Optikk -Optics

En forsker som jobber med et optisk system

Optikk er grenen av fysikk som studerer oppførselen og egenskapene til lys , inkludert dets interaksjoner med materie og konstruksjonen av instrumenter som bruker eller oppdager det. Optikk beskriver vanligvis oppførselen til synlig , ultrafiolett og infrarødt lys. Fordi lys er en elektromagnetisk bølge , viser andre former for elektromagnetisk stråling som røntgenstråler , mikrobølger og radiobølger lignende egenskaper.

De fleste optiske fenomener kan forklares ved å bruke den klassiske elektromagnetiske beskrivelsen av lys, men fullstendige elektromagnetiske beskrivelser av lys er ofte vanskelige å anvende i praksis. Praktisk optikk gjøres vanligvis ved hjelp av forenklede modeller. Den vanligste av disse, geometrisk optikk , behandler lys som en samling av stråler som beveger seg i rette linjer og bøyer seg når de passerer gjennom eller reflekteres fra overflater. Fysisk optikk er en mer omfattende modell av lys, som inkluderer bølgeeffekter som diffraksjon og interferens som ikke kan gjøres rede for i geometrisk optikk. Historisk sett ble den strålebaserte modellen av lys utviklet først, etterfulgt av bølgemodellen av lys. Fremskritt innen elektromagnetisk teori på 1800-tallet førte til oppdagelsen av at lysbølger faktisk var elektromagnetisk stråling.

Noen fenomener er avhengige av at lys har både bølgelignende og partikkellignende egenskaper . Forklaring av disse effektene krever kvantemekanikk . Når man vurderer lysets partikkellignende egenskaper, er lyset modellert som en samling partikler kalt " fotoner ". Kvanteoptikk omhandler bruken av kvantemekanikk på optiske systemer.

Optisk vitenskap er relevant for og studert i mange beslektede disipliner, inkludert astronomi , forskjellige ingeniørfelt , fotografi og medisin (spesielt oftalmologi og optometri , der det kalles fysiologisk optikk). Praktiske anvendelser av optikk finnes i en rekke teknologier og hverdagslige objekter, inkludert speil , linser , teleskoper , mikroskoper , lasere og fiberoptikk .

Historie

Nimrud-objektivet

Optikk begynte med utviklingen av linser av de gamle egypterne og mesopotamierne . De tidligste kjente linsene, laget av polert krystall, ofte kvarts , stammer fra så tidlig som 2000 f.Kr. fra Kreta (Arkeologisk museum i Heraclion, Hellas). Linser fra Rhodos dateres rundt 700 f.Kr., det samme gjør assyriske linser som Nimrud-linsen . De gamle romerne og grekerne fylte glasskuler med vann for å lage linser. Denne praktiske utviklingen ble fulgt av utviklingen av teorier om lys og syn av antikke greske og indiske filosofer, og utviklingen av geometrisk optikk i den gresk-romerske verden . Ordet optikk kommer fra det eldgamle greske ordet ὀπτική ( optikē ), som betyr "utseende, utseende".

Gresk filosofi om optikk brøt ned i to motstridende teorier om hvordan visjon fungerte, intromisjonsteorien og emisjonsteorien . Intromisjonstilnærmingen så syn som kommer fra gjenstander som kastet av seg kopier av seg selv (kalt eidola) som ble fanget av øyet. Med mange propagatorer inkludert Demokrit , Epikur , Aristoteles og deres tilhengere, ser denne teorien ut til å ha en viss kontakt med moderne teorier om hva visjon egentlig er, men den forble bare spekulasjoner som manglet noe eksperimentelt grunnlag.

Platon artikulerte først emisjonsteorien, ideen om at visuell persepsjon oppnås av stråler som sendes ut av øynene. Han kommenterte også paritetsreverseringen av speil i Timaeus . Noen hundre år senere skrev Euklid (4.–3. århundre f.Kr.) en avhandling med tittelen Optikk der han koblet syn til geometri , og skapte geometrisk optikk . Han baserte arbeidet sitt på Platons emisjonsteori der han beskrev de matematiske perspektivreglene og beskrev effekten av brytning kvalitativt, selv om han stilte spørsmål ved at en lysstråle fra øyet øyeblikkelig kunne lyse opp stjernene hver gang noen blinket. Euklid uttalte prinsippet om korteste lysbane, og vurderte flere refleksjoner på flate og sfæriske speil. Ptolemaios , i sin avhandling Optikk , holdt en ekstramisjon-intromisjonsteori om syn: strålene (eller fluksen) fra øyet dannet en kjegle, toppunktet i øyet, og basen definerer synsfeltet. Strålene var følsomme, og formidlet informasjon tilbake til observatørens intellekt om avstanden og orienteringen til overflater. Han oppsummerte mye av Euklid og fortsatte med å beskrive en måte å måle brytningsvinkelen på , selv om han ikke klarte å legge merke til det empiriske forholdet mellom den og innfallsvinkelen. Plutarch (1.–2. århundre e.Kr.) beskrev flere refleksjoner på sfæriske speil og diskuterte opprettelsen av forstørrede og reduserte bilder, både ekte og imaginære, inkludert tilfellet med bildenes chiralitet .

Reproduksjon av en side av Ibn Sahls manuskript som viser hans kunnskap om brytningsloven

I løpet av middelalderen ble greske ideer om optikk gjenoppstått og utvidet av forfattere i den muslimske verden . En av de tidligste av disse var Al-Kindi (ca. 801–873) som skrev om fordelene ved aristoteliske og euklidiske ideer om optikk, og favoriserte emisjonsteorien siden den bedre kunne kvantifisere optiske fenomener. I 984 skrev den persiske matematikeren Ibn Sahl avhandlingen "Om brennende speil og linser", som korrekt beskrev en brytningslov tilsvarende Snells lov. Han brukte denne loven til å beregne optimale former for linser og buede speil . Tidlig på 1000-tallet skrev Alhazen (Ibn al-Haytham) Book of Optics ( Kitab al-manazir ) der han utforsket refleksjon og brytning og foreslo et nytt system for å forklare syn og lys basert på observasjon og eksperimenter. Han avviste "emisjonsteorien" om ptolemaisk optikk med dens stråler som sendes ut av øyet, og fremmet i stedet ideen om at lys reflekteres i alle retninger i rette linjer fra alle punkter på objektene som blir sett og deretter kommer inn i øyet, selv om han klarte ikke å forklare riktig hvordan øyet fanget strålene. Alhazens arbeid ble stort sett ignorert i den arabiske verden, men det ble anonymt oversatt til latin rundt 1200 e.Kr. og ytterligere oppsummert og utvidet av den polske munken Witelo , noe som gjorde det til en standardtekst om optikk i Europa de neste 400 årene.

På 1200-tallet i middelalderens Europa skrev den engelske biskopen Robert Grosseteste om et bredt spekter av vitenskapelige emner, og diskuterte lys fra fire forskjellige perspektiver: en epistemologi av lys, en metafysikk eller kosmogoni av lys, en etiologi eller fysikk av lys, og en lysets teologi , basert på verkene til Aristoteles og platonismen. Grossetestes mest kjente disippel, Roger Bacon , skrev verk som siterte et bredt spekter av nylig oversatte optiske og filosofiske verk, inkludert de av Alhazen, Aristoteles, Avicenna , Averroes , Euclid, al-Kindi, Ptolemaios, Tideus og Konstantin den afrikanske . Bacon var i stand til å bruke deler av glasskuler som forstørrelsesglass for å demonstrere at lys reflekteres fra gjenstander i stedet for å bli frigjort fra dem.

De første brukbare brillene ble oppfunnet i Italia rundt 1286. Dette var starten på den optiske industrien for sliping og polering av linser for disse "brillene", først i Venezia og Firenze på 1200-tallet, og senere i brillefremstillingssentrene i både Nederland og Tyskland. Brillemakere skapte forbedrede typer linser for korrigering av syn basert mer på empirisk kunnskap oppnådd ved å observere effektene av linsene i stedet for å bruke den rudimentære optiske teorien om dagen (teori som for det meste ikke engang kunne forklare hvordan briller fungerte tilstrekkelig. ). Denne praktiske utviklingen, mestringen og eksperimenteringen med linser førte direkte til oppfinnelsen av det sammensatte optiske mikroskopet rundt 1595, og det brytende teleskopet i 1608, som begge dukket opp i brillefremstillingssentrene i Nederland.

Den første avhandlingen om optikk av Johannes Kepler , Ad Vitellionem paralipomena quibus astronomiae pars optica traditur (1604)
Omslag til den første utgaven av Newton's Opticks (1704)
Tavle med optiske enheter, 1728 Cyclopaedia

På begynnelsen av 1600-tallet utvidet Johannes Kepler geometrisk optikk i sine skrifter, og dekket linser, refleksjon av flate og buede speil, prinsippene for pinhole-kameraer , omvendt kvadratisk lov som styrer lysets intensitet, og de optiske forklaringene av astronomiske fenomener som f.eks. som måne- og solformørkelser og astronomisk parallakse . Han var også i stand til korrekt å utlede rollen til netthinnen som det faktiske organet som tok opp bilder, og endelig kunne han vitenskapelig kvantifisere effekten av forskjellige typer linser som brillemakere hadde observert i løpet av de foregående 300 årene. Etter oppfinnelsen av teleskopet, satte Kepler det teoretiske grunnlaget for hvordan de fungerte og beskrev en forbedret versjon, kjent som Kepler- teleskopet , ved å bruke to konvekse linser for å produsere høyere forstørrelse.

Optisk teori utviklet seg på midten av 1600-tallet med avhandlinger skrevet av filosofen René Descartes , som forklarte en rekke optiske fenomener inkludert refleksjon og brytning ved å anta at lys ble sendt ut av objekter som produserte det. Dette skilte seg vesentlig fra den antikke greske utslippsteorien. På slutten av 1660-tallet og begynnelsen av 1670-tallet utvidet Isaac Newton Descartes sine ideer til en korpuskelteori om lys , og bestemte at hvitt lys var en blanding av farger som kan separeres i komponentdelene med et prisme . I 1690 foreslo Christiaan Huygens en bølgeteori for lys basert på forslag som ble laget av Robert Hooke i 1664. Hooke selv kritiserte offentlig Newtons teorier om lys og feiden mellom de to varte til Hookes død. I 1704 publiserte Newton Opticks , og på den tiden, delvis på grunn av sin suksess på andre områder av fysikk, ble han generelt ansett for å være seierherren i debatten om lysets natur.

Newtonsk optikk var generelt akseptert frem til tidlig på 1800-tallet da Thomas Young og Augustin-Jean Fresnel utførte eksperimenter på interferens av lys som fast etablerte lysets bølgenatur. Youngs berømte dobbeltspalteeksperiment viste at lys fulgte superposisjonsprinsippet , som er en bølgelignende egenskap som ikke er forutsagt av Newtons korpuskelteori. Dette arbeidet førte til en teori om diffraksjon for lys og åpnet et helt studieområde i fysisk optikk. Bølgeoptikk ble vellykket forenet med elektromagnetisk teori av James Clerk Maxwell på 1860-tallet.

Den neste utviklingen innen optisk teori kom i 1899 da Max Planck korrekt modellerte svartkroppsstråling ved å anta at energiutvekslingen mellom lys og materie bare skjedde i diskrete mengder han kalte kvanter . I 1905 publiserte Albert Einstein teorien om den fotoelektriske effekten som fast etablerte kvantiseringen av selve lyset. I 1913 viste Niels Bohr at atomer bare kunne avgi diskrete mengder energi, og forklarte dermed de diskrete linjene som sees i emisjons- og absorpsjonsspektra . Forståelsen av samspillet mellom lys og materie som fulgte av disse utviklingene dannet ikke bare grunnlaget for kvanteoptikk, men var også avgjørende for utviklingen av kvantemekanikk som helhet. Den ultimate kulminasjonen, teorien om kvanteelektrodynamikk , forklarer all optikk og elektromagnetiske prosesser generelt som et resultat av utveksling av ekte og virtuelle fotoner. Kvanteoptikk fikk praktisk betydning med oppfinnelsene av maseren i 1953 og laseren i 1960.

Etter arbeidet til Paul Dirac innen kvantefeltteori , brukte George Sudarshan , Roy J. Glauber og Leonard Mandel kvanteteori på det elektromagnetiske feltet på 1950- og 1960-tallet for å få en mer detaljert forståelse av fotodeteksjon og lysstatistikk .

Klassisk optikk

Klassisk optikk er delt inn i to hovedgrener: geometrisk (eller stråle) optikk og fysisk (eller bølge) optikk. I geometrisk optikk anses lys å bevege seg i rette linjer, mens i fysisk optikk anses lys som en elektromagnetisk bølge.

Geometrisk optikk kan sees på som en tilnærming av fysisk optikk som gjelder når bølgelengden til lyset som brukes er mye mindre enn størrelsen på de optiske elementene i systemet som modelleres.

Geometrisk optikk

Geometri for refleksjon og brytning av lysstråler

Geometrisk optikk , eller stråleoptikk , beskriver forplantningen av lys i form av "stråler" som beveger seg i rette linjer, og hvis veier styres av lovene for refleksjon og brytning ved grensesnitt mellom forskjellige medier. Disse lovene ble oppdaget empirisk så langt tilbake som 984 e.Kr. og har blitt brukt i utformingen av optiske komponenter og instrumenter fra da til i dag. De kan oppsummeres som følger:

Når en lysstråle treffer grensen mellom to gjennomsiktige materialer, deles den inn i en reflektert og en brutt stråle.

Refleksjonsloven sier at den reflekterte strålen ligger i innfallsplanet, og refleksjonsvinkelen er lik innfallsvinkelen.
Brytningsloven sier at den brutte strålen ligger i innfallsplanet, og sinusen til innfallsvinkelen delt på sinusen til brytningsvinkelen er en konstant:
,

hvor n er en konstant for alle to materialer og en gitt lysfarge. Hvis det første materialet er luft eller vakuum, er n brytningsindeksen til det andre materialet.

Lovene for refleksjon og brytning kan utledes fra Fermats prinsipp som sier at banen tatt mellom to punkter av en lysstråle er den banen som kan krysses på minst tid.

Approksimasjoner

Geometrisk optikk forenkles ofte ved å gjøre den paraksiale tilnærmingen , eller "tilnærming til liten vinkel". Den matematiske oppførselen blir da lineær, slik at optiske komponenter og systemer kan beskrives med enkle matriser. Dette fører til teknikkene til Gaussisk optikk og paraksial strålesporing , som brukes til å finne grunnleggende egenskaper til optiske systemer, for eksempel omtrentlige bilde- og objektposisjoner og forstørrelser .

Refleksjoner

Diagram av speilrefleksjon

Refleksjoner kan deles inn i to typer: speilrefleksjon og diffus refleksjon . Spekulær refleksjon beskriver glansen til overflater som speil, som reflekterer lys på en enkel, forutsigbar måte. Dette gir mulighet for produksjon av reflekterte bilder som kan assosieres med en faktisk ( ekte ) eller ekstrapolert ( virtuelt ) plassering i rommet. Diffus refleksjon beskriver ikke-blanke materialer, som papir eller stein. Refleksjonene fra disse overflatene kan kun beskrives statistisk, med den nøyaktige fordelingen av det reflekterte lyset avhengig av materialets mikroskopiske struktur. Mange diffuse reflektorer er beskrevet eller kan tilnærmes av Lamberts cosinuslov , som beskriver overflater som har lik luminans når de sees fra alle vinkler. Blanke overflater kan gi både speilende og diffus refleksjon.

Ved speilrefleksjon bestemmes retningen til den reflekterte strålen av vinkelen den innfallende strålen danner med overflatenormalen , en linje vinkelrett på overflaten på punktet der strålen treffer. De innfallende og reflekterte strålene og normalen ligger i et enkelt plan, og vinkelen mellom den reflekterte strålen og overflatenormalen er den samme som mellom den innfallende strålen og normalen. Dette er kjent som loven om refleksjon .

For flate speil innebærer refleksjonsloven at bilder av objekter står oppreist og i samme avstand bak speilet som objektene er foran speilet. Bildestørrelsen er den samme som objektstørrelsen. Loven innebærer også at speilbilder er paritetsinverterte, noe vi oppfatter som en venstre-høyre-inversjon. Bilder dannet fra refleksjon i to (eller et hvilket som helst partall av) speil er ikke paritetsinvertert. Hjørnereflektorer produserer reflekterte stråler som beveger seg tilbake i retningen de innfallende strålene kom fra. Dette kalles retrorefleksjon .

Speil med buede overflater kan modelleres ved strålesporing og bruk av refleksjonsloven i hvert punkt på overflaten. For speil med parabolske overflater produserer parallelle stråler som faller inn på speilet reflekterte stråler som konvergerer ved et felles fokus . Andre buede overflater kan også fokusere lys, men med aberrasjoner på grunn av den divergerende formen som gjør at fokuset blir smurt ut i rommet. Spesielt sfæriske speil viser sfærisk aberrasjon . Buede speil kan danne bilder med en forstørrelse større enn eller mindre enn én, og forstørrelsen kan være negativ, noe som indikerer at bildet er invertert. Et oppreist bilde dannet av refleksjon i et speil er alltid virtuelt, mens et omvendt bilde er ekte og kan projiseres på en skjerm.

Refraksjoner

Illustrasjon av Snells lov for tilfellet n 1 < n 2 , slik som luft/vann-grensesnitt

Refraksjon oppstår når lys beveger seg gjennom et område av rommet som har en skiftende brytningsindeks; dette prinsippet tillater linser og fokusering av lys. Det enkleste tilfellet av brytning oppstår når det er et grensesnitt mellom et ensartet medium med brytningsindeks og et annet medium med brytningsindeks . I slike situasjoner beskriver Snells lov den resulterende avbøyningen av lysstrålen:

hvor og er vinklene mellom normalen (til grensesnittet) og henholdsvis innfallende og brutte bølger.

Brytningsindeksen til et medium er relatert til hastigheten, v , til lyset i det mediet ved

,

hvor c er lysets hastighet i vakuum .

Snells lov kan brukes til å forutsi avbøyningen av lysstråler når de passerer gjennom lineære medier så lenge brytningsindeksene og medienes geometri er kjent. For eksempel resulterer forplantningen av lys gjennom et prisme i at lysstrålen avbøyes avhengig av prismets form og orientering. I de fleste materialer varierer brytningsindeksen med lysets frekvens. Når dette tas i betraktning, kan Snells lov brukes til å forutsi hvordan et prisme vil spre lys inn i et spektrum. Oppdagelsen av dette fenomenet når lys passerer gjennom et prisme er kjent tilskrevet Isaac Newton.

Noen medier har en brytningsindeks som varierer gradvis med posisjon, og derfor er lysstrålene i mediet buet. Denne effekten er ansvarlig for luftspeilinger sett på varme dager: en endring i brytningsindeksen for luft med høyden får lysstrålene til å bøye seg, og skaper inntrykk av speilrefleksjoner i det fjerne (som på overflaten av en vannbasseng). Optiske materialer med varierende brytningsindekser kalles gradientindeksmaterialer (GRIN). Slike materialer brukes til å lage gradientindeksoptikk .

For lysstråler som beveger seg fra et materiale med høy brytningsindeks til et materiale med lav brytningsindeks, forutsier Snells lov at det ikke er noen når er stor. I dette tilfellet skjer ingen overføring; alt lyset reflekteres. Dette fenomenet kalles total intern refleksjon og åpner for fiberoptikkteknologi. Når lys beveger seg nedover en optisk fiber, gjennomgår den total intern refleksjon, noe som gjør at nesten ikke noe lys går tapt over lengden på kabelen.

Linser
Et strålesporingsdiagram for en konvergerende linse

En enhet som produserer konvergerende eller divergerende lysstråler på grunn av brytning er kjent som en linse . Linser kjennetegnes av brennvidden : en konvergerende linse har positiv brennvidde, mens en divergerende linse har negativ brennvidde. Mindre brennvidde indikerer at objektivet har en sterkere konvergerende eller divergerende effekt. Brennvidden til en enkel linse i luft er gitt av linsemakerens ligning .

Strålesporing kan brukes til å vise hvordan bilder dannes av en linse. For en tynn linse i luft er plasseringen av bildet gitt av den enkle ligningen

,

hvor er avstanden fra objektet til objektivet, er avstanden fra objektivet til bildet, og er brennvidden til objektivet. I tegnkonvensjonen som brukes her, er objekt- og bildeavstanden positive hvis objektet og bildet er på motsatte sider av linsen.

Lens1.svg

Innkommende parallelle stråler fokuseres av en konvergerende linse til et punkt en brennvidde fra linsen, på den andre siden av linsen. Dette kalles objektivets bakre brennpunkt. Stråler fra et objekt på en begrenset avstand er fokusert lenger fra linsen enn brennvidden; jo nærmere objektet er linsen, jo lenger er bildet fra linsen.

Med divergerende linser divergerer innkommende parallelle stråler etter å ha gått gjennom linsen, på en slik måte at de ser ut til å ha sin opprinnelse på et sted en brennvidde foran linsen. Dette er objektivets fremre fokuspunkt. Stråler fra et objekt på begrenset avstand er assosiert med et virtuelt bilde som er nærmere linsen enn brennpunktet, og på samme side av linsen som objektet. Jo nærmere objektet er linsen, jo nærmere det virtuelle bildet er linsen. Som med speil, er stående bilder produsert av en enkelt linse virtuelle, mens omvendte bilder er ekte.

Linser lider av aberrasjoner som forvrenger bilder. Monokromatiske aberrasjoner oppstår fordi geometrien til linsen ikke perfekt retter stråler fra hvert objektpunkt til et enkelt punkt på bildet, mens kromatisk aberrasjon oppstår fordi brytningsindeksen til linsen varierer med bølgelengden til lyset.

Bilder av svarte bokstaver i en tynn konveks linse med brennvidde f   vises i rødt. Utvalgte stråler vises for bokstavene E , I og K i henholdsvis blått, grønt og oransje. Legg merke til at E (ved 2 f ) har et reelt og omvendt bilde av lik størrelse; I (ved f ) har sitt bilde på uendelig; og K (ved f /2) har et virtuelt og stående bilde i dobbel størrelse.

Fysisk optikk

I fysisk optikk anses lys å forplante seg som en bølge. Denne modellen forutsier fenomener som interferens og diffraksjon, som ikke er forklart av geometrisk optikk. Hastigheten til lysbølger i luft er omtrent 3,0×10 8  m/s (nøyaktig 299 792 458 m/s i vakuum ). Bølgelengden til synlige lysbølger varierer mellom 400 og 700 nm, men begrepet «lys» brukes også ofte på infrarød (0,7–300 μm) og ultrafiolett stråling (10–400 nm) .

Bølgemodellen kan brukes til å lage spådommer om hvordan et optisk system vil oppføre seg uten å kreve en forklaring på hva som «bølger» i hvilket medium. Fram til midten av 1800-tallet trodde de fleste fysikere på et «eterisk» medium der lysforstyrrelsen forplantet seg. Eksistensen av elektromagnetiske bølger ble spådd i 1865 av Maxwells ligninger . Disse bølgene forplanter seg med lysets hastighet og har varierende elektriske og magnetiske felt som er ortogonale til hverandre, og også til bølgenes forplantningsretning. Lysbølger blir nå generelt behandlet som elektromagnetiske bølger bortsett fra når kvantemekaniske effekter må vurderes.

Modellering og design av optiske systemer ved bruk av fysisk optikk

Mange forenklede tilnærminger er tilgjengelige for å analysere og designe optiske systemer. De fleste av disse bruker en enkelt skalar mengde for å representere det elektriske feltet til lysbølgen, i stedet for å bruke en vektormodell med ortogonale elektriske og magnetiske vektorer. Huygens –Fresnel- ligningen er en slik modell. Dette ble utledet empirisk av Fresnel i 1815, basert på Huygens 'hypotese om at hvert punkt på en bølgefront genererer en sekundær sfærisk bølgefront, som Fresnel kombinerte med prinsippet om superposisjon av bølger . Kirchhoff -diffraksjonsligningen , som er utledet ved hjelp av Maxwells ligninger, setter Huygens-Fresnel-ligningen på et fastere fysisk grunnlag. Eksempler på anvendelse av Huygens–Fresnel-prinsippet finnes i artiklene om diffraksjon og Fraunhofer-diffraksjon .

Mer strenge modeller, som involverer modellering av både elektriske og magnetiske felt av lysbølgen, kreves når man arbeider med materialer hvis elektriske og magnetiske egenskaper påvirker samspillet mellom lys og materialet. For eksempel er oppførselen til en lysbølge som samhandler med en metalloverflate ganske forskjellig fra hva som skjer når den samhandler med et dielektrisk materiale. En vektormodell må også brukes til å modellere polarisert lys.

Numeriske modelleringsteknikker som finite element-metoden , grenseelementmetoden og transmisjonslinjematrisemetoden kan brukes til å modellere forplantningen av lys i systemer som ikke kan løses analytisk. Slike modeller er beregningskrevende og brukes normalt kun til å løse småskala problemer som krever nøyaktighet utover det som kan oppnås med analytiske løsninger.

Alle resultatene fra geometrisk optikk kan gjenvinnes ved å bruke teknikkene til Fourier-optikk som bruker mange av de samme matematiske og analytiske teknikkene som brukes i akustisk konstruksjon og signalbehandling .

Gaussisk stråleutbredelse er en enkel paraaksial fysisk optikkmodell for forplantning av koherent stråling som laserstråler. Denne teknikken står delvis for diffraksjon, og tillater nøyaktige beregninger av hastigheten som en laserstråle utvider med avstanden, og minimumsstørrelsen som strålen kan fokuseres til. Gaussisk stråleutbredelse bygger altså bro over gapet mellom geometrisk og fysisk optikk.

Superposisjon og interferens

I fravær av ikke-lineære effekter, kan superposisjonsprinsippet brukes til å forutsi formen til interagerende bølgeformer gjennom den enkle tilsetningen av forstyrrelsene. Denne interaksjonen av bølger for å produsere et resulterende mønster kalles generelt "interferens" og kan resultere i en rekke utfall. Hvis to bølger med samme bølgelengde og frekvens er i fase , justeres både bølgetoppene og bølgedalene. Dette resulterer i konstruktiv interferens og en økning i amplituden til bølgen, som for lys er assosiert med en lysere bølgeform på det stedet. Alternativt, hvis de to bølgene med samme bølgelengde og frekvens er ute av fase, vil bølgetoppene justeres med bølgedalene og omvendt. Dette resulterer i destruktiv interferens og en reduksjon i amplituden til bølgen, som for lys er assosiert med en dimming av bølgeformen på det stedet. Se nedenfor for en illustrasjon av denne effekten.

kombinert
bølgeform
Interferens av to bølger.svg
bølge 1
bølge 2
To bølger i fase To bølger 180° ute
av fase
Når olje eller drivstoff søles, dannes fargerike mønstre av tynnfilmsinterferens.

Siden Huygens–Fresnel-prinsippet sier at hvert punkt på en bølgefront er assosiert med produksjonen av en ny forstyrrelse, er det mulig for en bølgefront å forstyrre seg selv konstruktivt eller destruktivt på forskjellige steder og produsere lyse og mørke kanter i regelmessige og forutsigbare mønstre. Interferometri er vitenskapen om å måle disse mønstrene, vanligvis som et middel til å gjøre nøyaktige bestemmelser av avstander eller vinkeloppløsninger . Michelson interferometer var et kjent instrument som brukte interferenseffekter for nøyaktig å måle lysets hastighet.

Utseendet til tynne filmer og belegg påvirkes direkte av interferenseffekter. Antireflekterende belegg bruker destruktiv interferens for å redusere reflektiviteten til overflatene de belegger, og kan brukes til å minimere gjenskinn og uønskede refleksjoner. Det enkleste tilfellet er et enkelt lag med en tykkelse på en fjerdedel av bølgelengden til innfallende lys. Den reflekterte bølgen fra toppen av filmen og den reflekterte bølgen fra film/materiale-grensesnittet er da nøyaktig 180° ute av fase, noe som forårsaker destruktiv interferens. Bølgene er bare nøyaktig ute av fase for én bølgelengde, som typisk vil bli valgt til å være nær sentrum av det synlige spekteret, rundt 550 nm. Mer komplekse design som bruker flere lag kan oppnå lav reflektivitet over et bredt bånd, eller ekstremt lav reflektivitet ved en enkelt bølgelengde.

Konstruktiv interferens i tynne filmer kan skape en sterk refleksjon av lys i en rekke bølgelengder, som kan være smale eller brede avhengig av utformingen av belegget. Disse filmene brukes til å lage dielektriske speil , interferensfiltre , varmereflektorer og filtre for fargeseparasjon i farge-TV- kameraer. Denne interferenseffekten er også det som forårsaker de fargerike regnbuemønstrene som sees i oljeflak.

Diffraksjon og optisk oppløsning

Diffraksjon på to spalter atskilt med avstand . De lyse frynsene oppstår langs linjer der svarte linjer krysser svarte linjer og hvite linjer krysser hvite linjer. Disse frynsene er adskilt med vinkel og er nummerert i rekkefølge .

Diffraksjon er prosessen der lysinterferens oftest observeres. Effekten ble først beskrevet i 1665 av Francesco Maria Grimaldi , som også laget begrepet fra det latinske diffringere , "å bryte i stykker". Senere samme århundre beskrev Robert Hooke og Isaac Newton også fenomener som nå er kjent for å være diffraksjon i Newtons ringer mens James Gregory registrerte sine observasjoner av diffraksjonsmønstre fra fuglefjær.

Den første fysiske optikkmodellen for diffraksjon som var avhengig av Huygens – Fresnel-prinsippet ble utviklet i 1803 av Thomas Young i hans interferenseksperimenter med interferensmønstrene til to tettsittende spalter. Young viste at resultatene hans bare kunne forklares hvis de to spaltene fungerte som to unike kilder til bølger i stedet for blodlegemer. I 1815 og 1818 etablerte Augustin-Jean Fresnel matematikken for hvordan bølgeinterferens kan forklare diffraksjon.

De enkleste fysiske modellene for diffraksjon bruker ligninger som beskriver vinkelseparasjonen mellom lyse og mørke kanter på grunn av lys med en bestemt bølgelengde (λ). Generelt tar ligningen formen

hvor er separasjonen mellom to bølgefrontkilder (i tilfellet med Youngs eksperimenter var det to spalter ), er vinkelseparasjonen mellom den sentrale kanten og den th ordens kanten, hvor det sentrale maksimum er .

Denne ligningen er modifisert litt for å ta hensyn til en rekke situasjoner som diffraksjon gjennom et enkelt gap, diffraksjon gjennom flere spalter eller diffraksjon gjennom et diffraksjonsgitter som inneholder et stort antall spalter med lik avstand. Mer kompliserte modeller for diffraksjon krever arbeid med matematikken til Fresnel- eller Fraunhofer-diffraksjon.

Røntgendiffraksjon benytter seg av det faktum at atomer i en krystall har regelmessig avstand i avstander som er i størrelsesorden én ångstrøm . For å se diffraksjonsmønstre sendes røntgenstråler med lignende bølgelengder som den avstanden gjennom krystallen. Siden krystaller er tredimensjonale objekter i stedet for todimensjonale gitter, varierer det tilknyttede diffraksjonsmønsteret i to retninger i henhold til Bragg-refleksjon , med de tilknyttede lyspunktene som forekommer i unike mønstre og er to ganger avstanden mellom atomene.

Diffraksjonseffekter begrenser muligheten til en optisk detektor til å optisk løse separate lyskilder. Generelt vil lys som passerer gjennom en blenderåpning oppleve diffraksjon og de beste bildene som kan lages (som beskrevet i diffraksjonsbegrenset optikk ) vises som en sentral flekk med omkringliggende lyse ringer, atskilt med mørke nullpunkter; dette mønsteret er kjent som et luftig mønster , og den sentrale lyse lappen som en luftig disk . Størrelsen på en slik disk er gitt av

hvor θ er vinkeloppløsningen, λ er bølgelengden til lyset, og D er diameteren til linseåpningen. Hvis vinkelseparasjonen mellom de to punktene er betydelig mindre enn luftskivens vinkelradius, kan de to punktene ikke oppløses i bildet, men hvis vinkelseparasjonen deres er mye større enn dette, dannes det distinkte bilder av de to punktene og de kan derfor løses. Rayleigh definerte det noe vilkårlige " Rayleigh-kriteriet " at to punkter hvis vinkelseparasjon er lik Airy diskradius (målt til første null, det vil si til det første stedet der det ikke sees lys) kan anses å være oppløst. Det kan sees at jo større diameter på objektivet eller blenderåpningen er, desto finere er oppløsningen. Interferometri , med sin evne til å etterligne ekstremt store baseline-åpninger, gir størst mulig vinkeloppløsning.

For astronomisk avbildning forhindrer atmosfæren at optimal oppløsning oppnås i det synlige spekteret på grunn av atmosfærisk spredning og spredning som får stjerner til å blinke . Astronomer omtaler denne effekten som kvaliteten på astronomisk se . Teknikker kjent som adaptiv optikk har blitt brukt for å eliminere atmosfærisk forstyrrelse av bilder og oppnå resultater som nærmer seg diffraksjonsgrensen.

Spredning og spredning

Konseptuell animasjon av lysspredning gjennom et prisme. Høyfrekvent (blått) lys avbøyes mest, og lavfrekvent (rødt) minst.

Brytningsprosesser foregår i den fysiske optikkgrensen, hvor lysets bølgelengde er lik andre avstander, som en slags spredning. Den enkleste typen spredning er Thomson-spredning som oppstår når elektromagnetiske bølger avbøyes av enkeltpartikler. I grensen til Thomson-spredning, der lysets bølgelignende natur er tydelig, spres lys uavhengig av frekvensen, i motsetning til Compton-spredning som er frekvensavhengig og strengt tatt en kvantemekanisk prosess, som involverer lysets natur som partikler. I statistisk forstand er elastisk spredning av lys av mange partikler mye mindre enn bølgelengden til lyset en prosess kjent som Rayleigh-spredning , mens den lignende prosessen for spredning av partikler som er like eller større i bølgelengde er kjent som Mie-spredning med Tyndall effekt er et ofte observert resultat. En liten andel av lysspredning fra atomer eller molekyler kan gjennomgå Raman-spredning , hvor frekvensen endres på grunn av eksitasjon av atomene og molekylene. Brillouin-spredning oppstår når lysfrekvensen endres på grunn av lokale endringer med tid og bevegelser av et tett materiale.

Dispersjon oppstår når forskjellige frekvenser av lys har forskjellige fasehastigheter , enten på grunn av materialegenskaper ( materialspredning ) eller geometrien til en optisk bølgeleder ( bølgelederdispersjon ). Den mest kjente formen for dispersjon er en reduksjon i brytningsindeksen med økende bølgelengde, noe som sees i de fleste transparente materialer. Dette kalles "normal spredning". Det forekommer i alle dielektriske materialer , i bølgelengdeområder der materialet ikke absorberer lys. I bølgelengdeområder hvor et medium har betydelig absorpsjon, kan brytningsindeksen øke med bølgelengden. Dette kalles "anomal spredning".

Separasjonen av farger med et prisme er et eksempel på normal spredning. Ved overflatene til prismet forutsier Snells lov at lys som faller inn i en vinkel θ til normalen vil bli brutt i en vinkel arcsin(sin (θ) / n ). Dermed bøyes blått lys, med sin høyere brytningsindeks, sterkere enn rødt lys, noe som resulterer i det velkjente regnbuemønsteret .

Dispersjon: to sinusoider som forplanter seg med forskjellige hastigheter lager et bevegelig interferensmønster. Den røde prikken beveger seg med fasehastigheten , og de grønne prikkene forplanter seg med gruppehastigheten . I dette tilfellet er fasehastigheten to ganger gruppehastigheten. Den røde prikken overtar to grønne prikker, når den beveger seg fra venstre til høyre i figuren. Faktisk slipper de individuelle bølgene (som beveger seg med fasehastigheten) fra bølgepakken (som beveger seg med gruppehastigheten).

Materialspredning er ofte preget av Abbe-tallet , som gir et enkelt mål for spredning basert på brytningsindeksen ved tre spesifikke bølgelengder. Bølgelederspredning er avhengig av forplantningskonstanten . Begge typer spredning forårsaker endringer i gruppekarakteristikkene til bølgen, egenskapene til bølgepakken som endres med samme frekvens som amplituden til den elektromagnetiske bølgen. "Gruppehastighetsspredning" manifesterer seg som en spredning av signal-"konvolutten" til strålingen og kan kvantifiseres med en gruppespredningsforsinkelsesparameter:

hvor er gruppehastigheten. For et jevnt medium er gruppehastigheten

hvor n er brytningsindeksen og c er lysets hastighet i et vakuum. Dette gir en enklere form for spredningsforsinkelsesparameteren:

Hvis D er mindre enn null, sies mediet å ha positiv dispersjon eller normal dispersjon. Hvis D er større enn null, har mediet negativ dispersjon . Hvis en lyspuls forplantes gjennom et normalt dispersivt medium, er resultatet at komponentene med høyere frekvens reduseres mer enn komponentene med lavere frekvens. Pulsen blir derfor positivt kvitret , eller opp-kvitret , økende i frekvens med tiden. Dette fører til at spekteret som kommer ut av et prisme vises med rødt lys som er minst brutt og blått/fiolett lys som er mest brutt. Motsatt, hvis en puls går gjennom et unormalt (negativt) dispersivt medium, reiser høyfrekvente komponenter raskere enn de lavere, og pulsen blir negativt kvitret eller nedkvitret , og avtar i frekvens med tiden.

Resultatet av gruppehastighetsspredning, enten negativ eller positiv, er til slutt tidsmessig spredning av pulsen. Dette gjør spredningshåndtering ekstremt viktig i optiske kommunikasjonssystemer basert på optiske fibre , siden hvis spredningen er for høy, vil en gruppe pulser som representerer informasjon hver spre seg i tid og smelte sammen, noe som gjør det umulig å trekke ut signalet.

Polarisering

Polarisering er en generell egenskap ved bølger som beskriver retningen til svingningene deres. For tverrgående bølger som mange elektromagnetiske bølger, beskriver den orienteringen av svingningene i planet vinkelrett på bølgens bevegelsesretning. Oscillasjonene kan være orientert i en enkelt retning ( lineær polarisering ), eller oscillasjonsretningen kan rotere mens bølgen beveger seg ( sirkulær eller elliptisk polarisering ). Sirkulært polariserte bølger kan rotere mot høyre eller venstre i kjøreretningen, og hvilken av disse to rotasjonene som er tilstede i en bølge kalles bølgens chiralitet .

Den typiske måten å vurdere polarisering på er å holde styr på orienteringen til den elektriske feltvektoren når den elektromagnetiske bølgen forplanter seg. Den elektriske feltvektoren til en plan bølge kan deles vilkårlig inn i to vinkelrette komponenter merket x og y (med z som indikerer kjøreretningen). Formen sporet ut i xy-planet av den elektriske feltvektoren er en Lissajous-figur som beskriver polarisasjonstilstanden . De følgende figurene viser noen eksempler på utviklingen av den elektriske feltvektoren (blå), med tid (de vertikale aksene), på et bestemt punkt i rommet, sammen med x- og y-komponentene (rød/venstre og grønn / høyre ) , og banen sporet av vektoren i planet (lilla): Den samme utviklingen ville oppstå når man ser på det elektriske feltet på et bestemt tidspunkt mens man utvikler punktet i rommet, langs retningen motsatt av forplantningen.

Lineært polarisasjonsdiagram
Lineær
Sirkulært polarisasjonsdiagram
Sirkulær
Elliptisk polarisasjonsdiagram
Elliptisk polarisering

I figuren lengst til venstre ovenfor er x- og y-komponentene til lysbølgen i fase. I dette tilfellet er forholdet mellom styrkene deres konstant, så retningen til den elektriske vektoren (vektorsummen av disse to komponentene) er konstant. Siden spissen av vektoren sporer ut en enkelt linje i planet, kalles dette spesielle tilfellet lineær polarisering. Retningen til denne linjen avhenger av de relative amplitudene til de to komponentene.

I den midterste figuren har de to ortogonale komponentene samme amplituder og er 90° ute av fase. I dette tilfellet er en komponent null når den andre komponenten har maksimal eller minimum amplitude. Det er to mulige faseforhold som tilfredsstiller dette kravet: x- komponenten kan være 90° foran y -komponenten eller den kan være 90° bak y- komponenten. I dette spesielle tilfellet sporer den elektriske vektoren ut en sirkel i planet, så denne polarisasjonen kalles sirkulær polarisering. Rotasjonsretningen i sirkelen avhenger av hvilke av tofaseforholdene som eksisterer og tilsvarer høyre sirkulær polarisering og venstre sirkulær polarisering .

I alle andre tilfeller, der de to komponentene enten ikke har samme amplituder og/eller deres faseforskjell verken er null eller et multiplum av 90°, kalles polarisasjonen elliptisk polarisering fordi den elektriske vektoren sporer ut en ellipse i planet ( polarisasjonsellipsen ) . Dette er vist i figuren ovenfor til høyre. Detaljert matematikk for polarisering gjøres ved hjelp av Jones-regning og er preget av Stokes-parametrene .

Endring av polarisering

Medier som har forskjellige brytningsindekser for forskjellige polarisasjonsmoduser kalles dobbeltbrytende . Velkjente manifestasjoner av denne effekten vises i optiske bølgeplater /retardere (lineære moduser) og i Faraday-rotasjon / optisk rotasjon (sirkulære moduser). Hvis veilengden i det dobbeltbrytende mediet er tilstrekkelig, vil plane bølger gå ut av materialet med en vesentlig annen forplantningsretning, på grunn av brytning. For eksempel er dette tilfellet med makroskopiske krystaller av kalsitt , som presenterer betrakteren med to forskjøvede, ortogonalt polariserte bilder av det som sees gjennom dem. Det var denne effekten som ga den første oppdagelsen av polarisering, av Erasmus Bartholinus i 1669. I tillegg er faseforskyvningen, og dermed endringen i polarisasjonstilstanden, vanligvis frekvensavhengig, som i kombinasjon med dikroisme ofte gir opphav til lyssterke farger og regnbuelignende effekter. I mineralogi blir slike egenskaper, kjent som pleokroisme , ofte utnyttet for å identifisere mineraler ved hjelp av polarisasjonsmikroskoper. I tillegg vil mange plaster som normalt ikke er dobbeltbrytende bli det når de utsettes for mekanisk påkjenning , et fenomen som er grunnlaget for fotoelastisitet . Ikke-dobbeltbrytende metoder, for å rotere den lineære polarisasjonen av lysstråler, inkluderer bruk av prismatiske polarisasjonsrotatorer som bruker total intern refleksjon i et prismesett designet for effektiv kollineær overføring.

En polarisator som endrer orienteringen til lineært polarisert lys.
I dette bildet er θ 1θ 0 = θ i .

Medier som reduserer amplituden til visse polarisasjonsmoduser kalles dikroisk , med enheter som blokkerer nesten all strålingen i én modus kjent som polarisasjonsfiltre eller ganske enkelt " polarisatorer ". Malus lov, som er oppkalt etter Étienne-Louis Malus , sier at når en perfekt polarisator plasseres i en lineær polarisert lysstråle, er intensiteten, I , til lyset som går gjennom gitt av

hvor

I 0 er startintensiteten,
og θ i er vinkelen mellom lysets initiale polarisasjonsretning og aksen til polarisatoren.

En stråle av upolarisert lys kan tenkes å inneholde en jevn blanding av lineære polarisasjoner i alle mulige vinkler. Siden gjennomsnittsverdien av er 1/2, blir overføringskoeffisienten

I praksis går noe lys tapt i polarisatoren og den faktiske transmisjonen av upolarisert lys vil være noe lavere enn dette, rundt 38 % for polarisatorer av polaroid-type, men betydelig høyere (>49,9 %) for noen dobbeltbrytende prismetyper.

I tillegg til dobbeltbrytning og dikroisme i utvidede medier, kan polarisasjonseffekter også forekomme ved (reflekterende) grensesnitt mellom to materialer med forskjellig brytningsindeks. Disse effektene behandles av Fresnel-ligningene . En del av bølgen overføres og en del reflekteres, med forholdet avhengig av innfallsvinkelen og brytningsvinkelen. På denne måten gjenoppretter fysisk optikk Brewsters vinkel . Når lys reflekteres fra en tynn film på en overflate, kan interferens mellom refleksjonene fra filmens overflater gi polarisering i det reflekterte og transmitterte lyset.

Naturlig lys
Effektene av et polariserende filter på himmelen i et fotografi. Venstre bilde er tatt uten polarisator. For det høyre bildet ble filteret justert for å eliminere visse polarisasjoner av det spredte blå lyset fra himmelen.

De fleste kilder til elektromagnetisk stråling inneholder et stort antall atomer eller molekyler som sender ut lys. Orienteringen til de elektriske feltene som produseres av disse emitterne er kanskje ikke korrelert , i så fall sies lyset å være upolarisert . Hvis det er delvis korrelasjon mellom emitterne, er lyset delvis polarisert . Hvis polarisasjonen er konsistent over hele spekteret til kilden, kan delvis polarisert lys beskrives som en superposisjon av en fullstendig upolarisert komponent, og en fullstendig polarisert komponent. Man kan da beskrive lyset i form av graden av polarisasjon , og parametrene til polarisasjonsellipsen.

Lys som reflekteres av skinnende gjennomsiktige materialer er delvis eller helt polarisert, bortsett fra når lyset er normalt (vinkelrett) på overflaten. Det var denne effekten som gjorde det mulig for matematikeren Étienne-Louis Malus å gjøre målingene som gjorde det mulig for hans utvikling av de første matematiske modellene for polarisert lys. Polarisering oppstår når lys spres i atmosfæren . Det spredte lyset produserer lysstyrken og fargen på klar himmel . Denne delvise polarisasjonen av spredt lys kan utnyttes ved å bruke polariserende filtre for å gjøre himmelen mørkere i fotografier . Optisk polarisering er hovedsakelig viktig i kjemi på grunn av sirkulær dikroisme og optisk rotasjon (" sirkulær dobbeltbrytning ") utvist av optisk aktive ( kirale ) molekyler .

Moderne optikk

Moderne optikk omfatter områdene optisk vitenskap og ingeniørvitenskap som ble populært på 1900-tallet. Disse områdene innen optisk vitenskap relaterer seg vanligvis til lysets elektromagnetiske eller kvanteegenskaper, men inkluderer andre emner. Et viktig underfelt av moderne optikk, kvanteoptikk , omhandler spesifikt kvantemekaniske egenskaper til lys. Kvanteoptikk er ikke bare teoretisk; noen moderne enheter, som lasere, har operasjonsprinsipper som er avhengige av kvantemekanikk. Lysdetektorer, som fotomultiplikatorer og kanaltroner , reagerer på individuelle fotoner. Elektroniske bildesensorer , som CCD-er , viser skuddstøy som tilsvarer statistikken over individuelle fotonhendelser. Lysemitterende dioder og fotovoltaiske celler kan heller ikke forstås uten kvantemekanikk. I studiet av disse enhetene overlapper kvanteoptikk ofte med kvanteelektronikk .

Spesialområder innen optikkforskning inkluderer studiet av hvordan lys interagerer med spesifikke materialer som i krystalloptikk og metamaterialer . Annen forskning fokuserer på fenomenologien til elektromagnetiske bølger som i singular optikk , ikke-bildeoptikk , ikke-lineær optikk , statistisk optikk og radiometri . I tillegg har dataingeniører interessert seg for integrert optikk , maskinsyn og fotonisk databehandling som mulige komponenter i "neste generasjon" av datamaskiner.

I dag kalles den rene vitenskapen om optikk optisk vitenskap eller optisk fysikk for å skille den fra anvendte optiske vitenskaper, som omtales som optisk teknikk . Fremtredende underområder innen optisk ingeniørfag inkluderer belysningsteknikk , fotonikk og optoelektronikk med praktiske applikasjoner som linsedesign , fabrikasjon og testing av optiske komponenter og bildebehandling . Noen av disse feltene overlapper hverandre, med uklare grenser mellom fagenes begreper som betyr litt forskjellige ting i ulike deler av verden og i ulike industriområder. Et profesjonelt fellesskap av forskere innen ikke-lineær optikk har utviklet seg de siste tiårene på grunn av fremskritt innen laserteknologi.

Lasere

Eksperimenter som dette med høyeffektlasere er en del av den moderne optikkforskningen.

En laser er en enhet som sender ut lys, en slags elektromagnetisk stråling, gjennom en prosess som kalles stimulert emisjon . Begrepet laser er et akronym for Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation . Laserlys er vanligvis romlig koherent , noe som betyr at lyset enten sendes ut i en smal, lavdivergensstråle , eller kan konverteres til en ved hjelp av optiske komponenter som linser. Fordi mikrobølgeekvivalenten til laseren, maseren , ble utviklet først, kalles enheter som sender ut mikrobølge- og radiofrekvenser vanligvis masere .

VLTs laserguidestjerne

Den første fungerende laseren ble demonstrert 16. mai 1960 av Theodore Maiman ved Hughes Research Laboratories . Da de først ble oppfunnet, ble de kalt "en løsning på jakt etter et problem". Siden den gang har lasere blitt en industri med mange milliarder dollar, som finner nytte i tusenvis av svært varierte bruksområder. Den første bruken av lasere som var synlig i dagliglivet til den generelle befolkningen var supermarkeds strekkodeskanner , introdusert i 1974. Laserplatespilleren , introdusert i 1978, var det første vellykkede forbrukerproduktet som inkluderte en laser, men CD- spilleren var første laserutstyrte enheten som ble virkelig vanlig i forbrukernes hjem, fra 1982. Disse optiske lagringsenhetene bruker en halvlederlaser mindre enn en millimeter bred for å skanne overflaten av platen for datainnhenting. Fiberoptisk kommunikasjon er avhengig av lasere for å overføre store mengder informasjon med lysets hastighet. Andre vanlige bruksområder for lasere inkluderer laserskrivere og laserpekere . Lasere brukes i medisin i områder som blodløs kirurgi , laser øyekirurgi og laserfangst mikrodisseksjon og i militære applikasjoner som missilforsvarssystemer , elektro-optiske mottiltak (EOCM) og lidar . Lasere brukes også i hologrammer , bubblegrams , laserlysshow og laserhårfjerning .

Kapitsa–Dirac-effekt

Kapitsa –Dirac-effekten får partikkelstråler til å diffraktere som et resultat av å møte en stående lysbølge. Lys kan brukes til å posisjonere materie ved hjelp av ulike fenomener (se optisk pinsett ).

applikasjoner

Optikk er en del av hverdagen. Allmennheten til visuelle systemer i biologi indikerer den sentrale rollen optikk spiller som vitenskapen om en av de fem sansene . Mange drar nytte av briller eller kontaktlinser , og optikk er en integrert del av funksjonen til mange forbruksvarer, inkludert kameraer . Regnbuer og luftspeilinger er eksempler på optiske fenomener. Optisk kommunikasjon utgjør ryggraden for både Internett og moderne telefoni .

Menneskelig øye

Modell av et menneskelig øye. Funksjoner nevnt i denne artikkelen er 1. glasslegemet 3. ciliær muskel , 6. pupill , 7. fremre kammer , 8. hornhinne , 10. linse cortex , 22. synsnerven , 26. fovea , 30. retina .

Det menneskelige øyet fungerer ved å fokusere lys på et lag med fotoreseptorceller kalt netthinnen, som danner den indre foringen av baksiden av øyet. Fokuseringen oppnås av en rekke transparente medier. Lys som kommer inn i øyet passerer først gjennom hornhinnen, som gir mye av øyets optiske kraft. Lyset fortsetter deretter gjennom væsken rett bak hornhinnen - det fremre kammeret , og passerer deretter gjennom pupillen . Lyset passerer deretter gjennom linsen , som fokuserer lyset ytterligere og tillater justering av fokus. Lyset passerer deretter gjennom hoveddelen av væske i øyet - glasslegemet , og når netthinnen. Cellene i netthinnen langs baksiden av øyet, bortsett fra der synsnerven går ut; dette resulterer i en blindsone .

Det er to typer fotoreseptorceller, stenger og kjegler, som er følsomme for forskjellige aspekter av lys. Staveceller er følsomme for lysintensiteten over et bredt frekvensområde, og er derfor ansvarlige for svart-hvitt syn . Stavceller er ikke tilstede på fovea, området av netthinnen som er ansvarlig for sentralsyn, og er ikke like responsive som kjegleceller for romlige og tidsmessige endringer i lys. Det er imidlertid tjue ganger flere stavceller enn kjegleceller i netthinnen fordi stavcellene er tilstede over et større område. På grunn av deres bredere distribusjon, er stenger ansvarlige for perifert syn .

I kontrast er kjegleceller mindre følsomme for den generelle intensiteten av lys, men kommer i tre varianter som er følsomme for forskjellige frekvensområder og dermed brukes i oppfatningen av farger og fotopisk syn . Kjegleceller er sterkt konsentrert i fovea og har høy synsskarphet som betyr at de er bedre i romlig oppløsning enn stavceller. Siden kjegleceller ikke er like følsomme for svakt lys som stavceller, er de fleste nattsyn begrenset til stavceller. På samme måte, siden kjegleceller er i fovea, gjøres sentralsyn (inkludert synet som trengs for å gjøre mest lesing, fin detaljarbeid som å sy eller nøye undersøkelse av gjenstander) av kjegleceller.

Ciliære muskler rundt linsen gjør at øyets fokus kan justeres. Denne prosessen er kjent som overnatting . Nærpunktet og det fjerneste punktet definerer de nærmeste og fjerneste avstandene fra øyet der et objekt kan bringes i skarpt fokus. For en person med normalt syn er det fjerneste punktet plassert på uendelig. Nærpunktets plassering avhenger av hvor mye musklene kan øke linsens krumning, og hvor lite fleksibel linsen har blitt med alderen. Optometrister , øyeleger og optikere anser vanligvis et passende nærpunkt for å være nærmere enn normal leseavstand - omtrent 25 cm.

Synsfeil kan forklares ved hjelp av optiske prinsipper. Når folk blir eldre, blir linsen mindre fleksibel og nærpunktet trekker seg tilbake fra øyet, en tilstand kjent som presbyopi . På samme måte kan ikke personer som lider av hypermetropi redusere brennvidden til linsen nok til at objekter i nærheten kan avbildes på netthinnen. Omvendt lider personer som ikke kan øke brennvidden til linsen nok til å tillate at fjerne objekter kan avbildes på netthinnen, av nærsynthet og har et langt punkt som er betydelig nærmere enn uendelig. En tilstand kjent som astigmatisme oppstår når hornhinnen ikke er sfærisk, men i stedet er mer buet i én retning. Dette fører til at horisontalt utvidede objekter fokuseres på andre deler av netthinnen enn vertikalt utvidede objekter, og resulterer i forvrengte bilder.

Alle disse forholdene kan korrigeres med korrigerende linser . For presbyopi og hyperopi gir en konvergerende linse den ekstra krumningen som er nødvendig for å bringe nærpunktet nærmere øyet, mens for nærsynthet gir en divergerende linse krumningen som er nødvendig for å sende det fjerne punktet til det uendelige. Astigmatisme korrigeres med en sylindrisk overflatelinse som krummer sterkere i én retning enn i en annen, og kompenserer for ujevnheten i hornhinnen.

Den optiske kraften til korrigerende linser måles i dioptrier , en verdi lik den gjensidige av brennvidden målt i meter; med en positiv brennvidde som tilsvarer en konvergerende linse og en negativ brennvidde som tilsvarer en divergerende linse. For linser som også korrigerer for astigmatisme, er det gitt tre tall: ett for den sfæriske kraften, ett for den sylindriske kraften og ett for orienteringsvinkelen til astigmatismen.

Visuelle effekter

Ponzo-illusjonen er avhengig av det faktum at parallelle linjer ser ut til å konvergere når de nærmer seg uendelighet.

Optiske illusjoner (også kalt visuelle illusjoner) er preget av visuelt oppfattede bilder som skiller seg fra objektiv virkelighet. Informasjonen som samles inn av øyet, behandles i hjernen for å gi en oppfatning som er forskjellig fra objektet som avbildes. Optiske illusjoner kan være et resultat av en rekke fenomener, inkludert fysiske effekter som skaper bilder som er forskjellige fra objektene som lager dem, de fysiologiske effektene på øynene og hjernen av overdreven stimulering (f.eks. lysstyrke, tilt, farge, bevegelse) og kognitive illusjoner der øyet og hjernen gjør ubevisste slutninger .

Kognitive illusjoner inkluderer noen som er et resultat av ubevisst feilanvendelse av visse optiske prinsipper. For eksempel er Ames-rommet , Hering , Müller-Lyer , Orbison , Ponzo , Sander og Wundt-illusjonene alle avhengige av antydningen om utseendet til avstand ved å bruke konvergerende og divergerende linjer, på samme måte som parallelle lysstråler (eller faktisk ethvert sett med parallelle linjer) ser ut til å konvergere ved et forsvinningspunkt i det uendelige i todimensjonalt gjengitte bilder med kunstnerisk perspektiv. Dette forslaget er også ansvarlig for den berømte måneillusjonen der månen, til tross for at den i hovedsak har samme vinkelstørrelse, ser ut til å være mye større nær horisonten enn den gjør ved senit . Denne illusjonen gjorde Ptolemaios så forvirret at han feilaktig tilskrev den atmosfærisk brytning da han beskrev den i sin avhandling, Optikk .

En annen type optisk illusjon utnytter ødelagte mønstre for å lure sinnet til å oppfatte symmetrier eller asymmetrier som ikke er tilstede. Eksempler inkluderer kaféveggen , Ehrenstein , Fraser spiral , Poggendorff og Zöllner illusjoner . Beslektede, men ikke strengt tatt illusjoner, er mønstre som oppstår på grunn av overlagring av periodiske strukturer. For eksempel produserer transparente vev med en rutenettstruktur former kjent som moiré-mønstre , mens overlagringen av periodiske gjennomsiktige mønstre som omfatter parallelle ugjennomsiktige linjer eller kurver produserer moiré -mønstre.

Optiske instrumenter

Illustrasjoner av forskjellige optiske instrumenter fra 1728 Cyclopaedia

Enkeltlinser har en rekke bruksområder, inkludert fotografiske linser , korrigerende linser og forstørrelsesglass, mens enkeltspeil brukes i parabolske reflektorer og bakspeil . Ved å kombinere en rekke speil, prismer og linser produseres sammensatte optiske instrumenter som har praktisk bruk. For eksempel er et periskop ganske enkelt to plane speil justert for å tillate visning rundt hindringer. De mest kjente sammensatte optiske instrumentene i vitenskapen er mikroskopet og teleskopet som begge ble oppfunnet av nederlenderne på slutten av 1500-tallet.

Mikroskoper ble først utviklet med bare to linser: en objektivlinse og et okular . Objektivlinsen er i hovedsak et forstørrelsesglass og ble designet med svært liten brennvidde, mens okularet generelt har lengre brennvidde. Dette har effekten av å produsere forstørrede bilder av nære objekter. Vanligvis brukes en ekstra belysningskilde siden forstørrede bilder er svakere på grunn av bevaring av energi og spredning av lysstråler over et større overflateareal. Moderne mikroskoper, kjent som sammensatte mikroskoper, har mange linser (vanligvis fire) for å optimere funksjonaliteten og forbedre bildestabiliteten. Et litt annerledes utvalg av mikroskoper, sammenligningsmikroskopet , ser på bilder side ved side for å produsere en stereoskopisk kikkertvisning som virker tredimensjonal når den brukes av mennesker.

De første teleskopene, kalt brytende teleskoper, ble også utviklet med et enkelt objektiv og okularlinse. I motsetning til mikroskopet ble objektivlinsen til teleskopet designet med stor brennvidde for å unngå optiske aberrasjoner. Objektivet fokuserer et bilde av et fjerntliggende objekt i brennpunktet som er justert til å være i brennpunktet til et okular med mye mindre brennvidde. Hovedmålet med et teleskop er ikke nødvendigvis forstørrelse, men snarere samlingen av lys som bestemmes av den fysiske størrelsen på objektivlinsen. Teleskoper indikeres derfor normalt med diametrene til objektivene i stedet for forstørrelsen som kan endres ved å bytte okular. Fordi forstørrelsen til et teleskop er lik brennvidden til objektivet delt på brennvidden til okularet, forårsaker okularer med mindre brennvidde større forstørrelse.

Siden det er mye vanskeligere å lage store linser enn å lage store speil, er de fleste moderne teleskoper reflekterende teleskoper , det vil si teleskoper som bruker et primærspeil i stedet for en objektivlinse. De samme generelle optiske betraktningene gjelder for reflekterende teleskoper som gjaldt for refrakterende teleskoper, nemlig jo større primærspeilet er, jo mer lys samles det, og forstørrelsen er fortsatt lik brennvidden til primærspeilet delt på brennvidden til okularet . Profesjonelle teleskoper har vanligvis ikke okularer og plasserer i stedet et instrument (ofte en ladekoblet enhet) i fokuspunktet i stedet.

Fotografering

Bildet er tatt med blenderåpning f /32
Bildet er tatt med blenderåpning f /5

Fotograferingsoptikken involverer både linser og mediet som den elektromagnetiske strålingen registreres i, enten det er en plate , film eller ladekoblet enhet. Fotografer må vurdere gjensidigheten til kameraet og bildet som oppsummeres av forholdet

Eksponering ∝ ApertureArea × ExposureTime × SceneLuminance

Med andre ord, jo mindre blenderåpning (gir større dybde i fokus), jo mindre lys kommer inn, så tiden må økes (noe som fører til mulig uskarphet hvis bevegelse oppstår). Et eksempel på bruk av gjensidighetsloven er Sunny 16-regelen som gir et grovt estimat for innstillingene som trengs for å estimere riktig eksponering i dagslys.

Et kameras blenderåpning måles med et enhetsløst tall kalt f-nummer eller f-stopp, f /#, ofte notert som , og gitt av

hvor er brennvidden, og er diameteren på inngangspupillen. Ved konvensjon behandles " f /#" som et enkelt symbol, og spesifikke verdier av f /# skrives ved å erstatte talltegnet med verdien. De to måtene å øke f-stoppet på er å enten redusere diameteren på inngangspupillen eller endre til en lengre brennvidde (i tilfellet med et zoomobjektiv kan dette gjøres ved å justere objektivet). Høyere f-tall har også større dybdeskarphet på grunn av at objektivet nærmer seg grensen til et pinhole-kamera som klarer å fokusere alle bilder perfekt, uavhengig av avstand, men krever svært lange eksponeringstider.

Synsfeltet som objektivet vil gi endres med objektivets brennvidde. Det er tre grunnleggende klassifiseringer basert på forholdet til diagonalstørrelsen på filmen eller sensorstørrelsen på kameraet til objektivets brennvidde:

  • Normal linse : synsvinkel på omtrent 50° (kalt normal fordi denne vinkelen anses som omtrent ekvivalent med menneskelig syn) og en brennvidde omtrent lik diagonalen til filmen eller sensoren.
  • Vidvinkelobjektiv : synsvinkel bredere enn 60° og brennvidde kortere enn et vanlig objektiv.
  • Langfokusobjektiv : synsvinkelen smalere enn et vanlig objektiv. Dette er ethvert objektiv med en brennvidde lengre enn diagonalmålet til filmen eller sensoren. Den vanligste typen langfokuslinse er teleobjektivet , et design som bruker en spesiell telefotogruppe for å være fysisk kortere enn brennvidden.

Moderne zoomobjektiver kan ha noen eller alle disse egenskapene.

Den absolutte verdien for eksponeringstiden som kreves avhenger av hvor følsomt for lys mediet som brukes er (målt ved filmhastigheten , eller, for digitale medier, ved kvanteeffektiviteten ) . Tidlig fotografering brukte medier som hadde svært lav lysfølsomhet, og derfor måtte eksponeringstidene være lange selv for veldig lyse bilder. Ettersom teknologien har blitt bedre, har også følsomheten gjennom filmkameraer og digitale kameraer blitt bedre.

Andre resultater fra fysisk og geometrisk optikk gjelder kameraoptikk. For eksempel er den maksimale oppløsningsevnen til et bestemt kameraoppsett bestemt av diffraksjonsgrensen assosiert med pupillstørrelsen og gitt, grovt sett, av Rayleigh-kriteriet.

Atmosfærisk optikk

En fargerik himmel skyldes ofte spredning av lys fra partikler og forurensning, som i dette fotografiet av en solnedgang under skogbrannene i California i oktober 2007 .

Atmosfærens unike optiske egenskaper forårsaker et bredt spekter av spektakulære optiske fenomener. Den blå fargen på himmelen er et direkte resultat av Rayleigh-spredning som omdirigerer høyere frekvens (blått) sollys tilbake til observatørens synsfelt. Fordi blått lys spres lettere enn rødt lys, får solen en rødlig nyanse når den observeres gjennom en tykk atmosfære, som under en soloppgang eller solnedgang . Ytterligere svevestøv på himmelen kan spre forskjellige farger i forskjellige vinkler og skape fargerik glødende himmel ved skumring og daggry. Spredning av iskrystaller og andre partikler i atmosfæren er ansvarlige for glorier , etterglød , koronaer , solstråler og solhunder . Variasjonen i denne typen fenomener skyldes forskjellige partikkelstørrelser og geometrier.

Mirages er optiske fenomener der lysstråler bøyes på grunn av termiske variasjoner i brytningsindeksen til luft, og produserer forskjøvede eller sterkt forvrengte bilder av fjerne objekter. Andre dramatiske optiske fenomener knyttet til dette inkluderer Novaya Zemlya-effekten der solen ser ut til å stå opp tidligere enn forutsagt med en forvrengt form. En spektakulær form for brytning oppstår med en temperaturinversjon kalt Fata Morgana der objekter i horisonten eller til og med utenfor horisonten, som øyer, klipper, skip eller isfjell, fremstår som langstrakte og forhøyede, som "eventyrslott".

Regnbuer er resultatet av en kombinasjon av intern refleksjon og dispersiv lysbrytning i regndråper. En enkelt refleksjon fra ryggen til en rekke regndråper produserer en regnbue med en vinkelstørrelse på himmelen som varierer fra 40° til 42° med rødt på utsiden. Doble regnbuer er produsert av to indre refleksjoner med vinkelstørrelse på 50,5° til 54° med fiolett på utsiden. Fordi regnbuer sees med solen 180° fra sentrum av regnbuen, er regnbuene mer fremtredende jo nærmere solen er horisonten.

Se også

Referanser

Videre lesning

Eksterne linker

Relevante diskusjoner
Lærebøker og opplæringsprogrammer
Wikibooks-moduler
Videre lesning
Samfunn