Een goed begrip van zowel geometrische als fysieke optica stelt ons in staat om fenomenen te bestuderen die het gevolg zijn van zowel deeltjes- als golfaspecten van licht.
Eigenschappen van licht
Licht reist door de ruimte als elektromagnetische golven en als deeltjes. Als een resultaat hiervan deeltje-golf dualiteitAls natuurkundigen met optica werken (de studie van licht), moeten ze, afhankelijk van de toepassing, op twee manieren denken aan de voortplanting van licht.
Als je denkt aan eigenschappen van licht als interferentie, polarisatie of kleur, is het de beste keuze om licht te beschrijven als transversale golffronten. Maar bij het bouwen van een telescoop of corrigerende lens en het bepalen hoe licht zal reflecteren, breken en zenden, is de beste optie om licht te zien als een bundel deeltjes die in rechte lijnen beweegt, genaamd stralen.
Golfoptica en de golftheorie van licht
De studie van fysische optica gebruikt de golfaard van licht om fenomenen te begrijpen zoals interferentiepatronen veroorzaakt door lichtgolven die door diffractieroosters gaan en spectroscopie. Fysieke optica begon in de 19e eeuw als een veld na verschillende belangrijke ontdekkingen, waaronder het bestaan van licht buiten het zichtbare spectrum door Sir Frederick William Herschel.
In de fysieke optica wordt licht weergegeven als een transversaal golffront, zoals het sinusoïdale of "S-curve" die ook een golf beschrijft die door het water reist met toppen en dalen (hoog en dieptepunten). Met dit model volgen lichtgolven dezelfde regels als andere transversale golven - hun frequenties en golflengten zijn omgekeerd evenredig door de golfsnelheidsvergelijking, en de golffronten interfereren met elkaar waar ze where snijden.
Bijvoorbeeld, twee toppen (hoge punten) of twee dalen (lage punten) die elkaar overlappen interfereren constructief, waardoor de algehele top respectievelijk hoger of de algehele trog lager wordt. Waar de golffronten elkaar uit fase ontmoeten - een top en een dal samen - interfereren ze they destructief, die elkaar geheel of gedeeltelijk opheffen.
Het beschouwen van licht als een golf is ook de sleutel tot het begrijpen van de verschillen tussen soorten licht in het elektromagnetische spectrum, zoals het verschil tussen radio, zichtbare en röntgenstralen, aangezien die typen worden geclassificeerd op basis van hun golf eigendommen. Dit betekent ook dat het belangrijk is om licht als een golf te behandelen in de fysieke optica van kleur, aangezien dat een subset is van het zichtbare deel van het spectrum.
Geometrische optica en Ray Tracing
In geometrische optica gebruiken natuurkundigen de deeltjesaard van licht om zijn pad weer te geven in rechte lijnen die bekend staan als stralen. Geometrische optica is al veel langer in gebruik dan fysieke optica, omdat mensen hadden geleerd apparaten te ontwerpen die buig en focus licht voor doeleinden zoals het maken van telescopen en corrigerende lenzen ruim voordat ze begrepen welk licht was. Tegen 1600 was het slijpen van lenzen om het menselijk gezichtsvermogen te verbeteren gemeengoed.
Lichtstralen worden getekend als rechte lijnen die uit een lichtbron komen en de richting aangeven waarin het licht zich voortplant. Een straaldiagram wordt gebruikt om de paden van verschillende representatieve lichtstralen te tonen terwijl ze reflecteren, breken en doorlaten verschillende materialen om metingen zoals brandpuntsafstand en de grootte en oriëntatie van de resulterende te bepalen beeld.
Door de paden van lichtstralen te volgen, kunnen natuurkundigen optische systemen beter begrijpen, inclusief beeldvorming in dunne lenzen en vlakke spiegels, optische vezels en andere optische instrumenten. Gezien zijn lange geschiedenis als veld, heeft geometrische optica geleid tot verschillende bekende wetten over hoe licht stuitert en buigt, misschien wel het meest bekende de wet van breking (de wet van Snell) en de wet van reflectie.