Оптика (основные понятия)

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 отражение света (ход лучей света на примере призмы).

Вместе с точной механикой оптика является основой оптико-механической промышленности.

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, причем минимальная порция энергии (энергия фотона) имеет величину \(\varepsilon = h\nu\), где частота \(\nu\) соответствует частоте излученного света, 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 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 свое 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 \(\lambda\) зависит от скорости распространения волны в среде \(v\) и связана с нею и частотой \(\nu\) соотношением:

\(\lambda = \frac v\nu=\frac c{n\nu}\),

где \(n\) – 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. \(n=n(\lambda).\)

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).

Скорость света

Универсальным понятием в физике является скорость света \(c.\) Ее 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 \(v\) обычно уменьшается: \(v=\frac cn,\) где \(n\) есть показатель преломления среды, характеризующий ее оптические свойства и зависящий от частоты света: \(n=n(\nu).\) В области аномальной дисперсии света показатель преломления может быть и меньше единицы, а фазовая скорость света больше \(c.\) 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.