Gan ģeometriskās, gan fiziskās optikas izpratne ļauj mums izpētīt parādības, kas izriet gan no gaismas daļiņu, gan viļņu aspektiem.
Gaismas īpašības
Gaisma pārvietojas pa kosmosu kā elektromagnētiskie viļņi un kā daļiņas. Tā rezultātā daļiņu-viļņu dualitāte, kad fiziķi strādā ar optiku (gaismas izpēti), viņiem jādomā par gaismas izplatīšanos vienā no diviem veidiem, atkarībā no pielietojuma.
Domājot par tādām gaismas īpašībām kā iejaukšanās, polarizācija vai krāsa, ceļš ir jāapraksta kā šķērsvirziena viļņu frontes. Bet, veidojot teleskopu vai koriģējošu objektīvu un nosakot, kā gaisma atspoguļosies, lauzīs un pārraidīt, labākais variants ir domāt par gaismu kā daļiņu staru, kas pārvietojas pa taisnām līnijām, ko sauc stari.
Viļņu optika un gaismas viļņu teorija
Fiziskās optikas izpēte izmanto gaismas viļņu dabu, lai izprastu tādas parādības kā traucējumu modeļus, ko izraisa gaismas viļņi, kas iet caur difrakcijas režģiem un spektroskopiju. Pēc vairākiem galvenajiem atklājumiem, ieskaitot sera Frederika Viljama Heršela gaismas esamību ārpus redzamā spektra, fiziskā optika sāka darboties 1800. gados.
Fiziskajā optikā gaisma tiek attēlota kā šķērsvirziena viļņu fronte, piemēram, sinusoidāla vai "S-līkne", kas apraksta arī vilni, kas iet cauri ūdenim ar cekuliem un silēm (augsts un zemie punkti). Izmantojot šo modeli, gaismas viļņi ievēro tos pašus noteikumus kā citi šķērsvirziena viļņi - to frekvences un viļņu garumi ir apgriezti proporcionāls viļņu ātruma vienādojuma dēļ, un viļņu frontes savā starpā traucē tur, kur tās atrodas krustojas.
Piemēram, traucē divi virsotnes (augstie punkti) vai divi sile (zemie punkti), kas pārklājas konstruktīvi, padarot kopējo cekulu attiecīgi augstāku vai kopējo sile zemāku. Vietās, kur viļņu frontes satiekas ārpus fāzes - cekuls un sile kopā -, tie traucē graujoši, pilnībā vai daļēji atceļot viens otru.
Gaismas kā viļņa domāšana ir arī atslēga, lai izprastu atšķirības starp gaismas veidiem elektromagnētiskajā spektrs, piemēram, atšķirība starp radio, redzamajiem un rentgena stariem, jo šos tipus klasificē pēc viļņiem īpašības. Tas nozīmē arī, ka gaismas fiziskajā optikā ir svarīgi izturēties pret gaismu kā viļņu, jo tā ir spektra redzamās daļas apakškopa.
Ģeometriskā optika un staru izsekošana
Ģeometriskajā optikā fiziķi izmanto gaismas daļiņu dabu, lai attēlotu tās ceļu taisnās līnijās, kas pazīstamas kā stari. Ģeometriskā optika ir izmantota daudz ilgāk nekā fiziskā optika, jo cilvēki bija iemācījušies to projektēt saliekt un fokusēt gaismu tādiem mērķiem kā teleskopu un koriģējošu lēcu izgatavošana labi, pirms viņi saprot, kāda gaisma bija. Līdz 1600. gadam lēcu slīpēšana cilvēku redzes veicināšanai bija ierasta parādība.
Gaismas stari tiek uzzīmēti kā taisnas līnijas, kas iziet no gaismas avota un norāda gaismas virzienu. Staru diagramma tiek izmantota, lai parādītu vairāku reprezentatīvu gaismas staru ceļus, kad tie atstaro, lauž un pārnes cauri dažādiem materiāliem, lai noteiktu tādus mērījumus kā fokusa attālums un iegūtā lielums un orientācija attēls.
Izsekojot gaismas staru ceļus, fiziķi var labāk izprast optiskās sistēmas, tostarp attēlu veidošanu plānās lēcās un plakanajos spoguļos, optiskajās šķiedrās un citos optiskos instrumentos. Ņemot vērā tās ilgo lauka vēsturi, ģeometriskā optika ir radījusi vairākus labi zināmus likumus par gaismas gaismu atlec un saliekas, iespējams, visslavenākais ir refrakcijas likums (Snella likums) un refleksijas likums.