Оптыка: галіна фізікі

Святло — адзін з відаў электрамагнітных хваль і адрозніваецца ад іншых відаў толькі даўжынёй хвалі, таму законы оптыкі справядлівыя для ўсіх электрамагнітных хваль і яе можна разглядаць як навуку пра электрамагнітныя хвалі.

Оптыка была адным з першых раздзелаў фізікі, дзе праявілася абмежаванасць класічных уяўленняў пра прыроду. Была выяўлена дваістая прырода святла:

• Хвалевая тэорыя святла бярэ пачатак ад Гюйгенса («Трактат пра святло» — фр. Traité de la lumière; 1690) і разглядае святло як сукупнасць папярочных манахраматычных электрамагнітных хваляў, а назіраныя аптычныя эфекты як вынік складання (інтэрферэнцыі) гэтых хваль. Пры гэтым лічыцца, што пры адсутнасці пераходу энергіі выпраменьвання ў іншыя віды энергіі, гэтыя хвалі не ўплываюць адны на другія ў тым сэнсе, што хваля, якая выклікала ў пэўнай вобласці прасторы інтэрферэнцыйныя з’явы, працягвае распаўсюджвацца далей без змены сваіх характарыстык. Хвалевая тэорыя электрамагнітнага выпраменьвання знайшла сваё тэарэтычнае апісанне ў працах Максвела ў форме ўраўненняў Максвела. Выкарыстанне ўяўленняў пра святло як пра хвалю, дазваляе растлумачыць з’явы, звязаныя з інтэрферэнцыі і дыфракцыі, у тым ліку структуру светлавога поля (будова выяваў і галаграфію).
• Карпускулярная тэорыя святла бярэ пачатак ад Ньютана («Оптыка» — англ. Opticks; 1704) і разглядае святло як паток часціц — квантаў святла або фатонаў. У адпаведнасці з ідэяй Планка кожнае выпраменьванне адбываецца дыскрэтна. Выкарыстанне уяўленняў пра святло як пра паток часціц, тлумачыць з’яву фотаэфекту і заканамернасці тэорыі выпраменьвання..

Даўжыня светлавой хвалі ${\displaystyle \lambda }$  залежыць ад скорасці распаўсюджвання хвалі ў асяроддзі ${\displaystyle v}$  і звязана з ёю і частатой ${\displaystyle \nu }$  суадносінамі:

${\displaystyle \lambda ={\frac {v}{\nu }}={\frac {c}{n\nu }},}$ 

дзе ${\displaystyle n}$  — паказчык праламлення асяроддзя. У агульным выпадку паказчык праламлення асяроддзя з’яўляецца функцыяй даўжыні хвалі: ${\displaystyle n=n(\lambda )}$ . Залежнасць паказчыка праламлення ад даўжыні хвалі выяўляецца ў выглядзе з’явы дысперсіі святла.

Характарыстыкамі святла з’яўляюцца:

• спектральны склад, вызначаны дыяпазонам даўжынь хваль святла.
• шырокі клас фотаметрычных велічынь, сярод якіх па шыраце выкарыстання вылучаюцца энергетычныя і светлавыя фотаметрычныя велічыні.
• палярызацыя, вызначаная змяненнем прасторавай арыентацыі электрычнага вектара па меры распаўсюджвання хвалі ў прасторы.
• кірунак распаўсюджвання промня святла, супадае з кірункам нармалі да хвалевага фронту (пры адсутнасці з’явы двайнога праменепраламлення).

Скорасць святла

Універсальнае паняцце ў фізіцы — скорасць святла ${\displaystyle c}$ . Яе значэнне ў вакууме ўяўляе сабой не толькі гранічную скорасць распаўсюджвання электрамагнітных ваганняў кожнай частаты, але і наогул гранічную скорасць распаўсюджвання інфармацыі або кожнага ўздзеяння на матэрыяльныя аб’екты. Пры распаўсюджванні святла ў розным асяроддзі фазавая скорасць святла ${\displaystyle v}$  звычайна памяншаецца: ${\displaystyle v=c/n}$ , дзе ${\displaystyle n}$  — паказчык праламлення асяроддзя, які характарызуе яго аптычныя ўласцівасці і залежыць ад частаты святла: ${\displaystyle n=n(\nu )}$ . У вобласці анамальнай дысперсіі святла паказчык праламлення можа быць і меншы за 1, а фазавая скорасць святла больш за ${\displaystyle c}$ . Апошняе сцвярджэнне не супярэчыць тэорыі адноснасці, бо перадача інфармацыі з дапамогай святла адбываецца не з фазавай, а, звычайна, з групавой скорасцю.

Электрамагнітны спектр прынята дзяліць на радыёхвалі, інфрачырвонае, бачнае, ультрафіялетавае, рэнтгенаўскае і гама-выпраменьванні. Гэтыя ўчасткі спектру адрозніваюцца не па сваёй прыродзе, а па спосабе генерацыі і прыёму выпраменьвання. Таму паміж імі няма рэзкіх пераходаў, самі ўчасткі перакрываюцца, а мяжы паміж імі ўмоўныя.

Хвалевыя і квантавыя заканамернасці з’яўляюцца агульнымі для ўсяго спектру электрамагнітнага выпраменьвання. У залежнасці ад даўжыні хвалі, на першы план выступаюць розныя з’явы, розныя метады даследавання і розныя практычныя прымянення. Таму на оптыку нельга глядзець як на замкнёную дысцыпліну, якая вывучае толькі бачную вобласць спектру, аддзеленую ад іншых абласцей выразнымі межамі. Заканамернасці і вынікі, знойдзеныя ў гэтых іншых галінах, могуць аказацца прыдатнымі ў бачнай вобласці спектру і наадварот.

Аналагічныя з’явы сустракаюцца ў распаўсюджванні рэнтгенаўскага выпраменьвання і радыёхваль, у мікрахвалевых печах і да т. п. Оптыка, такім чынам, можа разглядацца як раздзел электрамагнетызму. Некаторыя аптычныя з’явы залежаць ад квантавай прыроды святла, што звязвае некаторыя вобласці оптыкі з квантавай механікай. Практычна, вялізная большасць аптычных з’яў могуць разглядацца, як электрамагнітныя ваганні, апісаныя ўраўненнямі Максвела.

• Класічная оптыка
  • Геаметрычная оптыка
  • Фізічная оптыка
  • Хвалевая оптыка
• Глядзельнае ўспрыманне
• Лазеры
• Нелінейная оптыка
• Квантавая оптыка
• Градыентная оптыка

Класічная оптыка

Да з’яўлення квантавай оптыкі оптыка ў цэлым грунтавалася на класічным электрамагнетызме. Класічная оптыка дзеліцца на дзве галоўныя галіны: геаметрычная оптыка і фізічная оптыка.

Геаметрычная оптыка

Геаметрычная оптыка (Оптыка промня) не займаецца разглядам пытання пра прыроду святла, а асноўваецца толькі на эмпірычных законы яго распаўсюджвання. Цэнтральнае паняцце геаметрычнай оптыкі, з дапамогай якога апісваецца распаўсюджванне святла, — светлавы прамень, які ўяўляе сабой лінію, уздоўж якой пераносіцца энергія святла. У аднастайным аптычным асяроддзі светлавыя промні ўяўляюць сабой прамыя лініі.

Геаметрычная оптыка дазволіла паспяхова растлумачыць многія з’явы, якія назіраюцца пры праходжанні святла ў розным асяроддзі. Да такіх з’яў адносяцца, напрыклад, скрыўленне промняў у зямной атмасферы, з’яўленне вясёлак і міражоў. Геаметрычная оптыка дазваляе вывучаць і вызначаць заканамернасці і правілы будовы выяў. Яе метады шырока выкарыстоўваюцца пры разліках і канструяванні разнастайных аптычных прыбораў.

Разам з тым у набліжэнні геаметрычнай оптыкі немагчыма растлумачыць паходжанне многіх важных аптычных эфектаў, такіх, напрыклад, як дыфракцыя, інтэрферэнцыя і палярызацыя святла.

Фізічная оптыка

Фізічная оптыка — раздзел оптыкі, які вывучае аптычныя з’явы, якія выходзяць за рамкі набліжэння геаметрычнай оптыкі. Да такіх з’яў ставяцца дыфракцыя, інтэрферэнцыя святла, палярызацыйныя эфекты, а таксама эфекты, звязаныя з распаўсюджваннем электрамагнітных хваль у нелінейных і анізатропных асяроддзях.

Фізічнай оптыкай у вузкім сэнсе таксама часам называюць апісанне працэсу распаўсюджвання аптычных хваляў, заснаванае на ўжыванні тэорыі абурэнняў да геометрооптіческому набліжэнню. У квантавай механіцы аналагам такога набліжэння з’яўляецца Борновское набліжэнне.

Фізічная оптыка або оптыка хвалі грунтуецца на прынцыпе Гюйгенса і мадэлюе распаўсюджванне складаных франтоў імпульсу праз аптычныя сістэмы, уключаючы і амплітуду і фазу хвалі. Гэты падзел оптыкі тлумачыць дыфракцыю, інтэрферэнцыю, эфекты палярызацыі, аберацыі і прыроду іншых складаных эфектаў.

• Лінза
• Фотаэлектрычныя прыёмнікі