Кіріспе

Жарықты зерттейтін физика саласы Оптика – жарықтың қасиеттері мен мінез-құлқы, соның ішінде материямен өзара әрекеттесуін және оны пайдаланатын немесе анықтайтын құралдарды құрастыруды зерттейтін физика саласы. Оптика көбінесе көрінетін, ультракүлгін және инфрақызыл жарықтың мінез-құлқын сипаттайды. Жарық – электромагниттік сәулеленудің бір түрі, ал Х-сәулелері, микротолқындар және радиотолқындар сияқты электромагниттік сәулеленудің басқа түрлері де ұқсас қасиеттерге ие. Ежелгі гректер мен римдіктер линза жасау үшін шыны шарларды сумен толтырған. Осы тәжірибелік жетістіктерден кейін ежелгі грек және үнді философтары жарық және көру туралы теорияларды, сондай-ақ грек-рим әлемінде геометриялық оптиканы дамытқан. Оптика сөзі ежелгі грек сөзі ὀπτική-дан шыққан. Грек философиясы оптиканы екі қарама-қарсы теорияға бөлді: интромиссия теориясы және эмиссия теориясы. Интромиссия тәсілі көзбен қабылданатын өздерінің көшірмелерін (эйдола деп аталады) шығаратын объектілерден келетін көріністі қарастырды. Демокрит, Эпикур, Аристотель және олардың ізбасарлары сияқты көптеген тараптардың пікірінше, бұл теория қазіргі заманғы теориялармен байланысты болғанмен, тәжірибелік негізсіз болжам ретінде қалды. Платон алғаш рет көзден сәулелер шығып, көрудің пайда болатынын айтты. Сондай-ақ, ол "Тимейде" айналардың бейнелерін кернеуі туралы пікір білдірді. Кейін Евклид (б.з.д. 4-3 ғасыр) "Оптика" атты трактат жазды, онда ол геометрияны көрумен байланыстырып, геометриялық оптиканы құрды. Ол өз жұмысын Платонның сәуле шығару теориясына негіздеді, онда ол перспективаның математикалық ережелерін сипаттады және сынудың әсерін сапалы түрде сипаттады, бірақ көзден шыққан жарық сәулесі бірден жұлдыздарды жарықтандыра ала ма деген күмәнділік білдірді. Евклид жарықтың ең қысқа траекториясы туралы қағиданы айтты және жалпақ және сфералық айналардағы көптеген шағылыстарды қарастырды. Птолемей өзінің "Оптика" трактатында көрудің экстрамиссия-интромиссия теориясын ұстады: көзден шыққан сәулелер (немесе ағын) конус құрайды, оның төбесі көз ішінде, ал негізі көру өрісін анықтайды. Сәулелер сезімтал болды және бақылаушының санасына беттердің қашықтығы мен бағыты туралы ақпарат жеткізді. Ол Евклидтің көп бөлігін жинақтап, сыну бұрышын өлшеу тәсілін сипаттады, бірақ оның және түсу бұрышы арасындағы эмпирикалық байланысты байқамады. Плутарх (б.з.д. 1-2 ғасыр) сфералық айналардағы көптеген шағылыстарды сипаттап, нақты және ойшау бейнелерді жасау туралы, соның ішінде бейнелердің хиралдылығы жағдайларын да талқылады. Орта ғасырларда гректердің оптика туралы идеялары мұсылман әлеміндегі жазушылармен қайта жаңғыртылды. Олардың ең ертесінің бірі – әл-Кинди (801-873 ж.ж.), ол оптика туралы Аристотельдік және Евклидтік идеялардың артықшылықтары туралы жазды, эмиссия теориясын жақтырды, өйткені ол оптикалық құбылыстарды жақсырақ өлшеуге мүмкіндік берді. 984 жылы парсы математигі Ибн Сахл "Жарған айналар мен линзалар туралы" трактат жазды, ол Снелл заңына тең рефракция заңын дұрыс сипаттады. Ол осы заңды линзалар мен қисық айналардың ең жақсы пішіндерін есептеу үшін қолданды. 11 ғасырдың басында әл-Хазен (Ибн әл-Хайтам) "Оптика кітабы" (Китаб әл-маназир) деп аталатын кітап жазды, онда ол шағылысу мен сынуды зерттеді және бақылау мен эксперимент негізінде көру мен жарықты түсіндірудің жаңа жүйесін ұсынды. Ол Птолемейлік оптиканың "эмиссия теориясын", көзден сәулелер шығаратын көзбен қабылдамады, керісінше, қаралатын объектілердің барлық нүктелерінен түзу сызықтармен барлық бағытта жарық шағылысады және содан кейін көзге енеді деген идеяны алға тартты, бірақ көзге сәулелердің қалай түсетінін дұрыс түсіндіре алмады. Әл-Хазеннің еңбегі араб әлемінде көп назар алмаған, бірақ 1200 жылы латын тіліне анонимді түрде аударылып, поляк монахы Витело оны қысқаша және кеңейтіп, келесі 400 жыл бойы Еуропадағы оптика бойынша стандартты мәтінге айналдырды. 13 ғасырда ортағасырлық Еуропада ағылшын епискобы Роберт Гроссетест көптеген ғылыми тақырыптар бойынша жазды және жарықты төрт түрлі көзқараспен талқылады: жарықтың эпистемологиясы, жарықтың метафизикасы немесе космогониясы, жарықтың этиологиясы немесе физикасы және жарықтың теологиясы, Аристотель мен Платонның еңбектеріне негізделген. Гроссетесттің ең танымал шәкірті Роджер Бэкон, Әл-Хазен, Аристотель, Авиценна, Аверроэс, Евклид, әл-Кинди, Птолемей, Тидей және Константин Африкалықтың еңбектерінен цитата келтіретін көптеген жұмыстар жазды. Бэкон шыны шарларының бөліктерін үлкейту үшін қолданып, жарық объектілерден шағылысатынын, олардан шығатынын емес, көрсетті. Бірінші киелі көзілдіріктер Италияда шамамен 1286 жылы ойлап табылды. Бұл линзаларды ұнтақтап және жылтыратудан тұратын оптикалық өнеркәсіптің бастауы болды, алғашқыда 13 ғасырда Венеция мен Флоренцияда, кейін Нидерланд пен Германиядағы көзілдірік жасау орталықтарында. Көзілдірік жасаушылар көруді түзету үшін жақсартылған линза түрлерін жасады, олар күніміздегі оптикалық теорияға қарағанда, линзалардың әсерін байқаудан алынған эмпирикалық білімге көбірек сүйенді (теория, көбінесе, көзілдіріктердің қалай жұмыс істейтінін тиянақты түсіндіре алмады). Осы тәжірибелік даму, линзалармен шеберлік пен тәжірибелер шамамен 1595 жылы күрделі оптикалық микроскопты, ал 1608 жылы рефракциялық телескопты ойлап табуға әкелді, екеуі де Нидерландтағы көзілдірік жасау орталықтарында пайда болды. 17 ғасырдың басында Иоганн Кеплер геометриялық оптиканы өз жазбаларында кеңейтті, линзаларды, жалпақ және қисық айналардан шағылысуды, камера-обскураның қағидаларын, жарықтың қарқындылығын басқаратын кері квадрат заңын және ай және күннің тұтылуы және астрономиялық параллакс сияқты астрономиялық құбылыстардың оптикалық түсіндірмелерін қамтыды. Ол сондай-ақ торлы қабықтың бейнелерді жазатын нақты орган екенін дұрыс анықтады, сонымен қатар, көзілдірік жасаушылар соңғы 300 жылдан бері байқап келген әртүрлі линза түрлерінің әсерін ғылыми тұрғыдан мөлшерлеуге мүмкіндік алды. Телескопты ойлап тапқаннан кейін Кеплер олардың қалай жұмыс істейтінінің теориялық негізін жасады және екі дөңес линзаны пайдаланып үлкейтуді арттыратын жақсартылған нұсқасын, белгілі Кеплер телескопын сипаттады. Оптикалық теория 17 ғасырдың ортасында философ Рене Декарт жазған трактаттармен дамыды, ол шағылысу мен сынуды жарық шығаратын объектілерден шығатынын болжай отырып түсіндірді. Бұл ежелгі гректердің эмиссия теориясынан едәуір өзгеше болды. 1660-жылдардың соңы мен 1670-жылдардың басында Исаак Ньютон Декарттың идеяларын жарықтың корпускулалық теориясына кеңейтті, ақ жарықтың призмамен бөліне алатын түстердің қоспасы екенін атақты түрде анықтады. 1690 жылы Христиан Гюйгенс Роберт Хук 1664 жылы ұсынған идеяларға негізделген жарыққа толқындық теорияны ұсынды. Хук өзі Ньютонның жарық теориясын жазбалы түрде сынады және екеуінің арасындағы жанжал Хук қайтыс болғанға дейін жалғасты. 1704 жылы Ньютон "Оптика" кітабын жариялады және сол кезде, басқа физика салаларындағы жетістіктеріне байланысты, ол жарықтың табиғаты туралы пікірталас жеңімпазы ретінде қарастырылды. Толқындық оптика 1860 жылдары Джеймс Клерк Максвеллдің электромагниттік теориясымен сәтті біріктірілді. Оптикалық теорияның келесі дамуы 1899 жылы Макс Планк қара дене сәулеленуін дұрыс модельдеді, жарық пен материя арасындағы энергия алмасуы дискрет мөлшерде ғана жүзеге асатынын болжады және оларды кванттар деп атады. 1905 жылы Альберт Эйнштейн...

Классикалық оптика

Классикалық оптика екі негізгі салаға бөлінеді: геометриялық (немесе сәулелік) оптика және физикалық (немесе толқындық) оптика. Геометриялық оптикада жарық түзу сызықтармен тарайды деп есептеледі, ал физикалық оптикада жарық электромагниттік толқын ретінде қарастырылады. Геометриялық оптиканы физикалық оптиканың шамамен жуықтауы ретінде қарастыруға болады, ол модельделетін жүйедегі оптикалық элементтердің мөлшеріне қарағанда қолданылатын жарықтың толқын ұзындығы әлдеқайда кішкентай болған кезде қолданылады.

Геометриялық оптика

Геометриялық оптика немесе сәулелік оптика жарықтың "сәулелер" түрінде таралуын сипаттайды, олар түзу сызықтармен қозғалады және олардың жолдары әртүрлі орталардың шекараларында шағылысу және сыну заңдарымен анықталады. Бұл заңдар 984 жылы тәжірибелік жолмен ашылған.

Шамалау

Геометриялық оптика көбінесе параксиалды жуықтау, немесе "кіші бұрыштық жуықтау" арқылы қарапайымдастырылады. Бұл жағдайда математикалық мінез-құлық сызықтық болып келеді, бұл оптикалық компоненттер мен жүйелерді қарапайым матрицалармен сипаттауға мүмкіндік береді. Осыдан гаусс оптикасы және параксиалды сәулелерді трассировкалау әдістері туындайды, олар оптикалық жүйелердің негізгі қасиеттерін – шамамен кескін мен нысандардың орналасуын және ұлғаюын анықтау үшін қолданылады.

Ойланулар

Шағылыстарды екі түрге бөлуге болады: көкжиекті және диффузиялық шағылыс. Көкжиекті шағылыс – жарықты қарапайым, болжамды түрде шағылыстыратын айналар сияқты беттердің жылтырлығын сипаттайды. Бұл нақты (шынайы) немесе экстраполяцияланған (виртуалды) кеңістіктегі орынмен байланыстырылатын бейнелерді жасауға мүмкіндік береді. Диффузиялық шағылыс қағаз немесе тас сияқты жылтырамайтын материалдарды сипаттайды. Бұл беттерден шағылысқан жарықты тек статистикалық тұрғыдан сипаттауға болады, ал шағылысқан жарықтың нақты таралуы материалдың микроскопиялық құрылымына байланысты. Көптеген диффузиялық шағылыстырғыштар Ламберттің косинус заңымен сипатталады немесе оған жуықтап келтіріледі, ол кез келген бұрыштан қарағанда бірдей жарықтығы бар беттерді сипаттайды. Жылтыр беттер көкжиекті де, диффузиялық та шағылысты көрсете алады. Көкжиекті шағылыста шағылысқан сәуленің бағыты түсетін сәуленің бет нормалімен (бетке соққы беретін нүктедегі бетке перпендикуляр сызық) құратын бұрышпен анықталады. Түсетін және шағылысқан сәулелер мен нормаль бір жазықтықта жатады, ал шағылысқан сәуле мен бет нормалі арасындағы бұрыш түсетін сәуле мен нормаль арасындағы бұрышқа тең болады. Бұл Шағылыс заңы деп аталады. Жазық айналар үшін шағылыс заңы бойынша, нысандардың бейнелері тік болады және нысандар айнаның алдында қанша қашықтықта болса, бейнелер де айнаның артында сондай қашықтықта болады. Бейнеленген суреттің мөлшері нысанның мөлшерімен бірдей. Бұл заң бойынша айнадағы бейнелер тепе-теңдік бойынша инверсияланған, яғни сол-оңға кері бейнеленгендей сезіледі. Екі (немесе кез келген жұп сан) айнадағы шағылыстан пайда болған бейнелер тепе-теңдік бойынша инверсияланбайды. Бұрыштық шағылыстырғыштар шағылысқан сәулелерді түсетін сәулелер келген бағытқа қарай кері қайтарады. Бұл ретрошағылыс деп аталады. Иіс беттері бар айналарды сәулелерді іздеу арқылы және беттің әрбір нүктесінде шағылыс заңын қолдану арқылы модельдеуге болады. Параболалық беттері бар айналарда параллель сәулелер айнаға түскенде, ортақ фокусқа жиналатын шағылысқан сәулелерді тудырады. Басқа иіс беттері де жарықты шоғырландыра алады, бірақ олардың иіс формасынан туындаған аберрациялар фокустың кеңістікте шашырауына себеп болады. Атап айтқанда, шар тәрізді айналарда сфералық аберрация байқалады. Иіс айналар бірден үлкен немесе кіші ұлғаюмен бейнелерді қалыптастыра алады, ал ұлғаю теріс болуы мүмкін, бұл бейне инверсияланғанын көрсетеді. Айнада шағылысқан тік бейне әрқашан виртуалды болады, ал инверсияланған бейне шынайы болып, экранға проекциялануы мүмкін.

Линзалар

Рефракция нәтижесінде жарық сәулелерін жинақтайтын немесе шашырататын құрылғы линза деп аталады. Линзалар олардың фокустық қашықтығымен сипатталады: жинақтайтын линзаның оң фокустық қашықтығы, ал шашырататын линзаның теріс фокустық қашықтығы болады. Фокустық қашықтық қысқа болса, линзаның жинақтау немесе шашырату әсері күшті екенін көрсетеді. Ауадағы қарапайым линзаның фокустық қашықтығы линза жасаушының теңдеуі арқылы анықталады. Сәулелерді қадағалау арқылы линзаның қалай бейне түзіретінін көрсетуге болады. Ауадағы жұқа линза үшін бейненің орны қарапайым теңдеумен беріледі, мұнда d – объект пен линза арасындағы қашықтық, d' – линза мен бейне арасындағы қашықтық, ал f – линзаның фокустық қашықтығы. Мұнда қолданылатын белгілер жүйесінде, егер объект және бейне линзаның қарама-қарсы жақтарында орналасқан болса, объект пен бейне арақашықтығы оң болады. Кіріс параллель сәулелер жинақтайтын линза арқылы линзаның қарама-қарсы жағындағы, линзадан бір фокустық қашықтықтағы нүктеге шоғырланады. Бұл линзаның артқы фокустық нүктесі деп аталады. Шекті қашықтықтағы объектіден келетін сәулелер фокустық қашықтықтан гөрі линзадан алыс шоғырланады; объект линзаға неғұрлым жақын болса, бейне линзадан соғұрлым алыс болады. Шашырататын линзалар арқылы кіретін параллель сәулелер линзадан өткеннен кейін, линзаның алдындағы бір фокустық қашықтықта пайда болғандай таралады. Бұл линзаның алдыңғы фокустық нүктесі. Шекті қашықтықтағы объектіден келетін сәулелер линзаға фокустық нүктеден жақын және объектінің сол жағында орналасқан нақты емес бейнемен байланыстырылады. Объект линзаға неғұрлым жақын болса, нақты емес бейне де линзаға соғұрлым жақын болады. Айналардағы сияқты, бір линзадан түзілген тік бейнелер нақты емес, ал кері бейнелер нақты болады. Линзалар бейнелерді бұрмалайтын аберрациялардан зардап шегеді. Монохроматикалық аберрациялар линзаның геометриясы сәулелерді әрбір объект нүктесінен бейнедегі бір нүктеге толық бағыттамауынан туындайды, ал хроматикалық аберрация линзаның жарық толқын ұзындығына байланысты сыну көрсеткішінің өзгеруінен пайда болады.

Физикалық оптика

Физикалық оптикада жарық толқындар ретінде тарайды деп есептеледі. Бұл модель геометриялық оптикамен түсіндірілмейтін интерференция және дифракция сияқты құбылыстарды болжайды. Ауадағы жарық толқындарының жылдамдығы шамамен 3,0×108 м/с (вакуумде дәл 299,792,458 м/с). Көрінетін жарық толқындарының толқын ұзындығы 400 және 700 нм аралығында өзгереді, бірақ "жарық" термині көбінесе инфрақызыл (0,7–300 мкм) және ультракүлгін сәулеленуіне (10–400 нм) де қолданылады. Толқындық модель оптикалық жүйенің қандай ортада "толқын" болып жатқанын түсіндіруді қажет етпей, оның қалай әрекет ететінін болжауға мүмкіндік береді. 19 ғасырдың ортасына дейін көптеген физиктер жарық тарауына себеп болатын "эфирлік" орта бар деп сенген. Электромагниттік толқындардың болуы 1865 жылы Максвелл теңдеулері арқылы болжалды. Бұл толқындар жарық жылдамдығымен тарайды және бір-біріне және толқындар таралу бағытына перпендикуляр электр және магнит өрістерін қамтиды. Жарық толқындары қазіргі кезде, кванттық механикалық эффектілерді ескеру қажет болмаса, электромагниттік толқындар ретінде қарастырылады.

Физикалық оптиканы пайдалана отырып, оптикалық жүйелерді модельдеу және жобалау

Оптикалық жүйелерді талдау және жобалау үшін көптеген оңайлатылған жуықтамалар қол жетімді. Олардың көпшілігі ортогональды электрлік және магниттік векторлармен векторлық модельді пайдаланудың орнына, жарық толқынының электр өрісін көрсету үшін бір скаляр шаманы қолданады. Гюйгенс-Френель теңдеуі – осындай модельдердің бірі. Бұл теңдеу Френельдің 1815 жылы жасаған гипотезалық есептеулерге негізделген, онда толқын фронтының әрбір нүктесі екінші шар тәрізді толқын фронтын тудырады, ал Френель бұл есептеуді толқындардың суперпозиция принципімен біріктірді. Максвелл теңдеулерін қолдану арқылы шығарылған Кирхгофф дифракция теңдеуі Гюйгенс-Френель теңдеуін мықты физикалық негізге қояды. Гюйгенс-Френель принципін қолдану мысалдары дифракция және Фраунгофер дифракциясы туралы мақалаларда кездеседі. Электрлік және магниттік қасиеттері жарық пен материалдың өзара әрекеттесуіне әсер ететін материалдармен жұмыс істегенде, жарық толқынының электрлік және магниттік өрістерін модельдеуді қамтитын, неғұрлым қатаң модельдер қажет. Мысалы, металл бетімен өзара әрекеттесетін жарық толқынының мінез-құлқы диэлектрлік материалмен өзара әрекеттескен кездегіден мүлдем өзгеше болады. Поляризацияланған жарықты модельдеу үшін де векторлық модельді қолдану қажет. Шектелген элементтер әдісі, шекаралық элементтер әдісі және беріліс желісі матрицасы әдісі сияқты сандық модельдеу техникаларын, талдау арқылы шешуге болмайтын жүйелердегі жарық таралуын модельдеу үшін пайдалануға болады. Мұндай модельдер көп есептеулерді қажет етеді және әдетте кішкентай масштабтағы проблемаларды шешу үшін қолданылады, олар аналитикалық шешімдермен қол жеткізілетіннен артық дәлдік талап етеді. Фурье оптикасының әдістерін қолдану арқылы геометриялық оптиканың барлық нәтижелерін қалпына келтіруге болады, бұл әдістер акустикалық инженерияда және сигналды өңдеуде қолданылатын көптеген математикалық және аналитикалық техникаларды пайдаланады. Гаусс шоғының таралуы – лазерлік шоқтар сияқты когерентті сәулелердің таралуы үшін қарапайым параксиалды физикалық оптика моделі. Бұл техника дифракцияны ішінара ескереді, лазерлік шоқтың қашықтықпен кеңею жылдамдығын және шоқтың қаншалықты кішкентай өлшемге дейін фокусталатынын дәл есептеуге мүмкіндік береді. Осылайша, Гаусс шоғының таралуы геометриялық және физикалық оптика арасындағы алшақтықты толтырады.

Дифракция және оптикалық ажырату

Дифракция – жарық кедергісінің ең көп кездесетін процесі. Бұл эффектті алғаш 1665 жылы Франческо Мария Грималди сипаттаған, ол латын тілінен алынған diffringere терминін де қолданды. Сол ғасырдың соңында Роберт Гук пен Исаак Ньютон Ньютон сақиналарында дифракция деп аталатын құбылыстарды сипаттады, ал Джеймс Грегори құс қауырсындарынан дифракциялық суреттерді байқағанын жазды. Хюйгенс-Френель принципіне негізделген дифракцияның алғашқы физикалық оптикалық моделін 1803 жылы Томас Янг екі жақын орналасқан саңылаулардың интерференциялық суреттерімен жасалған интерференциялық тәжірибелерінде жасады. Янг өзінің нәтижелерін екі жарық корпускула емес, екі ерекше толқын көзі ретінде әрекет еткен жағдайда ғана түсіндіріле алатынын көрсетті. 1815 және 1818 жылдары Августин Жан Френель толқынның кедергісі дифракцияны қалай түсіндіретінін математикалық тұрғыдан нақтылады. Дифракцияның ең қарапайым физикалық модельдері белгілі бір толқын ұзындығы (λ) бар жарықтан туындаған жарық және қараңғы жолақтардың бұрыштық бөлінуін сипаттайтын теңдеулерді қолданады. Жалпы, теңдеу мынадай формада болады: мұнда d – екі толқын көзінің арақашықтығы (Янгтың тәжірибесінде – екі саңылау), θ – орталық жолақ пен n-ші жолақ арасындағы бұрыштық арақашықтық, ал орталық максимумда n = 0. Бұл теңдеу бір саңылау арқылы дифракция, бірнеше саңылау арқылы дифракция немесе тең аралықта орналасқан көптеген саңылаулардан тұратын дифракциялық тор арқылы дифракция сияқты әртүрлі жағдайларды ескеру үшін сәл өзгертледі. Дифракцияның күрделі модельдері Френель немесе Фраунгофер дифракциясының математикасын қолдануды қажет етеді. Рентгендік дифракция кристаллдағы атомдардың бір ангстрем шамасындағы тұрақты арақашықтығын пайдаланады. Дифракциялық суреттерді көру үшін, осы арақашықтыққа ұқсас толқын ұзындығына ие рентген сәулелері кристалл арқылы өткізіледі. Кристаллдар екі өлшемді торлар емес, үш өлшемді нысандар болғандықтан, дифракциялық сурет Брэгг шағылысына сәйкес екі бағытта өзгереді, жарық нүктелері ерекше суреттерде пайда болады және d атомдар арасындағы арақашықтықтың екі еселенген шамасына тең болады. Дифракциялық эффектілер оптикалық детектордың бөлек жарық көздерін ажырату қабілетін шектейді. Жалпы, апертурадан өтетін жарық дифракцияға ұшырайды және ең жақсы суреттер (дифракциялық шектеулі оптикада сипатталғандай) орталық нүкте және оны қоршаған жарық сақиналары түрінде көрінеді, олар қараңғы аймақтармен бөлінеді; бұл сурет Аири суреті деп аталады, ал орталық жарық бөлігі Аири дискісі деп аталады. Мұндай дискінің мөлшері θ бұрыштық ажыратылуы, λ – жарықтың толқын ұзындығы және D – линзаның диаметрі арқылы анықталады. Егер екі нүктенің бұрыштық арақашықтығы Аири дискісінің бұрыштық радиусынан әлдеқайда кіші болса, онда екі нүктені суретте ажырату мүмкін емес, бірақ егер олардың бұрыштық арақашықтығы одан әлдеқайда үлкен болса, екі нүктенің ерекше суреттері пайда болады және оларды ажыратуға болады. Рейли екі нүктенің бұрыштық арақашықтығы Аири дискісінің радиусына тең болса (бірінші қараңғы аймаққа дейін өлшенгенде), оларды ажыратылған деп санауға болатын "Рейли критерийін" анықтады. Линзаның немесе апертураның диаметрі неғұрлым үлкен болса, ажырату қабілеті соғұрлым жоғары болады. Интерферометрия, өте үлкен бастапқы апертураларды имитациялау қабілетімен, ең жоғары бұрыштық ажыратуға мүмкіндік береді.

Дисперсия және шашырау

Рефракциялық процестер физикалық оптика шегінде жүзеге асады, онда жарықтың толқын ұзындығы басқа қашықтықтармен шамалас келіп, шашыраудың бір түрі болып табылады. Шашыраудың ең қарапайым түрі – Томсон шашырауы, ол электромагниттік толқындар жеке бөлшектермен соқтығысқанда пайда болады. Томсон шашырауының шегінде жарықтың толқындық сипаты айқын байқалады, мұнда жарық жиілікке тәуелсіз шашырайды, ал бұл Комптон шашырауынан өзгеше, ол жиілікке тәуелді және қатаң түрде кванттық механикалық процесс, жарықтың бөлшектік табиғатын қамтиды. Статистикалық тұрғыдан алғанда, жарықтың толқын ұзындығынан әлдеқайда кіші бөлшектермен жарықтың серпімді шашырауы – Рейли шашырауы деп аталады, ал толқын ұзындығымен салыстырылатын немесе одан үлкен бөлшектермен шашырау – Ми шашырауы деп аталады, Тиндалл эффектісі осының жиі кездесетін салдары болып табылады. Атомдар мен молекулалардан шашыраған жарықтың шағын бөлігі Раман шашырауына ұшырайды, онда атомдар мен молекулалардың қозуынан жиілік өзгереді. Бриллюин шашырауы тығыз материалдың уақыт бойынша өзгеретін және қозғалыстарындағы жарық жиілігінің өзгеруі кезінде пайда болады. Дисперсия жарықтың әртүрлі жиіліктерінің әртүрлі фазалық жылдамдықтарына ие болуымен жүзеге асады, бұл материалдың қасиеттеріне (материалдық дисперсия) немесе оптикалық толқын жетектерінің геометриясына (толқын жетектерінің дисперсиясы) байланысты болуы мүмкін. Дисперсияның ең танымал түрі – бұл толқын ұзындығының ұлғаюымен сыну индексінің төмендеуі, ол көптеген мөлдір материалдарда байқалады. Бұл «қалыпты дисперсия» деп аталады. Ол барлық диэлектрлік материалдарда, материал жарықты жұтпайтын толқын ұзындығы диапазондарында кездеседі. Толқын ұзындығы диапазондарында ортаның жұтылуы маңызды болса, сыну индексі толқын ұзындығымен өсуі мүмкін. Бұл «аномальды дисперсия» деп аталады. Біртекті орта үшін топтық жылдамдық n – сыну индексі және c – вакуумдағы жарық жылдамдығы болып табылады. Бұл дисперсиялық кешігу параметрінің қарапайым түрін береді: егер D нөлден кем болса, ортада оң дисперсия немесе қалыпты дисперсия бар деп айтылады. Егер D нөлден артық болса, ортада теріс дисперсия бар. Егер жарық импульсі қалыпты дисперсиялы орта арқылы тараса, жоғары жиілікті компоненттер төменгі жиілікті компоненттерге қарағанда баяулайды. Сондықтан импульс уақыт өте жиілігі жоғарылап, оңға қарай бұрылады. Бұл призмадан шығатын спектрдің қызыл жарық ең аз бұрылуын және көк/күлгін жарық ең көп бұрылуын көрсетеді. Керісінше, егер импульс аномальды (теріс) дисперсиялық орта арқылы жүрсе, жоғары жиілікті компоненттер төменгілерге қарағанда жылдам жүреді, ал импульс теріс бұрылып, жиілігі төмендейді. Топтық жылдамдықтың дисперсиясының нәтижесі, теріс немесе оң болсын, импульстің уақыт бойынша кеңеюі болып табылады. Бұл оптикалық талшықтарға негіделген оптикалық байланыс жүйелерінде дисперсияны басқаруды өте маңызды етеді, өйткені дисперсия тым жоғары болса, ақпаратты білдіретін импульстер тобы уақыт бойынша кеңейіп, бірігіп, сигналды алу мүмкін болмайды. Белгілі бір поляризациялық режимдердің амплитудасын азайтатын орталар дихроикалық деп аталады, ал бір режимдегі сәулеленудің көп бөлігін тоқтатып тұратын құрылғылар поляризациялық сүзгілер немесе жай ғана «поляризаторлар» деп аталады. Этьен Луи Малустың атымен аталған Малустың заңына сәйкес, егер кемелді поляризатор сызықтық поляризацияланған жарық сәулесіне орналастырылса, онда өткен жарықтың интенсивтілігі I келесідей беріледі: мұнда – бастапқы интенсивтілік, ал – жарықтың бастапқы поляризация бағыты мен поляризатор осі арасындағы бұрыш. Поляризацияланбаған жарық сәулесін барлық мүмкін бұрыштардағы сызықтық поляризацияның біртекті қоспасы деп қарастыруға болады. орташа мәні 1/2 болғандықтан, өткізу коэффициенті практикада поляризаторда жарық жоғалуына байланысты, поляризацияланбаған жарықтың нақты берілуі бұдан сәл төмен болады, мысалы, Polaroid типті поляризаторлар үшін шамамен 38%, бірақ кейбір екі қырлы призма түрлері үшін айтарлықтай жоғары (>49,9%). Кеңейтілген ортадағы қос сыну және дихроизмнен басқа, поляризациялық әсерлер әртүрлі сыну индексі бар екі материал арасындағы (шағылыстыратын) интерфейсте де пайда болуы мүмкін. Бұл әсерлер Френель теңдеулерімен сипатталады. Толқынның бір бөлігі жіберіледі, ал бір бөлігі шағылысады, ал қатынасы түсу бұрышы мен сыну бұрышына байланысты. Осылайша физикалық оптика Брюстер бұрышын қалпына келтіреді. Ж бетіндегі жұқа пленкадан шағылысқанда, пленка беттерінен шағылысқан арасындағы интерференция шағылысқан және жіберілген жарықта поляризацияны тудыруы мүмкін.

Табиғи жарық

Электромагниттік сәулеленудің көптеген көздерінде жарық шығаратын көптеген атомдар мен молекулалар болады. Бұл шығарып тұрғандардың электр өрістерінің бағыты байланысты болмауы мүмкін, мұндай жағдайда жарық поляризацияланбаған деп айтылады. Егер шығарып тұрғандар арасында ішінара байланыс болса, жарық ішінара поляризацияланады. Егер поляризация көзінің спектрі бойынша тұрақты болса, ішінара поляризацияланған жарықты толық поляризацияланбаған және толық поляризацияланған компоненттердің суперпозициясы ретінде сипаттауға болады. Осылайша, жарықты поляризация дәрежесі және поляризациялық эллипс параметрлері тұрғысынан сипаттауға болады. Жарқыраған, мөлдір материалдардан шағылысқан жарық, жарық бетке перпендикуляр түскен кезде ғана, толық немесе ішінара поляризацияланбайды. Осы эффект математик Этьен Луи Малюске поляризацияланған жарыққа арналған алғашқы математикалық модельдерді жасауға қажетті өлшемдерді жасауға мүмкіндік берді. Поляризация атмосферада жарық шашыраған кезде пайда болады. Шашыраған жарық ашық аспандағы жарықтық пен түстің пайда болуына себеп болады. Шашыраған жарықтың бұл ішінара поляризациясы фотосуреттерде аспанды қараңғылату үшін поляризациялық сүзгілерді қолдану арқылы пайдаланылуы мүмкін. Оптикалық поляризация химияда негізінен дөңгелек дихроизм және оптикалық айналу (дөңгелек екі сыну) арқасында маңызды, осыны оптикалық белсенді (хиральды) молекулалар көрсетеді.

Қазіргі заманғы оптика

Қазіргі заманғы оптика 20-шы ғасырда танымал болған оптика ғылымы мен инженерия салаларын қамтиды. Оптика ғылымының бұл салалары көбінесе жарықтың электромагниттік немесе кванттық қасиеттерімен байланысты, бірақ басқа да тақырыптарды да қамтиды. Қазіргі заманғы оптиканың маңызды саласы – кванттық оптика, ол жарықтың кванттық механикалық қасиеттерін зерттейді. Кванттық оптика тек теориялық емес; лазерлер сияқты кейбір заманауи құрылғылардың жұмыс принциптері кванттық механикаға негізделген. Жарық детекторлары, мысалы, фотомультипликаторлар мен каналтрондар, жеке фотондарға сезімтал. CCD сияқты электрондық бейне сенсорлары жеке фотон оқиғаларының статистикасына сәйкес келетін шуды көрсетеді. Жарықдиодтар мен фотоэлектрлік элементтерді кванттық механикасыз түсіну мүмкін емес. Бұл құрылғыларды зерттеуде кванттық оптика көбінесе кванттық электроникамен байланысады. Оптика зерттеулерінің арнайы салаларына кристалл оптикасы және метаматериалдар сияқты нақты материалдармен жарықтың өзара әрекеттесуін зерттеу кіреді. Басқа зерттеулер электромагниттік толқындардың сипаттамасын, мысалы, сингулярлық оптика, бейнелеу емес оптика, сызықтық емес оптика, статистикалық оптика және радиометрияны зерттейді. Сонымен қатар, компьютерлік инженерлер интеграцияланған оптика, машиналық көру және фотондық есептеулерге қызығушылық танытуда, олар «келесі буын» компьютерлерінің құрамдас бөліктері болуы мүмкін. Бүгінде оптиканың таза ғылымы оптикалық ғылым немесе оптикалық физика деп аталады, ол қолданбалы оптикалық ғылымдардан, яғни оптикалық инженериядан ажыратылады. Оптикалық инженерияның маңызды салаларына жарықтандыру инженериясы, фотоника және оптоэлектроника кіреді, олар линзаларды жобалау, оптикалық компоненттерді жасау және сынау, бейне өңдеу сияқты практикалық қолданыстарға ие. Бұл салалардың кейбіреулері бір-бірімен байланысты, пәндердің терминдері арасындағы шекаралар шашыранды, және олар әлемнің әртүрлі бөліктерінде және өнеркәсіптің әртүрлі салаларында сәл өзгеше мағына береді. Лазерлік технологияның жетістіктеріне байланысты соңғы ондаған жылдарда сызықтық емес оптика саласындағы зерттеушілердің кәсіби қауымдастығы қалыптасты.

Лазерлер

Лазер – стимуляциялық сәуле шығару процесі арқылы жарық, электромагниттік сәулеленудің бір түрін шығаратын құрылғы. Лазер термині лазерлік жарық кеңістікте әдетте үйлесімді болады деген сөздің аббревиатурасы, яғни жарық тар, төмен дивергенциялы сәуле түрінде шығарылады немесе линзалар сияқты оптикалық компоненттердің көмегімен сондай сәулеге айналуы мүмкін. Лазердің микротолқынға баламасы – мазер бірінші болып жасалғандықтан, микротолқынды және радиожиілікті шығаратын құрылғылар әдетте мазерлер деп аталады. Алғашқы жұмыс істейтін лазерді Теодор Мейман 1960 жылдың 16 мамырында Хьюз зерттеу зертханаларында көрсеткен. Ол жаңа ойлап тапқанда, оны "шешім іздейтін мәселе" деп атаған. Содан бері лазерлер миллиардтаған долларлық өнеркәсіпке айналып, мыңдаған түрлі қолданыс таба бастады. Лазерлерді халықтың күнделікті өмірінде алғаш рет қолдану 1974 жылы супермаркеттердегі штрих-кодты оқу құрылғысы болды. 1978 жылы ұсынылған лазерлік дискіні ойнатқыш лазерді қамтитын алғашқы табысты тұтынушы өнімі болды, бірақ 1982 жылдан бастап тұтынушылардың үйлерінде лазермен жабдықталған алғашқы құрылғы компакт-дискіні ойнатқыш болды. Бұл оптикалық сақтау құрылғылары диск бетін сканерлеу үшін бір миллиметрден кем ширымы бар жартылай өткізгіш лазерді пайдаланады. Оптикалық талшық байланысы жарық жылдамдығымен үлкен көлемде ақпаратты тарату үшін лазерлерге негізделген. Лазерлердің басқа да көп қолданылатын түрлеріне лазерлік принтерлер және лазерлік нұсқаушылар жатады. Лазерлер медицинада қансыз хирургия, лазерлік көз хирургиясы және лазерлік микродиссекция сияқты салаларда, сондай-ақ зымыранға қарсы қорғаныс жүйелері, электрооптикалық қарсы шаралар (EOCM) және лидар сияқты әскери қолданыстарда қолданылады. Лазерлер голограммаларда, көпіршіктерде, лазерлік жарық шоуларында және лазерлік шаш алуда да қолданылады.

Капица-Дирак әсері

Капица-Дирак эффектісі жарықтың тұрақты толқынымен кездесу нәтижесінде бөлшектер шоғының дифракциялануына себеп болады. Жарықты түрлі құбылыстарды пайдаланып материяны орналастыру үшін қолдануға болады (оптикалық пинцеттерді қараңыз).

Қолданбалар

Оптика – күнделікті өмірдің бір бөлігі. Биологиядағы көру жүйелерінің кең таралғандығы оптиканың бес сезімнің бірінің ғылымы ретіндегі маңызды рөлін көрсетеді. Көптеген адамдар көзілдірік немесе контактты линзалардың арқасында көру мүмкіндігіне ие, ал оптика көптеген тұтыну тауарларының, оның ішінде камералардың жұмыс істеуіне қажетті құрал. Көктөбе мен мираждар – оптикалық құбылыстардың мысалдары. Оптикалық байланыс Интернет пен қазіргі заманғы телефон байланысының тірегін құрайды.

Адам көзі

Адамның көзі көзіміздің артқы жағындағы ішкі қабығын құрайтын торша деп аталатын фоторецепторлық жасушалардың қабатына жарықты бағыттау арқылы жұмыс істейді. Фокустау бірнеше мөлдір орта арқылы жүзеге асырылады. Көзге кіретін жарық алдымен көздің оптикалық күшін қамтамасыз ететін мүйіз қабығы арқылы өтеді. Содан соң жарық көздің алдыңғы камерасы – мүйіз қабығының артындағы сұйықтық арқылы жалғасады, содан соң көздің оқушысы арқылы өтеді. Содан кейін жарық линзадан өтеді, ол жарықты одан әрі шоғырландырады және фокусты реттеуге мүмкіндік береді. Содан соң жарық көздің негізгі сұйықтығы – шыны тәрізді дене арқылы өтіп, торшаға жетеді. Көздің торшасындағы жасушалар көздің артқы жағын жабады, көру жүйкесі шығатын жерді қоспағанда; бұл соқыр нүктеге алып келеді. Фоторецепторлық жасушалардың екі түрі бар, олар жарықтың әртүрлі аспектілеріне сезімтал. Таяқша жасушалары кең жиілік диапазонында жарықтың қарқындылығына сезімтал, сондықтан қара және ақ көруге жауапты. Таяқша жасушалары орталық көруге жауапты торшаның аймағы болып табылатын фовеяда жоқ және жарықтың кеңістіктік және уақытша өзгерістеріне конус жасушалары сияқты жауап бермейді. Алайда, торлы қабықтағы таяқша жасушалары конус жасушаларынан жиырма есе көп, өйткені таяқша жасушалары кеңірек аймақта орналасқан. Олардың кең таралуының арқасында таяқшалар шеткі көруге жауап береді. Керісінше, конус жасушалары жарықтың жалпы қарқындылығына сезімтал емес, бірақ әртүрлі жиілік диапазондарына сезімтал болатын үш түрге бөлінеді, сондықтан олар түсті қабылдау мен күндізгі көруде қолданылады. Конус жасушалары фовеяда жоғары концентрацияланған және жоғары көру қабілетіне ие, яғни олар кеңістіктік ажыратымдылық жағынан таяқша жасушаларынан жақсы. Конус жасушалары таяқша жасушалары сияқты көмескі жарыққа сезімтал емес болғандықтан, түнгі көрудің көп бөлігі таяқша жасушаларымен шектеледі. Сонымен қатар, конус жасушалары фовеяда болғандықтан, орталық көру (оның ішінде көп оқу, тігін тігу немесе заттарды мұқият тексеру сияқты егжей-тегжейлі жұмыс істеу үшін қажетті көру) конус жасушалары арқылы жүзеге асырылады. Түзетуші линзалардың оптикалық күші диоптрмен өлшенеді, бұл метрмен өлшенген фокустық қашықтықтың кері шамасына тең; оң фокустық қашықтық жинақтайтын линзаға, ал теріс фокустық қашықтық таратайтын линзаға сәйкес келеді. Астигматизмді түзететін линзалар үшін үш сан беріледі: бірі сфералық күшке, бірі цилиндрлік күшке және бірі астигматизмнің бағыт бұрышына. Танымдық иллюзияларға белгілі бір оптикалық принциптерді бейсаналы түрде дұрыс қолданбаудан туындайтын кейбір иллюзиялар жатады. Мысалы, Эймс бөлмесі, Геринг, Мюллер-Лайер, Орбисон, Понцо, Сандер және Вундт иллюзиялары бір-біріне жанасатын және бір-бірінен алшақтайтын сызықтарды пайдалану арқылы қашықтық көрінісін ұсынуға негізделген, параллель жарық сәулелері (немесе параллель сызықтардың кез келген жиынтығы) көркемдік перспективамен екі өлшемді суреттерде шексіз бір нүктеде жиналатын сияқты көрінеді. Бұл ұсыныс айдың белгілі иллюзиясына да жауапты, онда ай, бұрыштық мөлшері бірдей болғанымен, көкжиекке жақын жерде зенитке қарағанда әлдеқайда үлкен болып көрінеді. Бұл иллюзия Птолемейді қатты мазалағандықтан, ол оны өзінің "Оптика" атты еңбегінде сипаттағанда атмосфералық сынуға жатқызған.

Оптикалық аспаптар

Бір линзаның түрлі қолданыстары бар, оның ішінде фотообъективтер, түзету линзалары және үлкейтуге арналған көзілдіріктер. Ал бір айналар параболалық шағылыстырғыштар мен артқа қарау айналарында қолданылады. Көптеген айналарды, призмаларды және линзаларды біріктіру арқылы практикалық мақсаты бар күрделі оптикалық құралдар жасалады. Мысалы, перископ – бұл кедергілердің артынан көруге мүмкіндік беретін, қатар орналасқан екі жазық айнадан тұрады. Ғылымдағы ең танымал күрделі оптикалық құралдар – микроскоп пен телескоп, екеуі де 16-шы ғасырдың соңында голландтар тарапынан ойлап табылды. Микроскоптар алғашқыда тек екі линзадан құралды: объектив және окуляр. Объектив линзасы негізінен үлкейтуге арналған шыны болып табылады және өте кішкентай фокус арақашықтығымен жасалған, ал окулярдың фокус арақашықтығы көбінесе ұзақ болады. Бұл жақын жердегі заттардың үлкейтілген бейнесін жасауға мүмкіндік береді. Әдетте, қосымша жарық көзі қолданылады, себебі үлкейтілген бейнелер энергияның сақталуы және жарық сәулелерінің үлкен ауданға таралуы салдарынан әлсіз болады. Қазіргі заманғы микроскоптар, күрделі микроскоптар деп аталатын, көптеген линзалардан (әдетте төрт) тұрады, олар функционалдығын жақсарту және бейне тұрақтылығын арттыру үшін қолданылады. Микроскоптың тағы бір түрі – салыстыру микроскопы, ол бейнелерді қатар қарап, адамдар қолданғанда үш өлшемді стереоскопиялық көрініс береді. Алғашқы телескоптар, рефракторлар деп аталатын, бір объектив және окуляр линзасынан тұрды. Микроскоптан айырмашылығы, телескоптың объектив линзасы оптикалық бұрмалануды болдырмау үшін үлкен фокус арақашықтығымен жасалған. Объектив алыс заттың бейнесін өзінің фокус нүктесіне шоғырландырады, ол окулярдың, одан әлдеқайда кішкентай фокус арақашықтығымен, фокус нүктесінде орналасқан. Телескоптың басты мақсаты міндетті түрде үлкейту емес, объектив линзасының физикалық өлшемімен анықталатын жарықты жинау. Сондықтан телескоптар көбінесе объективтерінің диаметрімен, ал емес, ауыстырылатын окулярлар арқылы өзгертілетін үлкейтумен сипатталады. Телескоптың үлкейтуі объективтің фокус арақашықтығын окулярдың фокус арақашықтығына бөлгенге тең болғандықтан, кішкентай фокус арақашықтығы бар окулярлар үлкейтуді арттырады. Үлкен линзаларды жасау үлкен айналарды жасаудан әлдеқайда қиын болғандықтан, қазіргі заманғы телескоптардың көпшілігі рефлекторлар болып табылады, яғни объектив линзасының орнына негізгі айнаны қолданатын телескоптар. Рефлекторлық және рефракторлық телескоптарға қатысты бірдей оптикалық принциптер қолданылады, атап айтқанда, негізгі айна неғұрлым үлкен болса, соғұрлым көп жарық жиналады, ал үлкейту әлі де негізгі айнаның фокус арақашықтығын окулярдың фокус арақашықтығына бөлгенге тең. Кәсіби телескоптар көбінесе окулярларды пайдаланбайды, оның орнына фокус нүктесіне құралды (көбінесе зарядты құрылғыны) орналастырады.

Атмосфералық оптика

Атмосфераның ерекше оптикалық қасиеттері көптеген тамаша оптикалық құбылыстарды тудырады. Аспанның көк түсі – жоғары жиілікті (көк) күн сәулесін бақылаушының көз алдына қайта бағыттайтын Рейли шашырауының тікелей нәтижесі. Көк жарық қызыл жарықтан оңайрақ шашыратындықтан, күннің шығуы мен батуы сияқты, қалың атмосфера арқылы қарағанда, күн қызғылт түске боялады. Аспандағы қосымша бөлшектер әртүрлі түстерді әртүрлі бұрыштарда шашыратып, таңертең және кешке түрлі-түсті жарқыраған аспанды жасайды. Атмосферадағы мұз кристалдары мен басқа да бөлшектердің шашырауы – гало, кейін қалған жарқырау, корона, күн сәулесі және күн иті құбылыстарына жауапты. Бұл құбылыстардың әртүрлілігі бөлшектердің әртүрлі өлшемдері мен геометриялық пішіндеріне байланысты. Мираждар – бұл оптикалық құбылыс, онда жарық сәулелері ауаның сыну көрсеткішінің жылулық өзгерістеріне байланысты бұрмаланады, нәтижесінде алыс объектілердің бейнесі ығыстырылып немесе күшті бұрмаланады. Осымен байланысты тағы бір керемет оптикалық құбылыс – Новая Земля эффектісі, онда күн күтілгеннен ертерек шығып, бұрмаланған пішінде көрінеді. Температура инверсиясы кезінде болатын рефракцияның ерекше түрі – Fata Morgana, онда көкжиекте немесе тіпті одан да алыс жердегі аралдар, жартастар, кемелер немесе мұз таулары сияқты объектілер созылып, биіктеп, «ертегідегі қамалдар» сияқты көрінеді. Көктөбе – бұл жаңбыр тамшыларындағы жарықтың ішкі шағылысуы мен дисперсиялық сынуының нәтижесі. Жаңбыр тамшыларынан бір рет шағылысқан сәулелер аспанда 40°-тан 42°-ға дейін бұрыштық өлшеммен, сырты қызыл түсті көкжиекті құрайды. Екі көкжиек екі рет ішкі шағылыс арқылы пайда болады, олардың бұрыштық өлшемі 50,5°-тан 54°-қа дейін, ал сыртында күлгін түс болады. Көктөбелерді күннің ортасынан 180° қашықтықта көруге болады, сондықтан күн көкжиекке неғұрлым жақын болса, көкжиек соғұрлым анық көрінеді.