Site Loader

Содержание

Оптика — Википедия

О́птика (от др.-греч. ὀπτική «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].

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

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[en]»; 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 («{{lang-en|Оптика[en]»; 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.

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:

Скорость света[править | править код]

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=c/n{\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.

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.

Классическая оптика[править | править код]

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[править | править код]

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[править | править код]

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[править | править код]

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[править | править код]

c

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 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[править | править код]

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

Рентгеновская оптика[править | править код]

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 10−8м) и гамма-излучений < 10−4 Å.

Темы, связанные с современной оптикой[править | править код]

  • Б. М. Яворский и А. А. Детлаф Справочник по физике. — М.: Наука, 1971.

это раздел физики, изучающий поведение и свойства света. Оптические приборы

Одним из древних и объемных разделов физики является оптика. Ее достижения применяются во многих науках и сферах деятельности: электротехнике, промышленности, медицине и других. Из статьи можно узнать, что изучает эта наука, историю развития представлений о ней, важнейшие достижения, и какие существуют оптические системы и приборы.

Что изучает оптика

Название этой дисциплины имеет греческое происхождение и переводится, как «наука о зрительных восприятиях». Оптика — раздел физики, изучающий природу света, его свойства, законы, связанные с его распространением. Эта наука исследует природу видимого света, инфракрасного и ультрафиолетового излучения. Поскольку именно благодаря свету люди способны видеть окружающий мир, этот раздел физики также является дисциплиной, связанной со зрительным восприятием излучения. И неудивительно: глаз — это сложная оптическая система.

глаз оптическая система

История становления науки

Оптика зародилась еще в античные времена, когда люди пытались понять природу света и выяснить, каким образом удается видеть предметы окружающего мира.

Древние философы считали видимый свет или лучами, выходящими из глаз человека, или потоком мельчайших частиц, разлетающихся от объектов и попадающих в глаз.

В дальнейшем природу света изучали многие видные ученые. Исаак Ньютон сформулировал теорию о корпускулах — крошечных частичках света. Другой ученый, Гюйгенс, выдвинул волновую теорию.

Природу света продолжали исследовать физики 20 века: Максвелл, Планк, Эйнштейн.

В настоящее время гипотезы Ньютона и Гюйгенса объединены в понятии корпускулярно-волнового дуализма, согласно которому, свет имеет свойства и частицы, и волны.

Разделы

Предмет исследований оптики — это не только свет и его природа, но также приборы для этих исследований, законы и свойства этого явления и многое другое. Поэтому в науке выделяются несколько разделов, посвященных отдельным сторонам исследований.

Это:

  • геометрическая оптика;
  • волновая;
  • квантовая.

Ниже будет подробно рассмотрен каждый раздел.

Геометрическая оптика

В данном разделе существуют следующие законы оптики:

Закон о прямолинейности распространения света, проходящего через однородную среду. Световой луч рассматривается, как прямая линия, вдоль которой проходят световые частицы.

Закон отражения:

Падающий и отраженный лучи, а также перпендикуляр к границе раздела двух сред, восстановленный в точке падения луча, лежат в одной плоскости (плоскость падения). Угол отражения γ равен углу падения α.

Закон преломления:

Падающий и преломленный лучи, а также перпендикуляр к границе раздела двух сред, восстановленный в точке падения луча, лежат в одной плоскости. Отношение синуса угла падения α к синусу угла преломления β есть величина, постоянная для двух данных сред.

Средством изучения свойств света в геометрической оптике являются линзы.

Линза — это прозрачное тело, которое способно пропускать и видоизменять световые лучи. Они делятся на выпуклые и вогнутые, а также на собирающие и рассеивающие. Линза является основной составляющей всех оптических приборов. Когда толщина ее мала по сравнению с радиусами поверхностей, она называется тонкой. В оптике формула тонкой линзы выглядит так:

1/d + 1/f = D, где

d — расстояние от предмета до линзы; f — расстояние до изображения от линзы; D — оптическая сила линзы (измеряется в диоптриях).

тонкая оптическая линза

Волновая оптика и ее понятия

Поскольку известно, что свет имеет все свойства электромагнитной волны, отдельный раздел физики изучает проявления этих свойств. Он называется волновая оптика.

Основные понятия данного раздела оптики — это дисперсия, интерференция, дифракция и поляризация.

Явление дисперсии было обнаружено Ньютоном, благодаря его опытам с призмами. Это открытие является важным шагом к пониманию природы света. Он обнаружил, что преломление световых лучей зависит от их цвета. Это явление было названо дисперсией или рассеянием света. Сейчас уже известно, что цвет зависит от длины волны. Кроме того, именно Ньютон предложил понятие спектра для обозначения радужной полоски, получаемой при дисперсии посредством призм.

Подтверждением волновой природы света является интерференция его волн, открытая Юнгом. Так называют наложение друг на друга двух или нескольких волн. В результате можно видеть явление усиления и ослабления колебаний света в различных точках пространства. Красивыми и знакомыми каждому проявлениями интерференции являются мыльные пузыри и радужная разноцветная пленка разлитого бензина.

бензин интерференция

Любому волновому процессу свойственно явление дифракции. Этот термин переводится с латинского, как «разломанный». Дифракция в оптике — это огибание волнами света краев препятствий. Например, если на пути светового пучка расположить шарик, то на экране за ним появятся чередующиеся кольца — светлые и темные. Это называется дифракционная картина. Исследованием явления занимались Юнг и Френель.

Последнее ключевое понятие волновой оптики — это поляризация. Свет называют поляризованным, если направление колебаний его волны является упорядоченным. Поскольку свет является продольной, а не поперечной волной, то и колебания происходят исключительно в поперечном направлении.

Квантовая оптика

Свет — это не только волна, но и поток частиц. На основе этой его составляющей возникла такая отрасль науки, как квантовая оптика. Ее появление связывают с именем Макса Планка.

Квантом называют любую порцию чего-либо. А в данном случае говорят о квантах излучения, то есть порциях света, выбрасываемых при нем. Для обозначения частиц используют слово фотоны (от греческого φωτός — «свет»). Это понятие было предложено Альбертом Эйнштейном. В данном разделе оптики формула Эйнштейна E=mc2 также применяется для изучения свойств света.

Главная задача этого раздела — изучение и характеристика взаимодействия света с веществом и исследования его распространения в нетипичных условиях.

Свойства света как потока частиц проявляются в таких условиях:

  • тепловое излучение;
  • фотоэффект;
  • фотохимические процессы;
  • вынужденное излучение и др.
поток фотонов

В квантовой оптике существует понятие неклассического света. Дело в том, что квантовые характеристики светового излучения невозможно описать в рамках классической оптики. Неклассический свет, например, двухфотонный, сжатый, применяется в разных сферах: для калибровки фотоприемников, при точных измерениях и др. Еще одно применение — квантовая криптография — секретный способ передачи информации с помощью двоичных кодов, где вертикально направленному фотону присвоен 0, а горизонтально направленному — 1.

Значение оптики и оптических приборов

В каких сферах технологии оптики нашли главное применение?

Во-первых, без этой науки не было бы оптических приборов, известных каждому человеку: телескоп, микроскоп, фотоаппарат, проектор и другие. С помощью специально подобранных линз люди получили возможно исследовать микромир, вселенную, небесные объекты, а также запечатлевать и транслировать информацию в виде изображений.

телескоп оптический прибор

Кроме того, благодаря оптике был сделан ряд важнейших открытий в области природы света, его свойств, открыты явления интерференции, поляризации и другие.

Наконец, широкое применение оптика получила в медицине, например, в изучении рентгеновского излучения, на основании которого был создан аппарат, спасший немало жизней. Благодаря этой науке также был изобретен лазер, широко применяющийся при хирургических вмешательствах.

Оптика и зрение

Глаз — это оптическая система. Благодаря свойствам света и возможностям органов зрения, можно видеть окружающий мир. К сожалению, мало кто может похвастаться идеальным зрением. С помощью этой дисциплины, стало возможно вернуть возможность людям лучше видеть с помощью очков и контактных линз. Поэтому медицинские учреждения, занимающиеся подбором средств коррекции зрения, также получили соответсвующее название — оптика.

подбор очков

Можно подвести итог. Итак, оптика — это наука о свойствах света, затрагивающая многие сферы жизни и имеющая широкое применение в науке и в быту.

Оптика — Физика — Теория, тесты, формулы и задачи

Оглавление:

 

Основные теоретические сведения

Световые волны

К оглавлению…

Свет – это электромагнитные волны, длины волн которых лежат для среднего глаза человека в пределах от 400 до 760 нм. В этих пределах свет называется видимым. Свет с наибольшей длиной волны кажется нам красным, а с наименьшей – фиолетовым. Запомнить чередование цветов спектра легко с помощью поговорки «Каждый Охотник Желает Знать, Где Сидит Фазан». Первые буквы слов поговорки соответствуют первым буквам основных цветов спектра в порядке убывания длины волны (и соответственно возрастания частоты): «Красный – Оранжевый – Желтый – Зеленый – Голубой – Синий – Фиолетовый». Свет с большими, чем у красного, длинами волн, называется инфракрасным. Его наш глаз не замечает, но наша кожа фиксирует такие волны в виде теплового излучения. Свет с меньшими, чем у фиолетового, длинами волн, называется ультрафиолетовым.

Электромагнитные волны (и, в частности, световые волны, или просто свет) – это распространяющееся в пространстве и во времени электромагнитное поле. Электромагнитные волны поперечны – векторы электрической напряженности и магнитной индукции перпендикулярны друг другу и лежат в плоскости, перпендикулярной направлению распространения волны. Световые волны, как и любые другие электромагнитные волны, распространяются в веществе с конечной скоростью, которая может быть рассчитана по формуле:

Формула Скорость электромагнитной волны в некоторой среде

где: ε и μ – диэлектрическая и магнитная проницаемости вещества, ε0 и μ0 – электрическая и магнитная постоянные: ε0 = 8,85419·10–12 Ф/м, μ0 = 1,25664·10–6 Гн/м. Скорость света в вакууме (где ε = μ = 1) постоянна и равна с = 3∙108 м/с, она также может быть вычислена по формуле:

Формула Скорость электромагнитной волны в вакууме

Скорость света в вакууме является одной из фундаментальных физических постоянных. Если свет распространяется в какой-либо среде, то скорость его распространения также выражается следующим соотношением:

Формула Связь скорости света в вакууме и веществе

где: n – показатель преломления вещества – физическая величина, показывающая во сколько раз скорость света в среде меньше чем в вакууме. Показатель преломления, как видно из предыдущих формул, может быть рассчитан следующим образом:

Формула Показатель преломления

  • Свет переносит энергию. При распространении световых волн возникает поток электромагнитной энергии. 
  • Световые волны испускаются в виде отдельных квантов электромагнитного излучения (фотонов) атомами или молекулами.

Кроме света существуют и другие виды электромагнитных волн. Далее они перечислены по уменьшению длины волны (и соответственно, по возрастанию частоты):

  • Радиоволны;
  • Инфракрасное излучение;
  • Видимый свет;
  • Ультрафиолетовое излучение;
  • Рентгеновское излучение;
  • Гамма-излучение.

 

Интерференция

К оглавлению…

Интерференция – одно из ярких проявлений волновой природы света. Оно связано с перераспределением световой энергии в пространстве при наложении так называемых когерентных волн, то есть волн, имеющих одинаковые частоты и постоянную разность фаз. Интенсивность света в области перекрытия пучков имеет характер чередующихся светлых и темных полос, причем в максимумах интенсивность больше, а в минимумах меньше суммы интенсивностей пучков. При использовании белого света интерференционные полосы оказываются окрашенными в различные цвета спектра.

Для расчета интерференции используется понятие оптической длины пути. Пусть свет прошел расстояние L в среде с показанием преломления n. Тогда его оптическая длина пути рассчитывается по формуле:

Формула Оптическая длина пути

Для интерференции необходимо наложение хотя бы двух лучей. Для них вычисляется оптическая разность хода (разность оптических длин) по следующей формуле:

Формула Оптическая разность хода двух лучей

Именно эта величина и определяет, что получится при интерференции: минимум или максимум. Запомните следующее: интерференционный максимум (светлая полоса) наблюдается в тех точках пространства, в которых выполняется следующее условие:

Формула Условие интерференционного максимума

Разность фаз колебаний при этом составляет:

Формула Условие интерференционного максимума

При m = 0 наблюдается максимум нулевого порядка, при m = ±1 максимум первого порядка и так далее. Интерференционный минимум (темная полоса) наблюдается при выполнении следующего условия:

Формула Условие интерференционного минимума

Разность фаз колебаний при этом составляет:

Формула Условие интерференционного минимума

При первом нечетном числе (единица) будет минимум первого порядка, при втором (тройка) минимум второго порядка и т.д. Минимума нулевого порядка не бывает.

 

Дифракция. Дифракционная решетка

К оглавлению…

Дифракцией света называется явление отклонения света от прямолинейного направления распространения при прохождении вблизи препятствий, размеры которых сопоставимы с длиной волны света (огибание светом препятствий). Как показывает опыт, свет при определенных условиях может заходить в область геометрической тени (то есть быть там, где его быть не должно). Если на пути параллельного светового пучка расположено круглое препятствие (круглый диск, шарик или круглое отверстие в непрозрачном экране), то на экране, расположенном на достаточно большом расстоянии от препятствия, появляется дифракционная картина – система чередующихся светлых и темных колец. Если препятствие имеет линейный характер (щель, нить, край экрана), то на экране возникает система параллельных дифракционных полос.

Дифракционные решетки представляют собой периодические структуры, выгравированные специальной делительной машиной на поверхности стеклянной или металлической пластинки. У хороших решеток параллельные друг другу штрихи имеют длину порядка 10 см, а на каждый миллиметр приходится до 2000 штрихов. При этом общая длина решетки достигает 10–15 см. Изготовление таких решеток требует применения самых высоких технологий. На практике применяются также и более грубые решетки с 50–100 штрихами на миллиметр, нанесенными на поверхность прозрачной пленки.

При нормальном падении света на дифракционную решетку в некоторых направлениях (помимо того, в котором изначально падал свет) наблюдаются максимумы. Для того, чтобы наблюдался интерференционный максимум, должно выполняться следующее условие:

Формула дифракционной решетки

где: d – период (или постоянная) решетки (расстояние между соседними штрихами), m – целое число, которое называется порядком дифракционного максимума. В тех точках экрана, для которых это условие выполнено, располагаются так называемые главные максимумы дифракционной картины.

 

Законы геометрической оптики

К оглавлению…

Геометрическая оптика – это раздел физики, в котором не учитываются волновые свойства света. Основные законы геометрической оптики были известны задолго до установления физической природы света.

Оптически однородная среда — это среда, во всем объеме которой показатель преломления остаётся неизменным.

Закон прямолинейного распространения света: в оптически однородной среде свет распространяется прямолинейно. Этот закон приводит к представлению о световом луче как о геометрической линии, вдоль которой распространяется свет. Следует отметить, что закон прямолинейного распространения света нарушается и понятие светового луча утрачивает смысл, если свет проходит через малые отверстия, размеры которых сравнимы с длиной волны (в этом случае наблюдается дифракция).

На границе раздела двух прозрачных сред свет может частично отразиться так, что часть световой энергии будет распространяться после отражения по новому направлению, а частично пройти через границу и распространяться во второй среде.

Закон отражения света: падающий и отраженный лучи, а также перпендикуляр к границе раздела двух сред, восстановленный в точке падения луча, лежат в одной плоскости (плоскость падения). Угол отражения γ равен углу падения α. Заметьте, что все углы в оптике измеряются от перпендикуляра к границе раздела двух сред.

Закон преломления света (закон Снеллиуса): падающий и преломленный лучи, а также перпендикуляр к границе раздела двух сред, восстановленный в точке падения луча, лежат в одной плоскости. Отношение синуса угла падения α к синусу угла преломления β есть величина, постоянная для двух данных сред, и определяется выражением:

Формула Закон преломления света на границе двух прозрачных сред

Закон преломления был экспериментально установлен голландским ученым В.Снеллиусом в 1621 году. Постоянную величину n21 называют относительным показателем преломления второй среды относительно первой. Показатель преломления среды относительно вакуума называют абсолютным показателем преломления.

Среду с большим значением абсолютного показателя называют оптически более плотной, а с меньшим – менее плотной. При переходе из менее плотной среды в более плотную луч «прижимается» к перпендикуляру, а при переходе из более плотной в менее плотную – «удаляется» от перпендикуляра. Единственный случай, когда луч не преломляется, это если угол падения равен 0 (то есть лучи перпендикулярны границе раздела сред).

При переходе света из оптически более плотной среды в оптически менее плотную n2 < n1 (например, из стекла в воздух) можно наблюдать явление полного внутреннего отражения, то есть исчезновение преломленного луча. Это явление наблюдается при углах падения, превышающих некоторый критический угол αпр, который называется предельным углом полного внутреннего отражения. Для угла падения α = αпр, sinβ = 1, так как β = 90°, это значит, что преломленный луч идет вдоль самой границы раздела, при этом, согласно закону Снеллиуса, выполняется следующее условие:

Формула Полное внутреннее отражение

Как только угол падения становиться больше предельного, то преломленный луч уже не просто идет вдоль границы, а он и вовсе не появляется, так как его синус теперь уж должен быть больше единицы, а такого не может быть.

 

Линзы

К оглавлению…

Линзой называется прозрачное тело, ограниченное двумя сферическими поверхностями. Если толщина самой линзы мала по сравнению с радиусами кривизны сферических поверхностей, то линзу называют тонкой.

Линзы бывают собирающими и рассеивающими. Если показатель преломления линзы больше, чем окружающей среды, то собирающая линза в середине толще, чем у краев, рассеивающая линза, наоборот, в средней части тоньше. Если показатель преломления линзы меньше, чем окружающей среды, то всё наоборот.

Прямая, проходящая через центры кривизны сферических поверхностей, называется главной оптической осью линзы. В случае тонких линз можно приближенно считать, что главная оптическая ось пересекается с линзой в одной точке, которую принято называть оптическим центром линзы. Луч света проходит через оптический центр линзы, не отклоняясь от первоначального направления. Все прямые, проходящие через оптический центр, называются побочными оптическими осями.

Если на линзу направить пучок лучей, параллельных главной оптической оси, то после прохождения через линзу лучи (или их продолжения) соберутся в одной точке F, которая называется главным фокусом линзы. У тонкой линзы имеются два главных фокуса, симметрично расположенных относительно линзы на главной оптической оси. У собирающих линз фокусы действительные, у рассеивающих – мнимые. Расстояние между оптическим центром линзы O и главным фокусом F называется фокусным расстоянием. Оно обозначается той же буквой F.

Правила построения хода луча в линзах

К оглавлению…

Правила построения хода луча в линзах

Формула линзы

К оглавлению…

Основное свойство линз – способность давать изображения предметов. Изображение – это точка пространства, где пересекаются лучи (или их продолжения), испущенные источником после преломления в линзе. Изображения бывают прямыми и перевернутыми, действительными (пересекаются сами лучи) и мнимыми (пересекаются продолжения лучей), увеличенными и уменьшенными.

Положение изображения и его характер можно определить с помощью геометрических построений. Для этого используют свойства некоторых стандартных лучей, ход которых известен. Это лучи, проходящие через оптический центр или один из фокусов линзы, а также лучи, параллельные главной или одной из побочных оптических осей.

Для простоты можно запомнить, что изображение точки будет точкой. Изображение точки, лежащей на главной оптической оси, лежит на главной оптической оси. Изображение отрезка – отрезок. Если отрезок перпендикулярен главной оптической оси, то его изображение перпендикулярно главной оптической оси. А вот если отрезок наклонен к главной оптической оси под некоторым углом, то его изображение будет наклонено уже под некоторым другим углом.

Изображения можно также рассчитать с помощью формулы тонкой линзы. Если кратчайшее расстояние от предмета до линзы обозначить через d, а кратчайшее расстояние от линзы до изображения через f, то формулу тонкой линзы можно записать в виде:

Формула тонкой линзы

Величину D, обратную фокусному расстоянию. называют оптической силой линзы. Единица измерения оптической силы является 1 диоптрия (дптр). Диоптрия – оптическая сила линзы с фокусным расстоянием 1 м.

Фокусным расстояниям линз принято приписывать определенные знаки: для собирающей линзы F > 0, для рассеивающей F < 0. Оптическая сила рассеивающей линзы также отрицательна.

Величины d и f также подчиняются определенному правилу знаков: f > 0 – для действительных изображений; f < 0 – для мнимых изображений. Перед d знак «–» ставится только в том случае, когда на линзу падает сходящийся пучок лучей. Тогда их мысленно продлевают до пересечения за линзой, помещают туда воображаемый источник света, и определяют для него расстояние d.

В зависимости от положения предмета по отношению к линзе изменяются линейные размеры изображения. Линейным увеличением линзы Γ называют отношение линейных размеров изображения и предмета. Для линейного увеличения линзы существует формула:

Формула Линейное увеличение линзы

Во многих оптических приборах свет последовательно проходит через две или несколько линз. Изображение предмета, даваемое первой линзой, служит предметом (действительным или мнимым) для второй линзы, которая строит второе изображение предмета и так далее.

Оптика — это… Что такое Оптика?

О́птика (от др.-греч. ὀπτική, optike’ появление или взгляд) — раздел физики, рассматривающий явления, связанные с распространением электромагнитных волн преимущественно видимого и близких к нему диапазонов (инфракрасное и ультрафиолетовое излучение). Оптика описывает свойства света и объясняет связанные с ним явления. Методы оптики 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.

Природа света

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 соответствии с идеей Планка любое излучение происходит дискретно, причём минимальная порция энергии (энергия фотона) имеет величину , где частота соответствует частоте излучённого света, а 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 представления о свете, как о волне, позволяет объяснить явления, связанные с интерференцией и дифракцией, в том числе структуру светового поля (построение изображений и голографию).

Характеристики света

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:

Скорость света

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

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

Геометрическая оптика или оптика луча, описывает распространение света термином луч. 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.

«Луч» в геометрической оптике — абстрактный геометрический объект, перпендикулярный фронту импульса фактических оптических волн. Геометрическая оптика описывает правила прохождения лучей через оптическую систему.

Приняв это абстрактное понятие и связанные с ним правила, мы существенно упрощаем задачу оптики, но не в состоянии объяснить много важных оптических эффектов, например дифракцию и поляризацию.

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.

Физическая оптика

c

Физическая оптика или оптика волны основывается на принципе Гюйгенса и моделирует распространение сложных фронтов импульса через оптические системы, включая и амплитуду и фазу (волны) 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 10−8м) и гамма-излучений < 10−4 Å.

Темы, связанные с современной оптикой

Примечания

См. также

Литература

  • Б. М. Яворский и А. А. Детлаф Справочник по физике. — М.: Наука, 1971.

Ссылки

Разделы оптики

 

Оптика — Википедия

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].

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 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.

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:

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=c/n{\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.

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

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

c

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 10−8м) и гамма-излучений < 10−4 Å.

Темы, связанные с современной оптикой

Примечания

См. также

Литература

  • Б. М. Яворский и А. А. Детлаф Справочник по физике. — М.: Наука, 1971.

Ссылки

Оптика — Википедия. Что такое Оптика

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].

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 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.

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:

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=c/n{\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.

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

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

c

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 10−8м) и гамма-излучений < 10−4 Å.

Темы, связанные с современной оптикой

Примечания

См. также

Литература

  • Б. М. Яворский и А. А. Детлаф Справочник по физике. — М.: Наука, 1971.

Ссылки

ОПТИКА • Большая российская энциклопедия

О́ПТИКА (от греч. ὀπτιϰή – нау­ка о зри­тель­ных вос­при­яти­ях), раз­дел фи­зи­ки, в ко­то­ром изу­ча­ют­ся оп­тич. из­лу­че­ние (свет в ши­ро­ком по­ни­ма­нии), его рас­про­стра­не­ние и яв­ле­ния, на­блю­дае­мые при взаи­мо­дей­ст­вии све­та с ве­ще­ст­вом. Оп­тич. из­лу­че­ние пред­став­ля­ет со­бой элек­тро­маг­нит­ные вол­ны ви­ди­мо­го, ульт­ра­фио­ле­то­во­го и ин­фра­крас­но­го диа­па­зо­нов. Оп­тич. ис­сле­до­ва­ния ха­рак­те­ри­зу­ют­ся общ­но­стью тех­нич. средств и ме­то­дов ана­ли­за яв­ле­ний в ука­зан­ных диа­па­зо­нах. Для та­ких средств и ме­то­дов ха­рак­тер­но ис­поль­зо­ва­ние как вол­но­вых, так и кор­пус­ку­ляр­ных свойств из­лу­че­ния. По тра­ди­ции О. при­ня­то под­раз­делять на гео­мет­ри­че­скую, фи­зи­че­скую и фи­зио­ло­ги­че­скую.

Геометрическая оптика

Не рас­смат­ри­вая во­прос о при­ро­де све­та, гео­мет­рич. О. ис­хо­дит из эм­пи­рич. за­ко­нов его рас­про­стра­не­ния и ис­поль­зу­ет пред­став­ле­ние о све­то­вых лу­чах, пре­лом­ляю­щих­ся и от­ра­жаю­щих­ся на гра­ни­цах сред с разл. оп­тич. свой­ст­ва­ми и пря­мо­ли­ней­ных в оп­ти­че­ски од­но­род­ной сре­де. Ме­то­ды гео­мет­рич. О. по­зво­ля­ют изу­чать ус­ло­вия фор­ми­ро­ва­ния оп­тич. изо­бра­же­ний объ­ек­та как со­во­куп­но­сти изо­бра­же­ний его отд. то­чек и объ­яс­нять мн. яв­ле­ния, свя­зан­ные с про­хо­ж­де­ни­ем оп­тич. из­лу­че­ния в разл. сре­дах, в т. ч. не­од­но­род­ных (напр., ис­крив­ле­ние лу­чей в зем­ной ат­мо­сфе­ре вслед­ст­вие не­по­сто­ян­ст­ва её по­ка­за­те­ля пре­лом­ле­ния, об­ра­зо­ва­ние ми­ра­жей, ра­дуг). Наи­боль­шее зна­че­ние гео­мет­рич. О. (с час­тич­ным при­вле­че­ни­ем вол­но­вой О., см. ни­же) име­ет для рас­чё­та и кон­ст­руи­ро­ва­ния оп­тич. при­бо­ров – от оч­ко­вых линз до слож­ных объ­ек­ти­вов и круп­ных ас­тро­но­мич. ин­ст­ру­мен­тов. Бла­го­да­ря раз­ви­тию вы­чис­лит. ма­те­ма­ти­ки и при­ме­не­нию совр. вы­чис­лит. тех­ни­ки та­кие рас­чё­ты дос­тиг­ли вы­со­ко­го со­вер­шен­ст­ва, сфор­ми­ро­ва­лось отд. на­прав­ле­ние, по­лу­чив­шее назв. вы­чис­ли­тель­ной оп­ти­ки. 

По су­ще­ст­ву от­да­ле­на от фи­зич. при­ро­ды све­та и фо­то­мет­рия, по­свя­щён­ная гл. обр. из­ме­ре­нию све­то­вых ве­личин. Фо­то­мет­рия пред­став­ля­ет со­бой ме­то­дич. ос­но­ву ис­сле­до­ва­ния про­цес­сов ис­пус­ка­ния, рас­про­стра­не­ния и по­гло­ще­ния из­лу­че­ния по ре­зуль­та­там его дей­ст­вия на при­ём­ни­ки из­лу­че­ния. Ряд за­дач фо­то­мет­рии ре­ша­ет­ся с учё­том зако­но­мер­но­стей вос­при­ятия че­ло­ве­че­ским гла­зом све­та и его отд. цве­то­вых со­став­ляю­щих. Изу­че­ни­ем са­мих этих за­ко­но­мер­но­стей за­ни­ма­ет­ся фи­зио­ло­гич. О., смы­каю­щая­ся с био­фи­зи­кой и пси­хо­ло­ги­ей и ис­сле­дую­щая ме­ха­низ­мы зре­ния.

Физическая оптика

Рас­смат­ри­ва­ет про­бле­мы, свя­зан­ные с про­цес­са­ми ис­пус­ка­ния све­та, при­ро­дой све­та и све­то­вых яв­ле­ний. Ут­вер­жде­ние, что свет есть по­пе­реч­ные элек­тро­маг­нит­ные вол­ны, яви­лось ре­зуль­та­том ог­ром­но­го чис­ла экс­пе­рим. ис­сле­до­ва­ний ди­фрак­ции све­та, ин­тер­фе­рен­ции све­та, по­ля­ри­за­ции све­та, рас­про­стра­не­ния све­та в ани­зо­троп­ных сре­дах (см. Кри­стал­ло­оп­ти­ка, Оп­ти­че­ская ани­зо­тро­пия). Со­во­куп­ность яв­ле­ний, в ко­то­рых про­яв­ля­ет­ся вол­но­вая при­ро­да све­та, изу­ча­ет­ся в круп­ном раз­де­ле фи­зич. О. – вол­но­вой оп­ти­ке. Её ма­те­ма­тич. ос­но­ва­ни­ем слу­жат об­щие урав­не­ния клас­сич. элек­тро­ди­на­ми­ки – Мак­свел­ла урав­не­ния. Свой­ст­ва сре­ды при этом ха­рак­те­ри­зу­ют­ся мак­ро­ско­пич. ма­те­ри­аль­ны­ми кон­стан­та­ми – зна­че­ния­ми ди­элек­трич. про­ни­цае­мо­сти $\varepsilon$ и маг­нит­ной про­ни­цае­мо­сти $\mu$, вхо­дя­щи­ми в урав­не­ния Мак­свелла в ви­де ко­эф­фи­ци­ен­тов. Эти зна­че­ния од­но­знач­но оп­ре­де­ля­ют по­ка­за­тель пре­лом­ле­ния сре­ды: $n=\sqrt{\varepsilon \mu}$.

Фе­но­ме­но­ло­гич. вол­но­вая О., не рас­смат­ри­вая во­прос о свя­зи ве­ли­чин $\varepsilon$ и $\mu$ (оп­ре­де­ляе­мых экс­пе­ри­мен­таль­но) со струк­ту­рой ве­ще­ст­ва, по­зво­ля­ет объ­яс­нить все эм­пи­рич. за­ко­ны гео­мет­рич. О. и ус­та­но­вить гра­ни­цы её при­ме­ни­мо­сти. В от­ли­чие от гео­мет­ри­че­ской, вол­но­вая О. да­ёт воз­мож­ность рас­смат­ри­вать про­цес­сы рас­про­стра­не­ния све­та не толь­ко при раз­ме­рах, фор­ми­рую­щих (или рас­сеи­ваю­щих) све­то­вые пуч­ки сис­тем, зна­чи­тель­но бóльших дли­ны вол­ны из­лу­че­ния, но и при лю­бом со­от­но­ше­нии ме­ж­ду ни­ми. Во мно­гих слу­ча­ях ре­ше­ние кон­крет­ных за­дач ме­то­да­ми вол­но­вой О. ока­зы­ва­ет­ся чрез­вы­чай­но слож­ным. По­это­му по­лу­чи­ла раз­ви­тие ква­зи­оп­ти­ка, в ко­то­рой про­цес­сы рас­про­стра­не­ния, пре­лом­ле­ния и от­ра­же­ния вол­но­вых пуч­ков с се­че­ни­ем, бóльшим дли­ны вол­ны, опи­сы­ва­ют­ся гео­мет­ри­че­ски, но с учё­том ди­фрак­ци­он­ных вкла­дов и тем са­мым вол­но­вой при­ро­ды из­лу­че­ния. Гео­мет­ри­че­ский и вол­но­вой под­хо­ды фор­маль­но так­же объ­е­ди­ня­ют­ся в гео­мет­рич. тео­рии ди­фрак­ции, в ко­то­рой до­пол­ни­тель­но к па­даю­щим, от­ра­жён­ным и пре­лом­лён­ным лу­чам по­сту­ли­ру­ет­ся су­ще­ст­во­ва­ние ди­фра­ги­ро­ван­ных лу­чей.

Ог­ром­ную роль в раз­ви­тии вол­но­вой О. сыг­ра­ло ус­та­нов­ле­ние свя­зи ве­ли­чин $\varepsilon$ и $\mu$ с мо­ле­ку­ляр­ной и кри­стал­лич. струк­ту­рой ве­ще­ст­ва. Она по­зво­ли­ла вый­ти да­ле­ко за рам­ки фе­но­ме­но­ло­гич. опи­са­ния оп­тич. яв­ле­ний и объ­яс­нить все про­цес­сы, со­про­во­ж­даю­щие рас­про­стра­не­ние све­та в рас­сеи­ваю­щих и ани­зо­троп­ных сре­дах и вбли­зи гра­ниц раз­де­лов сред с раз­ны­ми оп­тич. ха­рак­те­ристи­ка­ми, а так­же за­ви­си­мость оп­тич. свойств сред от дли­ны вол­ны (дис­пер­сию), влия­ние на све­то­вые яв­ле­ния в сре­дах темп-ры, дав­ле­ния, зву­ка, элек­три­че­ских и маг­нит­ных по­лей и др.

Важ­ным для раз­ви­тия оп­тич. пред­став­ле­ний ста­ло от­кры­тие ме­та­ма­те­риа­лов – струк­тур с от­ри­ца­тель­ным по­ка­за­те­лем пре­лом­ле­ния, тео­ре­ти­че­ски ис­сле­до­ван­ных в 1967 В. Г. Ве­се­ла­го. На их ос­но­ве мо­гут быть соз­да­ны уст­рой­ства с уни­каль­ны­ми ха­рак­те­ри­сти­ка­ми, прин­ци­пи­аль­но от­ли­чаю­щи­ми­ся от ха­рак­те­ри­стик оп­тич. сис­тем с обыч­ны­ми оп­тич. эле­мен­та­ми.

В вол­но­вой О. па­ра­мет­ры сре­ды час­то счи­та­ют­ся не за­ви­ся­щи­ми ни от ин­тен­сив­но­сти све­та, ни от вре­ме­ни; со­от­вет­ст­вен­но, оп­тич. про­цес­сы опи­сы­ва­ют­ся ли­ней­ны­ми диф­фе­рен­ци­аль­ны­ми урав­не­ния­ми с по­сто­ян­ны­ми ко­эф­фи­ци­ен­та­ми. Од­на­ко во мно­гих слу­ча­ях, осо­бен­но при боль­ших ин­тен­сив­но­стях све­то­вых по­то­ков, это пред­по­ло­же­ние не­спра­вед­ли­во: по­ка­за­тель пре­лом­ле­ния за­ви­сит от на­пря­жён­но­сти элек­трич. по­ля све­то­вой вол­ны (не­ли­ней­ная по­ля­ри­зуе­мость ве­ще­ст­ва). Это при­во­дит к со­вер­шен­но но­вым яв­ле­ни­ям и за­ко­но­мер­но­стям, та­ким как из­ме­не­ние уг­ла пре­лом­ле­ния све­то­во­го пуч­ка на гра­ни­це двух сред при из­ме­не­нии его ин­тен­сив­но­сти, сжа­тие и рас­ши­ре­ние све­то­вых пуч­ков (са­мо­фо­ку­си­ров­ка све­та и его са­мо­де­фоку­си­ров­ка), из­ме­не­ние спек­траль­но­го со­ста­ва све­та, про­хо­дя­ще­го че­рез не­ли­ней­ную сре­ду (ге­не­ра­ция оп­тич. гар­мо­ник), взаи­мо­дей­ст­вие све­то­вых пуч­ков в ре­зуль­та­те мо­ду­ля­ции све­том ве­ли­чи­ны $\varepsilon$ и по­яв­ле­ние в из­лу­че­нии ком­би­на­ци­он­ных час­тот (па­ра­мет­рич. яв­ле­ния, см. Па­ра­мет­ри­че­ский ге­не­ра­тор све­та), само­ор­га­ни­за­ция све­то­вых струк­тур в сис­те­мах с об­рат­ной свя­зью и др. Эти явле­ния рас­смат­ри­ва­ют­ся в не­ли­ней­ной оп­ти­ке, по­лу­чив­шей боль­шое прак­тич. зна­че­ние в свя­зи с соз­да­ни­ем ла­зе­ров.

Осо­бен­но вы­со­кие зна­че­ния на­пря­жён­но­сти элек­трич. по­ля мож­но по­лу­чить при фо­ку­си­ров­ке из­лу­че­ния ла­зе­ров, ге­не­ри­рую­щих им­пуль­сы фем­то­се­кунд­ной дли­тель­но­сти. Соз­да­ние им­пульс­ных ла­зер­ных сис­тем фем­то­се­кунд­но­го диа­па­зо­на, спо­соб­ных ге­не­ри­ро­вать мощ­но­сти бо­лее 1 те­ра­ват­та (1ТВт = 1012Вт), и про­ек­ти­ро­ва­ние ус­та­но­вок пе­та­ватт­но­го диа­па­зо­на (1ПВт = 1015Вт) от­кры­ва­ют но­вые, ра­нее не­дос­туп­ные воз­мож­но­сти для ис­сле­до­ва­ния взаи­мо­дей­ст­вия из­лу­че­ния с ве­ще­ст­вом. Про­хо­ж­де­ние че­рез ве­ще­ст­во сверх­мощ­ных им­пуль­сов при­во­дит к но­вым ре­жи­мам взаи­мо­дей­ст­вия. Час­то речь идёт о взаи­мо­дей­ст­вии с плаз­мой, по­сколь­ку на­пря­жён­ность элек­трич. по­ля све­то­вой вол­ны пре­вос­хо­дит ту, что удер­жи­ва­ет элек­тро­ны в ато­ме. Ре­зуль­та­том это­го взаи­мо­дей­ст­вия мо­гут быть мощ­ные вспыш­ки вто­рич­но­го из­лу­че­ния в рент­ге­нов­ском диа­па­зо­не спек­тра.

Хо­ро­шо опи­сы­вая рас­про­стра­не­ние све­та в ма­те­ри­аль­ных сре­дах, вол­но­вая О. не смог­ла удов­ле­тво­ри­тель­но объ­яснить про­цес­сы его ис­пус­ка­ния и по­гло­ще­ния. Ис­сле­до­ва­ние этих про­цес­сов (фо­то­эф­фект, фо­то­хи­мич. пре­вра­ще­ния мо­ле­кул, за­ко­но­мер­но­сти оп­тич. спек­тров и др.) и об­щие тер­мо­ди­на­мич. со­об­ра­же­ния о взаи­мо­дей­ст­вии элек­тро­маг­нит­но­го по­ля с ве­ще­ст­вом при­ве­ли к вы­во­ду, что эле­мен­тар­ная сис­те­ма (атом, мо­ле­ку­ла) мо­жет ис­пус­кать или по­гло­щать энер­гию элек­тро­маг­нит­но­го по­ля лишь дис­крет­ны­ми пор­ция­ми (кван­та­ми), про­пор­цио­наль­ны­ми час­то­те из­лу­че­ния $\nu$ (см. Из­лу­че­ние). По­это­му све­то­во­му элек­тро­маг­нит­но­му по­лю со­пос­тав­ля­ет­ся по­ток кван­тов све­та – фо­то­нов, рас­про­стра­няю­щих­ся в ва­куу­ме со ско­ро­стью све­та. В про­стей­шем слу­чае энер­гия, те­ряе­мая или при­об­ре­тае­мая изо­ли­ро­ван­ной кван­то­вой сис­те­мой при взаи­мо­дей­ст­вии с оп­тич. из­лу­че­ни­ем, рав­на энер­гии фо­то­на $h \nu$ ($h$ – по­сто­ян­ная План­ка), а в бо­лее слож­ном – сум­ме или раз­но­сти энер­гий не­сколь­ких фо­то­нов (см. Мно­го­фо­тон­ные про­цес­сы). Эф­фек­ты, в ко­то­рых при взаи­мо­дей­ст­вии све­та и ве­ще­ст­ва про­яв­ля­ют­ся кван­то­вые свой­ст­ва эле­мен­тар­ных сис­тем, рас­смат­ри­ва­ют­ся в кван­то­вой оп­ти­ке ме­то­да­ми, раз­ви­ты­ми в кван­то­вой ме­ха­ни­ке и кван­то­вой элек­тро­ди­на­ми­ке. Важ­ны­ми объ­ек­та­ми, изу­чае­мы­ми в кван­то­вой О., яв­ля­ют­ся сжа­тые со­стоя­ния све­та и др. не­клас­сич. мак­ро­ско­пич. со­стоя­ния све­то­во­го по­ля.

Двой­ст­вен­ность при­ро­ды све­та – на­ли­чие у не­го од­но­вре­мен­но ха­рак­тер­ных черт, при­су­щих и вол­нам, и час­ти­цам, – яв­ля­ет­ся ча­ст­ным слу­ча­ем кор­пус­ку­ляр­но-вол­но­во­го дуа­лиз­ма. Эта кон­цеп­ция бы­ла впер­вые сфор­му­ли­ро­ва­на имен­но для оп­тич. из­лу­че­ния; она ут­вер­ди­лась как уни­вер­саль­ная для всех час­тиц мик­ро­ми­ра по­сле об­на­ру­же­ния вол­но­вых свойств у ма­те­ри­аль­ных час­тиц (см. Ди­фрак­ция час­тиц) и лишь за­тем бы­ла экс­пе­ри­мен­таль­но под­твер­жде­на для ра­дио­из­лу­че­ния. От­кры­тие кван­то­вых яв­ле­ний в ра­дио­диа­па­зо­не во мно­гом стёр­ло рез­кую гра­ни­цу ме­ж­ду ра­дио­фи­зи­кой и О. Сна­ча­ла в ра­дио­фи­зи­ке, а за­тем в фи­зич. О. сфор­ми­ро­ва­лось но­вое на­прав­ле­ние, свя­зан­ное с ге­не­ра­ци­ей вы­ну­ж­ден­но­го из­лу­че­ния и соз­да­ни­ем кван­то­вых уси­ли­те­лей и кван­то­вых ге­не­ра­то­ров из­лу­че­ния (ма­зе­ров и ла­зе­ров). В от­ли­чие от не­упо­ря­до­чен­но­го све­то­во­го по­ля обыч­ных (те­п­ло­вых и лю­ми­нес­цент­ных) ис­точ­ни­ков, из­лу­че­ние ла­зе­ров об­ла­да­ет боль­шой вре­меннóй и про­стран­ст­вен­ной упо­ря­до­чен­но­стью (ко­ге­рент­но­стью), вы­со­кой мо­но­хро­ма­тич­но­стью ($\Delta \nu/\nu$ дос­ти­га­ет 10–14, см. Мо­но­хро­ма­ти­че­ское из­лу­че­ние), пре­дель­но ма­лой, поч­ти ди­фрак­ци­он­ной рас­хо­ди­мо­стью пуч­ка и при фо­ку­си­ров­ке по­зво­ля­ет по­лу­чать не­дос­ти­жи­мые ни для ка­ких др. ис­точ­ни­ков из­лу­че­ния на­пря­жён­но­сти элек­трич. по­ля, пре­вы­шаю­щие внут­ри­атом­ные. По­яв­ле­ние ла­зе­ров сти­му­ли­ро­ва­ло пе­ре­смотр и раз­ви­тие тра­ди­ци­он­ных и воз­ник­но­ве­ние но­вых на­прав­ле­ний фи­зич. О. Ока­за­лось воз­мож­ным прак­ти­че­ски реа­ли­зо­вать идеи го­ло­гра­фии, боль­шую роль ста­ли иг­рать ис­следо­ва­ния ста­ти­сти­ки из­лу­че­ния (ста­ти­сти­че­ская оп­ти­ка), сфор­ми­ро­ва­лась как са­мо­сто­ят. раз­дел не­ли­ней­ная О., по­лу­чи­ли раз­ви­тие ме­то­ды соз­да­ния уз­ко­на­прав­лен­ных ко­ге­рент­ных пуч­ков све­та и управ­ле­ния ими (ко­ге­рент­ная О.), в т. ч. ме­то­ды и сред­ст­ва ав­то­ма­тич. управ­ле­ния оп­тич. сис­те­ма­ми, по­зво­ляю­щие ком­пен­си­ро­вать ис­ка­же­ния све­то­вых пуч­ков, про­хо­дя­щих че­рез не­од­но­род­ные сре­ды (адап­тив­ная оп­ти­ка). Боль­шой ин­те­рес пред­став­ля­ет об­на­ру­жен­ное и тех­ни­че­ски реа­ли­зо­ван­ное в разл. ва­ри­ан­тах яв­ле­ние об­ра­ще­ния вол­но­во­го фрон­та. Осо­бую важ­ность при­об­ре­ло изу­че­ние кру­га яв­ле­ний, свя­зан­ных с воз­дей­ст­ви­ем ин­тен­сив­ных све­то­вых по­то­ков на ве­ще­ст­во, и на­ча­ла бы­ст­ро раз­ви­вать­ся ла­зер­ная тех­но­ло­гия. Раз­ви­тие ла­зер­ной тех­ни­ки при­ве­ло к но­во­му под­хо­ду при соз­да­нии оп­тич. эле­мен­тов и сис­тем, и в ча­ст­но­сти по­тре­бо­ва­ло раз­ра­бот­ки но­вых оп­тич. ма­те­риа­лов, про­пус­каю­щих без их по­вре­ж­де­ний ин­тен­сив­ные све­то­вые по­то­ки (си­ло­вая О.).

Ус­пе­хи в ре­ше­нии об­рат­ных оп­тич. за­дач по­зво­ли­ли раз­ра­бо­тать пло­ские ди­фрак­ци­он­ные эле­мен­ты – фа­зо­вые пла­стин­ки, по­зво­ляю­щие в со­от­вет­ст­вии с за­да­вае­мым ал­го­рит­мом пре­об­ра­зо­вы­вать ам­пли­туд­но-фа­зо­вый про­филь све­то­вых пуч­ков.

Раз­ви­тие на­но­тех­но­ло­гий ста­ло мощ­ным сти­му­лом фор­ми­ро­ва­ния на­но­фо­то­ни­ки – раз­де­ла О., в рам­ках ко­то­ро­го рас­смат­ри­ва­ют­ся оп­тич. яв­ле­ния в на­но­мет­ро­вой шка­ле. Осн. за­да­чей на­но­фо­то­ни­ки яв­ля­ет­ся рас­про­стра­не­ние оп­тич. тех­но­ло­гий на мас­шта­бы длин, на­хо­дящих­ся за ди­фрак­ци­он­ным пре­де­лом (ок. 200 нм). Пре­одо­леть ди­фрак­ци­он­ный пре­дел по­зво­ля­ет оп­тич. мик­ро­ско­пия ближ­не­го по­ля, ос­но­ван­ная на де­тек­ти­ро­ва­нии рас­сея­ния све­та от изу­чае­мо­го объ­ек­та на рас­стоя­ни­ях, мень­ших дли­ны вол­ны све­та.

Физиологическая оптика

Изу­ча­ет стро­е­ние и функ­цио­ни­ро­ва­ние все­го ап­па­ра­та зре­ния – от гла­за до ко­ры моз­га; раз­ра­ба­ты­ва­ет тео­рию зре­ния, вос­при­ятия све­та и цве­та. Ре­зуль­та­ты фи­зио­ло­гич. О. ис­поль­зу­ют­ся в ме­ди­ци­не, фи­зио­логии, тех­ни­ке при раз­ра­бот­ке раз­но­об­раз­ных уст­ройств – от ос­ве­тит. при­бо­ров и оч­ков до цвет­но­го ки­но и те­ле­ви­де­ния. Под­роб­нее см. в стать­ях Фи­зио­ло­ги­че­ская оп­ти­ка, Зре­ние, Ко­ло­ри­мет­рия.

Практическое применение

Все раз­де­лы О. име­ют раз­но­об­раз­ное прак­тич. при­ме­не­ние. За­да­чи ра­цио­наль­но­го ос­ве­ще­ния улиц, по­ме­ще­ний, ра­бо­чих мест на про­из­вод­ст­ве, зре­лищ, ис­то­рич. и ар­хит. па­мят­ни­ков и др. ре­ша­ют­ся све­то­тех­ни­кой на ос­но­ве гео­мет­рич. О. и фо­то­мет­рии с учё­том за­ко­нов фи­зио­ло­гич. О.; при этом ис­поль­зу­ют­ся дос­ти­же­ния фи­зич. О. (напр., для соз­да­ния лю­ми­нес­цент­ных ис­точ­ни­ков све­та) и оп­тич. тех­но­ло­гии (из­го­тов­ле­ние зер­кал, све­то­фильт­ров, эк­ра­нов и т. д.). О. ре­ша­ет за­да­чи по­лу­че­ния в разл. спек­траль­ных об­лас­тях изо­бра­же­ний, со­от­вет­ст­вую­щих ори­ги­на­лам как по гео­мет­рич. фор­ме, так и по рас­пре­де­ле­нию ярко­сти. Гео­мет­рич. О. с при­вле­че­ни­ем фи­зич. О. да­ёт от­вет на во­прос, как сле­ду­ет по­стро­ить оп­ти­че­скую сис­те­му, что­бы ка­ж­дая точ­ка объ­ек­та изо­бра­жа­лась так­же в ви­де точ­ки при со­хра­не­нии гео­мет­рич. по­до­бия изо­бра­же­ния объ­ек­ту. Она ука­зы­ва­ет на ис­точ­ни­ки ис­ка­же­ний изо­бра­же­ния и их уро­вень в ре­аль­ных оп­тич. сис­те­мах (см. Абер­ра­ции оп­ти­че­ских сис­тем).

Воз­мож­но­сти по­лу­че­ния оп­тич. об­ра­зов без при­ме­не­ния фо­ку­си­рую­щих сис­тем рас­смат­ри­ва­ет го­ло­гра­фия, в ос­но­ву ко­то­рой по­ло­же­на идея об од­но­знач­ной свя­зи фор­мы те­ла с про­стран­ст­вен­ным рас­пре­де­ле­ни­ем ам­пли­туд и фаз рас­про­стра­няю­щих­ся от не­го (рас­се­ян­ных им) све­то­вых волн. Для ре­ги­ст­ра­ции рас­пре­де­ле­ния ам­пли­туд и фаз по­ля в го­ло­гра­фии ис­поль­зу­ет­ся мо­но­хро­ма­тич. из­лу­че­ние. По­это­му бур­ное раз­ви­тие го­ло­гра­фии свя­за­но с от­крыв­ши­ми­ся в ре­зуль­та­те раз­ра­бот­ки ла­зе­ров воз­мож­но­стя­ми по­лу­чать ин­тен­сив­ные ко­ге­рент­ные оп­тич. по­ля, а так­же с её ши­ро­ким прак­тич. при­ме­не­ни­ем (изу­че­ние плаз­мы, ис­сле­до­ва­ние де­фор­ма­ции тел, рас­по­зна­ва­ние об­ра­зов, оп­ти­че­ская об­ра­бот­ка ин­фор­ма­ции и др.). Оп­тич. яв­ле­ния и ме­то­ды, раз­ра­бо­тан­ные в О., ис­поль­зу­ют­ся для ана­ли­тич. це­лей и кон­тро­ля в са­мых разл. об­лас­тях нау­ки и тех­ни­ки.

Осо­бое ме­сто в кру­гу на­уч. и прак­тич. за­дач, ре­шае­мых сред­ст­ва­ми ко­ге­рент­ной О., за­ни­ма­ют мет­ро­ло­гич. за­да­чи. Ис­поль­зо­ва­ние средств ин­тер­фе­ро­мет­рии, го­ло­гра­фии, до­п­ле­ров­ской ане­мо­мет­рии по­зво­ля­ет про­из­во­дить вы­со­ко­точ­ные из­ме­ре­ния боль­шо­го чис­ла раз­мер­ных и ди­на­мич. па­ра­мет­ров разл. объ­ек­тов. Струк­тур­ные па­ра­мет­ры, та­кие как тол­щи­на плё­нок, вы­со­та мик­ро­рель­е­фа, раз­ме­ры не­од­но­род­но­стей, ве­ли­чи­на де­фор­ма­ции, и ди­на­мич. ха­рак­те­ри­сти­ки ис­сле­дуе­мых объ­ек­тов, свя­зан­ные со сме­ще­ни­ем, ус­ко­ре­ни­ем, уве­рен­но оп­ре­де­ля­ют­ся с точ­но­стью до со­тых до­лей дли­ны вол­ны ис­поль­зуе­мо­го оп­тич. из­лу­че­ния. Сред­ст­ва из­ме­ре­ния, ос­но­ван­ные на эф­фек­тах ко­ге­рент­но­сти оп­тич. волн, не­за­ме­ни­мы в ка­че­ст­ве ин­ст­ру­мен­тов про­из­водств. кон­тро­ля и со­став­ля­ют ос­но­ву мн. эта­лон­ных по­ве­роч­ных средств бла­го­да­ря от­но­си­тель­ной про­сто­те реа­ли­зации, ус­той­чи­во­сти, вы­со­кой точ­но­сти и вы­со­кой чув­ст­ви­тель­но­сти. Со­вер­шен­ст­во­ва­ние ме­то­дов оп­тич. из­ме­ре­ний свя­за­но так­же с учё­том фрак­таль­ных свойств объ­ек­тов и взаи­мо­дей­ст­вую­ще­го с ни­ми из­лу­че­ния.

Уни­каль­ной чув­ст­ви­тель­но­стью об­ла­да­ют из­ме­рит. уст­рой­ст­ва, ис­поль­зую­щие ин­тер­фе­рен­цию све­та. Ин­тер­фе­ро­мет­ры ши­ро­ко при­ме­ня­ют для из­ме­ре­ний длин волн и изу­че­ния струк­ту­ры спек­траль­ных ли­ний, оп­ре­де­ле­ния по­ка­за­те­лей пре­лом­ле­ния про­зрач­ных сред, аб­со­лют­ных и от­но­сит. из­ме­ре­ний длин, из­ме­ре­ний уг­ло­вых раз­ме­ров звёзд и др. кос­мич. объ­ек­тов.

Осо­бен­но боль­шое зна­че­ние име­ют ме­то­ды спек­траль­но­го ана­ли­за и лю­ми­нес­цент­но­го ана­ли­за, ос­но­ван­ные на свя­зи спек­тров ис­пус­ка­ния, по­гло­ще­ния и рас­сея­ния со струк­ту­рой ато­мов и мо­ле­кул и с внут­ри- и меж­мо­ле­ку­ляр­ны­ми взаи­мо­дей­ст­вия­ми. По ви­ду спек­тров и их из­ме­не­нию со вре­ме­нем или под дей­ст­ви­ем на ве­ще­ст­во внеш­них фак­то­ров мож­но ус­та­но­вить атом­ный и мо­ле­ку­ляр­ный со­став, аг­ре­гат­ное со­стоя­ние и внутр. струк­ту­ру ве­ще­ст­ва, про­сле­дить за ки­не­ти­кой и де­та­ля­ми про­те­каю­щих в нём фи­зич. и хи­мич. про­цес­сов. Совр. раз­ви­тие оп­ти­че­ской спек­тро­ско­пии тес­но свя­за­но с ис­поль­зо­ва­ни­ем ла­зе­ров, ко­то­рые не толь­ко рас­ши­ри­ли воз­мож­но­сти её клас­сич. раз­де­лов, но и при­ве­ли к раз­ви­тию но­во­го на­прав­ле­ния – ли­ней­ной и не­ли­ней­ной ла­зер­ной спек­тро­ско­пии. Дос­ти­же­ния в об­лас­ти ге­не­ра­ции сверх­ко­рот­ких (пи­ко- и фем­то­се­кунд­ных) све­то­вых им­пуль­сов оп­ре­де­ли­ли про­гресс спек­тро­ско­пии пи­ко­се­кунд­ных им­пуль­сов, по­зво­ляю­щей ис­сле­до­вать ки­не­ти­ку быс­тро­про­те­каю­щих внут­ри- и меж­мо­ле­ку­ляр­ных про­цес­сов, в ча­ст­но­сти в био­ло­гич. объ­ек­тах (см. Фемто- и пи­ко­се­кунд­ная спек­тро­ско­пия). 

Зна­чи­тель­но рас­ши­рить воз­мож­но­сти спек­тро­ско­пии по­зво­ля­ет ис­поль­зо­ва­ние ис­точ­ни­ков син­хро­трон­но­го из­лу­че­ния, об­ла­даю­ще­го зна­чит. ин­тен­сив­но­стью и не­пре­рыв­ным спек­тром в уль­тра­фио­ле­то­вой и рент­ге­нов­ской об­лас­тях спек­тра.

Боль­шое прак­тич. зна­че­ние име­ет дис­тан­ци­он­ное зон­ди­ро­ва­ние ат­мо­сфе­ры с по­мо­щью ла­зер­ных уст­ройств (ли­да­ров) и оп­ре­де­ле­ние при­сут­ст­вия в ней ма­лых при­ме­сей разл. ве­ществ.

Яв­ле­ние по­ля­ри­за­ции све­та ле­жит в ос­но­ве ря­да ме­то­дов ис­сле­до­ва­ния струк­ту­ры ве­ще­ст­ва с по­мо­щью мно­го­числ. по­ля­ри­за­ци­он­ных при­бо­ров. По из­ме­не­нию сте­пе­ни по­ля­ри­за­ции (де­по­ля­ри­за­ции) све­та при рас­сея­нии и лю­ми­нес­цен­ции мож­но су­дить о те­п­ло­вых и струк­тур­ных флук­туа­ци­ях в ве­ще­ст­ве, флук­туа­ци­ях кон­цен­тра­ции рас­тво­ров, о внут­ри- и меж­мо­ле­ку­ляр­ной пе­ре­да­че энер­гии, струк­ту­ре и рас­по­ло­же­нии из­лу­чаю­щих цен­тров и т. д. Ши­ро­ко при­ме­ня­ет­ся по­ля­ри­за­ци­он­но-оп­тич. ме­тод ис­сле­до­ва­ния на­пря­же­ний, воз­ни­каю­щих в твёр­дых те­лах (напр., при ме­ха­нич. на­груз­ках), по из­ме­не­нию по­ля­ри­за­ции про­шед­ше­го че­рез те­ло све­та, а так­же ме­тод ис­сле­до­ва­ния свойств по­верх­но­сти тел по из­ме­не­нию по­ля­ри­за­ции при от­ра­же­нии све­та (эл­лип­со­мет­рия). В кри­стал­ло­оп­ти­ке по­ля­ри­за­ци­он­ные ме­то­ды ис­поль­зу­ют­ся для изу­че­ния струк­ту­ры кри­стал­лов, в хи­мич. пром-сти – как кон­троль­ные ме­то­ды при про­из-ве оп­ти­че­ски ак­тив­ных ве­ществ, в оп­тич. при­бо­ро­строе­нии – для по­вы­ше­ния точ­но­сти от­счё­тов при­бо­ров (напр., фо­то­мет­ров). 

Ши­ро­кое рас­про­стра­не­ние по­лу­чи­ли ди­фрак­ци­он­ные ре­шёт­ки как дис­пер­ги­рую­щие эле­мен­ты в спек­траль­ных при­бо­рах (мо­но­хро­ма­то­рах, спек­тро­гра­фах, спек­тро­фо­то­мет­рах и др.) и как эле­мен­ты ре­зо­на­то­ров в ла­зе­рах с пе­ре­строй­кой час­то­ты из­лу­че­ния. Они ис­поль­зу­ют­ся так­же в ка­че­ст­ве от­вет­ви­те­лей мо­но­хро­ма­тич. (ла­зер­но­го) из­лу­че­ния, ве­ли­ка их роль в ин­те­граль­ных оп­тич. уст­рой­ст­вах. Ди­фрак­ция све­та на ульт­ра­зву­ке в про­зрач­ных сре­дах по­зво­ля­ет оп­ре­де­лить уп­ру­гие кон­стан­ты ве­ще­ст­ва, а так­же соз­дать аку­сто­оп­тич. мо­ду­ля­то­ры све­та (см. так­же Аку­сто­оп­ти­ка), при­ме­няе­мые в све­то­даль­но­ме­рах, оп­тич. ло­ка­то­рах и сис­те­мах оп­тич. свя­зи.

Оп­тич. ме­то­ды, ос­но­ван­ные на ана­ли­зе рас­сея­ния све­та, по­слу­жи­ли од­ной из су­ще­ст­вен­ных ос­нов ста­нов­ле­ния мо­ле­ку­ляр­ной фи­зи­ки и её при­ло­же­ний. Так, не­фе­ло­мет­рия да­ёт воз­мож­ность по­лу­чать дан­ные о меж­мо­ле­ку­ляр­ном взаи­мо­дей­ст­вии в рас­тво­рах, оп­ре­де­лять раз­ме­ры и мо­ле­ку­ляр­ную мас­су мак­ро­мо­ле­кул по­ли­ме­ров, а так­же час­тиц в кол­ло­ид­ных сис­те­мах, взве­сях и зо­лях. Цен­ные све­де­ния о струк­ту­ре уров­ней энер­гии мо­ле­кул, их взаи­мо­дей­ст­вии и строе­нии ве­ще­ст­ва да­ёт изу­че­ние ком­би­на­ци­он­но­го рас­сея­ния све­та и Ман­дель­шта­ма – Брил­лю­эна рас­сея­ния. Ис­поль­зо­ва­ние ла­зе­ров рез­ко уве­ли­чи­ло ин­фор­ма­тив­ность спек­тро­ско­пии рас­сея­ния, при­ве­ло к от­кры­тию вы­ну­ж­ден­но­го рас­сея­ния све­та и к раз­ви­тию но­во­го на­прав­ле­ния – ак­тив­ной ла­зер­ной спек­тро­ско­пии, ос­но­ван­ной на воз­дей­ст­вии ла­зер­но­го из­лу­че­ния на рас­пре­де­ле­ние рас­сеи­ваю­щих час­тиц (мо­ле­кул) по энер­ге­тич. со­стоя­ни­ям.

Чрез­вы­чай­но ши­ро­ко при­ме­ня­ют­ся фо­то­элек­трон­ные при­бо­ры, ос­но­ван­ные на кван­то­вых оп­тич. яв­ле­ни­ях, – фо­то­эле­мен­ты и фо­то­элек­трон­ные ум­но­жи­те­ли, фо­то­дио­ды, фо­то­со­про­тив­ле­ния, элек­трон­но-оп­тич. пре­об­ра­зо­ва­те­ли, пе­ре­даю­щие те­ле­ви­зи­он­ные труб­ки и др. Фо­то­эле­мен­ты ис­поль­зу­ют­ся не толь­ко для ре­ги­ст­ра­ции из­лу­че­ния, но и как уст­рой­ст­ва, пре­об­ра­зую­щие лу­чи­стую энер­гию Солн­ца в элек­трич. энер­гию (сол­неч­ные ба­та­реи). Фо­то­хи­мич. дей­ст­вие све­та ле­жит в ос­но­ве фо­то­гра­фии и изу­ча­ет­ся в спец. об­лас­ти, по­гра­нич­ной ме­ж­ду хи­ми­ей и О., – фо­то­хи­мии. Из­ме­не­ние оп­тич. свойств ве­ществ под дей­ст­ви­ем све­та (фо­то­хро­мизм) ис­поль­зу­ет­ся при раз­ра­бот­ках но­вых сис­тем оп­ти­че­ской за­пи­си и хра­не­ния ин­фор­ма­ции для нужд вы­чис­лит. тех­ни­ки и соз­да­ния за­щит­ных све­то­фильт­ров, ав­то­ма­ти­че­ски уве­ли­чи­ваю­щих по­гло­ще­ние све­та при воз­рас­та­нии его ин­тен­сив­но­сти. По­лу­че­ние мощ­ных по­то­ков мо­но­хро­ма­тич. ла­зер­но­го из­лу­че­ния с раз­ны­ми дли­на­ми волн от­кры­ло путь к раз­ра­бот­ке ме­то­дов ла­зер­но­го раз­де­ле­ния изо­то­пов и сти­му­ли­ро­ва­ния на­прав­лен­но­го про­те­ка­ния хи­мич. ре­ак­ций, по­зво­ли­ло най­ти но­вые, не­тра­ди­ци­он­ные при­ме­не­ния О. в био­фи­зи­ке (воз­дей­ст­вие ла­зер­ных све­то­вых по­то­ков на био­ло­гич. объ­ек­ты на мо­ле­ку­ляр­ном уров­не) и ме­ди­ци­не. В тех­ни­ке ис­поль­зо­ва­ние ла­зе­ров при­ве­ло к по­яв­ле­нию оп­тич. ме­то­дов об­ра­бот­ки ма­те­риа­лов (см., напр., Ла­зер­ный от­жиг). Бла­го­да­ря воз­мож­но­сти с по­мо­щью ла­зе­ров за ко­рот­кое вре­мя кон­цен­три­ро­вать на пло­щад­ках с ли­ней­ны­ми раз­ме­ра­ми ок. 10 мкм боль­шие мощ­но­сти из­лу­че­ния ин­тен­сив­но раз­ви­ва­ет­ся оп­тич. ме­тод по­лу­че­ния вы­со­ко­тем­пе­ра­тур­ной плот­ной плаз­мы с це­лью осу­ще­ст­в­ле­ния управ­ляе­мо­го тер­мо­ядер­но­го син­те­за (см. Ла­зер­ный тер­мо­ядер­ный син­тез).

Ус­пе­хи О. сти­му­ли­ро­ва­ли раз­ви­тие оп­то­элек­тро­ни­ки, ко­то­рая изу­ча­ет эф­фек­ты вза­им­но­го пре­об­ра­зо­ва­ния оп­тич. из­лу­че­ния и элек­трич. сиг­на­лов в твёр­дом те­ле. В оп­то­элек­тро­ни­ке ус­лов­но вы­де­ля­ют фо­то­ни­ку и оп­тро­ни­ку. В фо­то­ни­ке ис­сле­ду­ют­ся ме­то­ды соз­да­ния уст­ройств, пред­на­зна­чен­ных для хра­не­ния, пе­ре­да­чи, об­ра­бот­ки и ото­бра­же­ния ин­фор­ма­ции, пе­ре­да­вае­мой в ви­де оп­тич. сиг­на­лов. Од­на из осн. за­дач фо­то­ни­ки – раз­ра­бот­ка спо­со­бов управ­ле­ния све­том при по­мо­щи све­та. Це­лью оп­тро­ни­ки яв­ля­ет­ся раз­ви­тие ме­то­дов соз­да­ния оп­трон­ных схем – элек­трон­ных уст­ройств с внутр. оп­тич. свя­зя­ми (см. Оп­трон). Тех­нич. ос­но­ва оп­то­элек­тро­ни­ки – ин­те­граль­ная оп­ти­ка, ши­ро­ко ис­поль­зую­щая вол­но­вод­ные сис­те­мы и мно­го­функ­цио­наль­ные ми­ниа­тюр­ные мо­ду­ли с ли­ней­ным и не­ли­ней­ным пре­об­ра­зо­ва­ни­ями оп­тич. из­лу­че­ния. Эле­мент­ная ба­за уст­ройств ин­те­граль­ной О. час­то вклю­ча­ет мик­ро­ла­зе­ры, в ко­то­рых в ка­че­ст­ве из­лу­чаю­щих цен­тров ис­поль­зу­ют­ся ге­те­ро­ст­рук­ту­ры с по­ни­жен­ной раз­мер­но­стью (кван­то­вые ямы, кван­то­вые про­во­ло­ки и кван­то­вые точ­ки). Ве­дут­ся раз­ра­бот­ки оп­ти­че­ско­го ком­пь­ю­те­ра.

С по­яв­ле­ни­ем ла­зе­ров даль­ней­шее раз­ви­тие по­лу­чи­ли оп­тич. даль­но­мет­рия (см. Све­то­даль­но­мер), оп­ти­че­ская ло­ка­ция и оп­ти­че­ская связь. Оп­тич. даль­но­ме­ры при­ме­ня­ют­ся в гео­де­зич. прак­ти­ке, при стро­ит. ра­бо­тах и др. Ме­то­да­ми оп­тич. ло­ка­ции бы­ло уточ­не­но рас­стоя­ние до Лу­ны, ве­дёт­ся сле­же­ние за ИСЗ; по ли­ни­ям ла­зер­ной оп­тич. свя­зи ве­дут­ся те­ле­фон­ные пе­ре­го­во­ры и пе­ре­да­ют­ся изо­бра­же­ния. Соз­да­ние во­ло­кон­ных све­то­во­дов с ма­лым за­ту­ха­ни­ем (см. Во­ло­кон­ная оп­ти­ка) по­влек­ло за со­бой прак­тич. раз­ра­бот­ки сис­тем ка­бель­ной оп­тич. свя­зи, имею­щей ряд пре­иму­ществ по срав­не­нию с элек­трич. про­вод­ной свя­зью. На­блю­дае­мые в во­ло­кон­ных све­то­во­дах не­ли­ней­ные эф­фек­ты, та­кие как па­ра­мет­рич. уси­ле­ние све­та, вы­ну­ж­ден­ное рас­сея­ние све­та (ком­би­на­ци­он­ное и Ман­дель­шта­ма – Брил­лю­эна), ус­пеш­но ис­поль­зу­ют­ся в соз­да­нии и раз­ра­бот­ке во­ло­кон­ных ла­зе­ров, уси­ли­те­лей и пре­об­ра­зо­ва­те­лей па­ра­мет­ров из­лу­че­ния. При оп­ре­де­лён­ных ус­ло­ви­ях не­ли­ней­ные эф­фек­ты мо­гут быть ис­поль­зо­ва­ны для уве­ли­че­ния ско­ро­сти и даль­но­сти пе­ре­да­чи ин­фор­ма­ции. Осо­бо сле­ду­ет упо­мя­нуть пе­ре­да­чу ин­фор­ма­ции оп­тич. со­ли­то­на­ми – ла­зер­ны­ми им­пуль­са­ми, ко­то­рые за счёт не­ли­ней­ных и дис­пер­си­он­ных эф­фек­тов рас­про­стра­ня­ют­ся по све­то­во­ду без из­ме­не­ния фор­мы. 

Исторический очерк

Ещё в Древ­ней Гре­ции бы­ли от­кры­ты за­ко­ны пря­мо­ли­ней­но­го рас­про­стра­не­ния и от­ра­же­ния све­та (Ари­сто­тель, Пла­тон, Евк­лид). В сред­ние ве­ка ста­ли из­вест­ны эм­пи­рич. пра­ви­ла по­строе­ния изо­бра­же­ний, да­вае­мых лин­за­ми; ок. 1590 З. Ян­сен по­стро­ил пер­вый двух­лин­зо­вый мик­ро­скоп; в 1609 Г. Га­ли­лей изо­брёл те­ле­скоп. Точ­ные за­ко­ны пре­лом­ле­ния све­та экс­пе­ри­мен­таль­но ус­та­нов­ле­ны ок. 1620 В. Снел­лиу­сом и в 1637 Р. Де­кар­том. По­сле­дую­щей фор­му­ли­ров­кой Фер­ма прин­ци­па (1660) был за­вер­шён фун­да­мент по­строе­ния гео­мет­рич. оп­ти­ки.

Даль­ней­шее раз­ви­тие О. свя­за­но с от­кры­тия­ми ди­фрак­ции и ин­тер­фе­рен­ции све­та (Ф. М. Гри­маль­ди, опубл. в 1665), двой­но­го лу­че­пре­лом­ле­ния (Э. Бар­то­лин, 1669) и с ра­бо­та­ми И. Нью­то­на, P. Гу­ка и X. Гюй­ген­са. Нью­тон об­ра­тил вни­ма­ние на пе­рио­дич­ность све­то­вых яв­ле­ний и до­пус­тил воз­мож­ность их вол­но­вой ин­тер­пре­та­ции, но от­дал пред­поч­те­ние кор­пус­ку­ляр­ной кон­цеп­ции све­та, счи­тая его по­то­ком час­тиц, дей­ст­вую­щих на эфир. Дви­же­ни­ем све­то­вых час­тиц че­рез эфир пе­ре­мен­ной плот­но­сти и их взаи­мо­дей­ст­ви­ем с ма­те­ри­аль­ны­ми те­ла­ми, по Нью­то­ну, обу­слов­ле­ны пре­лом­ле­ние и от­ра­же­ние све­та, цве­та тон­ких плё­нок, ди­фрак­ция све­та и его дис­пер­сия. Нью­тон осоз­нал по­ля­ри­за­цию как «из­на­чаль­ное» свой­ст­во све­та, объ­яс­няе­мое оп­ре­де­лён­ной ори­ен­та­ци­ей све­то­вых час­тиц по от­но­ше­нию к об­ра­зуе­мо­му ими лу­чу. Гюй­генс по­ла­гал, что све­то­вое воз­бу­ж­де­ние есть им­пуль­сы уп­ру­гих ко­ле­ба­ний эфи­ра, рас­про­стра­няю­щие­ся с боль­шой, но ко­неч­ной ско­ростью. Пер­вое экс­пе­рим. оп­ре­де­ле­ние ско­ро­сти све­та про­из­вёл в 1675 О. Рё­мер. Наи­боль­шим вкла­дом Гюй­ген­са в О. яв­ля­ет­ся фор­му­ли­ров­ка Гюй­ген­са – Фре­не­ля прин­ци­па, а так­же объ­яс­не­ние двой­но­го лу­че­пре­лом­ле­ния. Од­на­ко Гюй­генс не раз­ра­бо­тал по­сле­до­ва­тель­ную вол­но­вую тео­рию све­та, ко­то­рая вы­дер­жа­ла бы про­ти­во­по­став­ле­ние воз­зре­ни­ям Нью­то­на.

Окон­ча­тель­ное ут­вер­жде­ние вол­но­вой О. свя­за­но с ра­бо­та­ми Т. Юн­га и О. Фре­не­ля. В 1801 Юнг сфор­му­ли­ро­вал прин­цип ин­тер­фе­рен­ции, по­зво­лив­ший ему объ­яс­нить цве­та тон­ких плё­нок (см. По­ло­сы рав­ной тол­щи­ны). Опи­ра­ясь на этот прин­цип, Фре­нель по-но­во­му ис­тол­ко­вал прин­цип Гюй­ген­са, дал удов­ле­тво­ри­тель­ное вол­но­вое объ­яс­не­ние пря­мо­ли­ней­но­сти рас­про­стра­не­ния све­та и объ­яс­нил мно­го­числ. ди­фрак­цион­ные яв­ле­ния. В опы­тах Фре­не­ля и Д. Ф. Ара­го бы­ло ус­та­нов­ле­но, что вол­ны, по­ля­ри­зо­ван­ные пер­пен­ди­ку­ляр­но друг дру­гу, не ин­тер­фе­ри­ру­ют; это да­ло ос­но­ва­ние вы­ска­зать идею о по­пе­реч­но­сти све­то­вых ко­ле­ба­ний, ис­хо­дя из ко­то­рой Фре­нель по­стро­ил тео­рию кри­стал­ло­оп­тич. яв­ле­ний. Т. о., все из­вест­ные к то­му вре­ме­ни оп­тич. яв­ле­ния по­лу­чи­ли вол­но­вую ин­тер­пре­та­цию. Де­таль­ная раз­ра­бот­ка пред­став­ле­ний о све­те как о по­пе­реч­ных уп­ру­гих ко­ле­ба­ни­ях эфи­ра при­во­ди­ла к не­об­хо­ди­мо­сти ис­кусств. тео­ре­тич. по­строе­ний (так, эфир на­де­лял­ся свой­ст­ва­ми твёр­до­го со­стоя­ния и в то же вре­мя до­пус­ка­лось, что в нём мо­гут сво­бод­но пе­ре­ме­щать­ся те­ла). Эти труд­но­сти бы­ли раз­ре­ше­ны при по­сле­до­ват. раз­ви­тии уче­ния Дж. К. Мак­свел­ла об элек­тро­маг­нит­ном по­ле. Ос­но­вы­ва­ясь на от­кры­тии М. Фа­ра­дея, Мак­свелл при­шёл к вы­во­ду, что свет – это элек­тро­маг­нит­ные, а не уп­ру­гие вол­ны.

Пер­вым ука­за­ни­ем на не­по­сред­ст­вен­ную связь элек­тро­маг­не­тиз­ма с О. бы­ло от­кры­тие М. Фа­ра­де­ем (1845) вра­ще­ния плос­ко­сти по­ля­ри­за­ции све­та в маг­нит­ном по­ле (Фа­ра­дея эф­фект). Да­лее бы­ло ус­та­нов­ле­но, что от­но­ше­ние элек­тро­маг­нит­ных и элек­тро­ста­тич. еди­ниц си­лы то­ка по аб­со­лют­ной ве­ли­чи­не и раз­мерно­сти сов­па­да­ет со ско­ро­стью све­та $c$ (В. Э. Ве­бер, Ф. Коль­ра­уш, 1856). Дж. К. Мак­свелл тео­ре­ти­че­ски по­ка­зал, а Г. Р. Герц в 1888 под­твер­дил экс­пе­ри­мен­таль­но, что из­ме­не­ния элек­тро­маг­нит­но­го по­ля рас­про­стра­ня­ют­ся в ва­куу­ме имен­но с этой ско­ро­стью. В про­зрач­ной сре­де ско­рость све­та $v=c/n=c/\sqrt{\varepsilon \mu}$, т. е. оп­ре­де­ля­ет­ся ди­элек­три­че­ской $\varepsilon$ и маг­нит­ной $\mu$ про­ни­цае­мо­стя­ми сре­ды. От­кры­тие в 1862 франц. фи­зи­ком Ф. Ле­ру ано­маль­ной дис­пер­сии све­та, свя­зан­ной с по­гло­ще­ни­ем све­та, при­ве­ло к пред­став­ле­нию о ве­ще­ст­ве как о со­во­куп­но­сти ос­цил­лято­ров, с ко­то­ры­ми взаи­мо­дей­ству­ет свет (нем. фи­зик В. Зель­мей­ер, 1872). В 1890-х гг. П. Дру­де, Г. Гельм­гольц и X. Ло­ренц при раз­ра­бот­ке элек­трон­ной тео­рии строе­ния ве­ще­ст­ва объ­е­ди­ни­ли идею об ос­цил­ля­то­рах и элек­тро­маг­нитную тео­рию све­та. Пред­став­ле­ние об элек­тро­нах как об ос­цил­ля­то­рах, ко­то­рые вхо­дят в со­став ато­мов и мо­ле­кул и спо­соб­ны со­вер­шать в них ко­ле­ба­ния, по­зво­ли­ло опи­сать мн. оп­тич. яв­ле­ния, в т. ч. нор­маль­ную и ано­маль­ную дис­пер­сии све­та. Под­твер­жде­ни­ем пред­став­ле­ний о том, что из­лу­че­ние и по­гло­щение све­та оп­ре­де­ля­ют­ся по­ве­де­ни­ем элек­тро­нов в ато­мах, яви­лось от­кры­тие в 1896 П. Зее­ма­ном и ис­тол­ко­ва­ние в 1897 Ло­рен­цем дей­ст­вия маг­нит­но­го по­ля на час­то­ты из­лу­че­ния и по­гло­ще­ния ато­мов (Зее­ма­на эф­фект). В пол­ном со­гла­сии с тео­ри­ей Мак­свел­ла ока­за­лась и ве­ли­чи­на дав­ле­ния све­та, из­ме­рен­ная П. Н. Ле­бе­де­вым в 1899. Элек­тро­маг­нит­ная тео­рия све­та ста­ла от­прав­ным пунк­том и при соз­да­нии от­но­си­тель­но­сти тео­рии. Пло­до­твор­ность клас­сич. элек­тро­ди­на­мич. тео­рии све­та Мак­свел­ла – Ло­рен­ца не­од­но­крат­но под­твер­жда­лась и в даль­ней­шем, напр. при ис­тол­ко­ва­нии И. Е. Там­мом и И. М. Фран­ком (1937) Ва­ви­ло­ва – Че­рен­ко­ва из­лу­че­ния, в вы­дви­же­нии Д. Га­бо­ром (1947) идеи го­ло­гра­фии (с за­пи­сью вол­но­во­го по­ля в од­ной плос­ко­сти), в раз­ра­бот­ке ори­ги­наль­но­го на­прав­ле­ния трёх­мер­ной голо­гра­фии, на­ча­ло ко­то­ро­му по­ло­жи­ли ра­бо­ты Ю. Н. Де­ни­сю­ка (1962).

Элек­тро­ди­на­мич. тео­рия, од­на­ко, ока­за­лась не­дос­та­точ­ной для опи­са­ния про­цес­сов по­гло­ще­ния и ис­пус­ка­ния све­та. М. Планк, ана­ли­зи­руя спек­тры из­лу­че­ния аб­со­лют­но чёр­но­го те­ла, при­шёл к за­клю­че­нию (1900), что эле­мен­тар­ная ко­ле­ба­тель­ная сис­те­ма (атом, мо­ле­ку­ла) от­да­ёт вол­но­вую энер­гию элек­тро­маг­нит­но­му по­лю или по­лу­ча­ет её от не­го не не­пре­рыв­но, а пор­ция­ми, про­пор­цио­наль­ны­ми час­то­те ко­ле­ба­ний, – кван­та­ми. Ра­бо­ты План­ка и А. Эйн­штей­на (1905), ко­то­рый при­пи­сал кван­там кро­ме энер­гии так­же им­пульс и мас­су, вер­ну­ли О. мн. чер­ты кор­пус­ку­ляр­ных пред­став­ле­ний. Ин­тен­сив­ность элек­тро­маг­нит­но­го по­ля в кван­то­вой О. оп­ре­де­ля­ет ве­ро­ят­ность об­на­ру­же­ния фо­то­на, а струк­ту­ра по­ля от­ра­жа­ет кван­то­вую струк­ту­ру ан­самб­ля эле­мен­тар­ных из­лу­ча­те­лей (ато­мов, мо­ле­кул) и рас­пре­де­ле­ние ак­тов из­лу­че­ния во вре­ме­ни. Т. о., при со­хра­не­нии фи­зич. смыс­ла по­ля фо­то­ны, воз­ни­каю­щие при ак­тах ис­пус­ка­ния све­та и су­ще­ст­вую­щие толь­ко при дви­же­нии со ско­ро­стью све­та, при­об­ре­ли чер­ты ма­те­ри­аль­ных час­тиц. Пред­став­ле­ние о све­те как о по­то­ке фо­то­нов по­зво­ли­ло Эйн­штей­ну объ­яс­нить осн. за­ко­ны фото­эф­фек­та, впер­вые ис­сле­до­ван­ные А. Г. Сто­ле­то­вым в 1888–90, да­ло на­гляд­ное ис­тол­ко­ва­ние су­ще­ст­во­ва­нию ко­рот­ко­вол­но­вой гра­ни­цы в тор­моз­ном из­лу­че­нии элек­тро­нов, Ком­пто­на эф­фек­ту, от­кры­то­му в 1922, сто­ксо­ву сдви­гу час­то­ты из­лу­че­ния фо­то­лю­ми­нес­цен­ции, ком­би­на­ци­он­но­му рас­сея­нию све­та (от­кры­то­му в 1928 Л. И. Ман­дель­шта­мом и Г. С. Ланд­сбер­гом и не­за­ви­си­мо Ч. В. Ра­ма­ном и инд. фи­зи­ком К. С. Кри­шна­ном) и др. яв­ле­ни­ям взаи­мо­дей­ст­вия све­та с ве­ще­ст­вом.

В совр. О. кван­то­вые пред­став­ле­ния не про­ти­во­пос­тав­ля­ют­ся вол­но­вым, а со­че­та­ют­ся на ос­но­ве кван­то­вой ме­ха­ни­ки и кван­то­вой элек­тро­ди­на­ми­ки. Кван­то­вая тео­рия по­зво­ли­ла дать ин­тер­пре­та­цию спек­трам ато­мов, мо­ле­кул и ио­нов, объ­яс­нить воз­дей­ст­вие элек­трич., маг­нит­ных и аку­стич. по­лей на спек­тры, ус­та­но­вить за­ви­си­мость ха­рак­те­ра спек­тра от ус­ло­вий воз­бу­ж­де­ния и т. д. При­ме­ром об­рат­но­го влия­ния О. на раз­ви­тие кван­то­вой тео­рии мо­жет слу­жить от­кры­тие собств. ме­ха­нич. мо­мен­та (спи­на) и свя­зан­но­го с ним собств. маг­нит­но­го мо­мен­та у элек­тро­на и др. час­тиц, по­влёк­шее за со­бой ус­та­нов­ле­ние Пау­ли прин­ци­па (1925) и ис­тол­ко­ва­ние сверх­тон­кой струк­ту­ры спек­тров (В. Пау­ли, 1928).

Наи­бо­лее важ­ное от­кры­тие О. 20 в. – раз­ра­бот­ка ме­то­дов ге­не­ра­ции вы­ну­ж­ден­но­го из­лу­че­ния ато­мов и мо­ле­кул. Впер­вые по­ня­тие вы­ну­ж­ден­но­го из­лу­че­ния ввёл А. Эйн­штейн в 1916. В 1940 рос. фи­зик В. А. Фаб­ри­кант ука­зал на воз­мож­ность его ис­поль­зо­ва­ния для на­блю­де­ния от­ри­ца­тель­но­го по­гло­ще­ния (уси­ле­ния) из­лу­че­ния. Вы­ну­ж­ден­но ис­пу­щен­ный фо­тон дуб­ли­ру­ет фо­тон, вы­звав­ший пе­ре­ход, и ес­ли име­ет­ся ак­тив­ная сре­да с ин­вер­си­ей на­се­лён­но­стей, этот про­цесс мо­жет мно­го­крат­но по­вто­рять­ся – про­ис­хо­дит уси­ле­ние на­чаль­но­го све­то­во­го по­то­ка. До­бав­ле­ние к та­ко­му кван­то­во­му уси­ли­те­лю оп­тич. об­рат­ной свя­зи пре­вра­ща­ет его в оп­тич. кван­то­вый ге­не­ра­тор (ла­зер). Пер­вые кван­то­вые ге­не­ра­то­ры (в сан­ти­мет­ро­вом диа­па­зо­не длин волн – ма­зе­ры) бы­ли соз­да­ны Ч. Х. Та­ун­сом (США) и не­за­ви­си­мо А. М. Про­хо­ро­вым и Н. Г. Ба­со­вым в 1954–55. В даль­ней­шем с ис­поль­зова­ни­ем разл. ме­то­дов по­лу­че­ния ин­верс­ной на­се­лён­но­сти бы­ли по­строе­ны ла­зе­ры на твёр­дых, жид­ких, га­зо­об­раз­ных и плаз­мен­ных сре­дах. При­ори­тет­ные ре­зуль­та­ты в об­лас­ти соз­да­ния ла­зе­ров на ге­те­ро­ст­рук­ту­рах бы­ли по­лу­че­ны Ж. И. Ал­фё­ро­вым. Боль­шой вклад в раз­ви­тие не­ли­ней­ной О. вне­сли Р. В. Хох­лов и С. А. Ах­ма­нов.

alexxlab

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *