Zrozumienie optyki geometrycznej i fizycznej pozwala nam badać zjawiska wynikające zarówno z cząstek, jak i falowych aspektów światła.
Właściwości światła
Światło przemieszcza się w przestrzeni jako fale elektromagnetyczne i jako cząstki. W wyniku tego dualizm fal cząsteczkowych, kiedy fizycy pracują z optyką (badanie światła), muszą myśleć o propagacji światła na jeden z dwóch sposobów, w zależności od zastosowania.
Myśląc o takich cechach światła jak interferencja, polaryzacja czy barwa, opisanie światła jako poprzecznych frontów fal jest drogą do zrobienia. Ale podczas budowania teleskopu lub soczewki korekcyjnej i określania, jak światło będzie odbijać, załamywać się i transmitować, najlepszą opcją jest myślenie o świetle jako wiązce cząstek poruszającej się po liniach prostych, zwanej promienie.
Optyka falowa i falowa teoria światła
Badanie optyki fizycznej wykorzystuje falową naturę światła do zrozumienia takich zjawisk, jak wzory interferencyjne spowodowane przez fale świetlne przechodzące przez siatki dyfrakcyjne i spektroskopię. Optyka fizyczna wystartowała jako dziedzina w XIX wieku po kilku kluczowych odkryciach, w tym istnieniu światła poza widmem widzialnym przez Sir Fredericka Williama Herschela.
W optyce fizycznej światło jest przedstawiane jako front fali poprzecznej, podobnie jak sinusoidalny lub „Krzywa S”, która opisuje również falę poruszającą się po wodzie z grzbietami i dolinami (wysokimi i niskie punkty). W tym modelu fale świetlne podlegają tym samym zasadom, co inne fale poprzeczne – ich częstotliwości i długości fal są odwrotnie proporcjonalna ze względu na równanie prędkości fali, a fronty fal interferują ze sobą tam, gdzie krzyżować.
Na przykład dwa wierzchołki (wysokie punkty) lub dwa doliny (niskie punkty), które nakładają się na siebie, przeszkadzają konstruktywnie, dzięki czemu ogólny czubek jest wyższy lub ogólny dołek odpowiednio niższy. Tam, gdzie fronty fal spotykają się w przesuniętej fazie – grzebień i dolina razem – przeszkadzają destrukcyjnie, całkowicie lub częściowo znosząc się wzajemnie.
Myślenie o świetle jak o fali jest również kluczem do zrozumienia różnic między rodzajami światła w elektromagnetycznym widmo, takie jak różnica między promieniowaniem radiowym, widzialnym i rentgenowskim, ponieważ te typy są klasyfikowane według ich fali nieruchomości. Oznacza to również, że traktowanie światła jako fali jest ważne w fizycznej optyce koloru, ponieważ jest to podzbiór widzialnej części widma.
Optyka geometryczna i ray tracing
W optyce geometrycznej fizycy wykorzystują cząsteczkową naturę światła do przedstawiania jego ścieżki w postaci prostych linii zwanych promieniami. Optyka geometryczna jest używana znacznie dłużej niż optyka fizyczna, ponieważ ludzie nauczyli się projektować urządzenia, które zginaj i skupiaj światło do celów takich jak robienie teleskopów i soczewek korekcyjnych, zanim zrozumieją, co to jest światło był. Do 1600 r. szlifowanie soczewek w celu wspomagania ludzkiego wzroku było powszechne.
Promienie świetlne są rysowane jako proste linie emanujące ze źródła światła i wskazujące kierunek, w którym porusza się światło. Diagram promieni służy do pokazania ścieżek kilku reprezentatywnych promieni świetlnych, gdy odbijają, załamują się i przepuszczają różne materiały w celu wyznaczenia takich wymiarów jak ogniskowa oraz wielkość i orientacja otrzymanej wizerunek.
Śledząc ścieżki promieni światła, fizycy mogą lepiej zrozumieć systemy optyczne, w tym tworzenie obrazu w cienkich soczewkach i zwierciadłach płaskich, światłowodach i innych przyrządach optycznych. Ze względu na swoją długą historię jako dziedziny, optyka geometryczna doprowadziła do kilku dobrze znanych praw dotyczących tego, jak światło odbija się i wygina, prawdopodobnie najbardziej znane jest prawo załamania światła (prawo Snella) i prawo odbicia.
