Основы оптики: три основных направления оптической науки.
Поскольку предполагается, что это блог, в значительной степени ориентированный на науку, я хотел начать с нескольких серьезных постов на научные темы. Как и большинство авторитетных научных блоггеров, я буду смешивать посты, посвященные основным научным понятиям, и посты, посвященные конкретным техническим темам. Этот пост будет одним из первых. TUT.RU - оптика, прицелы, тепловизоры и снаряжение
Моя специализация в области физики и область исследований – оптическая наука . Хотя большинство людей ассоциируют слово «оптика» с разработкой линз для очков, телескопов и микроскопов, в физике этот термин в более широком смысле относится к изучению поведения света и его взаимодействия с веществом . Однако связь с очками и т. п. не случайна: разработка различных оптических инструментов побудила ученых более внимательно изучить поведение света, направляемого этими инструментами.
Сегодня мы можем грубо сгруппировать изучение оптики в три широких подобласти исследования:
Геометрическая оптика , изучение света как лучей
Физическая оптика , изучение света как волны
Квантовая оптика , изучение света как частиц
Давайте рассмотрим каждое из этих подполей по очереди, как с исторической, так и с научной точки зрения.
Геометрическая оптика. Наш повседневный опыт со светом показывает, что он распространяется по большей части по прямым линиям. Когда солнечные лучи пробиваются сквозь щель в облаке или сквозь щель в темной листве , мы видим непрерывную «линию» или «поток» света, выходящего из этой щели. Если мы уменьшим зазор (в пределах, обсуждаемых ниже), поток станет уже, но останется потоком света.
Ранние исследователи оптики использовали геометрию для моделирования этого взгляда на свет. Постулируется, что свет движется по лучам — отрезкам прямых, которые в свободном пространстве прямые, но могут менять направление или даже изгибаться при столкновении с материей.
Два закона определяют, что происходит, когда свет сталкивается с материальной поверхностью. Закон отражения , очевидно впервые сформулированный Евклидом около 300 г. до н.э., гласит, что когда свет сталкивается с плоской отражающей поверхностью, угол падения луча равен углу отражения. Закон преломления , экспериментально установленный Виллебрордом Снеллом в 1621 году, объясняет способ, которым луч света меняет направление, когда он проходит через плоскую границу от одного материала к другому. Прямым следствием этого «искривления» световых лучей является то, что объект, наполовину погруженный в стакан с водой, будет казаться изогнутым .
Из законов отражения и преломления можно определить поведение оптических устройств, таких как телескопы и микроскопы. Можно проследить пути различных лучей (так называемая «трассировка лучей») через оптическую систему и увидеть, как могут формироваться изображения, их относительную ориентацию и их увеличение. Фактически это наиболее важное применение геометрической оптики и по сей день: поведение сложных оптических систем можно в первом приближении определить, изучая пути всех лучей через систему.
Простая иллюстрация этого — действие линзы из прозрачного стекла на набор параллельных лучей, показанное на рисунке ниже. Набор лучей, входящих слева, дважды преломляется линзой, один раз на входе и один раз на выходе, и в результате все лучи собираются в фокусе справа.
