Оптика


О́птика (от др.-греч. ὀπτική «наука о зрительных восприятиях») — это раздел физики, изучающий поведение и свойства света, в том числе его взаимодействие с веществом и создание инструментов, которые его используют или детектируют[1]. Оптика обычно описывает поведение видимого, ультрафиолетового и инфракрасного излучения. Поскольку свет представляет собой электромагнитную волну, другие формы электромагнитного излучения, такие как рентгеновские лучи, микроволны и радиоволны, обладают аналогичными свойствами.

Большинство оптических явлений можно объяснить с помощью классической электродинамики. Однако полное электромагнитное описание света часто затруднительно применять на практике. Практическая оптика обычно строится на упрощённых моделях. Самая распространённая из них, геометрическая оптика, рассматривает свет как набор лучей, которые движутся по прямым линиям и изгибаются, когда проходят сквозь поверхности или отражаются от них. Волновая оптика — более полная модель света, которая включает волновые эффекты, такие как дифракция и интерференция, которые не учитываются в геометрической оптике. Исторически первой была разработана лучевая модель света, а затем волновая модель света. Прогресс в теории электромагнетизма в 19 веке привёл к пониманию световых волн как видимую часть спектра электромагнитного излучения.

Некоторые явления зависят от того факта, что свет демонстрирует волновые и корпускулярные свойства. Объяснение этого поведения находится в квантовой механике. При рассмотрении корпускулярных свойств, свет представляется как набор частиц называемых фотонами. Квантовая оптика использует квантовую механику для описания оптических систем.

Оптическая наука актуальна и изучается во многих смежных дисциплинах, включающих астрономию, различные области инженерного дела, фотографию и медицину (особенно офтальмологию и оптометрию). Практическое применение оптики можно найти в различных технологиях и повседневных вещах, включая зеркала, линзы, телескопы, микроскопы, лазеры и волоконную оптику.

Оптика началась с разработки линз древними египтянами и месопотамцами. Самые ранние известные линзы с Крита, сделанные из полированного хрусталя, часто кварца, датируются 2000 годом до н. э. (Археологический музей Ираклиона, Греция). Линзы с Родоса датируются примерно 700 годом до н. э., как и ассирийские линзы, такие как линза Нимруда[2]. Древние римляне и греки наполняли стеклянные шары водой для изготовления линз. За этими практическими достижениями последовало развитие теорий света и зрения древнегреческими и индийскими философами, а также развитие геометрической оптики в греко-римском мире. Слово оптика происходит от древнегреческого слова ὀπτική, что означает «внешний вид»[3].


Оптика изучает рассеивание света.
Альхазен (Ибн аль-Хайсам), «отец оптики»[9]
Репродукция страницы рукописи Ибн Сала, свидетельствующей о его знании закона преломления.
Первый трактат об оптике Иоганна Кеплера, Ad Vitellionem paralipomen quibus astronomiae pars optica traditur (1604 г.)
Обложка первого издания Оптики Ньютона (1704 г.)
Геометрия отражения и преломления световых лучей
Схема зеркального отражения
Иллюстрация закона Снеллиуса для случая n1 < n2, например для границы раздела воздух/вода
Схема трассировки лучей собирающей линзы.
Параллельный пучок света
Изображения чёрных букв в тонкой выпуклой линзе с фокусным расстоянием f показаны красным. Выбранные лучи показаны буквами E, I и K синим, зелёным и оранжевым цветом соответственно. Обратите внимание, что E (в 2f) имеет реальное и перевёрнутое изображение равного размера; I (в точке f) имеет изображение на бесконечности; а K (при f/2) — виртуальное вертикальное изображение в два раза большего размера.
При разливе масла или топлива из-за интерференции света в тонких плёнках образуются красочные узоры.
Дифракция на двух щелях, разделённых расстоянием . Яркие полосы появляются вдоль линий, где чёрные линии пересекаются с чёрными линиями, а белые линии пересекаются с белыми линиями.
Концептуальная анимация рассеивания света через призму. Высокочастотный (синий) свет отклоняется больше всего, а низкочастотный (красный) — меньше всего.
Дисперсия: две синусоиды, распространяющиеся с разными скоростями, образуют движущуюся интерференционную картину. Красная точка движется с фазовой скоростью, а зеленые точки — с групповой скоростью. В этом случае фазовая скорость в два раза больше групповой скорости. Красная точка обгоняет две зеленые точки при движении слева направо от фигуры. Фактически, отдельные волны (которые распространяются с фазовой скоростью) покидают волновой пакет (который движется с групповой скоростью).
Поляризатор, изменяющий ориентацию линейно поляризованного света.
На этом рисунке θ1 — θ0 = θi.
Эффект поляризационного фильтра на изображение неба на фотографии. Левый снимок сделан без поляризатора. Для правого изображения поляризационный фильтр был настроен так, чтобы исключить определённые поляризации рассеянного голубого света неба.
Подобные эксперименты с мощными лазерами являются частью современных оптических исследований.
Телескоп VLT, направляемый лазером[66].
Модель человеческого глаза. В этой статье упоминаются следующие особенности: 1. стекловидное тело 3. цилиарная мышца, 6. зрачок, 7. передняя камера, 8. роговица, 10. кора хрусталика, 22. зрительный нерв, 26. центральная ямка, 30. сетчатка.
Иллюзия Понцо основана на том факте, что параллельные линии сходятся по мере приближения к бесконечности.
Иллюстрации различных оптических инструментов из Циклопедии 1728 г.
Фотография сделана с диафрагмой f/32
Фотография сделана с диафрагмой f/5
Красочное небо часто возникает из-за рассеивания света частицами и загрязнениями, как на этой фотографии заката во время лесных пожаров в Калифорнии в октябре 2007 года.