Оптика

Материал из Википедии — свободной энциклопедии

Перейти к: навигация, поиск
Таблица оптики, Энциклопедия, 1728

О́птика (от др.-греч. ὀπτική появление или взгляд) — раздел физики, рассматривающий явления, связанные с изменением во времени и пространстве электрического \vec E и магнитного \vec H векторов электромагнитного поля, происходящего со столь высокой частотой ν , что её непосредственное измерение оказывается невозможным на современном уровне развития измерительной техники.
Явления, связанные с магнитным вектором (эффект Фарадея) относят к разделу оптики-магнитооптике
Однако большинство представляющих интерес для физика оптических явлений или световых явлений связаны с изменениями напряженности электрического компонента электромагнитного поля,т.е. вектором \vec E , проявляющиеся в виде света.


Оптика описывает поведение, свойства, первопричинность и природу света, объясняет связанные с этим явления. Под светом понимают не только видимый свет, но и примыкающие к нему широкие области спектра электромагнитных излучений.

Универсальным в физике понятием является скорость света c . Её значение в вакууме представляет собой не только предельную скорость распространения электромагнитных колебаний любой частоты, но и вообще предельную скорость распространения любого воздействия на материальные объекты. При распространении света в различных средах скорость света v уменьшается: v = c / n , где n есть показатель преломления среды, характеризующий её оптические свойства и зависящий от частоты света: n = n(ν)

В соответствии с логикой развития научного знания оптика оказалась первым из разделов физики, где проявилась ограниченность представлений о природе , основанных только на опыте непосредственного чувственного восприятия явлений, происходящих в окружающем мире. Это нашло своё выражение в двойственной природе света:

Корпускулярная теория света, берущая начало от Ньютона, рассматривает его как поток частиц – квантов света или фотонов. В соответствие с идеей Планка любое излучение происходит дискретно, причём минимальная порция энергии (энергия фотона) имеет величину \varepsilon = hν , где частота ν соответствует разности энергий электронных оболочек атома того или иного элемента Периодической системы элементов, а h 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 электромагнтных 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 подтверждение в работах Максвелла в форме уравнений Максвелла.
Использование предтавления о свете, как волне, позволяет объяснить явления, связанные с интерференцией, в том числе структуру светового поля (построение изображений и голографию)

Длина световой волны λ зависит от скорости распространения волны в среде и связана с нею и частотой соотношением: λ = v / ν или же λ= c / (nν) .
На практике принято считать, что показатель преломления среды является функцией длины волны: n = n(λ). Зависимость показателя преломления от длины волны (точнее -от частоты) проявляется в виде явления дисперсии света.


Характеристиками света являются:

-спектральный состав, определяемый диапазоном длин волн света.

-интенсивность, пропорциональная квадрату амплитуды электрического вектора электромагнитной волны. Этим оптика принципиально отличается от радиофизики, в которой интенсивность регистрируемого сигнала определяется первой степенью напряженности поля.

-характер поляризации, определяемый изменением пространственной ориентации электрического вектора по мере распространения волны в пространстве.

-направление распространения луча света, совпадающее с направлением нормали к волновому фронту (при отсутствии явления двойного лучепреломления )


Содержание

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, отделенную 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.

Оптическая наука — часть многих прикладных дисциплин, включая электротехнику, физику, психологию, медицину (особенно офтальмологию). В этих, а также в междисциплинарных сферах широко применяются достижения прикладной оптики.

В соединении с точной механикой оптика является основой оптико-механической промышленности

[править] Разделы оптики

[править] 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.

[править] Геометрическая оптика

Основная статья: 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 остается 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.

[править] Параксиальное приближение

Основная статья: Параксиальное приближение

Следующее упрощение в геометрической оптике - параксиальное приближение, или «приближение малых углов». Математически поведение луча становится линейным, позволяя представить оптические компоненты простыми матрицами. Применение методов Гауссовской оптики позволяет найти свойства первого порядка оптических систем.

Гауссовское распространение луча — расширение параксиальной оптики, описывающее более точную модель поведения лучей. Используя параксиальное приближение и явление дифракции, данный набор методов описывает расширение светового пучка с расстоянием и минимальный размер светового пятна, в которое может быть сосредоточен световой пучок. Тем самым эта модель является промежуточной между геометрической и физической оптикой.

[править] Физическая оптика

Основная статья: Физическая оптика
Наглядное изображение дисперсии света в призме

Физическая оптика или оптика волны основывается на принципе Гюйгенса и моделирует распространение сложных фронтов импульса через оптические системы, включая и амплитуду и фазу (волны) 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.

[править] Темы, связанные с классической оптикой

[править] Современная оптика

Заготовка раздела
 Этот раздел не завершён.
Вы поможете проекту, исправив и дополнив его.

Современная оптика охватывает области оптической науки и разработок, которые стали популярными в 20-ом столетии. Эти области оптической науки в основном касаются электромагнитных или квантовых свойств света, но на самом деле включают другие области.

[править] Физиологическая оптика

Основная статья: Зрительное восприятие

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

[править] Темы, связанные с современной оптикой

[править] См. также

[править] Ссылки

[править] Литература

  • Б. М. Яворский и А. А. Детлаф Справочник по физике. — М.: Наука, 1971.
Разделы оптики
Геометрическая оптика | Физическая оптика | Волновая оптика | Квантовая оптика | Нелинейная оптика | Теория испускания света | Теория взаимодействия света с веществом | Спектроскопия | Лазерная оптика | Фотометрия | Физиологическая оптика | Оптоэлектроника | Акустооптика | Оптические приборы
Источник — «http://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%9E%D0%BF%D1%82%D0%B8%D0%BA%D0%B0»