En förståelse av både geometrisk och fysisk optik gör att vi kan studera fenomen som härrör från både partikel- och vågaspekter av ljus.
Ljusegenskaper
Ljus färdas genom rymden som elektromagnetiska vågor och som partiklar. Som ett resultat av detta partikelvåg dualitet, när fysiker arbetar med optik (studiet av ljus), måste de tänka på spridning av ljus på ett av två sätt, beroende på applikationen.
När man tänker på sådana egenskaper hos ljus som störningar, polarisering eller färg, är det vägen att beskriva ljus som tvärgående vågfronter. Men när man bygger ett teleskop eller korrigeringslins och bestämmer hur ljus ska reflekteras, brytas och sända, är det bästa alternativet att tänka på ljus som en stråle av partiklar som rör sig i raka linjer kallas strålar.
Wave Optics and the Wave Theory of Light
Studien av fysisk optik använder vågens natur för att förstå sådana fenomen som störningsmönster orsakade av ljusvågor som passerar genom diffraktionsgaller och spektroskopi. Fysisk optik tog fart som ett fält på 1800-talet efter flera viktiga upptäckter, inklusive förekomsten av ljus utanför det synliga spektrumet av Sir Frederick William Herschel.
I fysisk optik representeras ljus som en tvärgående vågfront, som sinusformad eller "S-kurva" som också beskriver en våg som reser genom vattnet med toppar och tråg (höga och låga punkter). Med den här modellen följer ljusvågor samma regler som andra tvärgående vågor - deras frekvenser och våglängder är omvänt proportionellt på grund av våghastighetsekvationen, och vågfronterna stör varandra där de är korsas.
Till exempel stör två toppar (höga punkter) eller två tråg (låga punkter) som överlappar varandra konstruktivt, vilket gör det totala vapnet högre eller det totala tråget lägre, respektive. Där vågfronterna möts ur fas - ett vapen och ett tråg tillsammans - stör de destruktivt, antingen helt eller delvis avbryta varandra.
Att tänka på ljus som en våg är också nyckeln till att förstå skillnaderna mellan typer av ljus i det elektromagnetiska spektrum, såsom skillnaden mellan radio, synlig och röntgen, eftersom dessa typer klassificeras efter deras våg egenskaper. Detta betyder också att behandling av ljus som en våg är viktigt i den fysiska optiken i färg, eftersom det är en delmängd av den synliga delen av spektrumet.
Geometrisk optik och strålspårning
I geometrisk optik använder fysiker ljusets partikelnatur för att representera dess väg i raka linjer som kallas strålar. Geometrisk optik har använts mycket längre än fysisk optik, eftersom människor hade lärt sig hur man utformar enheter som böj och fokusera ljus för ändamål som att göra teleskop och korrigerande linser långt innan de förstod vilket ljus var. År 1600 var slipning av linser i syfte att hjälpa mänsklig syn vanligt.
Ljusstrålar ritas som raka linjer som kommer från en ljuskälla och indikerar riktningen som ljuset rör sig. Ett stråldiagram används för att visa banorna för flera representativa ljusstrålar när de reflekterar, bryts och sänds igenom olika material för att bestämma sådana mätningar som brännvidd och den resulterande storleken och orienteringen bild.
Genom att spåra ljusstrålarnas vägar kan fysiker bättre förstå optiska system inklusive bildbildning i tunna linser och plana speglar, optiska fibrer och andra optiska instrument. Med tanke på dess långa historia som fält har geometrisk optik lett till flera välkända lagar om hur ljus studsar och böjer, kanske mest känt brytningslagen (Snells lag) och reflektionslagen.