Волновая оптика

Волновая о́птика или физическая оптика — раздел оптики, который основан на принципе Гюйгенса и моделирует распространение сложных фронтов импульса через оптические системы, включая и амплитуду и фазу волны.

Волновая оптика рассматривает распространение света с учётом его волновой природы. Наиболее широко наблюдаемые явления волновой оптики - интерференция, дифракция, поляризация и т. п.

Введение

У истоков развития науки об оптике (сначала геометрической, затем - и волновой) было Зрительное восприятие, зрение и физико-математические модели, гипотезы и теории, объясняющие феноменологию оптических явлений, наблюдаемых глазом. Само название (от др.-греч. ὀπτική — в переводе оптика) определила область физики под названием Оптика.

Линза — не что иное, как упрощённая модель хрусталика человеческого глаза, сетчатка глаза — природный эквивалент светочувствительных фотоматериалов, а глаз в целом — аналог биологического "фотоаппарата".

Оптика, как направление в физике изучает закономерности взаимодействие спектра видимых, а также примыкающих к ним невидимых электромагнитных волн со средой и веществом.

Корпускулярно-волновой дуализм

Оптика оказалась одним из первых разделов физики, где проявилась ограниченность классических представлений о природе. Была установлена двойственная природа света:

• Корпускулярная теория света, берущая начало от Ньютона, рассматривает его как поток частиц — квантов света или фотонов. В соответствие с идеей Планка любое излучение происходит дискретно, причём минимальная порция энергии (энергия фотона) имеет величину $\varepsilon = h\nu$ , где частота $\nu$ соответствует частоте излучённого света, а $~h$ есть постоянная Планка. Использование представлений о свете, как потоке частиц, объясняет явление фотоэффекта и закономерности теории излучения.
• Волновая теория света, берущая начало от Гюйгенса, рассматривает свет как совокупность, поперечных монохроматических электромагнитных волн, а наблюдаемые оптические эффекты как результат сложения (интерференции) этих волн. При этом считается, что в отсутствие перехода энергии излучения в другие виды энергии, эти волны не влияют друг на друга в том смысле, что, вызвавшая в некоторой области пространства интерференционные явления, волна продолжает распространяться дальше без изменения своих характеристик. Волновая теория электромагнитного излучения нашла своё теоретическое описание в работах Максвелла в форме уравнений Максвелла. Использование представления о свете, как волне, позволяет объяснить явления, связанные с интерференцией и дифракцией, в том числе структуру светового поля (построение изображений и голографию).

Основные закономерности

Электромагнитный спектр принято делить на радиоволны, инфракрасное, видимое, ультрафиолетовое, рентгеновское и гамма-излучения. Эти участки спектра различаются не по своей природе, а по способу генерации и приёма излучения. Поэтому между ними нет резких переходов, сами участки перекрываются, а границы между ними условны.

Волновые и квантовые закономерности являются общими для всего спектра электромагнитного излучения. В зависимости от длины волны, на первый план выступают разные явления, разные методы исследования и разные практические применения. Поэтому на оптику нельзя смотреть как на замкнутую дисциплину, изучающую только видимую область спектра, отделенную от других областей чёткими границами. Закономерности и результаты, найденные в этих других областях, могут оказаться применимыми в видимой области спектра и наоборот.

Современная оптика охватывает области оптической науки и разработок, которые стали популярными в 20-ом столетии. Эти области оптической науки в основном касаются электромагнитных или квантовых свойств света, но на самом деле включают другие области.

Физическая (волновая) оптика

Трёхгранная призма раcщепляет белый свет, лучи с разной длиной волны преломляются по-разному

Единичная параболическая линза преломления Х-лучей

Физическая оптика или оптика волны основывается на принципе Гюйгенса и моделирует распространение сложных фронтов импульса через оптические системы, включая и амплитуду и фазу волны. Эта техника обычно применяется в цифровой форме на компьютере и может объяснять дифракцию, интерференцию, эффекты поляризации, так же как аберрацию, природу преломления Х-лучей и природу других сложных эффектов. Приближения все еще используются, однако, таким образом это не полная электромагнитная модель теории волны распространения света. Для полной модели (в настоящее время) требуется в вычислительном отношении решить много проблем. Хотя некоторые небольшие проблемы с использованием известных полных моделей волны могут решаться.

Рентгеновская оптика преломления

Линза из кремния для преломления Х-лучей

Рентгеновская оптика преломления — оптика, отличаются новыми свойствами и характкристиками, обеспечивающая преломление и фокусировку Х-лучей аналогично тонким линзам на базе преломляющих линз, фокусирующих оптических элементов, на базе киноформных преломляющих профилей и оптических элементов призм, полученных из кремния.

Преломляющие Х-излучения оптические элементы и на их базе оптические устройства (микроскопы, телескопы и др.) отличаются новыми свойствами и характкристиками, которые дают возможность получать более высокое разрешение в микроскопи, телескопии по сравнению с существующими рентгенооптическими системаии. Применение, например, рентгеновских преломляющих составных линз является более перспективным напрвлением в исследованиях атомно-молекулярного и структурного анализа тонких плёнок, изучения скрытых слоёв, синтезированных периодических систем, например, фотонных кристаллов.

Темы, связанные с современной оптикой

• Адаптивная оптика
• Круглый дихроизм
• Кристаллическая оптика
• Дифракция
• Волновод
• Голография
• Интегральная оптика
• Исчисление Джонса
• Лазер
• Микрооптика
• Неотображение оптики
• Нелинейная оптика
• Оптические методы моделирования
• Оптическое распознавание образов
• Оптический компьютер
• Оптический Вихрь
• Фотометрия
• Фотоника
• Квантовая оптика
• Радиометрия
• Статистическая оптика
• "Беспризорный" свет
• Оптика тонких плёнок
• Рентгеновская оптика преломления
• Рентгеновское зеркало
• Отражение рентгеновских лучей‎
• Бионическое зрение

См. также

• Волновая оптика в природе
• Волновая теория

Ссылки

• Волновая оптика и Квантовая оптика
• Волновая оптика