optyka

optyka

[gr. optikḗ ‘nauka o zjawiskach wzrokowych’],

dziedzina nauki i techniki zajmująca się światłem — zjawiskami związanymi z jego generowaniem, rozchodzeniem się, detekcją, oddziaływaniem z materią i wynikającymi z nich zastosowaniami;

obejmuje badania promieniowania elektromagnetycznego o długości fal w zakresie od miękkiego promieniowania rentgenowskiego do dalekiej podczerwieni. Ze względu na zakres badanych zjawisk optyka dzieli się na optykę geometryczną i optykę fizyczną. Optyka geometryczna obejmuje zagadnienia rozchodzenia się światła w próżni lub w ośrodkach przezroczystych łącznie ze zjawiskiem odbicia i załamania światła; podstawowym pojęciem jest promień światła rozchodzący się prostoliniowo i spełniający prawa odbicia i załamania; optyka fizyczna obejmuje wszelkie zagadnienia wymagające uwzględnienia natury światła; zjawiska (dyfrakcji, interferencji, polaryzacji), które mogą być wyjaśnione przy założeniu falowych właściwości światła, są przedmiotem badań optyki falowej. Z praw optyki falowej wynikają prawa optyki geometrycznej, która stanowi krańcowy przypadek optyki falowej, gdy długość fali jest znacznie mniejsza od rozmiarów struktury środowiska. Jednolity opis zjawisk zarówno optyki geometrycznej, jak i falowej daje elektromagnetyczna teoria światła J. Maxwella wraz z elektronową teorią materii H.A. Lorentza; opis ten obejmuje także wpływ pól elektrycznego i magnetycznego na optyczne właściwości materii (zjawiska Faradaya, Kerra, Zeemana). Zjawiska, których przebieg można wyjaśnić przy założeniu kwantowych właściwości światła (zwłaszcza zjawiska emisji i absorpcji) są przedmiotem badań optyki kwantowej; podstawę teoretyczną optyki kwantowej daje mechanika kwantowa i elektrodynamika kwantowa. Powstanie nowej dziedziny optyki — optyki nieliniowej, opisującej wzajemne oddziaływanie światła o wielkim natężeniu i materii, wiąże się z wynalezieniem lasera. Wynalazek ten przyczynił się również do rozwoju holografii i optoelektroniki. W związku z wykorzystaniem światła do badań naukowych wyodrębniły się nowe działy optyki: optyka molekularna, optyka ośrodków niejednorodnych, optyka kryształów i in. W ostatnim 10-leciu XX w. rozwinęła się optyka fal materii. Działem optyki łączącym elementy optyki geometrycznej i optyki fizycznej jest fotometria.

Zjawiska optyczne i metody badań optyki znalazły liczne zastosowania w wielu dziedzinach nauki i techniki; na ich podstawie rozwinęły się m.in. chemiczne metody analityczne: analiza spektralna, kolorymetria, polarymetria, a także pirometria, fotografia oraz technika oświetleniowa; optyka geometryczna stała się podstawą optyki instrumentalnej, zajmującej się teorią, obliczaniem i konstrukcją przyrządów optycznych. Sądząc po dynamice rozwoju optyki, można spodziewać się rosnącego udziału jej zastosowań w XXI w.; optyczne metody przetwarzania informacji, a przede wszystkim rozwiązania zmierzające do konstrukcji komputerów sterowanych optycznie, wydają się być głównymi kierunkami rozwoju na najbliższą przyszłość.

Zjawiska optyczne były znane już w starożytności, ale rozwój optyki jako samodzielnej dyscypliny naukowej datuje się dopiero od XVII w. i wiąże się z pierwszymi badaniami dotyczącymi natury światła (Ch. Huygens, I. Newton); utrwalenie falowej teorii światła (Th. Young, A.J. Fresnel) i wykazanie, że fale świetlne są falami elektromagnetycznymi, przypada na XIX w. (M. Faraday, Maxwell, H.R. Hertz). Na początku XX w. M. Planck podał kwantowy opis promieniowania; teorię kwantową ugruntowały prace A. Einsteina, P.A.M. Diraca i in.

Camera obscura, XVIII-wieczna rycina ilustrująca jej budowę i działanie