Razumijevanje geometrijske i fizičke optike omogućuje nam proučavanje fenomena koji proizlaze i iz čestica i iz valovitih aspekata svjetlosti.
Svojstva svjetlosti
Svjetlost putuje kroz svemir kao elektromagnetski valovi i kao čestice. Kao rezultat ovoga dualnost čestica-val, kada fizičari rade s optikom (proučavanje svjetlosti), moraju razmišljati o širenju svjetlosti na jedan od dva načina, ovisno o primjeni.
Kad razmišljamo o takvim karakteristikama svjetlosti kao što su interferencija, polarizacija ili boja, opisivanje svjetlosti kao poprečnih valovitih fronta je pravi put. Ali prilikom izrade teleskopa ili korektivne leće i određivanja kako će se svjetlost odbijati, lomiti i odašiljati, najbolja opcija je razmišljati o svjetlosti kao o snopu čestica koje se kreću u pravim linijama zrake.
Valna optika i valna teorija svjetlosti
Proučavanje fizičke optike koristi valnu prirodu svjetlosti za razumijevanje pojava poput interferencijskih obrazaca uzrokovanih svjetlosnim valovima koji prolaze kroz difrakcijske rešetke i spektroskopiju. Fizička optika poletjela je kao polje u 1800-ima nakon nekoliko ključnih otkrića, uključujući postojanje svjetlosti izvan vidljivog spektra Sir Fredericka Williama Herschela.
U fizičkoj optici svjetlost je predstavljena kao poprečna valna fronta, poput sinusne ili "S-krivulja" koja također opisuje val koji putuje kroz vodu s grebenima i koritima (visokim i niske bodove). S ovim modelom svjetlosni valovi slijede ista pravila kao i ostali poprečni valovi - njihove su frekvencije i valne duljine obrnuto proporcionalne zbog jednadžbe brzine vala, a fronte valova ometaju jedna drugu gdje se nalaze presijecati.
Na primjer, ometaju se dva grebena (visoke točke) ili dva korita (niske točke) koja se preklapaju konstruktivno, čineći ukupni grb višim, odnosno ukupni korit nižim. Tamo gdje se fronte valova sastaju izvan faze - grb i korito zajedno - ometaju se destruktivno, ili se u potpunosti ili djelomično poništavaju.
Razmišljanje o svjetlosti kao valu također je ključno za razumijevanje razlika između vrsta svjetlosti u elektromagnetskoj spektra, poput razlike između radio, vidljivih i x-zraka, jer su te vrste klasificirane prema njihovom valu Svojstva. To također znači da je tretiranje svjetlosti kao vala važno u fizičkoj optici boje, jer je to podskup vidljivog dijela spektra.
Geometrijska optika i traženje zraka
U geometrijskoj optici fizičari koriste prirodu čestica svjetlosti kako bi prikazali njezin put u ravnim crtama poznatim kao zrake. Geometrijska optika koristi se mnogo dulje od fizičke optike, jer su ljudi naučili kako to dizajnirati savijati i fokusirati svjetlost u svrhe kao što je izrada teleskopa i korektivnih leća i prije nego što su shvatili koju svjetlost bio. Do 1600. brušenje leća u svrhu pomaganja ljudskom vidu bilo je uobičajeno.
Svjetlosne zrake crtaju se kao ravne crte koje proizlaze iz izvora svjetlosti i ukazuju na smjer putovanja svjetlosti. Dijagram zraka koristi se za prikaz putova nekoliko reprezentativnih svjetlosnih zraka dok se reflektiraju, lome i prolaze različitih materijala kako bi se utvrdila takva mjerenja kao žarišna duljina te veličina i orijentacija rezultirajućih slika.
Praćenjem putova zraka svjetlosti, fizičari mogu bolje razumjeti optičke sustave, uključujući stvaranje slike u tankim lećama i ravnim zrcalima, optičkim vlaknima i drugim optičkim instrumentima. S obzirom na svoju dugu povijest kao polje, geometrijska optika dovela je do nekoliko poznatih zakona o tome kako svjetlost poskakuje i savija se, možda najpoznatiji zakon loma (Snelllov zakon) i zakon refleksije.