Оптика | это… Что такое Оптика?
Таблица «Оптика» из энциклопедии 1728 г.
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.
Важнейшие понятия оптики: преломление и отражениесвета (ход лучей света на примере призмы).
Вместе с точной механикой оптика является основой оптико-механической промышленности.
Содержание
|
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.
- 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
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:
- спектральный состав, определяемый диапазоном длин волн света.
- обширный класс фотометрических величин, среди которых по широте использования выделяются энергетические и световые фотометрические величины.
- поляризация, определяемая 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)[1].
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
- Геометрическая оптика
- Физическая оптика
- Волновая оптика
- Зрительное восприятие
- Лазеры
- Нелинейная оптика
- Квантовая оптика
- Градиентная оптика
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
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 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
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.
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.
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
Основная статья: Зрительное восприятие
Физиологическая оптика — междисциплинарная наука о зрительном восприятии света. Она объединяет сведения по биофизике, биохимии и психологии зрительного восприятия.
Рентгеновская оптика
Основная статья: 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
- Адаптивная оптика
- Волновод
- Голография
- Дифракция
- Интегральная оптика
- Исчисление Джонса
- Квантовая оптика
- Кристаллооптика
- Лазер
- Микрооптика
- Нелинейная оптика
- Оптика тонких плёнок
- Оптические методы моделирования
- Оптическое распознавание образов
- Оптический компьютер
- Радиометрия
- Рентгеновское зеркало
- Фотометрия
- Фотоника
Примечания
- ↑ Используется в приближении геометрической оптики
См. также
- Цвет
- Оптические системы
- Оптические материалы
- Оптическое общество (OSA)
- Общество оптики и фотоники SPIE
Литература
- Б. М. Яворский и А. А. Детлаф Справочник по физике. — М.: Наука, 1971.
М. Яворский и А. А. Детлаф Справочник по физике. — М.: Наука, 1971.Ссылки
- Раздел по оптике на сайте «Вся Физика».
Оптика | это… Что такое Оптика?
Таблица «Оптика» из энциклопедии 1728 г.
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.
Важнейшие понятия оптики: преломление и отражениесвета (ход лучей света на примере призмы).
Вместе с точной механикой оптика является основой оптико-механической промышленности.
Содержание
|
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.
- 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:
- спектральный состав, определяемый диапазоном длин волн света.
- обширный класс фотометрических величин, среди которых по широте использования выделяются энергетические и световые фотометрические величины.
- поляризация, определяемая 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)[1].
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
- Геометрическая оптика
- Физическая оптика
- Волновая оптика
- Зрительное восприятие
- Лазеры
- Нелинейная оптика
- Квантовая оптика
- Градиентная оптика
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
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 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
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.
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.
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
Основная статья: Зрительное восприятие
Физиологическая оптика — междисциплинарная наука о зрительном восприятии света. Она объединяет сведения по биофизике, биохимии и психологии зрительного восприятия.
Рентгеновская оптика
Основная статья: 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
- Адаптивная оптика
- Волновод
- Голография
- Дифракция
- Интегральная оптика
- Исчисление Джонса
- Квантовая оптика
- Кристаллооптика
- Лазер
- Микрооптика
- Нелинейная оптика
- Оптика тонких плёнок
- Оптические методы моделирования
- Оптическое распознавание образов
- Оптический компьютер
- Радиометрия
- Рентгеновское зеркало
- Фотометрия
- Фотоника
Примечания
- ↑ Используется в приближении геометрической оптики
См. также
- Цвет
- Оптические системы
- Оптические материалы
- Оптическое общество (OSA)
- Общество оптики и фотоники SPIE
Литература
- Б. М. Яворский и А. А. Детлаф Справочник по физике. — М.: Наука, 1971.
М. Яворский и А. А. Детлаф Справочник по физике. — М.: Наука, 1971.Ссылки
- Раздел по оптике на сайте «Вся Физика».
Основы оптики: три основных направления оптической науки
Поскольку предполагается, что это блог, в значительной степени посвященный науке, я хотел бы начать с нескольких серьезных статей на научные темы. Как и большинство авторитетных научных блоггеров, я буду смешивать посты, посвященные основным научным понятиям, и посты, посвященные конкретным техническим темам. Этот пост будет одним из первых.
Моя специализация в области физики и область исследований: оптическая наука . Хотя у большинства людей слово «оптика» ассоциируется с созданием линз для очков, телескопов и микроскопов, в физике этот термин в более широком смысле относится к изучению поведения света и его взаимодействия с веществом . Однако связь с очками и т. п. не случайна: разработка различных оптических инструментов побудила ученых более внимательно изучить поведение света, направляемого этими инструментами.
Сегодня мы можем грубо сгруппировать изучение оптики в три широких подобласти исследования:
- Геометрическая оптика , изучение света как лучей
- Физическая оптика , изучение света в виде волн
- Квантовая оптика , изучение света как частиц
Давайте рассмотрим каждое из этих подполей по очереди, как с исторической, так и с научной точки зрения.
1. Геометрическая оптика. Наш повседневный опыт со светом показывает, что он распространяется по большей части по прямым линиям. Когда солнечные лучи пробиваются сквозь щель в облаке или сквозь щель в темной листве, мы видим непрерывную «линию» или «поток» света, выходящего из этой щели. Если мы уменьшим зазор (в пределах, обсуждаемых ниже), поток станет уже, но останется потоком света.
Ранние исследователи оптики использовали геометрию для моделирования этого взгляда на свет. Постулируется, что свет распространяется по лучам и отрезкам прямой в свободном пространстве, но может менять направление или даже изгибаться при встрече с материей.
Два закона определяют, что происходит, когда свет сталкивается с материальной поверхностью. Закон отражения , очевидно впервые сформулированный Евклидом около 300 г. до н.э., гласит, что когда свет сталкивается с плоской отражающей поверхностью, угол падения луча равен углу отражения. 9Закон преломления 0005 , экспериментально установленный Виллебрордом Снеллом в 1621 году, объясняет способ, которым луч света меняет направление, когда он проходит через плоскую границу от одного материала к другому. Прямым следствием такого «изгиба» световых лучей является то, что объект, наполовину погруженный в стакан с водой, будет казаться изогнутым.
Из законов отражения и преломления можно определить поведение оптических устройств, таких как телескопы и микроскопы. Можно проследить пути различных лучей (так называемая «трассировка лучей») через оптическую систему и увидеть, как могут формироваться изображения, их относительную ориентацию и их увеличение. Фактически это наиболее важное применение геометрической оптики и по сей день: поведение сложных оптических систем можно в первом приближении определить, изучая пути всех лучей через систему.
Простой иллюстрацией этого является воздействие прозрачной стеклянной линзы на совокупность параллельных лучей, показанное на рисунке ниже. Набор лучей, входящих слева, дважды преломляется линзой, один раз на входе и один раз на выходе, и в результате все лучи собираются в фокусе справа.
В принципе, на картинке бесконечное количество параллельных лучей; мы, очевидно, рисуем только некоторые из них. Яркость светового поля в любой конкретной точке пространства пропорциональна плотности лучей (насколько близко они расположены) в этой точке. Таким образом, фокусирующее действие линзы приводит к яркому пятну в фокусе.
2. Физическая оптика. Глядя еще раз на картину фокусировки лучей выше, мы сталкиваемся с проблемой: в точке фокуса все лучи пересекаются. Следовательно, плотность лучей в этой точке бесконечна, что, согласно геометрической оптике, предполагает бесконечно яркое фокальное пятно . Очевидно, что это не может быть правдой.
Если мы поместим черный экран в плоскость фокальной точки и внимательно посмотрим на структуру фокального пятна, спроецированного на плоскость, экспериментально мы увидим изображение, смоделированное ниже:
В центре есть очень маленькое яркое пятно, а также гораздо более тусклые (увеличенные на этом изображении) кольца, окружающие центральное пятно.
Эти кольца не могут быть объяснены использованием только геометрической оптики и являются результатом волновой природы света.
Хотя люди уже давно предполагали, что свет обладает волнообразными свойствами, прямых доказательств не было (обратите внимание на размер фокального пятна на картинке выше: кольца довольно трудно увидеть невооруженным глазом) до начала 1800-х годов. Ряд ученых предоставил теоретическую и экспериментальную основу для демонстрации того, что свет обладает волнообразными свойствами, среди них выделяются Томас Юнг, Йозеф Фраунгофер и Огюстен Френель. Из этой работы родилась область физической оптики.
Физическая оптика — это изучение волновых свойств света, которые можно условно разделить на три категории: интерференция, дифракция и поляризация. Интерференция — это способность волны интерферировать сама с собой, создавая локализованные области, в которых поле попеременно то очень яркое, то очень темное. Дифракция — это способность волн «огибать» углы и распространяться после прохождения через отверстие.
Поляризация относится к свойствам света, связанным с его поперечной природой. Мы рассмотрим все эти термины более подробно в следующих постах.
Волновая природа звука может быть легко определена любым человеком даже без специального научного оборудования. Например, если вы стоите на противоположной стороне здания от друга, вне прямой видимости, крики вашего друга все равно будут слышны вам. Звуковые волны от вашего друга частично охватывают углы здания, позволяя вам слышать его или ее. Это можно рассматривать как пример дифракции. Волновая природа света не столь очевидна. Причина этого несоответствия связана с длины волны волн в каждом случае. Для наших целей длину волны можно рассматривать как расстояние, на котором обычно проявляются волновые эффекты. Для слышимого звука длина волны находится в диапазоне от миллиметров до 20 метров, в то время как для видимого света длина волны составляет порядка 0,0000005 метра, что намного меньше, чем можно наблюдать человеческим глазом.
3. Квантовая оптика. Вернемся к изображению фокального пятна, показанному выше, и теперь представим, что источник света, создающий фокальное пятно, находится на очень точном регуляторе яркости. Что происходит, когда мы медленно переводим диммер в положение «выключено»?
Физическая оптика предсказывает, что форма фокального пятна останется неизменной; он просто станет менее ярким. Однако, когда переключатель диммера поворачивается ниже некоторого критического порога, происходит нечто иное и довольно неожиданное: мы обнаруживаем свет в небольших локализованных «выбросах» энергии и вообще не видим нашу кольцевую картину.
Некоторые из этих брызг проиллюстрированы в части (а) рисунка ( очень грубое впечатление художника) ниже. Если мы будем вести непрерывный подсчет того, сколько струй попало в каждое место, мы можем медленно построить усредненную картину того, где откладывается световая энергия; это показано в частях (b) и (c) рисунка ниже.
Примечательно, что мы обнаружили, что среднее пространственное распределение струй дает в точности кольцевой узор, предсказанный волновой теорией света! Теперь известно, что потоки энергии представляют собой отдельные частиц света, называемых фотонами .
Признание этого поведения частиц света развивалось в результате ряда открытий в конце 1800-х и начале 1900-х годов, кульминацией которых стало объяснение фотоэлектрического эффекта Эйнштейном в 1905 году с использованием концепции фотона. Фотоэлектрический эффект — это явление, при котором электроны могут выбрасываться с поверхности металла при освещении поверхности лучом света. Эффект имел ряд любопытных особенностей, которые, как показал Эйнштейн, легче всего объяснить, рассматривая свет как поток частиц.
Реальность такова, что свет обладает как волновыми, так и корпускулярными свойствами, в зависимости от условий измерения. Это то, что известно как корпускулярно-волновой дуализм и является одним из краеугольных камней современной физики. Это иллюстрируется упомянутой выше любопытной последовательностью струй: отдельные частицы (фотоны) в конечном итоге создают волнообразную картину — каждая частица света, очевидно, «несет» с собой волновую информацию, необходимую для построения дифракционной картины.
Квантовая оптика занимается изучением корпускулярной (квантовой) природы света.
***
Таким образом, три отрасли оптической науки включают изучение света во все более мелких и точных измерительных масштабах.
Все три ветви все еще активно изучаются. Геометрическая оптика обычно используется при проектировании сложных оптических систем, и исследователи изучают способы «улучшения» геометрических моделей, чтобы обеспечить лучшее совпадение с волновой теорией света. Физическая оптика находится на границе техники и чистой науки, поскольку новые физические следствия волновой природы света все еще открываются, и строятся оптические устройства, использующие эту волновую природу. Квантовая оптика используется в качестве инструмента для лучшего понимания теории квантовой механики, хотя в настоящее время изучается ряд весьма спекулятивных приложений, таких как квантовые вычисления и квантовая криптография.
По мере продолжения этого блога мы будем более подробно изучать каждую из ветвей, а также обсуждать некоторые приложения.
Нравится:
Нравится Загрузка…
Оптика
Оптика Оптика :Оптика – это наука, занимающаяся происхождением и распространением свет, изменения, которые он претерпевает и производит, и другие явления, тесно связанные с ним. Существуют две основные ветви оптика: физическая и геометрическая. Физическая оптика занимается прежде всего с природой и свойствами самого света. Геометрическая оптика имеет отношение к принципам формирования образа свойства линз, зеркал и других устройств, использующих легкий. Он также включает оптическую обработку данных, которая включает в себя манипулирование информационным содержанием изображения, сформированного когерентные оптические системы.
Древние греки и арабы имели некоторые знания о природе и
свойства света. Основы науки оптики,
однако не были созданы до 17 века. В течение
В начале 1600-х годов Галилео Галилей построил первые телескопы,
можно использовать для астрономических наблюдений. В 1650-х годах французы
математику Пьеру де Ферма удалось вывести закон
преломление из принципа, приписываемого греческому геометру Герою
Александрия (1 век н.
э.), согласно которой отраженный свет
проходит кратчайшее расстояние между двумя точками, совместимое с
встречи с отражающей поверхностью. К концу века голландцы
математик-физик Христиан Гюйгенс представил механическое
объяснение отражения и преломления в его Traiti de la lumihre
(1690; Трактат о свете). В этой же работе он сформулировал теорию
о природе света, в котором он связал свет с волновым движением. В
1704 г. Исаак Ньютон опубликовал свою книгу «Оптика», в которую вошли
всестороннее изучение преломления, дисперсии, дифракции и
поляризация и теоретическое описание корпускулярной природы
света (т. е. света как состоящего из движущихся частиц). Ньютона
взгляды, особенно его корпускулярная теория света, стали господствовать
научная мысль на протяжении более века, полностью затмевающая
Вклад Гюйгенса.
В начале 1800-х Томас Янг, английский врач и
физик, исследовал явление интерференции и обнаружил, что оно
можно было бы объяснить только в том случае, если бы свет состоял из волн.
Янга
результаты, подтвержденные математическим анализом
А.Дж. Френель возродил волновую теорию света. Этот
концепция господствовала среди следующих нескольких поколений
исследователей, в том числе британского физика Джеймса Клерка Максвелла,
чья электромагнитная теория света (1864 г.) обычно считается
выдающееся достижение классической оптики. Согласно Максвеллу
теории, свет и различные другие формы лучистой энергии
распространяется в виде электромагнитных волн, т. е. возмущений
генерируется колебанием или ускорением электрического заряда
и характеризуется временными и пространственными отношениями, связанными
с волновым движением.
Основа современной оптики была заложена введением
Квантовая теория на рубеже веков. Теория, предложенная в
1900 Макс Планк из Германии объяснил, что лучистая энергия
испускаются дискретными единицами или квантами. В 1905 году Альберт Эйнштейн
расширил эту идею света и показал, что в
фотоэлектрический эффект, свет ведет себя так, как если бы вся его энергия
сосредоточены в мельчайших частицах, позже названных фотонами.
Эйнштейна
Открытие в сочетании с электромагнитной теорией привело к
современное представление о том, что свет в определенных ситуациях ведет себя как волны
и подобные частицы в других. Последующее развитие квантовой
механика, в основном с 1925 по 1935 г., дал систематический
объяснение этого фундаментального корпускулярно-волнового дуализма света.
Успехи в физической оптике сопровождались быстрым прогрессом в
геометрическая оптика. Объективы достаточно высокого качества были
производится для телескопов и микроскопов с конца 1700-х годов, а в
В 1841 году немецкий математик Карл Фридрих Гаусс опубликовал свою
влиятельный трактат по геометрической оптике. В нем он подробно описал
понятие фокусного расстояния и сторон света системы линз и
разработал формулы для расчета положения и размера изображения
образована линзой с заданным фокусным расстоянием. Чуть больше десятилетия
позже теоретическая работа Гаусса была распространена на вычисление
пять основных аберраций объектива (сферическая, кома,
астигматизм, кривизна поля Петцваля и дисторсия), таким образом
создание основы для формальных процедур проектирования линз, которые
использовались следующие 100 лет.
Два основных события, появление связи и теории информации в 1950-х годах и изобретение лазера в Начало 1960-х годов открыло новую эру в оптике. Первоначальная связь между оптика и средства связи возникли из-за множества аналогий, которые существуют между двумя областями и из-за схожих математических методы, используемые для формального описания поведения электрических схемы и оптические системы. Вызывает большую озабоченность, поскольку изобретение хрусталика как устройства формирования изображения всегда было описание оптической системы, формирующей изображение; Информация об объекте передается и представляется в виде изображения. В этом смысле, оптическую систему можно рассматривать как канал связи и проанализированы как таковые.
Манипуляции с содержанием изображения с помощью оптических
системы, использующие когерентный свет (т. е. свет одной частоты или
цвет, в котором все компоненты идут в ногу друг с другом)
стал предметом серьезного изучения в 1950-х гг. Лазер предоставил
идеальный инструмент для оптической обработки данных и связи.
Это дало
достичь значительных успехов в голографии, двухступенчатой когерентной
процесс формирования изображения, в котором делается промежуточная запись
сложное оптическое поле, связанное с объектом. Заметный
применение голографии в области оптической информации
обработка – это хранение и поиск бинарных данных.
Кроме того, лазер оказался очень эффективным средством
передачи аудио- и видеоинформации (например, телефонной
разговоры и телевизионные программы). Он превосходит обычный
электронные передатчики по нескольким причинам. Поскольку частота
лазерный свет значительно выше, чем у радиоволн, для
например, лазерный луч может нести значительно больше информации.
Кроме того, поскольку лазерный луч имеет высокую направленность, он может
передавать информацию с очень небольшими помехами и в течение длительного
расстояния. В приложениях для дальней связи лазеры
часто используется в сочетании с оптическими волокнами из стекла или
пластик, позволяющий передавать лазерный свет от одного реле
станции к следующей практически без потери энергии.