Sekä geometrisen että fyysisen optiikan ymmärtäminen antaa meille mahdollisuuden tutkia ilmiöitä, jotka johtuvat valon hiukkas- ja aaltokysymyksistä.
Valon ominaisuudet
Valo kulkee avaruuden läpi sähkömagneettisina aaltoina ja hiukkasina. Tämän seurauksena hiukkasaaltojen kaksinaisuus, kun fyysikot työskentelevät optiikan (valon tutkimuksen) kanssa, heidän on ajateltava valon etenemistä kahdella tavalla sovelluksesta riippuen.
Kun ajatellaan sellaisia valon ominaisuuksia kuin häiriöitä, polarisoitumista tai värejä, on oikea tapa kuvata valoa poikittaisina aaltorintamina. Mutta kun rakennetaan kaukoputkea tai korjaavaa linssiä ja määritetään, kuinka valo heijastuu, taittuu ja paras vaihtoehto on ajatella valoa hiukkassäteenä, joka liikkuu suorina viivoina säteet.
Aaltooptiikka ja valon aaltoteoria
Fyysisen optiikan tutkimuksessa käytetään valon aaltoluonnetta ymmärtämään sellaisia ilmiöitä kuin diffraktioverkkojen ja spektroskopian läpi kulkevien valoaaltojen aiheuttamat häiriökuviot. Fyysinen optiikka nousi kenttänä 1800-luvulla useiden keskeisten löytöjen jälkeen, mukaan lukien sir Frederick William Herschelin valon olemassaolo näkyvän spektrin ulkopuolella.
Fyysisessä optiikassa valo on esitetty poikittaisaaltorintamana, kuten sinimuotoinen tai "S-käyrä", joka kuvaa myös veden läpi kulkevaa aaltoa harjalla ja kaukalolla (korkea ja matalat pisteet). Tässä mallissa valoaallot noudattavat samoja sääntöjä kuin muut poikittaiset aallot - niiden taajuudet ja aallonpituudet ovat käänteisesti verrannollinen aaltonopeuden yhtälön vuoksi, ja aaltorinteet häiritsevät toisiaan siellä, missä ne ovat leikkaa.
Esimerkiksi kaksi päällekkäistä harjaa (korkeimmat kohdat) tai kaksi kaukaloa (matalat kohdat) häiritsevät rakentavasti, jolloin yleinen harja on korkeampi tai kokonaispinta alempi. Jos aaltorintamat kohtaavat vaiheen ulkopuolella - harjanne ja kaukalo yhdessä -, ne häiritsevät tuhoavastijoko kokonaan tai osittain peruuttavat toisensa.
Valon ajatteleminen aaltona on myös avain ymmärtämään sähkömagneettisen valotyypin välisiä eroja spektri, kuten radio-, näkyvien ja röntgensäteiden välinen ero, koska nämä tyypit luokitellaan niiden aallon mukaan ominaisuudet. Tämä tarkoittaa myös valon käsittelemistä aalloksi on tärkeää fysikaalisessa värioptiikassa, koska se on osa spektrin näkyvää osaa.
Geometrinen optiikka ja säteen jäljitys
Geometrisessä optiikassa fyysikot käyttävät valon hiukkasten luonnetta edustamaan sen polkua suorina viivoina, joita kutsutaan säteiksi. Geometrinen optiikka on ollut käytössä paljon kauemmin kuin fyysinen optiikka, koska ihmiset olivat oppineet suunnittelemaan laitteita taivuta ja tarkenna valoa esimerkiksi teleskooppien ja korjaavien linssien valmistamiseen ennen kuin he ymmärtivät valon oli. Vuoteen 1600 mennessä linssien jauhaminen ihmisen näön helpottamiseksi oli yleistä.
Valonsäteet piirretään suorina viivoina, jotka lähtevät valonlähteestä ja osoittavat valon kulkusuunnan. Sädekaaviota käytetään osoittamaan useiden edustavien valonsäteiden polkuja, kun ne heijastuvat, taittuvat ja läpäisevät eri materiaaleista sellaisten mittausten määrittämiseksi kuin polttoväli ja tuloksena saatu koko ja suunta kuva.
Seuraamalla valonsäteiden polkuja fyysikot voivat paremmin ymmärtää optisia järjestelmiä, mukaan lukien kuvan muodostuminen ohuissa linsseissä ja tasapeileissä, optisissa kuiduissa ja muissa optisissa instrumenteissa. Pitkän kenttähistoriansa ansiosta geometrinen optiikka on johtanut useisiin tunnettuihin lakeihin siitä, kuinka kevyt pomppii ja taipuu, ehkä tunnetuin taittolaki (Snellin laki) ja heijastuslaki.