optika

ilustracija
OPTIKA – a) refleksija; b) lom svjetlosti; 1. normala, 2. upadna, 3. odbijena zraka, 4. reflektirajuća ploha, 5. lomljena zraka, 6. ploha razdvajanja medija, 7. i 8. optički mediji različitoga indeksa loma; α, α1, α2 – kutovi između zraka i normale

optika (prema grč. ὀπτιϰὴ [τέχνη]: [znanost] o vidu), grana fizike koja se bavi svojstvima i širenjem svjetlosti te međudjelovanjem svjetlosti i tvari. Svjetlošću se nazivaju elektromagnetski valovi koji se sastoje od vidljivoga dijela spektra tih valova s rasponom valnih duljina od 380 do 780 nm, koje ljudsko oko razlikuje kao boje, od ljubičaste s najmanjom valnom duljinom do crvene s najvećom. U nekom sredstvu svjetlost može biti djelomično ili potpuno apsorbirana (upijena) ili transmitirana (propuštena), a na granici sredstava reflektirana (odbijena) ili pak podliježe refrakciji (lomu).

U širem se smislu optika bavi i infracrvenim, ultraljubičastim, a djelomice i rendgenskim zračenjem. Klasična optika dijeli se na geometrijsku i valnu (fizikalnu) optiku, dok su novije grane nelinearna, neslikovna i kvantna optika.

Povijest razvoja

Najstarija poznata djela o optici ostavili su Euklid, Heron iz Aleksandrije i Klaudije Ptolemej. Njome su se uspješno bavili Ibn al-Hajtam, Willebrord Snellius, Galileo Galilei, Johannes Kepler, Pierre de Fermat i dr. Hrvatski fizičari Markantun de Dominis, Marin Getaldić i Ruđer Josip Bošković dali su mnoštvo izvornih doprinosa optici svojega doba.

Brzinu svjetlosti prvi je astronomskim metodama izmjerio Ole Christensen Römer (1676), a s pomoću neastronomskih metoda (terestrički) Hippolyte Fizeau (1849).

Čestičnu teoriju svjetlosti po kojoj je svjetlost roj sitnih čestica emitiranih iz izvora svjetlosti što se pravocrtno gibaju velikom brzinom kroz zrak i druga prozirna sredstva, na zrcalima reflektiraju, a na prijelazu iz jednoga sredstva u drugo mijenjaju smjer, sustavno je izložio Isaac Newton (1672).

Valnu teoriju svjetlosti po kojoj je svjetlost val što se širi u eteru razvili su Christiaan Huygens (1690) i Robert Hooke. Pokusi Thomasa Younga (1801) i Augustina Fresnela (1815) nisu mogli biti objašnjeni u okviru čestične teorije i u XIX. st. je potpuno prevladala valna teorija svjetlosti. U teoriji elektromagnetizma Jamesa Clerka Maxwella (1864) svjetlost je shvaćena kao elektromagnetski val koji se širi eterom.

Teorija dvojne prirode svjetlosti nastala je nakon što su potkraj XIX. st. uočene pojave neobjašnjive valnom teorijom elektromagnetskoga zračenja, npr. Michelson-Morleyev pokus pokazao je da ne postoji eter (1887), a u fotoelektričnom efektu je kinetička energija izbijenih čestica ovisila o frekvenciji svjetlosti (umjesto o amplitudi, kako je predviđala valna teorija). Albert Einstein objasnio je fotoelektrični efekt (1905) hipotezom o dvojnoj, istodobno valnoj i čestičnoj prirodi svjetlosti, u kojoj je čestica svjetlosti, poslije nazvana foton, shvaćena kao osnovni djelić energije elektromagnetskoga zračenja. Tumačenjem stimulirane emisije svjetlosti (1917) Einstein je otvorio put razvoju lasera i nelinearne optike.

Geometrijska optika

Geometrijska optika primjenjuje se kad je valna duljina svjetlosti mnogo manja od dimenzija optičkih elemenata u promatranome sustavu, tj. u geometrijskoj optici zanemaruju se ogib (difrakcija) i interferencija.

Osnovni pojmovi geometrijske optike

Svjetlosna zraka je uski snop svjetlosti. Divergentne svjetlosne zrake šire se iz jedne točke, konvergentne su usmjerene prema jednoj točki, paralelne su paralelne jedna u odnosu na drugu, a difuzne se šire u raznim smjerovima. Optička os pravac je koji povezuje središta zakrivljenosti optičkih sustava. Paraksijalne zrake s optičkom osi zatvaraju mali kut (do 15º). Žarište je točka kroz koju prolaze sve zrake što prolaze kroz neki optički sustav. Indeks loma opisuje kako prozirna tvar djeluje na svjetlost, konstantan je u homogenom optičkom sredstvu. Optički put je umnožak indeksa loma i geometrijske duljine puta. Apertura je najveći promjer svjetlosnoga snopa koji može proći kroz optički sustav. Optički elementi: leća, zrcalo, optička prizma i njihove kombinacije (objektiv, okular, mirkoskop, teleskop i dr.). Aberacije su pogreške optičkih elemenata koje skreću svjetlosne zrake tako da stvaraju nejasnu ili izobličenu sliku predmeta.

Osnovni zakoni geometrijske optike

Empirijski je otkriveno kako se svjetlosne zrake šire, odbijaju (reflektiraju) i lome (refraktiraju), a osnovni geometrijski zakoni i danas se primjenjuju pri izradbi optičkih komponenti optičkih instrumenata.

(1) Zakon pravocrtnoga širenja svjetlosti: u homogenom optičkom sredstvu svjetlost se širi pravocrtno. U nehomogenom optičkom sredstvu zrake svjetlosti mogu biti zakrivljene.

(2) Zakon neovisnosti svjetlosnih zraka: svjetlosne zrake prolaze jedna kroz drugu bez međudjelovanja.

(3) Zakon refleksije: refleksija (odbijanje) zbiva se kada zraka svjetlosti pada na reflektivnu plohu, upadni je kut jednak kutu refleksije, a upadna zraka i zraka koja se reflektirala leže u istoj ravnini, okomitoj na plohu refleksije. Zakon refleksije očituje se kod zrcala. Primjerice, slika predmeta koji se nalazi ispred ravnog zrcala je virtualna (nastaje na mjestu gdje se presijecaju produljenja stvarnih zraka i vidi se gledanjem u zrcalo), uspravna i jednake visine kao predmet.

(4) Zakon loma: lom (refrakcija) svjetlosti zbiva se pri prijelazu iz jednoga optičkoga sredstva u drugo, a upadni kut α1 i kut loma α2 povezani su Snelliusovim zakonom loma n1 sin α1 = n2 sin α2, gdje su n1 i n2 indeksi loma prvoga i drugoga optičkog sredstva, a upadna i lomljena zraka leže u istoj ravnini, okomitoj na plohu refrakcije. Zakon loma očituje se kod planparalelne ploče (pomaknuta slika), optičke prizme (npr. otklon upadne zrake) i optičke leće (npr. kod mikroskopa i dalekozora). Slika predmeta koju stvara leća može biti uvećana ili umanjena, realna (nastaje na mjestu gdje se presijecaju stvarne svjetlosne zrake i vidi se na zaslonu) ili virtualna (nastaje na mjestu gdje se presijecaju produljenja stvarnih zraka i vidi se gledanjem kroz optički sustav), te uspravna ili obrnuta.

Totalna refleksija nastaje kada svjetlosna zraka iz optički gušćega sredstva indeksa loma n2 pada na granicu s optički rjeđim sredstvom indeksa loma n1 pod kutom većim od graničnoga (sin αg = n1/n2). Ona omogućuje obrtanje slike u različitim optičkim sustavima, a čini i osnovni mehanizam širenja svjetlosti bez gubitaka energije kroz svjetlovode.

Valna (fizikalna) optika

Valna optika tretira svjetlost kao elektromagnetski val, koji se u vakuumu širi brzinom svjetlosti (približno c = 3 · 108 m/s), a u optičkome sredstvu indeksa loma n brzinom v = c/n. U vakuumu, za valnu duljinu λ i frekvenciju vala ν vrijedi λν = c. Valna duljina u optičkome sredstvu je λ′ = λ/n, a valni broj k = 2π/λ. Valna optika rabi se kada su valna duljina svjetlosti i dimenzije nekog dijela optičkoga sustava usporedive.

Širenje svjetlosti prikazuje se s pomoću valne fronte. Prema Huygensovu načelu, svaka točka na valnoj fronti izvor je novoga vala. U području vrlo malih valnih duljina, u odnosu na objekte s kojima svjetlost međudjeluje, valna optika svodi se na geometrijsku, a zrake svjetlosti okomite su na valnu frontu. Svjetlost je monokromatska ako se sastoji od svjetlosti samo jedne valne duljine, a polikromatska ako sadržava svjetlost diskretnoga niza valnih duljina (npr. svjetlost svjetiljke s razrijeđenim plinom) ili kontinuirani spektar (Sunčeva svjetlost ili žarulja s užarenom niti). Valna priroda svjetlosti dokazuje se pokusima s interferencijom i ogibom. Interferencija nastaje kada u istu točku pada svjetlost iz dvaju izvora. Ako se postigne stojni val (samo s pomoću koherentnih izvora svjetlosti), dva koherentna vala mogu se poništiti ili pojačati tako da se na zaslonu vide pruge interferencije. Ogib ili difrakcija pojava je skretanja svjetlosti iza zapreke, tako da predmeti obasjani svjetlošću ne bacaju oštru sjenu. Niz bliskih uskih pukotina tvori optičku rešetku. Optička disperzija razlaganje je svjetlosti na boje. Bijela se svjetlost može rastaviti lomom na optičkoj prizmi. Za manje valne duljine indeks loma je veći, pa se ljubičasta svjetlost otklanja najjače, a crvena najmanje. Pojava duge primjer je disperzije svjetlosti prouzročene lomom i totalnom refleksijom na kapljicama vode u zraku. Preciznije razdvajanje različitih valnih duljina omogućuje optička rešetka. Polarizacija svjetlosti pojava je nesimetričnoga titranja električnoga i magnetskoga polja koje, šireći se, čini svjetlost. Potpuno ili linearno polariziranoj svjetlosti električno polje titra stalno u istoj ravnini, kružno polariziranoj svjetlosti ravnina titranja električnoga polja vrti se jednoliko, a nepolariziranoj svjetlosti ravnina titranja električnoga polja mijenja se nepravilno.

Suvremene grane optike

Fotometrija se bavi mjerenjem svojstava svjetlosti.

Optika atmosfere istražuje pojave nastale lomom, odbijanjem, polarizacijom, raspršivanjem i ogibom svjetlosti u Zemljinoj atmosferi.

Optoelektronika proučava i primjenjuje uređaje što emitiraju, moduliraju, prenose ili detektiraju svjetlost ili drugo elektromagnetsko zračenje.

Kvantna optika opisuje optičke procese s pomoću metoda kvantne mehanike, istražuje kvantne i relativističke pojave povezane sa svjetlošću, posebno dvojnu (valnu i čestičnu) prirodu svjetlosti i međudjelovanje svjetlosti i tvari. Ako se svjetlost predoči kao snop čestica, te čestice su svjetlosni kvanti ili fotoni, a svaki ima energiju: E = , koja ovisi o frekvenciji ν elektromagnetskoga vala, i količinu gibanja: p = E/c, gdje je h Planckova konstanta. Posljedica je čestične prirode svjetlosti radijacijski tlak, koji u slučaju pulsnih laserskih snopova visoka intenziteta poprima znatne vrijednosti, pa se primjenjuje za promjene strukture tvari na atomskoj razini (npr. hlađenje atoma).

Nelinearna optika istražuje optičke pojave u optičkim sredstvima s nelinearnim odnosom između vektorâ jakosti električnoga polja i električne polarizacije. Bavi se izvorima visoko koherentne laserske svjetlosti koji proizvode usmjerene svjetlosne snopove velike snage, što uzrokuje nelinearne učinke. Obična svjetlost na putu kroz optičko sredstvo mijenja putanju, ali ne i frekvenciju, dok nelinearnost pri međudjelovanju svjetlosti s tvari može prouzročiti i promjenu frekvencije: nelinearna optička pojava nastaje kada tvar emitira svjetlost više frekvencije od frekvencije svjetlosti kojom je obasjana. (→ nelinearna fizika)

Neslikovna optika proučava svjetlost u prijenosu. Usredotočuje se na sprječavanje rasapa svjetlosnoga snopa te gubitaka energije tijekom prijenosa pa, primjerice, istražuje kakvi oblici svjetlovoda dovode do kaotičnih refleksija i gubitaka snage u prijenosu ili kakvi uređaji daju bolje rezultate pri uporabi Sunčeve energije.

Citiranje:
optika. Hrvatska enciklopedija, mrežno izdanje. Leksikografski zavod Miroslav Krleža, 2021. Pristupljeno 28. 11. 2021. <http://www.enciklopedija.hr/Natuknica.aspx?ID=45342>.