Оптика — раздел физики¶

Оптика — раздел физики, изучающий природу света, его взаимодействие с веществом и явления, возникающие при распространении и преломлении световых волн. Термин происходит от греческого optikē («видение») и охватывает как классическую волновую и корпускулярную теории, так и квантовую электродинамику света. По характеру методов оптику делят на геометрическую (лучевую), волновую и квантовую (квантовую электродинамику), а по диапазону длин волн — на оптику видимого излучения, ультрафиолетовую, инфракрасную и смежные области.

¶История

Первые сведения о свойствах света относятся к античности: Евклид (IV век до н. э.) описал закон прямолинейного распространения света и отражения, Птолемей (II век н. э.) систематизировал данные о преломлении. В 1621 году Виллеброд Снеллиус экспериментально установил закон преломления света, позднее выведенный Декартом. Исаак Ньютон в труде «Оптика» (1704) развил корпускулярную теорию, объяснив с её помощью дисперсию и образование спектров. Христиан Гюйгенс в «Трактате о свете» (1690) обосновал волновую теорию, которая в XIX веке получила развитие в работах Томаса Юнга (опыты с интерференцией, 1801) и Огюстена Френеля (дифракция, математическое оформление волновой теории). В 1864–1865 годах Джеймс Максвелл показал, что свет — это электромагнитные волны. В 1905 году Альберт Эйнштейн объяснил фотоэффект, введя понятие фотона, что завершило формирование квантовой оптики.

В России оптические исследования развивались в трудах М. В. Ломоносова (работы по дисперсии и цвету), П. Н. Лебедева (давление света, 1900), Д. С. Рождественского (тонкие плёнки, интерферометрия), С. И. Вавилова (люминесценция, квантовая оптика).

¶Классификация

¶Основные явления

¶Геометрическая оптика

Изучает распространение света в виде лучей — нормалей к волновым фронтам. Основные законы: прямолинейность распространения в однородной среде, закон отражения (угол падения равен углу отражения), закон преломления (Снеллиус): n₁ sin α = n₂ sin β, где n — показатель преломления среды. Полное внутреннее отражение возникает при падении из более плотной среды под углом больше критического. На этих принципах построены зеркала, линзы, диафрагмы, телескопы, микроскопы и другие приборы.

¶Волновая оптика

Интерференция — наложение волн, приводящее к усилению или ослаблению амплитуды; наблюдается в тонких плёнках (мыльные пузыри), в опытах Юнга с двумя щелями. Дифракция — огибание светом препятствий; проявляется на апертурах, сопоставимых с длиной волны. Поляризация — ориентация колебаний электрического вектора в определённой плоскости; свойственна поперечным волнам, что служит доказательством волновой природы света.

¶Квантовая оптика

Фотон — квант электромагнитного поля с энергией E = hν. Квантовая оптика изучает явления, где важна дискретность света: фотоэффект, люминесценция, комбинационное рассеяние, работа лазеров. Лазерное излучение обладает высокой когерентностью, монохроматичностью и направленностью.

¶Приборы и устройства

Оптические приборы делятся на системы, формирующие изображение (линзы, объективы, окуляры, зеркальные телескопы), и приборы для измерений (интерферометры, спектрометры, поляриметры, рефрактометры). Оптические волокна используются для передачи информации, а линзы — в коррекции зрения (очки, контактные линзы), в фото- и кинотехнике, в хирургии.

¶Применение

Оптические методы применяются в астрономии (спектральный анализ звёзд), медицине (лазерная хирургия, эндоскопия), телекоммуникациях (волоконная оптика), промышленности (лазерная резка и сварка), криминалистике (спектральный анализ), полиграфии и фотографии. Оптические явления лежат в основе работы человеческого глаза и всей системы зрения.

¶Источники

• Физическая энциклопедия, т. 3
• Сивухин Д. В. «Общий курс физики», т. IV. Оптика
• Борн М., Вольф Э. «Основы оптики»
• Ландсберг Г. С. «Оптика»