Оптика

Таблица оптики, Энциклопедия, 1728
Таблица оптики, Энциклопедия, 1728

Оптика — раздел физики, которая описывает поведение, свойства, первопричинность и природу света и объясняет оптические феномены, происходящие в окружающем нас мире. Под светом понимают не только видимый свет, но и примыкающие к нему широкие области спектра.


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. Только, 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 рентгеновском излучении, микроволновых печах, радио волнах и в виде других форм электромагнитной радиации. Оптика может, таким образом, быть расценена как ниша 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.

Из-за широкого использования науки «света» в жизни реального мира, области оптической науки и оптической разработки имеют тенденцию быть очень междисциплинарными. Оптическая наука — часть многих связанных дисциплин, включая электротехнику, физику, психологию, медицину (особенно офтальмологию и оптиметрию), и другие. Дополнительно, самое полное описание оптического поведения, как известно в физике, излишне усложнено для большинства проблем. Таким образом используются специфические упрощенные модели. Эти ограниченные модели соответственно описывают подмножества оптических явлений, игнорируя поведение, несоответствующее и/или необнаружимое в сфере интереса или спроса.[

 

Разделы оптики

  • геометрическая оптика
  • Физическая оптика
  • Физиологическая оптика
  • волновая оптика волновая оптика в природе
  • физика лазеров (когерентная оптика)
  • нелинейная оптика
  • квантовая оптика
  • градиентная оптика

Классическая оптика

Прежде как квантовая оптика выделилась в физике, оптика состояла главным образом из классического электромагнетизма и высокочастотного приближения, освещающих в то время стоящие проблемы. 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, пришел к выводу, что «явление окрашивания остается еще весьма таинственным из-за трудности объяснения этого разнообразия цветов с помощью какого-либо физического механизма». Поэтому он счел наиболее целесообразным вообще не рассматривать вопроса о цветах в своем трактате.

В своем небольшом трактате первым он рассмотрел прямолинейное распространение света, во второй части — отражение, в третьей — преломление, в четвертой — 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 осложнять 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 объект (цель), который является перпендикулярным фронтом импульса фактических оптических волн. Геометрическая оптика обеспечивает правила для того, чтобы размножить эти лучи через оптическую систему, которая дает размножение фактического фронта импульса. Приняв это мы существенно упрощаем задачу оптики, но не в состоянии объяснить много важных оптических эффектов, типа дифракция и поляризация. Геометрическая оптика часто упрощается, приняв параксиальное приближение, или «маленькое угловое приближение». Математическое поведение тогда становится линейным, позволяя оптические компоненты и системы излагаться простыми матрицами. Это приводит к методам Гауссовской оптики и параксиальному приближению, которые используются для нахождения свойства первого порядка оптических систем, типа приблизительного изображения(образа) и положений(позиций) объекта(цели) или его акцентирования.

Гауссовское распространение луча — расширение параксиальной оптики, которая обеспечивает более точную модель последовательной(связаной) радиации как лазер лучей. Используя параксиальное приближение, это частично составляет(объясняет) дифракцию, позволяя точные вычисления нормы(разряда), по которой лазерный луч расширяется с расстоянием, и минимальным размером, к которому может быть сосредоточен луч. Гауссовское распространение луча таким образом соединяет промежуток между геометрической и физической оптикой.

 

Физическая оптика

Наглядное изображение дисперсии света в призме
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. Эта техника обычно применяется в цифровой форме на компьютере и может объяснять дифракцию, интерференцию, эффекты поляризации, так же как аберрацию и природу других сложных эффектов. Приближения все еще используются, однако, таким образом это не полная электромагнитная модель теории волны распространения света. Для полной модели (в настоящее время) требуется в вычислительном отношении решить много проблем. Хотя некоторые небольшие проблемы с использованием известных полных моделей волны могут решаться.

Современная оптика

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.

Физиологическая оптика

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

Надкласс Рыбы

Общая характеристика. Это самая большая по числу видов (более 20 тыс.) и наиболее древняя группа первично водных хордовых животных. Рыбы заселили все виды морских, пресных и солоноватых водоемов. Вся их организация несет на себе отпечаток приспособления к жизни в плотной водной среде. Главнейшие особенности их организации следующие: Форма тела обтекаемая за счет ...

Метаморфозы углеродной звезды

Последовательные этапы эволюции внутренних частей газопылевой оболочки углеродной звезды JRC + 10216 В течение пяти лет группа астрономов из Института радиоастрономии Макса Планка (Бонн, Германия) наблюдала звезду JRC+10216 на 6-м телескопе Специальной астрофизической обсерватории Российской Академии наук (САО РАН) на Северном Кавказе. Особый метод наблюдений ...

Скороговорки

Скороговорки Скороговорка — короткая синтаксически правильная фраза на любом языке с искусственно усложнённой артикуляцией. Скороговорки содержат близкие по звучанию, но различные фонемы (например, c и ш) и сложные для произношения сочетания фонем. Зачастую содержат аллитерации и рифмы. Используются для тренировки дикции и произношения. ...

Darling

The manager of a large company noticed a new man one day and told him to come into his office. "What is your name?" was the first thing the manager asked him. "John," the new guy replied. The manager scowled, "Look, I don"t know what kind of a namby-pamby place you worked at before, but I don"t call anyone by their first name. It breeds familiarity and that leads to a breakdown in authority. I refer to my employees by their last name only - Smith, Jones, Baker - that"s all. I am to be referred to only as Mr. Robertson. Now that we got that straight, what is your last name?" The new guy sighed and said, "Darling*. My name is John Darling ...