Оптика, виды, описание

 

Оптика. Разновидности, основные понятия, описание

Оптика возникла много веков назад как наука, изучающая свойства света – часть дисциплины физики. Это также становилось все более важным для практического применения, как важная область технологии. 

Свойства света уже достаточно точно известны в течение многих десятилетий, поэтому большая часть современных исследований в области оптики сосредоточена на приложениях. Например, можно изучать техническую оптику, которая фокусируется на принципах работы и дальнейшей оптимизации различных оптических компонентов и устройств.

---

Полезные статьи:

Оптические стекла, виды, основные свойства

Что такое световые волны?

Все статьи

 

Оптика играет решающую роль в области фотоники. В основном к отношению различных свойств света и его распространения, например, через прозрачные оптические материалы. Это также имеет очень важное экономическое значение как средство для многих других современных технологий.  

Однако многие детали генерации и обнаружения света лежат за пределами области оптики, которая в основном занимается распространением света. Фотоника включает в себя другие важные области, такие как лазерная физика, которые взаимодействуют с оптической физикой.

В настоящее время оптика имеет дело не только с видимым светом, но также с инфракрасным и ультрафиолетовым светом, поскольку они имеют много общих свойств с видимым светом и часто используются с аналогичными оптическими компонентами.

Геометрическая оптика

Геометрическая оптика — это широко используемая концепция в оптике, где распространение света описывается геометрическими световыми лучами. Эквивалентный термин — «лучевая оптика».

Сделаны следующие предположения относительно световых лучей:

• Они не имеют поперечного удлинения, то есть имеют нулевую толщину.
• В однородных оптических материалах (например, оптических стеклах или воздухе) представляют собой прямые линии.
• Отражаются или отклоняются (преломляются) на гладких оптических границах раздела с определенными законами, определяющими направления исходящих лучей.
• Могут быть остановлены, например, при попадании в некоторую оптическую апертуру.
• Световые лучи могут пересекаться, не влияя друг на друга.

Попытки физической интерпретации световых лучей могут быть успешными лишь в весьма ограниченной степени. Например, лучи интерпретировались как траектории некоторых быстро движущихся частиц света, но эта картина не согласуется с различными наблюдениями. 

Существует некоторое сходство между геометрическими световыми лучами и реальными световыми лучами, в частности с лазерными лучами. Такой луч может быть, по крайней мере, относительно узким и распространяться по прямой линии в однородной среде. Однако реальные световые лучи всегда имеют конечное поперечное удлинение и проявляют явление дифракции. 

Поэтому геометрические лучи являются лишь довольно абстрактным представлением реальных световых лучей. Их поведение может быть получено из волновой оптики в предельном случае исчезающей оптической длины волны.

 

 

Отражение световых лучей

Предполагается, что на поверхности плоского зеркала луч света отражается так, что выходной угол равен входному углу (оба измеряются относительно нормального направления). Для изогнутого зеркала этот расчет выполняется на основе тангенциальной плоской плоскости. 

Модифицированные законы могут применяться в случае дифракционных решеток, где дополнительные дифрагированные лучи выходят под разными углами.

Преломление световых лучей

Когда луч попадает на границу раздела между двумя разными прозрачными средами, часть отражается, а другая часть пропускается; для последней, которая преломляется, направление распространения обычно изменяется в соответствии с законом преломления Снеллиуса.

Изогнутые лучи

В оптически неоднородных средах световые лучи могут распространяться по кривым, а не по прямым линиям. В геометрической оптике можно соответственно предположить криволинейные траектории лучей.

Физическая оптика

Некоторые физические явления довольно ясно показывают, что свет обладает свойствами волн, хотя довольно короткие длины волн света не всегда делают это очевидным.  Однако процессы интерференции и дифракции трудно объяснить без оптических волн. Примерно в 1865 году Джеймсу Клерку Максвеллу удалось продемонстрировать, что свет действительно можно идентифицировать с поперечными электромагнитными волнами с частотами порядка сотен терагерц. 

Это открытие объяснило многие явления, например, в контексте дифракции и поляризации. Некоторые из первых практических результатов были объяснениями ограниченных оптических характеристик, например, микроскопов и телескопов, и намеками на дальнейшую оптимизацию их характеристик.

 

 

Помимо улучшенного понимания, в результате эволюции физической оптики и волновой оптики появилось много новых типов устройств и принципов работы. Например, были созданы мощные спектрометры на основе дифракционных решеток, диэлектрические покрытия (тонкопленочные покрытия) стали очень важными в различных областях фотоники, а оптические резонаторы играют важную роль, например, в качестве оптических фильтров и лазерных резонаторов.

Большая часть физической оптики требует довольно сложных и частично абстрактных математических методов, хотя значительно упрощенных математических методов все еще достаточно для многих целей. Численные методы вычислений стали очень важными, что во многих случаях значительно упрощает работу.

Волновая оптика

Ранние попытки научного описания световых и оптических явлений были основаны на корпускулярных теориях (разработанных Рене Декартом, Исааком Ньютоном и другими), предполагая, что свет состоит из мелких частиц, которые, по крайней мере, в свободном пространстве движутся по прямым линиям со скоростью. Это соответствует геометрической оптике, где свет представлен геометрическими лучами. Начиная с 17-го века ученые, такие как Роберт Гук и Кристиан Гюйгенс, более внимательно следили за доказательствами волновой природы света. Это привело к волновой теории света (волновая оптика), которая была математически разработана Гюйгенсом с публикацией в 1690 году, а позже более подробно инженером-строителем Огюстеном-Жаном Френелем.

 

Волновая оптика не сразу была принята в качестве подходящей модели для описания природы света; только в начале 19-го века она получила действительно широкое признание в научном сообществе. Особенно после наблюдения так называемого пятна Араго Домиником-Франсуа-Жаном Араго, с важным вкладом Огюстена-ЖанаФренель. Основываясь на волновой теории, теперь можно хорошо описать следующие важные оптические явления:

• эффекты дифракции света, например, на узких оптических щелях (позже изучены более подробно, например, Томасом Янгом)
• явления интерференции
• поляризация света (с новаторским вкладом Огюстена-Жана Френеля)

В 1860-х годах Джеймс Клерк Максвелл отождествил оптические волны с электромагнитными. Однако многие продуктивные исследования в области волновой оптики уже были возможны до этого,т.е без понимания детальной физической природы световых волн.

Современные приложения волновой оптики могут быть математически основаны на уравнениях Максвелла как наиболее фундаментальной основе.

 Из него можно напрямую вывести волновое уравнение, которое является дифференциальным уравнением второго порядка во времени и пространстве. Для монохроматического света получается уравнение Гельмгольца. 

Во многих случаях используются упрощенные уравнения, которые являются приблизительными, но довольно точными в определенных ограниченных областях. Также часто используется параксиальное приближение. Скалярные волновые модели, игнорирующие поперечную природу электромагнитных волн, также широко используются в оптике, например, для расчета мод волокна. Для некоторых приложений требуются более сложные модели для полного описания распространения электромагнитных волн.

 

 

Под волновой оптикой обычно понимают полностью классический подход, не принимающий во внимание какие-либо квантовые эффекты.

Очень важной концепцией в волновой оптике является фурье-оптика, которая по существу означает применение поперечных пространственных преобразований Фурье. Это позволяет как для интуитивного качественного объяснения различных явлений и методов проектирования, так и для количественных расчетов.  Такие вычисления могут быть частично выполнены только аналитическими средствами.

Часто численное программное обеспечение используется для моделирования распространения света на основе какого-либо волнового уравнения. Хотя этот подход в принципе может быть довольно общим, требования к времени вычислений и памяти могут быть чрезмерными, если не использовать различные ограничивающие допущения – например, что свет  распространяется только в одном направлении. 

Поскольку геометрическая оптика достаточна для реалистичных описаний, этот подход часто предпочтительнее волновой оптики, поскольку он требует гораздо меньших вычислительных затрат.

Связанный термин — «физическая оптика», который может интерпретироваться как то же самое, что и волновая оптика, или в более ограниченном смысле, когда применяются определенные приближения. Термин подчеркивает, что такие волновые модели физически более реалистичны, чем геометрическая оптика, даже если они не основаны на полных уравнениях Максвелла.

Квантовая оптика

Хотя описание света как классических электромагнитных волн, разработанное в 19 веке, было чрезвычайно успешным, в начале 20 века стало очевидно, что существуют явления, которые трудно объяснить на этой основе.

Например, Альберт Эйнштейн понял, что фотоэлектрический эффект, по-видимому, предполагает, что световая энергия доставляется не непрерывно, а в определенных дискретных пакетах, которые в настоящее время называются фотонами.  

Дальнейшее развитие квантовой механики привело к физическому описанию. Хорошо согласует волновую природу и кажущиеся свойства частиц света, хотя полученную физическую модель трудно объединить с интуитивными идеями, а некоторые аспекты квантовой физики все еще являются предметом дискуссий, в основном касающихся интерпретаций. 

Обратите внимание, что, нет логических недостатков или пробелов в понимании в том смысле, что явления не могут быть должным образом описаны или предсказаны.

Область оптики, которая конкретно занимается квантовыми эффектами, называется «квантовой оптикой».

 В последние годы квантовая оптика привела к интересным технологическим разработкам. Важными ключевыми словами являются 2квантовая криптография» (для безопасной передачи данных на основе физических принципов) и «квантовые вычисления».

 

 

Квантовая оптика — это часть оптики (наука и технология света), которая занимается квантовыми эффектами. Во многих случаях такие эффекты изучаются в контексте фундаментальных исследований. Однако они также очень важны в лазерной физике:

• Фундаментальные квантово-механические процессы, такие как спонтанное и вынужденное излучение, имеют основополагающее значение для общей работы и производительности лазеров.
• Квантовые эффекты создают лазерный шум, например, вызывают конечную ширину линии и конечный уровень шума интенсивности, даже если все технические источники шума подавлены. Аналогичным образом, они устанавливают нижний предел шума усилителя оптических усилителей.

Другая область квантовой оптики включает в себя неклассический свет, такой как сжатые состояния света, обладающие необычными свойствами квантового шума.  Эта область в некоторой степени связана с темой квантовых неразрушающих измерений, которые позволяют, например, определять интенсивность светового луча, не изменяя его.

Квантовые технологии

Квантовая оптика имеет практическое применение, например, квантовая криптография, которая представляет собой использование квантовых эффектов для безопасной передачи информации, и квантовая метрология. Прикладные области также называются квантовой фотоникой как областью квантовой технологии. 

Следующие типы продуктов специфичны для этих областей:

• однофотонные излучатели
• источники пар фотонов
• малошумящие фотоприемники, например, для подсчета фотонов
• оптические ловушки
• системы для квантовой криптографией, включая квантовое распределение ключей
• части для научных исследований по квантовым вычислениям

Техническая оптика

Техническая оптика основана на оптической физике, но фокусируется на оптических компонентах и системах для преобразования и использования света, а не на изучении свойств самого света.  Некоторые примеры для областей деятельности и технической оптики:

• Методы моделирования и проектирования для разработки оптических систем все еще уточняются и оптимизируются. В то время как в ранние времена были определены сложные математические методы, численные вычислительные методы становятся все более и более важными. Частично они основаны на ранее разработанных математических методах, а частично заменяют аналитические методы численными подходами, которые иногда значительно более практичны.
• Оптические материалы и их изготовление дополнительно оптимизируются, и иногда разрабатываются новые материалы.
• Также разрабатываются различные оптические компоненты и устройства, и вводятся новые концепции. Некоторый прогресс в оптических технологиях основан на новых материалах или улучшенных технологиях изготовления, которые могут быть использованы, например, для улучшения характеристик оптических систем или их упрощения, компактности и удешевления. Например, новые технологии изготовления асферичной оптики и высококачественной пластиковой оптики позволяют создавать чрезвычайно компактные фотокамеры с поразительными показателями производительности.

Большая часть технической оптики основана на классической оптике, то есть не включает квантовые эффекты.

Современная оптика имеет дело с распространением света не только в “простых” искусственных средах, но и, например, в атмосфере (атмосферная оптика) и в сильно рассеивающих биологических материалах.

 

  Каталог светильников ФОКУС

Что такое оптика

В обыденной речи слово «свет» мы используем в самых разных значениях: свет мой, солнышко, скажи; ученье – свет, а неученье – тьма. В физике этот термин имеет более определённое значение. Свет или видимое излучение – это электромагнитные волны, вызывающие у человека зрительные ощущения. Такой способностью обладают волны только с определёнными частотами: 4·10¹⁴ – 8·10¹⁴ Гц (см. § 11-е). Однако, например, пчёлы способны видеть ультрафиолет из диапазона 8·10¹⁴ – 300·10¹⁴ Гц. А специальные приборы «ночного видения» воспринимают окружающий мир благодаря его инфракрасному излучению с частотой менее 4·10¹⁴ Гц.

Три названных вида излучения обладают многими схожими свойствами. Поэтому видимое, ультрафиолетовое и инфракрасное излучения объединяют общим названием оптические излучения, а раздел физики, занимающийся их изучением, называют оптикой.

По способу происхождения излучения все источники света разделяют на тепловые и люминесцентные. Тепловые источники имеют высокую температуру. Например, всякое тело, нагретое выше 500 °С, испускает свет красного цвета, выше 1000 °С – жёлтого, выше 1500 °С – белого. Взгляните на фото – по цвету расплавленной стали можно определить её температуру.

В отличие от тепловых, люминесцентные источники света имеют невысокую температуру, например, дисплей мобильного телефона, экран телевизора, насекомые-светлячки, а также специальные твёрдые и жидкие вещества (см. фото). Причины, по которым перечисленные тела испускают «холодный свет», будут обсуждаться нами в следующей теме «Введение в квантовую физику» (см. § 15-в).

Обычно источники испускают свет одновременно во всех направлениях, как, например, свеча или лампа. Но если её закрыть непрозрачным корпусом с отверстием, то свет будет распространяться в виде светового пучка, расширяющегося по мере удаления от источника. Например, на фотографии справа вы видите пучок света от шахтёрского фонаря.

Строго говоря, пучки света невидимы. Однако на обеих фотографиях на этой странице мы явственно «их» различаем. Почему? Дело в том, что воздух в комнате, а, тем более, в шахте, всегда содержит мелкие частицы влаги и пыли. Ярко освещённые, они сливаются в полупрозрачную пелену: желтоватую – если свет жёлтый, розовую – если свет красный и голубую – если свет синий. Если на пучок посмотреть вблизи, то можно разглядеть отдельные пылинки, а промежутки между ними будут тёмными.

Как вы думаете, оказывают ли влияние друг на друга пересекающиеся пучки света? Чтобы ответить на вопрос, проделаем опыт. Возьмём два проектора, расположив их так, чтобы световые пучки пересекались. Вы видите, что синие лучи правого проектора проходят сквозь красные лучи левого, однако это не приводит к искажениям на экране: ни по цвету, ни по очертаниям проецируемых объектов.

Итак, закон независимости распространения света утверждает, что световые пучки, пересекаясь, не влияют друг на друга. Этот закон справедлив для световых пучков небольшой интенсивности (к ним относятся свет большинства окружающих нас источников). Пучки света, например, от мощных лазеров промышленного или научного назначения, могут оказывать влияние друг на друга: для них закон независимости распространения света не всегда будет справедливым.

Опубликовано в разделах: 9 класс, Введение в оптику

Оптическая физика | Что такое оптическая физика?

Оптическая физика | Что такое оптическая физика? | Корнинг

• Инновация
• Материаловедение
• Оптическая физика

Оптическая физика изучает свет и его взаимодействие с материей. Большинство из нас думают о свете как о светящейся энергии. Со светом мы можем видеть вещи. Без него мы в темноте.

Однако для оптических физиков свет — это последовательность электромагнитных волн, которые сильно различаются по своей частоте и длине волны. Помимо видимого света, они изучают формы света с частотами, слишком низкими или слишком высокими для восприятия человеческим глазом. Инфракрасное излучение, например, обнаруживает тепло — а значит, признаки жизни и активности. Радиоволны, микроволны, радар и рентгеновские лучи — все это другие формы света, и каждая из них имеет уникальный способ взаимодействия со стеклом и другим веществом.

Эта научная область имеет естественное сочетание с технологией стекла, поскольку успешная работа многих специальных применений стекла — оптического волокна, панелей дисплеев, полупроводниковых систем и некоторых инструментов для разработки лекарств, и это лишь некоторые из них — зависит от того, как эти приложения передают, обрабатывают или манипулируют светом. И разные составы и формы стекла будут по-разному взаимодействовать со светом.

Наши продукты для оптической связи являются наиболее известным примером опыта Corning в области оптической физики, но они также играют важную роль в мобильной бытовой электронике. Смартфон в вашем кармане оснащен очень маленькими светодиодами, позволяющими использовать экраны с подсветкой, которые потребляют удивительно мало энергии аккумулятора. Сочетание этой повсеместно распространенной инновации со специальными очками, которые ее окружают, навсегда изменило то, как мы общаемся с миром.

Ознакомьтесь с избранными фактами об оптической физике.

Прославление Периодической таблицы

Компания Corning отмечает 150-летие Периодической таблицы, освещая несколько элементов, жизненно важных для нашей работы, а также некоторые сентиментальные фавориты наших ученых.

Подробнее

Как это работает: 5G

Сети 5G пользуются всеобщей популярностью. Чего вы, возможно, не знаете, так это того, что оптическое волокно Corning будет играть роль в их доставке.

Подробнее

Как это работает: оптическое волокно

Corning рассказывает о науке и будущем стекла.

Подробнее

Оптика — Физика LibreTexts

1. Последнее обновление

2. Сохранить как PDF

Идентификатор страницы

9099

Оптика, изучающая поведение и свойства света, включая его взаимодействие с веществом, и создание приборов, которые используют или обнаруживают его. Оптика обычно описывает поведение видимого, ультрафиолетового и инфракрасного света. Хотя, поскольку свет представляет собой электромагнитную волну, другие формы электромагнитного излучения, такие как рентгеновские лучи, микроволны и радиоволны, обладают сходными свойствами.

• Дополнительные модули (компоненты)

  • Линзы
  • Зеркала

• Геометрическая оптика (Татум)

  Эта «книга» не претендует на то, чтобы стать обширным исчерпывающим изложением все, что известно о геометрической оптике. Она охватывает, скорее, геометрическую оптику первокурсников, которым она либо поможет, либо еще больше запутает, хотя я надеюсь, что первое. Та часть геометрической оптики, которая часто вызывает наибольшие трудности, особенно при получении правильного ответа на домашнюю работу или экзаменационные задачи, — это неприятный вопрос соглашений о знаках в расчетах линз и зеркал.

• Физическая оптика (Татум)

  Физическая или волновая оптика — раздел оптики, изучающий интерференцию, дифракцию, поляризацию и другие явления, для которых лучевое приближение геометрической оптики неприменимо .