая оптика обрела свои черты, узнаваемые современниками, и предстала как наука.

Оптика

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.

Виды освещения

Сегодня появляются все новые виды лампочек в фары с улучшенными характеристиками

Водитель имеет возможность приобрести любую оптику, но важно знать как она работает и подойдет ли она к автомобилю

Галогеновые фары

Сейчас большое распространение получили ксеноновые фары, однако несмотря на это галогенная оптика остается одной из самых часто приобретаемых.

Оптика

Это обосновывается тем, что себестоимость галогенных ламп намного ниже, чем у ксеноновых. К тому же они достаточно эффективны, если это не автомобиль класса люкс.

Также для подобного типа освещения не требуется дополнительного оборудования, с помощью которого преобразуется ток.

Светодиодные лампы

Эксперты прогнозируют, что в скором времени почти все автомобили перейдут на подобный вид освещения. Его уже активно используют в качестве габаритного света, ведь таким образом снижается потребление топлива, а значит приводит к экономии средств.

Оптика

Целью многих компаний стало именно повышение экономичности любыми способами. По этой причине внедрение светодиодов стало актуальным на сегодняшний день. При этом такие лампы моментально выдают максимально яркий свет, т.к. им не нужно время для накаливания.

Главный недостаток такой продукции – высокая стоимость производства. Однако вскоре ее обещают сравнять с себестоимостью галогенового освещения.

Самые популярные компании активно инвестируют в подобные разработки, выпуская марки автомобилей с различными вариантами использования данной технологии.

Светодиодные матрицы

Такая оптика имеет ряд преимуществ перед обычными светодиодными лампами.

Самое главное их преимущество — они имеют возможность освещать встречную полосу, но не ослепляют других водителей.

Такие матрицы состоят из множества светодиодных ламп, создавая подобие экранных пикселей. Таким образом, они обладают высокими характеристиками и отменным качеством.

ОптикаПередняя оптикаОптикаЗадняя оптика

Освещение оснащено умным управлением, позволяя освещать все вокруг, но не ослеплять пешеходов или водителей. Однако такая оптика почти не используется в настоящее время, т.к. ее производство слишком затратное.

Лазерные фары

Лучшее нововведение в современной автомобильной оптике. Активно начало использоваться на гиперкарах BMW.

Оптика

Технология оснащена сложными конструкциями, с помощью которых происходит преобразование света в одним сплошной пучок, проецирующийся на дорогу в довольно широком спектре. Его дальность также поражает, ведь составляет более чем 500 метров.

Оптика

Помимо этого, они обладают невероятной яркостью, которая примерно в 10 раз превышает яркость всех вышеуказанных видов фар.

В настоящее время для создания такой оптики требуется три светодиодных лазера, однако сообщают, что вскоре будет представлена продукция всего с 1 лазером, а значит сократится ее себестоимость.

Также читайте что такое биксеноновые фары.

Значение термина

Термин греческого происхождения (ὀπτική — учение о зрительных восприятиях) в современной жизни имеет несколько толкований: раздел такой науки как физика и, часто употребляемое в повседневной жизни, собирательное значение.

Что такое оптика как область физики? Это раздел, в котором изучаются особенности распространения света в разных средовых условиях и взаимодействие с различными веществами. Определение оптики в физике базируется на изучаемых явлениях, поэтому существует разделение на классическую и квантовую оптику. В то же время первый вид представлен геометрическим (лучевой) и физическим (волновой) разделами.

Значение слова оптика в повседневной жизни имеет собирательный характер и применяется для обозначения приборов, инструментов, в работе которых используются законы вышеописанной науки.

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).
  • , 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 ε=hν{\displaystyle \varepsilon =h\nu } , где частота ν{\displaystyle \nu } соответствует частоте излучённого света, а h{\displaystyle h} — постоянная Планка. Использование представлений о свете, как потоке частиц, объясняет явление фотоэффекта и закономерности теории излучения.

Построение изображений в линзах

Для построения изображения в линзах следует помнить:

  1. луч, идущий вдоль главной оптической оси линзы, не преломляется;
  2. луч, проходящий через оптический центр линзы, не преломляется;
  3. луч, падающий на собирающую линзу параллельно главной оптической оси, после преломления пройдет через фокус линзы;
  4. луч, падающий на рассеивающую линзу параллельно главной оптической оси, преломится так, что его мнимое продолжение пройдет через фокус линзы, а сам луч – противоположно мнимому продолжению;
  5. луч, падающий на собирающую линзу через фокус, после преломления пройдет параллельно главной оптической оси линзы;
  6. произвольный луч после преломления в собирающей линзе пойдет через побочный фокус (точку фокальной плоскости, в которой ее пересечет параллельная произвольному лучу побочная оптическая ось);
  7. произвольный луч, падающий на рассеивающую линзу, преломится так, что его мнимое продолжение пройдет через точку, в которой пересечет фокальную плоскость линзы побочная оптическая ось, параллельная произвольному лучу.

Изображение, даваемое тонкой линзой, может быть действительным или мнимым.

Действительное изображение получается в результате пересечения преломленных в линзе лучей, исходящих из данной точки.

Мнимое изображение получается в результате пересечения продолжений преломленных в линзе лучей, исходящих из данной точки.

Построение изображений точки, даваемых собирающей линзой

Если точка находится за двойным фокусом линзы, то ее действительное изображение получается между фокусом и двойным фокусом по другую сторону от линзы.

Если точка находится в двойном фокусе линзы, то его действительное изображение получается в двойном фокусе по другую сторону от линзы.

Если точка находится между фокусом и двойным фокусом линзы, то его действительное изображение получается за двойным фокусом по другую сторону от линзы.

Если точка находится в фокусе линзы, то его изображение находится в бесконечности.

Если точка находится между линзой и фокусом, то его мнимое изображение получается по ту же сторону от линзы.

Построение изображений предмета, даваемых собирающей линзой

Если предмет находится за двойным фокусом линзы, то его изображение получается действительным, перевернутым, уменьшенным, по другую сторону от линзы.

Если предмет находится в двойном фокусе линзы, то его изображение получается действительным, перевернутым, равным по размерам предмету, в двойном фокусе по другую сторону от линзы.

Если предмет находится между фокусом и двойным фокусом линзы, то его изображение получается действительным, перевернутым, увеличенным, по другую сторону от линзы.

Если предмет находится в фокусе линзы, то его изображение находится в бесконечности.

Если предмет находится между линзой и фокусом, то его изображение получается мнимым, прямым, увеличенным, по ту же сторону от линзы.

Построение изображений точки, даваемых рассеивающей линзой

В рассеивающей линзе изображение точки всегда получается мнимым, по ту же сторону от линзы.

Оптика

Построение изображений предмета, даваемых рассеивающей линзой

Изображение предмета в рассеивающей линзе всегда получается мнимым, прямым, уменьшенным, по ту же сторону от линзы.

Важно!
При решении задач на прохождение световых лучей сквозь линзы и получение изображений в них прежде всего выясните, о какой линзе идет речь: собирающей или рассеивающей. Обязательно сделайте чертеж, на котором соответствующими буквами укажите все основные расстояния: расстояние от предмета до линзы, расстояние от линзы до изображения, фокусное расстояние

Также обязательно укажите оптический центр линзы и оба фокуса по разные стороны от линзы.

При построении изображения следует заранее выучить, каким оно должно быть при соответствующем расположении предмета относительно линзы и где находиться (действительным или мнимым, увеличенным или уменьшенным, прямым или обратным). В противном случае при неверном построении, когда вы чуть-чуть искривите луч или он пойдет неточно через фокус или центр, изображение может оказаться не там, где надо, или вместо увеличенного уменьшенным, и тогда в решении появится ошибка.

Оптические приборы. Глаз как оптическая система

Оптические приборы – это устройства, предназначенные для получения на экране, светочувствительных пленках, фотопленках и в глазу изображений различных предметов.

Лупа – это короткофокусная двояковыпуклая линза, предназначенная для относительно небольшого увеличения изображения.

Увеличение лупы рассчитывается по формуле:

где ​\( d_0 \)​ – расстояние наилучшего зрения, ​\( d_0 \)​ = 0,25 м.

Для получения увеличенного изображения предмет помещают перед линзой на расстоянии немного меньше фокусного. Изображение получается мнимым.

Микроскоп – это оптический прибор, предназначенный для рассматривания очень мелких предметов под большим углом зрения.

Микроскоп состоит из двух собирающих линз – короткофокусного объектива и длиннофокусного окуляра, расстояние между которыми может изменяться:

где ​\( F_1 \)​ – фокусное расстояние объектива; ​\( F_2 \)​ – фокусное расстояние окуляра.

Оптика

Фотоаппарат – прибор, предназначенный для получения действительных, уменьшенных, перевернутых изображений предметов на фотопленке.

Предметы могут находиться на разных расстояниях.

Мультимедийный проектор – оптическое устройство, с помощью которого на экране получают действительное, увеличенное изображение, снятое с источника видеосигнала.

Человеческий глаз – оптическая система, подобная фотоаппарату.

Зрачок регулирует доступ света в глаз. Диаметр зрачка уменьшается при ярком освещении и увеличивается при слабом.

Хрусталик имеет форму двояковыпуклой линзы с показателем преломления 1,41. Он может изменять свою форму, в результате чего меняется его фокусное расстояние. При рассмотрении близких предметов хрусталик становится более выпуклым, при рассмотрении удаленных предметов – более плоским.

На сетчатке глаза образуется действительное, уменьшенное, перевернутое изображение предмета. Благодаря большому количеству нервных окончаний, находящихся на сетчатке, их раздражение передается в мозг и вызывает зрительные ощущения.

Зрение двумя глазами позволяет видеть предмет с разных сторон, т. е. осуществлять объемное зрение.

Если смотреть на предмет одним глазом, то, начиная с 10 м, он будет казаться плоским, если смотреть на предмет двумя глазами, то это расстояние увеличивается до 500 м.

Угол зрения – это угол, образованный лучами, идущими от краев предмета в оптический центр глаза.

​\( \varphi \)​ – угол зрения.

Аккомодация глаза – это свойство глаза, обеспечивающее четкое восприятие равноудаленных предметов путем изменения фокусного расстояния оптической системы.

Предел аккомодации – от ​\( \infty \)​ до 10 см.

Расстояние наилучшего зрения – это наименьшее расстояние, с которого глаз может без особого напряжения рассматривать предметы:

Дефекты зрения

  • Близорукость – это дефект оптической системы глаза, при котором ее фокус находится перед сетчаткой. Близорукий глаз плохо видит отдаленные предметы.
  • Дальнозоркость – это дефект оптической системы глаза, при котором ее фокус находится за сетчаткой. Дальнозоркий глаз плохо видит близкие предметы.

Очки – это простейший прибор для коррекции оптических недостатков зрения.

Близорукость исправляют с помощью рассеивающих линз.

Дальнозоркость исправляют с помощью собирающих линз.

Физическая оптика

Учение о волновой природе явлений возникло из многочисленных наблюдений и экспериментов, не попадающих под описание теории распространения луча. Что такое оптика волн? Она часто именуется Гюйгеновской, однако, нидерландский физик скорее подытожил изыскания своих современников, чем открыл новые законы. Этот факт не умаляет его вклада в развитие отрасли.

Основой для возникновения известного сегодня принципа Гюйгенса-Френеля были труды не менее известных ученых Роберта Гука и Исаака Ньютона. Трактат «Оптика» последнего можно расценить как попытку объединения корпускулярной и волновой теорий, существовавших в то время, воедино.

Следует отметить, что физическая оптика, изучающая распределение сложных импульсов посредством оптических систем с учетом амплитуды и фазы волны, появилась только в начале 19 века. В настоящее время в этом разделе оптики проводится систематизация вычислений для более полного описания рассматриваемых моделей.

Оптика

Характеристики света

Длина световой волны λ{\displaystyle \lambda } зависит от скорости распространения волны в среде v{\displaystyle v} и связана с нею и частотой ν{\displaystyle \nu } соотношением:

λ=vν=cnν,{\displaystyle \lambda ={\frac {v}{\nu }}={\frac {c}{n\nu }},}

где n{\displaystyle n} — показатель преломления среды.
В общем случае показатель преломления среды является функцией длины волны: n=n(λ){\displaystyle n=n(\lambda )}. 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 луча света, совпадающее с направлением нормали к волновому фронту (при отсутствии явления двойного лучепреломления).

Скорость света

Универсальным понятием в физике является скорость света c{\displaystyle c}. 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 v{\displaystyle v} обычно уменьшается: v=cn{\displaystyle v=c/n}, где n{\displaystyle n} есть показатель преломления среды, характеризующий её оптические свойства и зависящий от частоты света: n=n(ν){\displaystyle n=n(\nu )}. В области аномальной дисперсии света показатель преломления может быть и меньше единицы, а фазовая скорость света больше c{\displaystyle c}. 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.

Квантовая оптика

Что такое оптика фотонов? Идея описания электромагнитного поля при помощи квантов в начале 20 века была выдвинута Максом Планком. Он предположил, что излучение света происходит определенными частями – квантами. В дальнейшем было доказано, что он не только излучается парциально, но и поглощается. Это позволило Альберту Эйнштейну сделать вывод о дискретной структуре света.

Через некоторое время кванты света начали называть фотонами, а поток рассматривался как группа частиц. Таким образом, в квантовой оптике свет рассматривался и как волна, и как поток частиц одновременно, поскольку такие явления, как дифракция и интерференция нельзя объяснить при помощи потока фотонов.

В середине 20 века эксперимент Брауна – Твисса, позволил уточнить территорию применения квантовой оптики. Они доказали, что некоторое количество источников света, излучающих фотоны на два фотоприемника, которые подают звуковой сигнал о регистрации частиц, могут заставить аппараты срабатывать одновременно. Эксперимент проводился с разными источниками света.

После чего были сделаны выводы о существовании света с парной корреляцией фотонов (для источников с одновременным срабатыванием сигнала на приемниках) и с антигруппировкой световых частиц (для источников, которые никогда не позволяют добиться одновременного срабатывания приемников).

Опыт доказал деление света на двух- и однофотонный. Отсюда можно сделать вывод, что существуют состояния света, которые невозможно объяснить при помощи классической оптики, называются они неклассические. Разработка практического применения неклассического света приводит к поразительным результатам. Поэтому квантовая оптика – современное направление с обширными возможностями в изучении и применении.

Оптика

Нахождение расстояния до изображения

Чтобы определять, на каком расстоянии появится изображение, зная положение самого предмета, приведем формулу линзы в физике: 1/f = 1/do + 1/di, где do и di — расстояние до предмета и до его изображения от оптического центра, соответственно, f — главный фокус. Если речь идет о собирающем оптическом стекле, тогда число f будет положительным. Наоборот, для рассеивающей линзы f — отрицательное.

Воспользуемся этой формулой и решим простую задачу: пусть предмет находится на расстоянии do = 2*f от центра собирающего оптического стекла. Где появится его изображение?

Из условия задачи имеем: 1/f = 1/(2*f)+1/di. Откуда: 1/di = 1/f — 1/(2*f) = 1/(2*f), то есть di = 2*f. Таким образом, изображение появится на расстоянии двух фокусов от линзы, но уже с другой стороны, чем сам предмет (об этом говорит положительный знак величины di).

Разделы оптики

  • Классическая оптика
    • Геометрическая оптика
    • Физическая оптика
    • Волновая оптика
  • Зрительное восприятие
  • Лазеры
  • Нелинейная оптика
  • Квантовая оптика
  • Градиентная оптика

Классическая оптика

Основная статья: Классическая 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

Основная статья: 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 света.

Параксиальное приближение

Основная статья: 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

Основная статья: Физическая оптика

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.

Оптика как раздел науки

Область физики, исследующая распространение электромагнитных волн широкого диапазона (видимого, инфракрасного, ультрафиолетового, рентгеновские и гамма-лучи). Свойства и характеристики их приведены в таблице ниже.

Виды излучений

Частота/ Гц

Длина/м

Свойства

Источник

Инфракрасное излучение

от 1012

до 3,75 × 1014

30×10-4

8×10-7

Отражение, дифракция, преломление, поляризация

Тепловое фотокопирование, электрический камин.

Видимый свет

7,5×1014

4×10-7

Отражение, дифракция, преломление, поляризация

Лампа накаливания, молния.

Ультрафиолетовое излучение

3×1017

10-9

фотохимические

Углеродная дуга

Рентгеновское излучение

3×1020

10-12

Проникающая способность, дифракция

Рентгеновская трубка

Гамма-излучение

1023

3×10-15

Космические процессы, ядерные процессы

Циклотрон,

Кобальт 60

Разнообразие разделов оптики соответствует количеству исследуемых процессов:

Классическая оптика

Квантовая оптика

Геометрическая (или линейная)

Световой луч (распространяемый в однородной среде) рассматривается как линия, которая изменяет направление по определенным правилам при отражении и преломлении. Свет как волна не рассматривается.

Физическая

(или волновая)

Взаимодействие света и электромагнитных лучей с разнородными средами (веществами).

Квантовая оптика изучает проявления квантовых особенностей света, а также взаимодействие с веществами на основе квантовой структуры объектов и особенных условий распространения.

Адаптивная оптика — изучает возможности коррекции нерегулярных искажений при распределении света в неоднородной среде с опорой на оптические управляемые элементы.

Кристаллооптика — изучает распространение света в анизотропных средах и кристаллах через рассмотрение явлений двойного лучепреломления, поляризации света и др.

Физика лазера – изучает принципы работы лазеров и возможности применения их в исследованиях, медицине, промышленности и иных сферах жизни общества.

Интегральная оптика — изучает распространение волн в планарных оптических волноводах.

Градиентная оптика — изучает оптические свойства веществ с меняющимися показателями преломления по координатам («лужи» на асфальте в жаркий день).

Рентгеновская оптика — прикладная отрасль, которая отслеживает распространение лучей рентгеновского диапазона в разных средах.

Нелинейная оптика — изучает световые явления при взаимодействии с веществами, обладающими нелинейной реакцией поляризации на напряженность электрического поля волны.

Электронная оптика — исследует особенности фокусировки, транспортировки в магнитных и электрических полях заряженных частиц.

Классификация раздела оптика соответствует историческому развитию учения о свойствах света:

  • геометрическая – 3 век до нашей эры (Евклид);
  • физическая – 17 век (Гюйгенс);
  • квантовая – 20 век (Планк).

Оптика

Дифракция света

Дифракция света – это явление отклонения волны от прямолинейного распространения при прохождении через малые отверстия и огибании волной малых препятствий.

Наилучшее условие для наблюдения дифракции создается, когда размеры отверстий или препятствий – порядка длины волны. Чтобы определить распределение интенсивности световой волны, распространяющейся в среде с неоднородностями, используют принцип Гюйгенса–Френеля.

Принцип Гюйгенса–Френеля

Каждая точка фронта волны является источником вторичных волн, которые интерферируют между собой. Поверхность, касательная ко всем вторичным волнам, представляет новое положение фронта волны в следующий момент времени.

Все вторичные источники, расположенные на поверхности фронта волны, когерентны между собой, поэтому амплитуда и фаза волны в любой точке пространства – это результат интерференции волн, излучаемых вторичными источниками.

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.

Физическая оптика

Учение о волновой природе явлений возникло из многочисленных наблюдений и экспериментов, не попадающих под описание теории распространения луча. Что такое оптика волн? Она часто именуется Гюйгеновской, однако, нидерландский физик скорее подытожил изыскания своих современников, чем открыл новые законы. Этот факт не умаляет его вклада в развитие отрасли.

Основой для возникновения известного сегодня принципа Гюйгенса-Френеля были труды не менее известных ученых Роберта Гука и Исаака Ньютона. Трактат «Оптика» последнего можно расценить как попытку объединения корпускулярной и волновой теорий, существовавших в то время, воедино.

Следует отметить, что физическая оптика, изучающая распределение сложных импульсов посредством оптических систем с учетом амплитуды и фазы волны, появилась только в начале 19 века. В настоящее время в этом разделе оптики проводится систематизация вычислений для более полного описания рассматриваемых моделей.

Оптика

admin
Оцените автора
( Пока оценок нет )
Добавить комментарий