En forståelse af både geometrisk og fysisk optik giver os mulighed for at studere fænomener, der skyldes både partikel- og bølgeaspekter af lys.
Egenskaber for lys
Lys bevæger sig gennem rummet som elektromagnetiske bølger og som partikler. Som et resultat af dette partikelbølge dualitet, når fysikere arbejder med optik (studiet af lys), skal de tænke på udbredelsen af lys på en af to måder, afhængigt af anvendelsen.
Når man tænker på sådanne egenskaber ved lys som interferens, polarisering eller farve, er det at gå hen til at beskrive lys som tværgående bølgefronter. Men når man bygger et teleskop eller en korrigerende linse og bestemmer, hvordan lys reflekteres, brydes og transmittere, er den bedste mulighed at tænke på lys som en stråle af partikler, der bevæger sig i lige linjer kaldes stråler.
Wave Optics and the Wave Theory of Light
Undersøgelsen af fysisk optik bruger bølgenaturet til lys til at forstå sådanne fænomener som interferensmønstre forårsaget af lysbølger, der passerer gennem diffraktionsgitter og spektroskopi. Fysisk optik tog fart som et felt i 1800'erne efter flere vigtige opdagelser, herunder eksistensen af lys uden for det synlige spektrum af Sir Frederick William Herschel.
I fysisk optik er lys repræsenteret som en tværgående bølgefront, ligesom sinusformet eller "S-kurve", der også beskriver en bølge, der bevæger sig gennem vandet med kamme og trug (høj og lave punkter). Med denne model følger lysbølger de samme regler som andre tværgående bølger - deres frekvenser og bølgelængder er omvendt proportionalt på grund af bølgehastighedsligningen, og bølgefronterne forstyrrer hinanden, hvor de er krydse.
For eksempel interfererer to kamme (høje punkter) eller to trug (lave punkter), der overlapper hinanden konstruktivt, hvilket gør den samlede kam højere henholdsvis den samlede trug lavere. Hvor bølgefronter mødes ude af fase - et kam og et trug sammen - blander de sig destruktivtenten helt eller delvist annullere hinanden.
At tænke på lys som en bølge er også nøglen til at forstå forskellene mellem typer lys i det elektromagnetiske spektrum, såsom forskellen mellem radio, synlige og røntgenstråler, da disse typer er klassificeret efter deres bølge ejendomme. Dette betyder også, at behandling af lys, da en bølge er vigtig i den fysiske optiske farve, da det er en delmængde af den synlige del af spektret.
Geometrisk optik og strålesporing
I geometrisk optik bruger fysikere lysets partikelkarakter til at repræsentere dens sti i lige linjer kendt som stråler. Geometrisk optik har været i brug i meget længere tid end fysisk optik, da folk havde lært at designe enheder der bøj og fokuser lys til formål som at lave teleskoper og korrigerende linser, inden de forstod, hvilket lys var. I 1600 var slibning af linser med det formål at hjælpe menneskets syn almindeligt.
Lysstråler er tegnet som lige linjer, der stammer fra en lyskilde og indikerer retningen, som lyset bevæger sig. Et strålediagram bruges til at vise stierne for flere repræsentative lysstråler, når de reflekterer, bryder og transmitterer igennem forskellige materialer for at bestemme sådanne målinger som brændvidde og størrelsen og orienteringen af det resulterende billede.
Ved at spore stierne for lysstråler kan fysikere bedre forstå optiske systemer inklusive billeddannelse i tynde linser og plane spejle, optiske fibre og andre optiske instrumenter. På grund af sin lange historie som felt har geometrisk optik ført til flere velkendte love om, hvordan lys hopper og bøjer, måske mest berømt brydningsloven (Snells lov) og refleksionsloven.
