Porozumění geometrické i fyzikální optiky nám umožňuje studovat jevy vyplývající z částicových i vlnových aspektů světla.
Vlastnosti světla
Světlo cestuje vesmírem jako elektromagnetické vlny a jako částice. V důsledku toho dualita vln částic, když fyzici pracují s optikou (studium světla), musí uvažovat o šíření světla jedním ze dvou způsobů, v závislosti na aplikaci.
Když přemýšlíme o takových charakteristikách světla, jako je interference, polarizace nebo barva, je cestou popisovat světlo jako fronty příčných vln. Ale při stavbě dalekohledu nebo korekční čočky a určování toho, jak bude světlo odrážet, lámat a přenášet, nejlepší možností je myslet na světlo jako na paprsek částic pohybujících se v přímkách zvaných paprsky.
Vlnová optika a vlnová teorie světla
Studium fyzikální optiky využívá vlnovou povahu světla k pochopení takových jevů, jako jsou interferenční vzory způsobené světelnými vlnami procházejícími difrakčními mřížkami a spektroskopií. Fyzická optika vzlétla jako pole v 18. století po několika klíčových objevech, včetně existence světla mimo viditelné spektrum od sira Fredericka Williama Herschela.
Ve fyzikální optice je světlo reprezentováno jako příčná vlnová fronta, jako sinusový nebo „S-křivka“, která také popisuje vlnu cestující vodou s hřebeny a žlaby (vysokými a nízké body). S tímto modelem se světelné vlny řídí stejnými pravidly jako jiné příčné vlny - jejich frekvence a vlnové délky jsou nepřímo úměrné vzhledem k rovnici rychlosti vln a vlnová čela se vzájemně ovlivňují tam, kde protínají.
Překáží například dva vrcholy (vysoké body) nebo dva koryta (nízké body), které se překrývají konstruktivně, čímž je celkový hřeben vyšší, respektive celkový žlab nižší. Tam, kde se vlnové fronty setkávají mimo fázi - hřeben a koryto společně - zasahují destruktivně, buď úplně nebo částečně navzájem ruší.
Myšlení světla jako vlny je také klíčem k pochopení rozdílů mezi typy světla v elektromagnetickém poli spektrum, například rozdíl mezi rádiovým, viditelným a rentgenovým zářením, protože tyto typy jsou klasifikovány podle jejich vln vlastnosti. To také znamená, že zacházení se světlem jako s vlnou je důležité ve fyzikální optice barvy, protože to je podmnožina viditelné části spektra.
Geometrická optika a sledování paprsku
V geometrické optice fyzici používají částicovou povahu světla k reprezentaci jeho dráhy v přímkách známých jako paprsky. Geometrická optika se používá mnohem déle než fyzická optika, protože lidé se naučili, jak to navrhovat ohýbat a zaostřovat světlo pro účely, jako je výroba dalekohledů a korekčních čoček, než pochopí, jaké světlo byl. V roce 1600 bylo broušení čoček za účelem podpory lidského vidění běžné.
Světelné paprsky jsou nakresleny jako přímky vycházející ze světelného zdroje a indikující směr, kterým se světlo pohybuje. Paprskový diagram se používá k zobrazení drah několika reprezentativních světelných paprsků, které se odrážejí, lámou a prochází skrz různé materiály, aby bylo možné určit taková měření, jako je ohnisková vzdálenost a velikost a orientace výsledku obraz.
Při sledování dráhy paprsků světla mohou fyzici lépe porozumět optickým systémům, včetně formování obrazu v tenkých čočkách a rovinných zrcadlech, optických vláknech a dalších optických nástrojích. Vzhledem ke své dlouhé historii pole vedla geometrická optika k několika známým zákonům o tom, jak světlo skáče a ohýbá, snad nejznámější zákon lomu (Snellova zákon) a zákon odrazu.