Razumevanje geometrijske in fizične optike nam omogoča, da preučujemo pojave, ki so posledica delcev in valov svetlobe.
Lastnosti svetlobe
Svetloba potuje po vesolju kot elektromagnetno valovanje in kot delci. Kot rezultat tega dvojnost delcev in valov, ko fiziki delajo z optiko (preučevanje svetlobe), morajo razmišljati o širjenju svetlobe na enega od dveh načinov, odvisno od uporabe.
Ko razmišljamo o takšnih značilnostih svetlobe, kot so interferenca, polarizacija ali barva, je treba opisati svetlobo kot prečne valovne fronte. Toda pri gradnji teleskopa ali korektivne leče in določanju, kako se bo svetloba odbijala, lomila in najboljša možnost je, da si o svetlobi zamislimo kot žarek delcev, ki se gibljejo v ravnih črtah žarki.
Valovna optika in valovna teorija svetlobe
Študija fizične optike uporablja valovno naravo svetlobe za razumevanje pojavov, kot so interferenčni vzorci, ki jih povzročajo svetlobni valovi, ki prehajajo skozi difrakcijske rešetke in spektroskopijo. Fizična optika je v 1800-ih poletela kot polje po več ključnih odkritjih, vključno z obstojem svetlobe zunaj vidnega spektra, ki jo je opravil sir Frederick William Herschel.
V fizični optiki je svetloba predstavljena kot prečna valovna fronta, kot je sinusoidna oz "S-krivulja", ki opisuje tudi val, ki potuje skozi vodo z grebeni in koriti (visoko in nizke točke). Pri tem modelu svetlobni valovi sledijo istim pravilom kot drugi prečni valovi - njihove frekvence in valovne dolžine so obratno sorazmerne zaradi enačbe hitrosti valovanja, valovne fronte pa se med seboj motijo sekajo.
Na primer motijo dve grebeni (visoke točke) ali dve koriti (nizki točki), ki se prekrivata konstruktivno, s čimer je splošni greben višji oziroma celotni korit nižji. Kjer se valovne fronte stikajo izven faze - greben in korito skupaj - se motijo destruktivno, bodisi v celoti ali delno medsebojno preklicujeta.
Tudi razmišljanje o svetlobi kot valu je ključno za razumevanje razlik med vrstami svetlobe v elektromagnetni spektra, kot je razlika med radijskimi, vidnimi in rentgenskimi žarki, saj so ti tipi razvrščeni po valovanju lastnosti. To pomeni tudi, da je obravnavanje svetlobe kot vala pomembno v fizični optični barvi, saj je to podskupina vidnega dela spektra.
Geometrijska optika in sledenje žarkom
V geometrijski optiki fiziki uporabljajo naravo delcev svetlobe, da predstavljajo njeno pot v ravnih črtah, znanih kot žarki. Geometrijska optika se uporablja že dlje kot fizična optika, saj so se ljudje naučili, kako to oblikovati upognite in usmerite svetlobo za namene, kot je izdelava teleskopov in korektivnih leč, še preden so razumeli, kakšno svetlobo je bil. Do leta 1600 je bilo brušenje leč za pomoč človeškemu vidu običajno.
Svetlobni žarki so narisani kot ravne črte, ki izvirajo iz vira svetlobe in označujejo smer potovanja svetlobe. Žarkovni diagram se uporablja za prikaz poti več reprezentativnih svetlobnih žarkov, ki se odražajo, lomijo in prenašajo skozi različnih materialov, da se določijo meritve, kot so goriščna razdalja ter velikost in usmerjenost nastalih slike.
S sledenjem poti svetlobnih žarkov lahko fiziki bolje razumejo optične sisteme, vključno s tvorbo slike v tankih lečah in ravninskih ogledalih, optičnih vlaknih in drugih optičnih instrumentih. Glede na svojo dolgo zgodovino kot področje je geometrijska optika pripeljala do več znanih zakonov o tem, kako svetloba poskakuje in upogiba, morda najbolj znano lomni zakon (Snelllov zakon) in zakon odboja.