Физическая оптика или оптика волны — раздел науки, основывающийся на принципе Гюйгенса и моделирующий распространение достаточно сложных фронтов внутреннего импульса через оптические системы, включая фазу и амплитуду волны.
Рисунок 1. Физическая оптика. Автор24 — интернет-биржа студенческих работ
Согласно принципу Гюйгенса, абсолютно каждая точка волновой поверхности является признаком возникновения вторичных волн. Для того чтобы найти ее положение в определенный период времени, зная только изначальное положение фронта волны, необходимо каждую материальную точку фронтовой среду рассматривать как главный источник данного явления.
Физическая оптика в виде современной техники обычно изучается в цифровой форме на компьютере, а также может объяснять такие процессы:
- дисперсию;
- дифракцию;
- интерференцию;
- эффекты поляризации;
- поляризацию;
- аберрацию;
- электромагнитную волну.
У истоков становления науки об оптике находится зрение, зрительное восприятие, строение глаза. Биологическая линза представляет собой ни что иное, как хрусталик глаза, а его сетчатка — основа возникновения светочувствительных фотоэлементов, глаз — главный фотоаппарат. Указанное научное направление активно исследует и описывает взаимодействие спектра примыкающих к ним электромагнитных лучей, а также видимых материалов, взаимосвязанных со средой и веществом.
История возникновения научной дисциплины “оптика”
В третьем столетии до нашей эры древнегреческий мыслитель Евклид сформулировал первые законы распространения световых лучей в научном трактате «Оптика». По сути, эту работу ученого можно считать зарождением линейной или геометрической оптики. После появления такой попытки систематизировать знания о свойствах света прошло много времени прежде, чем набор законов и теорий оформился в полноценную науку.
Нерешаемым вопросом в течение длительного периода времени оставалась сущность природы происхождения цвета.
Высказывались многочисленные и разные мнения о том, что цвет - это всего лишь некая смесь света и тьмы в различных пропорциях, а также версия о неодинаковой скорости вращения активных световых частиц. Настоящим и официальным прорывом стали открытия исследователей 17 века в области волновой оптики. Но комплексной теории о том, что же такое на самом деле оптика, объясняющей реальное существование интерференции, дифракции и других свойств света, не существовало. Господство и развитие корпускулярной гипотезы происхождения световых лучей пошатнул Ньютон. Физик прекрасно осознавал все минусы и плюсы волновой и корпускулярной теорий.
Классификация и внедрение раздела оптика соответствует стремительному историческому развитию учения о главных свойствах света:
- геометрическая – 3 столетие до нашей эры (Евклид);
- физическая – 17 век (Гюйгенс);
- квантовая – 20 век (Планк).
Стоит отметить, что основные понятия физической оптики были построены на ньютоновских законах и моделях. Описание распространения световых волн содержит известный принцип Гюйгенса-Френеля, который и стал фундаментом для развития данной теории.
Открытия в физической оптике
Основателем волновой гипотезы света считается Декарт. Согласно его идеям и взглядам, свет - это подобие давления, передающееся через тонкую, стабильную среду от светящегося вещества во всех направлениях. Если любой материальное тело нагрето и продолжает светиться, то это значит, что его частицы находятся в движении и оказывают определенное давление на элементы той системы, которая заполняет все пространство. Этот параметр распространяется во все стороны и, доходя до человеческого глаза, вызывает в нем конкретные ощущение света. Однако нужно отметить то, что представления Декарта носили только умозрительный характер.
Первое открытие, которое свидетельствует о волновой природе света, было сделано итальянским изобретателем Франческо Гримальди (1618—1663 гг.), который определил, что если на пути достаточно узкого пучка световых лучей поставить объект, то на поставленном сзади экране не появится резкой тени. Края тени будут размыты, кроме того, вдоль вектора формируются цветные полосы. Открытое им явление исследователь назвал дифракцией. Гримальди описал этот процесс тем, что свет — это универсальный флюид, при встрече с которым в момент препятствий возникают волны.
Дифракцией света также называется явление вероятного огибания световыми волнами небольших препятствий, которые встречаются на пути их распространения.
Например, при прохождении светового луча через круглое малое отверстие на поверхности вокруг центрального светлого пятна появляются чередующиеся светлые и темные кольца. Чем меньше параметры экрана или отверстия, тем сильнее становится дифракция света.
Вторым важным открытием в области физической оптики является обнаружение интерференции света. Важная роль в исследовании данного явления принадлежит английскому физику-теоретику Роберту Гуку (1635-1703). Ученый считал, что свет - это систематические колебательные движения, распространяющиеся в определенном эфире.
Третье, но не менее важное открытие, относящееся к волновой оптике, было сделано в начале 1669 года датским изобретателем Бартолином. Он открыл процесс двойного лучепреломления в кристалле исландского шпата. Бартолин утверждал, что если смотреть на какой-либо объект через указанный кристалл, то будет видно не одно, а сразу два ярких изображения, смещенные относительно осей друг друга. Это явление затем тщательно исследовал Гюйгенс и в результате дал ему объяснение с точки зрения волновой гипотезы света.
Применение физической оптики
Значение физической оптики для практики и ее влияние на другие научные разделы весьма существенны и велики. Так, создание современного спектроскопа и телескопа существенно расширила возможности человека в познании окружающего его мира, наполненного множеством тайн. Изобретение и внедрение микроскопа принципиально изменило такую область науки, как биология. Фотография, которая появилась посредством методов физической оптики, также помогает почти всем научным отраслям, а отсутствие очков ухудшило бы качество человеческой жизни.
Явления, которые постоянно исследуются физической оптикой, составляют большой список.
Оптические процессы связаны со многими эффектами, изучаемыми в других разделах физики, при этом способы их исследования относят к наиболее точным и тонким.
Благодаря этому оптика длительное время играла ведущую роль практически во всех разработках, была фундаментом для главных физических воззрений. Так, например, гипотеза относительности и квантовая теория сформировались и начали свое становление на базе оптических исследований.
Создание лазеров открыло новые невероятные возможности не только в оптике, но и во многих отраслях техники. Оптика - одна из важнейших и древнейших наук, которая и на сегодняшний день продолжает интенсивно развиваться.
