Оптика

I. Содержание этой науки. — О. представляет собой отдел физики, в котором рассматриваются световые явления; подразделяется на следующие части: а) геометрическая О., b) физическая О. и с) физиологическая О. Основание геометрической О. составляют опытом найденные законы прямолинейного распространения, отражения и преломления света, а также закон квадратов расстояний и понятие о луче; ни критика тех опытов, на основании которых заключили о существовании этих законов, ни рассмотрение тех возможных и вероятных физических причин, из которых эти законы являются простым математическим, т. е. логическим следствием, в область геометрической О. не входят. Геометрическая O. ставит своей задачей математическое исследование хода световых лучей при различных условиях; эти исследования могут иметь целью: или найти путь лучей, когда заданы свойства и форма тех прозрачных сред, по которым лучи должны проходить; или обратно — разыскать свойства (оптические) и форму прозрачных сред, при которых пути лучей удовлетворяли бы некоторым заранее поставленным требованиям; при всех этих вопросах законы движения по различным средам и законы перехода из одной в другую предполагаются известными. Главное и единственное средство, при помощи которого геометрическая О. получает свои результаты, есть чистая математика. Физическая О. занимается разысканием условий, необходимых для того, чтобы те или другие световые явления совершались, а также законов, связывающих количественную сторону совершающихся световых явлений с количественной стороной других физических явлений, которые являются или причиной рассматриваемых световых явлений, или сопровождают их, или суть непосредственные следствия их. Не ограничиваясь только разысканием вышеуказанных условий и связей — физическая О. старается и объяснить их, делая различные гипотезы о сущности световых явлений; исходя из этих гипотез, выраженных математически, стараются показать необходимость тех, уже из опыта известных, законов, которым световые явления подчиняются, также стараются получить указание на существование новых оптических явлений, на законы, по которым они должны совершаться, и на ту опытную обстановку, при которой они могут быть наблюдаемы. Получив такие указания, стараются подтвердить предсказанное опытом. Следовательно, гипотезы и развивающиеся из них теории служат не только для систематизации громадного опытного материала, относящегося к световым явлениям, но и служат указателями того, в каком направлении и при какой обстановке нужно работать далее; благодаря таким теоретическим наведениям и указаниям найдены такие поразительные явления, как коническое лучепреломление, некоторые особые случаи дифракции, явления Герца и др. Главным средством физической О. служит опыт, математика и механика, причем решающая роль принадлежит опыту. Физиологическая (см.) О. занимается исследованием ощущений, вызываемых в наблюдателе светом, попадающим на сетчатку глаза.

II. Исторический очерк развития О. Выше указанное разделение О. образовалось только с накоплением достаточного опытного и теоретического материала; постепенный рост этого материала в общих чертах следующий: за 300 лет до Р. Хр. Евклид устанавливает факт прямолинейного распространения света и законы отражения, чем и кладет основание геометрической О., но рассмотрение отражения света от зеркал плоских и сферических сделано только в I в. по Р. Хр. Птолемеем в его трактате об О.; в этом же веке (50 лет по Р. Хр.) Клеомед устанавливает качественно законы преломления, т. е., что при переходе луча из среды менее плотной в среду более плотную он приближается к перпендикуляру, и наоборот; Птолемей пытался найти количественную связь между углами падения и преломления, но это ему не удалось: его измерения привели к неверному заключению, именно — углы преломления пропорциональны углам падения. Около 1000 лет по Р. Хр. Алхацен показывает, что от каждой точки светящегося предмета идут лучи к глазу, высказывает мнение, что свет не может распространяться мгновенно, рассматривает отражение от цилиндрических и конических зеркал и, исследуя преломление света, находит неверность закона Птолемея, но точного закона ему найти не удается; разбирая преломление при прохождении лучей через прозрачный шар показывает, что солнечная теплота и лучи собираются в некотором расстоянии от шара. В XIII в. по Р. Хр. Роджер Бакон, рассматривая преломление через сферические поверхности, указывает, что, благодаря преломлению, кажущиеся размеры предметов могут быть увеличены, так что, следовательно, возможно "...читать мельчайшие буквы с огромных расстояний...", но опытом этого не подтверждает; кроме этого Бакон разбирает параболические зеркала и показывает существование сферической аберрации в сферических зеркалах; в этом же веке изобретены очки, но имя изобретателя неизвестно. В XVI в. Мавролик открывает сферическую аберрацию в чечевицах, объясняет действие очков и изображения через малые отверстия, Делла-Порта изобретает камеру-обскуру; к концу XVI и началу XVII вв. почва для изобретения микроскопа и зрительной трубы оказывается вполне подготовленной, так что оба эти громадной важности прибора изобретаются, но имена первых устроителей этих приборов с достоверностью нам не известны. XVII век особенно богат прекрасными оптическими открытиями: Кеплер находит и объясняет полное внутреннее отражение, разбирает ход лучей в стеклах и трубах, дает планы новых зрительных труб, причем истинный закон преломления ему неизвестен; он пытался его найти, но неудачно, поэтому при всех своих оптических работах пользуется законом приближенным; истинный закон преломления был найден Снеллем (1626), но опубликован только (самостоятельно) Декартом; Кирхер описывает явления фосфоресценции и флуоресценции; Кавальери, приняв показатель преломления равным 3/2, дает выражения для фокусных расстояний чечевиц; Марци предлагает получить спектр на экране в темной комнате и утверждает, что раз преломленный луч сохраняет при последующих преломлениях один и тот же цвет (но опытов не делает); Гримальди открывает явление дифракции света и высказывает идею о волнообразной теории; Гук тоже намечает теорию волнения и даже высказывает мысль, что колебания должны быть поперечные относительно направления распространения их; кроме того Гук занимается исследованием цветов тонких пластинок, применяет зрительную трубу для измерения углов; Рёмер из наблюдений над затмениями спутников Юпитера открывает и определяет скорость света; Смит, Джюрин, Бюффон разрабатывают физиологическую О.; Гюйгенс исследует законы двойного преломления в исландском шпате, дает способ построения хода преломленных лучей, поддерживает теорию волнения и на основании ее объясняет большинство оптических явлений, но совершенно забывает мысль Гука о поперечности колебаний и считает их продольными, и, наконец, Ньютон открывает цветное светорассеяние, исследует цвета тонких пластинок, разрабатывает явления дифракции, устраивает первый зеркальный телескоп, развивает теорию истечения и благодаря своей гениальности так удачно и хорошо приспособляет эту теорию ко всем известным тогда оптическим явлениям, что все его ученики становятся на его точку зрения и в начале игнорируют, а потом и совсем забывают идеи Гука и Гюйгенса о волнообразной теории света, вследствие чего теория истечения остается господствующей и всеми принятой до 1800 г. В 1800 г. Юнг вновь выдвигает забытую теорию волнения и в 1801—1802 гг. окончательно становится на ее сторону; он устанавливает принцип и факт интерференции света, ею объясняет цвета тонких пластинок, вычисляет длины световых волн, но нападки противников, накопление новых фактов, которые не могли быть объяснены из-за непринятия поперечности колебаний, заставили Юнга почти потерять веру в правильность его идей. В это время открытия быстро следовали одно за другим: Малюс (1808) открывает поляризацию света отражением, в 1810 г. показывает, что двойное преломление сопровождается поляризацией обоих преломленных световых пучков, одновременно с Био в 1811 г. открывает поляризацию простым преломлением; в том же году Араго открывает хроматическую поляризацию, которая дальше разрабатывается Брюстером; в то же время Био очень остроумно приспособляет теорию истечения к этим явлениям; что же касается Юнга — то он не может выяснить роли поляризации во всех этих явлениях и только высказывает мысль, что все они могут быть объяснены интерференцией света; теория истечения снова начинает брать верх, но уже ненадолго. В 1818 г. Френель представляет парижской академии наук свой знаменитый мемуар о дифракции света, соединяет принцип элементарных волн с принципом интерференции, выясняет прямолинейное распространение света, приводит новые случаи интерференции, совместно с Араго устанавливает законы интерференции поляризованных лучей, на основании которых приходит к заключению о поперечности колебаний, но такое заключение представляется ему в таком противоречии с представлениями о природе колебаний упругих жидкостей, что он не решается принять это заключение, так что Юнг, познакомившись с работами Араго и Френеля, опубликовывает гипотезу поперечности раньше самого автора. Многим математикам эта гипотеза кажется чудовищной, нелепой, но в мемуаре о поляризации света (1821) и о двойном лучепреломлении Френель показывает, с какой легкостью из этой гипотезы вытекают объяснения всех в то время известных явлений поляризации, далее дает теорию двойного преломления, вводит гипотезу об эллиптической поляризации и всем этим заставляет большинство физиков принять его сторону; когда же в 1832 г. Гамильтон теоретически, на основании формул Френеля, предсказал существование конического лучепреломления (см.) а Ллойд подтвердил предсказанное опытом, и затем в 1850-х годах Физо и за ним Фуко определили скорость света в воздухе и в воде и нашли ее согласной с теорией волнения и противоречащей теории истечения, тогда первая была окончательно принята всеми. При детальной разработке теории волнения пришлось убедиться, что хотя громадное большинство оптических явлений хорошо объясняется этой теорией, но для объяснения многих явлений приходится делать различные допущения относительно свойств эфира и его связи с телами; благодаря таким допущениям явились, так сказать, варианты и дальнейшие развития Френелевской теории (теории Грина, Неймана, Мак-Куллага, Коши, Бусинеска, Гельмгольца и др.) и, наконец, в конце 1860-х и начале 1870-х годов явилась новая, так называемая электромагнитная, теория света, данная английским ученым Максвелем (см.). Эта теория до конца 1880-х годов (до опытов Герца над распространением электромагнитных колебаний) не пользовалась успехом, но после названных опытов начала обращать на себя внимание и в настоящее время начинает приниматься большинством. Параллельно с разработкой теоретических вопросов О. в нашем веке совершается ряд блестящих открытий в экспериментальной части. Волластон открывает, Фрауэнгофер (1814—1815) в подробности изучает темные линии в солнечном спектре и (1821—1822) получает спектр от дифракционных решеток. Гершель (1822—29) исследует спектры некоторых тел, за ним Тальбот указывает на возможность оптического анализа; но ни тот, ни другой не устанавливают факта зависимости определенных линий в спектре от присутствия соответственного элемента в пламени. Ниепс и Дагерр (1829—35) кладут начало фотографии, Кирхгоф и Бунзен (1859) создают спектральный анализ. Установка соотношения между спектрами поглощения и испускания влечет за собой множество новых работ: открываются спектральным анализом новые тела (цезий, рубидий, талий), им же пользуются для изучения строения небесных светил и, пользуясь принципом Доплера, применяют спектральный анализ к открытию движения небесных светил. Ле-Ру (1862), Христианзен (1870) открывают аномальное светорассеяние, Кундт его обстоятельно исследует и, наконец, начиная с 1888 г., благодаря исследованиям Герца, появляется громадное количество работ, имеющих целью показать, что все известные нам оптические явления могут быть повторены с лучами электромагнитными. Опыт поразительно подтверждает как предсказанную Максвелем аналогию лучей обоего рода, так и некоторые явления, вытекающие как следствие из электромагнитной теории, заставляя этим поставить эту теорию света на первое место. Помощь, оказанная различными оптическими открытиями другим наукам, громадна: зрительная труба позволила астрономии открыть множество невидимых невооруженному глазу светил, точно координировать их положение и определять координаты места наблюдателя на земной поверхности; микроскоп ввел биологию в новый мир микроорганизмов, невооруженному глазу недоступный; спектральный анализ дал возможность судить о строении небесных светил, о движении их в том случае, если их расстояние от наблюдателя настолько велико, что наблюдаемое положение светила на небесном своде кажется постоянным, о присутствии в пламени или электрической искре тех или иных тел в таких малых количествах, определение которых химическому анализу недоступно; сахариметры дали возможность быстро определять количество сахара в растворах и, наконец, фотография (успехи которой зависели также и от химических изысканий) дает способ закрепить все, что видимо в трубу, в микроскоп, в спектроскоп или невооруженным глазом на пластинке и сохранить этот беспристрастный документ на неопределенно долгое время. Изложение гипотез и теорий света см. Свет и статьи: Двойное лучепреломление, Дифракция, Диоптрика, Оптические инструменты, Оптические стекла, Катоптрика и пр.

А. Садовский.

(греч. optikē — наука о зрительных восприятиях, от optós — видимый, зримый)

раздел физики, в котором изучаются природа оптического излучения (См. Оптическое излучение) (света), его распространение и явления, наблюдаемые при взаимодействии света и вещества. Оптическое излучение представляет собой Электромагнитные волны, и поэтому О. — часть общего учения об электромагнитном поле (См. Электромагнитное поле). Оптический диапазон длин волн охватывает около 20 октав (См. Октава)и ограничен, с одной стороны, рентгеновскими лучами (См. Рентгеновские лучи), а с другой — микроволновым диапазоном радиоизлучения. Такое ограничение условно и в значительной степени определяется общностью технических средств и методов исследования явлений в указанном диапазоне. Для этих средств и методов характерны основанные на волновых свойствах излучения формирование изображений оптических (См. Изображение оптическое) предметов с помощью приборов, линейные размеры которых много больше длины волны λ излучения, а также использование приёмников света (См. Приёмники света), действие которых основано на его квантовых свойствах.

По традиции О. принято подразделять на геометрическую, физическую и физиологическую. Геометрическая оптика оставляет в стороне вопрос о природе света, исходит из эмпирических законов его распространения и использует представление о световых Лучах, преломляющихся и отражающихся на границах сред с разными оптическими свойствами и прямолинейных в оптически однородной среде. Её задача — математически исследовать ход световых лучей в среде с известной зависимостью преломления показателя (См. Преломления показатель)n от координат либо, напротив, найти оптические свойства и форму прозрачных и отражающих сред, при которых лучи проходят по заданному пути. Методы геометрической О. позволяют изучить условия формирования оптического изображения объекта как совокупности изображений отд. его точек и объяснить многие явления, связанные с прохождением оптического излучения в различных средах (например, искривление лучей в земной атмосфере вследствие непостоянства ее показателя преломления, образование Миражей, радуг (См. Радуга) и т.п.). Наибольшее значение геометрическая О. (с частичным привлечением волновой О., см. ниже) имеет для расчёта и конструирования оптических приборов — от очковых линз до сложных Объективов и огромных астрономических инструментов. Благодаря развитию и применению вычислительной математики методы таких расчётов достигли высокого совершенства и сформировалось отдельное направление поучившее название вычислительной О.

По существу отвлекается от физической природы света и Фотометрия, посвященная главным образом измерению световых величин (См. Световые величины), Фотометрия представляет собой методическую основу исследования процессов испускания, распространения и поглощения излучения по результатам его действия на приёмники излучения. Ряд задач фотометрии решается с учётом закономерностей восприятия человеческим глазом света и его отдельных цветовых составляющих. Изучением этих закономерностей занимается физиологическая О., смыкающаяся с биофизикой и психологией и исследующая Зрительный анализатор (от глаза до коры головного мозга) и механизмы зрения (См. Зрение).

Физическая О. рассматривает проблемы, связанные с природой света и световых явлений. Утверждение, что свет есть поперечные электромагнитные волны, основано на результатах огромного числа экспериментальных исследований дифракции света (См. Дифракция света),интерференции света (См. Интерференция света), поляризации света (См. Поляризация света) и распространения света в анизотропных средах (см. Кристаллооптика, Оптическая анизотропия). Совокупность явлений, в которых проявляется волновая природа света, изучается в крупном разделе физической О. — волновой О. Её математическим основанием служат общие уравнения классической электродинамики — Максвелла уравнения. Свойства среды при этом характеризуются макроскопическими материальными константами — диэлектрической проницаемостью (См. Диэлектрическая проницаемость)ε и магнитной проницаемостью (См. Магнитная проницаемость) μ, входящимив уравнения Максвелла в виде коэффициентов. Эти константы однозначно определяют показатель преломления среды: n =

Феноменологическая волновая О., оставляющая в стороне вопрос о связи величин ε и μ (обычно известных из опыта) со структурой вещества, позволяет объяснить все эмпирические законы геометрической О. и установить границы её применимости. В отличие от геометрической, волновая О. даёт возможность рассматривать процессы распространения света не только при размерах формирующих или рассеивающих световые пучки систем >>λ(длины волны света) но и при любом соотношении между ними. Во многих случаях решение конкретных задач методами волновой О. оказывается чрезвычайно сложным. Поэтому получила развитие Квазиоптика(особенно применительно к наиболее длинноволновому участку спектра оптического излучения и смежному с ним т. н. субмиллиметровому поддиапазону радиоизлучения) в которой процессы распространения, преломления и отражения описываются геометрооптически но в которой при этом нельзя пренебрегать и волновой природой излучения. Геометрический и волновой подходы формально объединяются в геометрической теории дифракции, в которой дополнительно к падающим, отражённым и преломлённым лучам геометрической О. постулируется существование различного типа дифрагированных лучей.

Огромную роль в развитии волновой О. сыграло установление связи величин ε и μ с молекулярной и кристаллической структурой вещества (см. Кристаллооптика, Металлооптика, Молекулярная оптика). Оно позволило выйти далеко за рамки феноменологического описания оптических явлений и объяснить все процессы, сопровождающие распространение света в рассеивающих и анизотропных средах и вблизи границ разделов сред с разными оптическими характеристиками, а также зависимость от λ оптических свойств сред — их дисперсию, влияние на световые явления в средах давления, температуры, звука, электрического и магнитного полей и многое др.

В классической волновой О. параметры среды считаются не зависящими от интенсивности света; соответственно, оптические процессы описываются линейными (дифференциальными) уравнениями. Выяснилось, однако, что во многих случаях, особенно при больших интенсивностях световых потоков, это предположение несправедливо; при этом обнаружились совершенно новые явления и закономерности. В частности, зависимость показателя преломления от напряжённости поля световой волны (нелинейная поляризуемость вещества) приводит к изменению угла преломления светового пучка на границе двух сред при изменении его интенсивности, к сжатию и расширению световых пучков (Самофокусировка света и его самодефокусировка), к изменению спектрального состава света, проходящего через такую (нелинейную) среду (генерация оптических гармоник), к взаимодействию световых пучков и появлению в излучении т. н. комбинационных частот, выделенных направлений преимущественного распространения света (параметрические явления, см. Параметрические генераторы света) и т.д. Эти явления рассматриваются нелинейной оптикой (См. Нелинейная оптика), получившей развитие в связи с созданием Лазеров.

Хорошо описывая распространение света в материальных средах, волновая О. не смогла удовлетворительно объяснить процессы его испускания и поглощения. Исследование этих процессов (Фотоэффекта, фотохимических превращений молекул, закономерностей спектров оптических (См. Спектры оптические)и пр.) и общие термодинамические соображения о взаимодействии электромагнитного поля с веществом привели к выводу, что элементарная система (атом, молекула) может отдавать энергию электромагнитному полю (или, напротив, получать её от него) лишь дискретными порциями (квантами), пропорциональными частоте излучения ν (см. Излучение). Поэтому световому электромагнитному необходимо сопоставить поток квантов света — Фотонов, распространяющихся в вакууме со скоростью света (См. Скорость света)с=2,99·10⁹см/сек. Фотоны обладают энергией hν, импульсом с абсолютной величиной hν/c и массой hν/c² (их масса покоя равна нулю, см. Масса), а также Спиномh/2π; здесь h = 6,65·10²⁷ эрг/сек — Планка постоянная. В простейшем случае энергия, теряемая или приобретаемая изолированной квантовой системой при взаимодействии с оптическим излучением, равна энергии фотона, а в более сложном — сумме или разности энергий нескольких фотонов (см. Многофотонные процессы). Явления, в которых при взаимодействии света и вещества существенны квантовые свойства элементарных систем, рассматриваются квантовой О. методами, развитыми в квантовой механике (См. Квантовая механика)иквантовой электродинамике (См. Квантовая электродинамика), а оптические явления, не связанные с изменением собственных состояний квантовых систем (например, Давление света, Доплера эффект), могут трактоваться в рамках как классических волновых, так и фотонных представлений.

Двойственность природы света (наличие одновременно характерных черт, присущих и волнам, и частицам) — частное проявление корпускулярно-волнового дуализма (См. Корпускулярно-волновой дуализм), свойственного, согласно квантовой теории, всем объектам микромира (например, электронам, протонам, атомам). Исторически концепция корпускулярно-волнового дуализма, впервые сформулированная именно для оптического излучения, окончательно утвердилась после обнаружения волновых свойств у материальных частиц (см. Дифракция частиц) и лишь некоторое время спустя была экспериментально подтверждена для соседнего с оптическим диапазона электромагнитного излучения — радиоизлучения (Квантовая электроника, квантовая радиофизика). Открытие квантовых явлений в радиодиапазоне во многом стёрло резкую границу между радиофизикой и О. Сначала в радиофизике, а затем в физической О. сформировалось новое направление, связанное с генерированием вынужденного излучения (См. Вынужденное излучение) и созданием квантовых усилителей (См. Квантовый усилитель) и квантовых генераторов (См. Квантовый генератор) излучения (Мазеров и лазеров). В отличие от неупорядоченного светового поля обычных (тепловых и люминесцентных) источников, излучение лазеров в результате управления полем актами испускания входящих в них элементарных систем характеризуется упорядоченностью (Когерентностью). Оно отличается высокой монохроматичностью (Δν/ν Оптика 10^–13, см. Монохроматический свет), предельно малой (вплоть до дифракционной) расходимостью пучка и при фокусировке позволяет получать недостижимые ни для каких других источников плотности излучения (Оптика10¹⁸ вт·см^–2·стер^–1). Появление лазеров стимулировало пересмотр и развитие традиционных и возникновение новых направлений физической О. Большую роль стали играть исследования статистики излучения (статистическая О.), были открыты новые нелинейные и нестационарные явления, получили развитие методы создания узконаправленных когерентных пучков света и управления ими (когерентная О.) и т.д. Особую важность приобрело изучение круга явлений, связанных с воздействием света на вещество (до появления лазеров наибольшее внимание привлекало воздействие вещества на свет). Развитие лазерной техники привело к новому подходу при создании оптических элементов и систем и, в частности, потребовало разработки новых оптических материалов, которые пропускают интенсивные световые потоки, сами не повреждаясь (силовая О.).

Все разделы О. имели и имеют многочисленные практические применения. Задачи рационального освещения улиц, помещений, рабочих мест на производстве, зрелищ, исторических и архитектурных памятников и пр. решаются светотехникой (См. Светотехника) на основе геометрической О. и фотометрии, учитывающей законы физиологической О.; при этом используются достижения физической О. (например, для создания люминесцентных источников света (См. Источники света)) и оптические технологии (изготовление зеркал, Светофильтров, экранов и т.д.). Одна из важнейших традиционных задач О. — получение изображений, соответствующих оригиналам как по геометрической форме, так и по распределению яркости (иконика), решается главным образом геометрической О. с привлечением физической О. (для установления разрешающей способности (См. Разрешающая способность) приборов и систем, учёта зависимости показателя преломления от λ-дисперсии света (См. Дисперсия света) и др.). Геометрическая О. даёт ответ на вопрос, как следует построить оптическую систему для того, чтобы каждая точка объекта изображалась бы также в виде точки при сохранении геометрического подобия изображения объекту. Она указывает на источники искажений изображения и их уровень в реальных оптических системах (см. Аберрации оптических систем). Для построения оптических систем существенна технология изготовления оптических материалов (стёкол, кристаллов, оптической керамики и пр.) с требуемыми свойствами, а также технология обработки оптических элементов. Из технологических соображений чаще всего применяют линзы (См. Линза) и зеркала (См. Зеркало) со сферическими поверхностями, но для упрощения оптических систем и повышения качества изображений при высокой светосиле (См. Светосила) используют и асферические оптические элементы.

Новые возможности получения оптических образов без применения фокусирующих систем даёт Голография, основанная на однозначной связи формы тела с пространственным распределением амплитуд и фаз распространяющихся от него световых волн. Для регистрации поля с учётом распределения фаз волн в голографии на регистрируемое поле накладывают дополнит. когерентное поле и фиксируют (на фоточувствительном слое или др. методами) возникающую при этом интерференционную картину. При рассматривании полученной т.о. голограммы в когерентном (монохроматическом) свете получается объёмное изображение предмета.

Появление источников интенсивных когерентных световых полей (лазеров) дало толчок широкому развитию голографии. Она находит применение при решении многих научных и технических проблем. С помощью голографии получают пространственные изображения предметов, регистрируют (при импульсном освещении) быстропротекающие процессы, исследуют сдвиги и напряжения в телах и т.д.

Оптические явления и методы, разработанные в О., широко применяются для аналитические целей и контроля в самых различных областях науки и техники. Особенно большое значение имеют методы спектрального анализа (См. Спектральный анализ) и люминесцентного анализа (См. Люминесцентный анализ), основанные на связи структуры атомов и молекул с характером их спектров испускания и поглощения, а также спектров комбинационного рассеяния света (См. Комбинационное рассеяние света). По виду спектров и их изменению со временем или под действием на вещество внешних факторов можно установить молекулярный и атомный состав, агрегатное состояние, температуру вещества, исследовать кинетику протекающих в нём физических и химических процессов. Применение в спектроскопии (См. Спектроскопия) лазеров обусловило бурное развитие нового её направления — лазерной спектроскопии. Спектральный и люминесцентный анализ используют в различных областях физики, астрофизике, геофизике и физике моря, химии, биологии, медицине, технике, в ряде гуманитарных наук — искусствоведении, криминалистике и пр.

Чрезвычайно высокая точность измерительных методов, основанное на интерференции света, обусловила их большое практическое значение. Интерферометры широко применяют для измерений длин волн и изучения структуры спектральных линий (См. Спектральные линии), определения показателей преломления прозрачных сред, абсолютных и относительных измерений длин, измерений угловых размеров звёзд и др. космических объектов (см. Звёздный интерферометр). В промышленности интерферометры используют для контроля качества и формы поверхностей, регистрации небольших смещений, обнаружения по малым изменениям показателя преломления непостоянства температуры, давления или состава вещества и т.д. Созданы лазерные интерферометры с уникальными характеристиками, резко расширившие возможности интерференционных методов за счёт большой мощности и высокой монохроматичности излучения лазеров.

Явление поляризации света лежит в основе ряда методов исследования структуры вещества с помощью многочисленных поляризационных приборов (См. Поляризационные приборы). По изменению степени поляризации (деполяризации) света при рассеянии и люминесценции можно судить о тепловых и структурных флуктуациях (См. Флуктуации) в веществе, флуктуациях концентрации растворов, о внутри- и межмолекулярной передаче энергии, структуре и расположении излучающих центров и т.д. Широко применяется Поляризационно-оптический метод исследования напряжений в объёмах и на поверхностях твёрдых тел, в котором эти (механические) напряжения определяются по изменению поляризации отражённого или прошедшего через тело света. В кристаллооптике поляризационные методы используются для изучения структуры кристаллов, в химической промышленности — как контрольные при производстве оптически-активных веществ (См. Оптически-активные вещества) (см. также Сахариметрия), в минералогии (См. Минералогия) и петрографии (См. Петрография)— для идентификации минералов, в оптическом приборостроении — для повышения точности отсчётов приборов (например, Фотометров).

Широкое распространение получили высокочувствительные спектральные приборы с дифракционной решёткой (См. Спектральные приборы) в качестве диспергирующего элемента (Монохроматоры,Спектрографы,Спектрофотометры и др.), использующие явление дифракции света. Дифракция на ультразвуковых волнах в прозрачных средах позволяет определять упругие константы вещества, а также создать акустооптические модуляторы света (см. Модуляция света).

Оптические методы, заключающиеся в анализе рассеяния света (См. Рассеяние света) (особенно мутными средами (См. Мутные среды)), имеют большое значение для молекулярной физики и её приложений. Так, Нефелометрия даёт возможность получать данные о межмолекулярном взаимодействии (См. Межмолекулярное взаимодействие) в растворах, определять размеры и молекулярный вес макромолекул полимеров (См. Полимеры), а также частиц в коллоидных системах (См. Коллоидные системы),взвесях (См. Взвеси)и аэрозолях (См. Аэрозоли). Последнее весьма важно для атмосферной оптики (См. Атмосферная оптика), оптики красок и порошков. Ценные сведения об энергетической структуре молекул и свойствах тел дают изучение комбинационного рассеяния света (См. Комбинационное рассеяние света),Мандельштама — Бриллюэна рассеяния (См. Мандельштама - Бриллюэна рассеяние) и вынужденного рассеяния света (См. Вынужденное рассеяние света), обнаруженного благодаря использованию лазеров.

Очень широка сфера практического применения приборов, основанных на квантовых оптических явлениях — Фотоэлементов и фотоэлектронных умножителей (См. Фотоэлектронный умножитель),усилителей яркости изображения (электроннооптических преобразователей (См. Электроннооптический преобразователь)), передающих телевизионных трубок и т.д. Фотоэлементы используются не только для регистрации излучения, но и как устройства, преобразующие лучистую энергию Солнца в электроэнергию для питания электро-, радио- и др. аппаратуры (т. н. солнечные батареи). Фотохимические процессы лежат в основе фотографии (См. Фотография) и изучаются в специальной области, пограничной между химией и О., — фотохимии (См. Фотохимия). Помимо исследования процессов внутри- и межмолекулярной передачи энергии, фотохимия уделяет большое внимание преобразованию и запасанию световий (например, солнечной) энергии и изменению оптических свойств веществ под действием света (фотохромия). На основе фотохромных материалов разрабатываются новые системы записи и хранения информации для нужд вычислительной техники и созданы защитные светофильтры с автоматическим увеличением поглощения света при возрастании его интенсивности. Получение мощных потоков монохроматического лазерного излучения с разными длинами волн открыло пути к разработке оптических методов разделения изотопов и стимулирования направленного протекания химических реакций, позволило О. найти новые, нетрадиционные применения в биофизике (воздействие лазерных световых потоков на биологические объекты на молекулярном уровне) и медицине (см. Лазерное излучение). В технике использование лазеров привело к появлению оптических методов обработки материалов (см. Лазерная технология).Благодаря возможности с помощью лазеров концентрировать на площадках с линейными размерами порядка десятков микрон большие мощности излучения, интенсивно развивается оптический метод получения высокотемпературной плазмы (См. Плазма) с целью осуществления управляемого термоядерного синтеза (См. Управляемый термоядерный синтез).

Успехи О. стимулировали развитие оптоэлектроники (См. Оптоэлектроника). Первоначально она понималась как замена электронных элементов в счётно-решающих и др. устройствах оптическими. Затем (к концу 60 — начала 70-х гг. 20 в.) стали разрабатываться принципиально новые подходы к решению задач вычислительной техники (См. Вычислительная техника) и обработки информации, исходящие из принципов голографии, и предлагаться новые технические решения, основанные на применении микрооптических устройств (интегральная О.). С появлением лазеров новое развитие получили оптическая дальномерия (см. Светодальномер,Электрооптический дальномер),Оптическая локация и Оптическая связь. В них широко используются моменты управления световым лучом электрическими сигналами (см. Модуляция света). Принципы действия многих из этих элементов основаны на изменении характера поляризации света при его прохождении через электро- или магнито-активные среды (см. Магнитооптика,Керра эффект,Поккельса эффект,Фарадея эффект,Электрооптика). Оптические дальномеры применяются в геодезической практике, при строительных работах, в качестве Высотомеров и пр. Методами оптической локации было уточнено расстояние до Луны, ведётся слежение за искусственными спутниками Земли по линиям лазерной оптической связи осуществляются телефонные переговоры и передаются изображения. Создание Световодов с малым затуханием повлекло за собой разработки систем кабельной оптической видеосвязи.

Практически нет ни одной области науки или техники, в которой не использовались бы оптические методы, а во многих из них О. играет определяющую роль.

Исторический очерк. О. — одна из древнейших наук, тесно связанная с потребностями практики на всех этапах своего развития. Прямолинейность распространения света была известна народам Месопотамии за 5 тыс. лет до н. э. и использовалась в Древнем Египте при строительных работах. Пифагор в 6 в. до н. э. высказал близкую к современной точку зрения, что тела становятся видимыми благодаря испускаемым ими частицам. Аристотель (4 в. до н. э.) полагал, что свет есть возбуждение среды, находящейся между объектом и глазом. Он занимался атмосферной О. и считал причиной появления радуг отражение света каплями воды. В том же веке в школе Платона были сформулированы два важнейших закона геометрической О. — прямолинейность лучей света и равенство углов их падения и отражения. Евклид(3 в. до н. э.) в трактатах по О. рассматривал возникновение изображений при отражении от зеркал. Главный вклад греков, явившийся первым шагом в развитии О. как науки, состоит не в их гипотезах о природе света, а в том, что они нашли законы его прямолинейного распространения и отражения (катоптрика) и умели ими пользоваться.

Второй важный шаг состоял в понимании законов преломления света (диоптрика) и был сделан лишь много веков спустя. Диоптрические опыты описывались Евклидом и Клеомедом (1 в. н. э.), о применении стеклянных шаров как зажигательных линз упоминали Аристофан(около 400 до н. э.) и Плиний Старший (1 в. н. э.), а обширные сведения о преломлении были изложены Птолемеем (130 н. э.); важность этого вопроса тогда состояла главным образом в его непосредственной связи с точностью астрономических наблюдений. Однако законы преломления не удалось установить ни Птолемею, ни арабскому учёному Ибн аль-Хайсаму, написавшему в 11 в. знаменитый трактат по О., ни даже Г. Галилею (См. Галилей) и И. Кеплеру. Вместе с тем в средние века уже хорошо были известны эмпирические правила построения изображений, даваемых линзами, и начало развиваться искусство изготовления линз. В 13 в. появились Очки. По некоторым данным, около 1590 З. Янсен (Нидерланды) построил первый двухлинзовый Микроскоп. Первые же наблюдения с помощью Телескопа, изобретённого Галилеем в 1609, принесли ряд замечательных астрономических открытий. Однако точные законы преломления света были экспериментально установлены лишь около 1620 В. Снеллиусом (см. Снелля закон преломления) и Р. Декартом, изложившим их в «Диоптрике» (1637). Этим (и последующей формулировкой Ферма принципа) был завершен фундамент построения и практического использования геометрической О.

Дальнейшее развитие О. связано с открытиями дифракции и интерференции света (Ф. Гримальди; публикация 1665) и двойного лучепреломления (См. Двойное лучепреломление) (датский учёный Э. Бартолин, 1669), не поддающихся истолкованию в рамках геометрической О., и с именами И. Ньютона, Р. Гука (См. Гука закон)и Х. Гюйгенса. Ньютон обращал большое внимание на периодичность световых явлений и допускал возможность волновой их интерпретации, но отдавал предпочтение корпускулярной концепции света, считая его потоком частиц, действующих на эфир (этот термин для обозначения наделённой механическими свойствами среды — переносчика света ввёл Декарт) и вызывающих в нём колебания. Движением световых частиц через эфир переменной (вследствие колебаний) плотности и их взаимодействием с материальными телами, по Ньютону, обусловлены преломление и отражение света, цвета тонких плёнок, дифракция света и его дисперсия (Ньютоном же впервые подробно изученная). Ньютон не считал возможным рассматривать свет как колебания самого эфира, т.к. в то время на этом пути не удавалось удовлетворительно объяснить прямолинейность световых лучей и поляризацию света (впервые осознанную именно Ньютоном, хотя и следовавшую из классических опытов Гюйгенса по двойному лучепреломлению). Согласно Ньютону, поляризация — «изначальное» свойство света, объясняемое определённой ориентацией световых частиц по отношению к образуемому ими лучу.

Гюйгенс, следуя идеям Леонардо да Винчи и развивая работы Гримальди и Гука, исходил из аналогии между многими акустическими и оптическими явлениями. Он полагал, что световое возбуждение есть импульсы упругих колебаний эфира, распространяющиеся с большой, но конечной скоростью (Кеплер и Декарт считали скорость света бесконечной, Ньютон и Гук — конечной; впервые её величину экспериментально определил в 1676 О. Рёмер, см. Скорость света). Наибольшим вкладом Гюйгенса в О., не потерявшим ценности до сих пор, является Гюйгенса - Френеля принцип, согласно которому каждая точка фронта волнового возбуждения может рассматриваться как источник вторичных (сферических) волн; Огибающая (поверхность) вторичных волн представляет собой фронт реальной распространяющейся волны в последующие моменты времени. Опираясь на этот принцип, Гюйгенс дал волновое истолкование законов отражения и преломления. Из его теории следовало правильное выражение для показателя преломления: n₂₁ = υ₁/υ₂ (где υ₁ и υ₂— скорости света в 1-й и 2-й средах), в то время как у Ньютона (и Гука) получалось обратное (не соответствующее действительности) отношение υ₂/υ₁. Гюйгенс объяснил также двойное лучепреломление. Говоря о световых волнах, Гюйгенс не придавал им буквального смысла и не пользовался понятием длины волны. Он игнорировал явление дифракции, считая, что свет распространяется прямолинейно даже через сколь угодно малое отверстие, и не рассматривал поляризацию света. Не упоминает он и об описанных в 1675 Ньютона кольцах— интерференционном эффекте, прямо свидетельствовавшем о периодичности световых колебаний, а не об их импульсном, как он полагал, характере. Т. о., сформулировав фундаментальный принцип волновой О., Гюйгенс не разработал последовательную волновую теорию света, которая выдержала бы противопоставление воззрениям Ньютона. По этой причине и вследствие большого научного авторитета Ньютона корпускулярная «теория истечения» последнего (её приверженцы придали ей категоричность, не свойственную высказываниям самого Ньютона) сохраняла господствующее положение в О. до начала 19 в., хотя некоторые крупные учёные, например Л. Эйлер и М. В. Ломоносов, отдавали предпочтение волновым представлениям о природе света. Путь к победе волновой О. открыли работы Т. Юнгаи О. Френеля (См. Френель). В 1801 Юнг сформулировал принцип интерференции, позволивший ему объяснить цвета тонких плёнок (см. Полосы равной толщины) и послуживший основой для понимания всех интерференционных явлений. Опираясь на этот принцип, Френель по-новому истолковал принцип Гюйгенса и не только дал удовлетворительное волновое объяснение прямолинейности распространения света, но и объяснил многочисленные дифракционные явления. В опытах Френеля и Д. Араго было установлено, что волны, поляризованные перпендикулярно друг другу, не интерферируют; это дало основания Юнгу и (независимо) Френелю высказать существенно важную идею о поперечности световых колебаний, исходя из которой Френель построил волновую теорию кристаллооптических явлений. Т. о., все известные к тому времени оптические явления получили волновую интерпретацию. Однако и в этом «триумфальном шествии» были трудности, т.к. детальная разработка представлений о свете, как поперечных упругих колебаниях эфира, приводила к необходимости искусственных теоретических построений (так, эфир приходилось наделять свойствами твёрдого тела, в котором, тем не менее, могли свободно перемещаться тела). Эти трудности были радикально разрешены лишь при последовательном развитии учения Дж. К. Максвелла об электромагнитном поле. Максвелл, исходя из открытий М. Фарадея (См. Фарадей), пришёл к выводу, что свет представляет собой не упругие, а электромагнитные волны. Позже, в начале 20 в. выяснилось, что для их распространения не нужен эфир.

Первым указанием на непосредственную связь электромагнетизма с О. было открытие Фарадеем (1846) вращения плоскости поляризации (См. Вращение плоскости поляризации) света в магнитном поле (Фарадея эффекта). Далее было установлено, что отношение электромагнитной и электростатической единиц силы тока (См. Сила тока) по абсолютной величине и размерности совпадает со скоростью света с (В. Вебер и Ф. Кольрауш, 1856). Максвелл теоретически показал, а Г. Герц в 1888 подтвердил экспериментально, что изменения электромагнитного поля распространяются в вакууме именно с этой скоростью. В прозрачный среде скорость света υ=c/n= c/, т. е. определяется диэлектрической и магнитной проницаемостями среды. Вначале не удавалось объяснить в рамках электромагнитной теории известные к тому времени зависимости показателя преломления n от длины волны λ излучения, используя взятые из опыта значения ε и μ. Со времён Ньютона была известна нормальная дисперсия — возрастание n с уменьшением λ. С позиций упругой волновой теории света она была объяснена Френелем и О. Коши. Но в 1862 французский физик Ф. Леру обнаружил участок дисперсионной кривой, на котором n увеличивался с ростом λ. Впоследствии А. Кундт показал, что такая (аномальная) дисперсия свойственна очень многим веществам и связана с поглощением ими света. Возникло представление о веществе как совокупности упругих Осцилляторов (резонаторов), с которыми взаимодействует свет (В. Зельмейер, 1872). Развивая эту идею и рассматривая влияние вынужденных колебаний (См. Вынужденные колебания) осцилляторов под действием света на скорость его распространения, Г. Гельмгольц (1874) дал полную теорию дисперсии в рамках «упругой» теории света. В 90-х гг. 19 в. П. Друде, Гельмгольц и в особенности Х. Лоренц при построении электронной теории вещества объединили идею об осцилляторах и электромагнитную теорию света. Плодотворное представление об электронах, которые входят в состав атомов и молекул и способны совершать в них колебания, позволило описать многие оптические явления, в том числе нормальную и аномальную дисперсию, т.к. в электронной теории значение ε зависит от частоты (длины волны) электромагнитного поля. Наиболее точные опыты по аномальной дисперсии (Д. С. Рождественский, 1912) дали результаты, хорошо согласующиеся с предсказаниями электронной теории. Блестящим подтверждением представлений о том, что излучение и поглощение света определяется поведением электронов в атомах, явилось открытие в 1896 П. Зееманом и истолкование в 1897 Лоренцем действия магнитного поля на частоты излучения и поглощения атомов (Зеемана эффекта). В полном согласии с теорией Максвелла оказалась и величина давления света, мысль о котором впервые высказал в 1619 Кеплер для объяснения отклонения хвостов комет в сторону от Солнца. В земных условиях величина этого давления была впервые измерена П. Н. Лебедевым в 1899. Построение электромагнитной теории света и дополнение её электронной теорией взаимодействия света и вещества явилось следующим (после победы волновой теории в начале 19 в.) существенным шагом в развитии О.

Электромагнитная теория света стала отправным пунктом при создании относительности теории (См. Относительности теория). Экспериментальными основаниями для этого были данные оптических опытов с движущимися средами и движением наблюдателя относительно источника излучения, противоречившие теоретическим представлениям. Юнг в 1804 показал, что волновая теория требует для объяснения явления аберрации света (См. Аберрация света)неподвижного, не увлекаемого Землёй эфира. Напротив, Френель в 1818 нашёл, что для независимости показателя преломления тел от их движения (наблюдения Араго, 1810) необходимо, чтобы тела частично увлекали эфир. Этот вывод был подкреплен Физо опытом.Электродинамика движущихся сред, развитая Лоренцем (1896) в рамках электронной теории, также приводила к частичному увлечению эфира. Однако классический Майкельсона опыт, впервые выполненный в 1881 и неоднократно повторявшийся со всё большей точностью, не обнаружил такого увлечения («эфирного ветра»). Этот и ряд др. опытов, противоречивших представлениям о среде — переносчике электромагнитных колебаний, нашли своё объяснение в созданной А. Эйнштейномспециальной (частной) теории относительности (1905), приведшей к кардинальному пересмотру многих положений классической физики и. в частности, окончательно устранившей необходимость в эфире — гипотетической среде-переносчике света.

Плодотворность классической электродинамической теории света Максвелла — Лоренца неоднократно подтверждалась и в дальнейшем, например в истолковании И. Е. Таммом и И. М. Франком (1937) эффекта Черенкова — Вавилова излучения (См. Черенкова-Вавилова излучение) (открытого в 1934), в выдвижении Д. Габором (1948) идеи голографии (с записью волнового поля в одной плоскости), в разработке оригинального направления трёхмерных голограмм, начало которому положили работы Ю. Н. Денисюка (1962) и т.д.

Несмотря на успехи электродинамические теории, выяснилось, что она явно недостаточна для описания процессов поглощения и испускания света. Особенно отчётливо это проявилось в парадоксальности выводов теории (противоречащих закону сохранения энергии) из анализа распределения по длинам волн теплового излучения (См. Тепловое излучение) (излучения абсолютно чёрного тела (См. Абсолютно чёрное тело)). Рассматривая эту принципиальную проблему, М. Планк пришёл к заключению (1900), что элементарная колебательная система (атом, молекула) отдаёт энергию электромагнитному полю или получает её от него не непрерывно, а порциями, пропорциональными частоте колебаний, — квантами. Утверждение Планка противоречило классическим представлениям и перенесло идею прерывности (дискретности) на процессы испускания и поглощения света. Развитие идеи Планка не только дало удовлетворительное решение проблемы теплового излучения, но и заложило основы всей современной квантовой физики. Работы Планка и Эйнштейна (1905), который приписал квантам света — Фотонам, кроме энергии, также импульс и массу, вернули О. многие черты корпускулярных представлений. Электромагнитное поле (его интенсивность) в квантовой О. определяет вероятность обнаружения фотона, а структура поля отражает квантовую структуру ансамбля элементарных излучателей (атомов, молекул) и распределение актов излучения во времени. Т. о., при сохранении физического смысла поля фотоны, возникающие в актах испускания света и существующие, только двигаясь со скоростью света, приобрели черты материальных частиц. При поглощении фотона он перестаёт существовать, а поглотившая его система получает его энергию и импульс. Если же фотон не поглощается, взаимодействуя с частицей (например, свободным электроном), или он отражается от макроскопического тела (например, неподвижного или движущегося зеркала), он изменяет свою энергию и импульс (сохраняя абсолютную величину скорости) в соответствии с законами соударения двух материальных тел. Фотонные представления позволили Эйнштейну объяснить основные законы Фотоэффекта, впервые исследованные А. Г. Столетовым в 1888—1890, и дать ясную трактовку фотохимических превращений. Они позволяют наглядно истолковать существование коротковолновой границы в тормозном излучении (См. Тормозное излучение) электронов (макс. энергия фотона равна энергии электрона), Комптона эффект(открытый в 1922), стоксовский сдвиг частоты излучения фотолюминесценции (См. Фотолюминесценция) по отношению к частоте возбуждающего света, Комбинационное рассеяние света (открытое в 1928 Л. И. Мандельштамом и Г. С. Ландсбергом и независимо Ч. В. Раманом) и огромное число др. явлений взаимодействия света с веществом, известных ко времени формирования квантовой теории и открытых в последующие годы. Поэтому переход к квантовым представлениям был следующим существенным шагом в О., которую в её дальнейшем развитии нельзя рассматривать изолированно от квантовой физики вообще.

В современной О. квантовые представления не противополагаются волновым, а органически сочетаются в квантовой механике (См. Квантовая механика) и квантовой электродинамике (См. Квантовая электродинамика),Исключительное значение квантовая механика имеет для спектроскопии, позволившей получить обширные сведения о строении атомов, молекул и конденсированных сред, а также о протекающих в них процессах. Это стало возможным благодаря развитию квантовой теории в трудах Н. Бора, М. Борна, Э. Шрёдингера, В. Гейзенберга, В. Паули, П. Дирака, Э. Ферма (См. Ферми), Л. Д. Ландау, В. А. Фока и многих др. физиков. Квантовая теория позволила дать интерпретацию спектрам атомов, молекул и ионов, объяснить воздействие электрических, магнитных и акустических полей на спектры, установить зависимость характера спектра от условий возбуждения и т.д. Примером обратного влияния О. на развитие самой квантовой теория может служить вызванное необходимостью объяснения спектральных закономерностей открытие собственного момента количества движения – Спина— и связанного с ним собственного магнитного момента у электрона (С. Гаудсмит, Дж. Уленбек, 1925) и др. частиц и ядер атомов, повлекшее за собой установление Паули принципа (1925) и, в свою очередь, истолкование сверхтонкой структуры (См. Сверхтонкая структура) спектров (Паули, 1928). Т. о., построение двух из наиболее фундаментальных теорий современной физики — квантовой механики и специальной теории относительности — было стимулировано в первую очередь проблемами, возникшими при развитии О., и основывалось на наблюдении и анализе оптических явлений.

Примером успехов новой О. является Оптическая ориентация (ориентация магнитных моментов) атомов фотонами, отдающими им свой спин при поглощении, (А. Кастлер, 1953). Наиболее важное событие современной О. — экспериментальное обнаружение и создание методов генерации вынужденного излучения (См. Вынужденное излучение) атомов и молекул, предсказанного Эйнштейном в 1916 (см. также Излучение). Вынужденно испущенный фотон дублирует фотон, вызвавший переход, и, если имеется запас возбуждённых систем, превышающий число поглощающих (т. н. активная среда с инверсией населённостей (См. Инверсия населённостей) энергетических состояний атомов или молекул), этот процесс может многократно повторяться, т. е. происходит усиление исходного светового потока (оптического сигнала). Добавление к такому квантовому усилителю (См. Квантовый усилитель) оптической обратной связи (См. Обратная связь) (например, путём возвращения части излучения с помощью системы зеркал) превращает его в оптический квантовый генератор (лазер). Первые квантовые генераторы (в сантиметровом диапазоне длин волн — мазеры) были созданы А. М. Прохоровым,Н. Г. Басовым и Ч. Таунсом в 1954. В 1960 был построен первый лазер на рубине, вскоре в том же году — первый газоразрядный лазер на смеси гелия и неона, а в 1962 — полупроводниковые лазеры. Важность этих основополагающих работ была немедленно оценена и за ними последовали многочисленные исследования свойств вынужденного излучения и возможностей его генерации. Было установлено, что, используя различные методы получения инверсной населённости, можно строить лазеры на твёрдых, жидких, газообразных и плазменных средах. Их появление стимулировало развитие таких традиционных областей О., как спектроскопия, люминесценция, фотохимия, привело к возникновению совершенно новых научных и технических направлений (нелинейная и параметрическая О., силовая О., оптическая обработка материалов) и к модификации уже развивавшихся направлений (например, оптической связи и оптической локации), сделало возможным практическую реализацию и широкое применение ранее высказанных идей (голография), позволило распространить методы О. на решение задач, не свойственных ей раньше (например, проблема управляемого термоядерного синтеза (См. Управляемый термоядерный синтез)), и тем самым подтвердило динамичность О., свойственную наукам, находящимся на переднем крае знаний.

Лит.: Ландсберг Г. С., Оптика. 4 изд., М., 1957 (Общий курс физики, т. 3); Борн М., Вольф Э., Основы оптики, пер. с англ., 2 изд., М., 1973; Тудоровский А. И., Теория оптических приборов, 2 изд., ч. 1—2, М. — Л., 1948—52: Герцбергер М., Современная геометрическая оптика, пер. с англ., М., 1962; Квазиоптика, пер. с англ., под ред. Б. Каценеленбаума и В. Шевченко, М., 1966; Сороко Л. М., Основы голографии и когерентной оптики, М., 1971; Бломберген Н., Нелинейная оптика, пер. с англ., М., 1966; Действие излучения большой мощности на металлы, под ред. А. М. Бонч-Бруевича и М. А. Ельяшевича, М., 1970; Гарбуни М., Физика оптических явлений, пер. с англ., М., 1967; Ахманов С. А., Хохлов Р. В., Проблемы нелинейной оптики, М., 1964; Вавилов С. И., Экспериментальные основания теории относительности, М. — Л., 1928; Ньютон И., Оптика..., 2 изд., М., 1954; Калверт Дж., Питтс Дж., Фотохимия, пер. с англ., М., 1968; Ельяшевич М. А., Атомная и молекулярная спектроскопия, М., 1962; 3оммерфельд А., Оптика, пер. с нем., М., 1953; Лорентц Г. А., Теория электронов и ее применение к явлениям света и теплового излучения, пер. с англ., М., 1953; Клаудер Дж., Сударшан Э., Основы квантовой оптики, пер. с англ., М., 1970; Вавилов С. И., Микроструктура света, М., 1950.

А. М. Бонч-Бруевич.

1. о́птика;
2. о́птики;
3. о́птики;
4. о́птик;
5. о́птике;
6. о́птикам;
7. о́птику;
8. о́птики;
9. о́птикой;
10. о́птикою;
11. о́птиками;
12. о́птике;
13. о́птиках.

жен. часть физики, наука о свете, о явлениях его и законах зрения; она делится на: диоптрику, науку о проницании светом тел прозрачных, о зрительных стеклах, и катоптрику, об отражении лучей света, о зеркалах. Оптик муж. ученый исследователь оптики, физик;

| мастер и продавец оптичных или оптических снарядов. Оптический обман глаза, зрения, ошибка в суждении по видимости.

О́ПТИКА, -и, жен.

1. Раздел физики, изучающий процессы излучения света, его распространения и взаимодействия с веществом.

2. собир. Приборы и инструменты, действие к-рых основано на законах этой науки.

• Волоконная оптика (спец.) раздел оптики, изучающий передачу света и изображения по световодам, а также (собир.) приборы и инструменты, посредством к-рых осуществляется такая передача.

| прил. оптический, -ая, -ое.

-и, ж.

1.

Раздел физики, изучающий свойства света и его взаимодействия с веществом.

2. собир.

Приборы и инструменты, действие которых основано на законах отражения и преломления света.

[греч. ’οπτική]

О́ПТИКА, оптики, мн. нет, жен. (греч. optiko).

1. Отдел физики, наука, изучающая явления и свойства света. Теоретическая оптика. Прикладная оптика.

2. собир. Приборы и инструменты, действие которых основано на законах этой науки (спец.).

ж.

1.

Раздел физики, изучающий явления и свойства света.

2.

Приборы и инструменты, действие которых основано на законах этой науки.

ОПТИКА (от греч. optike - наука о зрительных восприятиях) - раздел физики, в котором исследуются процессы излучения света, его распространение в различных средах и взаимодействие света c веществом. Оптика изучает широкую область спектра электромагнитных волн, примыкающую к видимому свету: ультрафиолетовую область (включая мягкие рентгеновские лучи) и инфракрасную, вплоть до миллиметровых радиоволн. Отличие оптики от других разделов физики, связанных с электромагнитным излучением, состоит не столько в длинах волн, сколько в совокупности специфических, выработанных исторически и широко применяемых методов и понятий. Внутри оптики выделяют геометрическую оптику, физиологическую оптику, физическую оптику, нелинейную оптику и др.

ОПТИКА, раздел физики, в котором исследуются процессы излучения света, распространения его в различных средах и взаимодействия его с веществом. Оптика изучает видимую часть спектра электромагнитных волн и примыкающие к ней ультрафиолетовую (включая мягкий рентген) и инфракрасную (вплоть до миллиметровых радиоволн) области. Оптика - древнейшая наука: прямолинейность распространения света была известна ещё в Месопотамии и Древнем Египте и использовалась при строительных работах. Изучением возникновения изображений от зеркал занимались Аристотель, Платон, Евклид (3 в. до нашей эры). Законы преломления и отражения света (геометрическая оптика) были открыты в средние века (Снелль, Декарт, Галилей). Волновые свойства света исследовались Х. Гюйгенсом, О. Френелем, И. Ньютоном, Т. Юнгом. Электромагнитная теория света, разработанная Дж. Максвеллом, стала отправным пунктом при создании А. Эйнштейном относительности теории. Работы М. Планка и Эйнштейна по тепловому излучению заложили основы квантовой оптики. Создание оптических генераторов вынужденного излучения - лазеров - привело к развитию нелинейной оптики.

о́птика Вероятно, через стар. нов.-в.-н. Optika (засвидетельствовано с XVII в.; см. Шульц–Баслер 2, 257) из лат. орtiса (ars) от греч. ὀπτικη (τε?νη) или через нов.-в.-н. Optik, с присоединением -а по аналогии нау́ка.

жен.
1) (раздел физики) optics
2) коллект. (приборы и т.п.) optical instruments and devicesж.
1. (раздел физики) optics;

2. собир. (приборы и т. п.) optical apparatus.

(1. наука 2. оптические приборы) optics

f.optics

оптика ж Optik f; Augenoptiker m 1d (название магазина оптики)

ж

Optik f; Augenoptiker m(название магазина оптики)

ж.

optique f

ж.

óptica f

ж.

1)физ. ottica

2)собир. attrezzi / strumenti ottici

волоконная оптика спец. — ottica a fibre

ОПТИКА

(греч. optike — наука о зрительных восприятиях, от optos — видимый, зримый), раздел физики, в к-ром изучаются оптическое излучение (свет), процессы его распространения и явления, наблюдаемые при вз-ствии света и в-ва. Оптич. излучение представляет собой эл.-магн. волны, и поэтому О.— часть общего учения об электромагнитном поле (электродинамики). Оптич. диапазон длин волн охватывает ок. 20 октав и ограничен с одной стороны рентгеновскими лучами, а с другой — микроволновым диапазоном радиоизлучения. Такое разграничение условно и в значит. степени определяется общностью техн. средств и методов исследования явлений в указанном диапазоне. По традиции О. принято подразделять на геометрическую, физическую и физиологическую.

Геометрическая оптика, не рассматривая вопроса о природе света, исходит из эмпирич. законов его распространения и использует представление о распространяющихся независимо друг от друга световых лучах, преломляющихся и отражающихся на границах сред с разными оптич. св-вами и прямолинейных в оптически однородной среде.

Методы геом. О. позволяют изучить условия формирования оптич. изображений объекта как совокупности изображений отд. его точек и объяснить мн. явления (миражи, радуги), связанные с прохождением оптич. излучения в различных, в т. ч. оптически неоднородных, средах (см., напр., (см. РЕФРАКЦИЯ СВЕТА)). Наибольшее значение геом. О. (с частичным привлечением волн. О.) имеет для расчёта и конструирования оптич. приборов — от очковых линз до сложных объективов и огромных астр. инструментов. Благодаря развитию и применению вычислит. математики, методы таких расчётов достигли высокого совершенства и сформировалось отд. направление, получившее назв. вычислительной оптики.

По существу, не рассматривает физ. природу света и фотометрия. Ряд задач фотометрии решается с учётом закономерностей восприятия света человеческим глазом. Изучением этих закономерностей занимается физиологическая О., смыкающаяся с биофизикой и психологией и исследующая механизмы зрения.

Физическая оптика рассматривает проблемы, связанные с природой света и световых явлений. Утверждение, что свет есть поперечные эл.-магн. волны, основано на результатах огромного числа эксперим. исследований дифракции света, интерференции света, поляризации света и распространения света в анизотропных средах (см. КРИСТАЛЛООПТИКА, ОПТИЧЕСКАЯ АНИЗОТРОПИЯ). Совокупность явлений, в к-рых проявляется волн. природа света, изучается в крупном разделе физ. О,— волновой оптике. Её матем. основанием служат общие ур-ния классич. электродинамики — Максвелла уравнения. Св-ва среды при этом характеризуются макроскопич. матер. константами — значениями диэлектрической проницаемости 8 и магнитной проницаемости m, входящими в ур-ния Максвелла в виде коэффициентов. Эти величины однозначно определяют показатель преломления n среды: n=?em.

Феноменологическая волн. О., не рассматривая связь величин e и m (обычно известных из опыта) со структурой в-ва, позволяет объяснить все эмпирич. законы геом. О. и установить границы её применимости. В отличие от геометрической волновая О. даёт возможность рассматривать процессы распространения света не только тогда, когда размеры формирующих или рассеивающих световые пучки систем много больше длины волны X, но и при любом соотношении между ними. Во многих случаях решение конкретных задач методами волн. О. оказывается чрезвычайно сложным. Поэтому получила развитие квазиоптика, в к-рой процессы распространения, преломления и отражения описываются в рамках геом. оптики, но при этом учитывается и волн. природа из лучения. Геом. и волн. подходы формально объединяются в геом. теории дифракции, в к-рой, кроме падающих, отражённых и преломлённых лучей, постулируется существование разл. типа дифрагированных лучей.

Огромную роль в развитии волн. О. сыграло установление связи величин e и m с мол. и крист. структурой в-ва (см. КРИСТАЛЛООПТИКА, МЕТАЛЛООПТИКА). Это позволило объяснить все явления, сопровождающие распространение света в рассеивающих и анизотропных средах и вблизи границ разделов сред с разными оптич. хар-ками, а также зависимость от l, (дисперсию) оптич. св-в сред, влияние на световые явления давления, темп-ры, звука, электрич. и магн. полей и др.

В классической волн. О. параметры среды считаются не зависящими от интенсивности света; соответственно оптич. процессы описываются линейными дифф. ур-ниями. Однако во мн. случаях, особенно при больших интенсивностях световых потоков, это предположение несправедливо и показатель преломления оказывается зависящим от напряжённости электрич. поля световой волны (нелинейная поляризуемость в-ва). Это приводит к изменению угла преломления светового пучка на границе двух сред при изменении его интенсивности, к сжатию и расширению световых пучков (самофокусировка света и его самодефокусировка), к изменению спектр. состава света, проходящего через нелинейную среду (генерация оптических гармоник), к вз-ствию световых пучков и появлению в излучении т. н. комбинационных частот, а в среде — выделенных направлений преимущественного вз-ствия световых волн (параметрич. явления, (см. ПАРАМЕТРИЧЕСКИЙ ГЕНЕРАТОР СВЕТА)) и т. Д. Эти явления рассматриваются нелинейной оптикой, получившей особенно большое развитие в связи с созданием лазеров.

Хорошо описывая распространение света в матер. средах, волн. О. не смогла удовлетворительно объяснить процессы его испускания и поглощения. Исследование этих процессов (фотоэффекта, фотохим. превращений молекул, спектров оптических и пр.) и общие термодинамич. соображения о вз-ствии эл.-магн. поля с в-вом привели к выводу, что элем. система (атом, молекула) может испускать или поглощать энергию лишь дискр. порциями (квантами), пропорциональными частоте излучения v. Поэтому световому эл.-магн. полю необходимо сопоставить поток квантов света — фотонов. В простейшем случае энергия, теряемая или приобретаемая изолированной квант. системой в элем. акте вз-ствия с оптич. излучением, равна энергии фотона, а в более сложном — сумме или разности энергий неск. фотонов (см. МНОГОФОТОННЫЕ ПРОЦЕССЫ). Явления, в к-рых при вз-ствии света и в-ва проявляются квант. св-ва элем. систем, изучаются в квантовой оптике методами, развитыми в квантовой механике и квантовой электродинамике.

Двойственность природы света (наличие у него одновременно характерных черт, присущих и волнам и ч-цам) явл. частным проявлением корпускулярно-волнового дуализма. Исторически концепция корпускулярно-волн. дуализма, впервые сформулированная именно для оптического излучения, окончательно утвердилась после обнаружения волновых свойств у материальных частиц (см. ДИФРАКЦИЯ МИКРОЧАСТИЦ) и лишь затем экспериментально подтвердилась для радиоизлучения (квантовая электроника). Открытие квантовых явлений в радиодиапазоне во многом стёрло резкую границу между радиофизикой и О. Сначала в радиофизике, а затем в физ. О. сформировалось новое направление, связанное с генерированием вынужденного излучения и созданием квантовых усилителей и квантовых генераторов излучения (мазеров и лазеров). В отличие от неупорядоченного светового поля обычных (тепловых и люминесцентных) источников, излучение лазеров характеризуется временной и пространственной упорядоченностью (когерентностью), высокой монохроматичностью (Dv/v=10-14, (см. МОНОХРОМАТИЧЕСКОЕ ИЗЛУЧЕНИЕ)) и предельно малой (вплоть до дифракционной) расходимостью пучка. Последнее позволяет при фокусировке получать не достижимые ни для каких других источников плотности излучения (=1018 Вт-см-2
• ср-1). Появление лазеров стимулировало пересмотр и развитие традиционных и возникновение новых направлений физ. О. Большую роль стали играть исследования статистики излучения (статистическая оптика), сформировалась как самостоят. раздел нелинейная оптика, получили развитие методы создания узконаправленных когерентных пучков света и управления ими (когерентная О.) и т. д. Особую важность приобрело изучение круга явлений, связанных с воздействием интенсивных световых потоков на в-во. Развитие лазерной техники привело к новому подходу при создании оптич. элементов и систем и, в частности, потребовало разработки новых оптич. материалов, пропускающих без их повреждений интенсивные световые потоки (силовая оптика).

Все разделы оптики имеют многочисл. практич. применения. Задачи рационального освещения улиц, помещений, рабочих мест на производстве, зрелищ, историч. и архитектурных памятников и пр. решаются светотехникой на основе геом. О. и фотометрии, учитывающей законы физиол. О. Геом. О. решает задачи получения в разл. условиях стигматических изображений, соответствующих объектам как по геом. форме, так и по распределению яркости, а также исследует причины искажений изображения и их уровень в реальных оптич. системах (см. АБЕРРАЦИИ ОПТИЧЕСКИХ СИСТЕМ). Геом. О. с привлечением физ. О. устанавливает разрешающую способность приборов и систем, учитывает зависимость показателя преломления от l (дисперсию света) и т. д.

Новые возможности получения оптич. образов без применения фокусирующих систем даёт голография, основанная на однозначной связи формы тела с пространств. распределением амплитуд и фаз распространяющихся от него (рассеянных им) световых волн. Для регистрации поля с учётом распределения фаз волн в голографии используют монохроматич. излучение. В месте регистрации изображения на рассеянное телом излучение накладывают дополнительное когерентное поле и фиксируют (напр., на фоточувствит. слое) возникающую при этом интерференц. картину. При рассматривании полученной т. о. плоской голограммы в когерентном (монохроматическом) свете или объёмной голограммы в белом свете получается объёмное изображение предмета. Развитие голографии связано с появлением лазеров, позволяющих получать интенсивные когерентные световые поля. Она находит применение при решении мн. научных и техн. проблем (изучение св-в плазмы, исследование сдвигов и напряжений в телах и т. д.).

Оптич. явления и методы применяются для аналитич. целей и контроля в разл. областях науки и техники. Особенно большое значение имеют методы спектрального анализа и люминесцентного анализа, основанные на связи структуры атомов и молекул с хар-ром их спектров испускания и поглощения, а также спектров комбинационного рассеяния света. По виду спектров можно установить мол. и ат. состав, агрегатное состояние, темп-ру в-ва, исследовать кинетику протекающих в нём физических и химических процессов. Применение в спектроскопии лазеров обусловило бурное развитие нового её направления — лазерной спектроскопии.

Интерферометры применяются для измерений длин волн и изучения спектров, определения показателей преломления прозрачных сред, абс. и относит. измерений длин, измерений угл. размеров звезд и др. косм. объектов. В пром-сти интерферометры используют для контроля качества и формы поверхностей, регистрации небольших смещений, обнаружения по малым изменениям показателей преломления непостоянства темп-ры, давления или состава в-ва и т. д. Созданы лазерные интерферометры с уникальными хар-ками, расширившие возможности интерференц. методов за счёт большой мощности и высокой монохроматичности излучения лазеров.

Явление поляризации света лежит в основе ряда методов исследования структуры в-ва с помощью многочисл. поляризационных приборов. По изменению степени поляризации (деполяризации) света при рассеянии и люминесценции можно судить о тепловых и структурных флуктуациях в в-ве, флуктуациях концентрации р-ров, о внутри- и межмолекулярной передаче энергии, структуре и расположении излучающих центров и т. д. Применяется поляризационно-оптический метод исследования напряжений, возникающих в тв. телах (напр., при механич. нагрузках), по изменению поляризации прошедшего через тело света, а также метод исследования св-в поверхности тел по измерению поляризации при отражении света (эллипсометрия). В кристаллооптике поляризац. методы используются для изучения структуры кристаллов, в хим. пром-сти — как контрольные методы при производстве оптически активных веществ (см. САХАРИМЕТРИЯ), в оптич. приборостроении — для повышения точности отсчётов приборов (напр., фотометров).

Широкое распространение получили высокочувствительные спектральные приборы с дифракционной решёткой в кач-ве диспергирующего элемента (монохроматоры, спектрографы, спектрофотометры и др.), использующие явление дифракции света. Дифракция света на ультразвуке в прозрачных средах позволяет определить упругие константы в-ва, а также создать акустооптич. модуляторы света (см. МОДУЛЯЦИЯ СВЕТА).

Оптич. методы, основанные на анализе рассеяния света (особенно мутными средами), имеют большое значение для мол. физики и её приложений. Так, нефелометрия даёт возможность получать данные о межмолекулярном взаимодействии в р-рах, определять размеры и мол. массу макромолекул полимеров, а также ч-ц в коллоидных системах, взвесях и аэрозолях. Ценные сведения о структуре уровней энергии молекул и св-вах в-ва даёт изучение комбинационного рассеяния света, Мандельштама — Бриллюэна рассеяния и вынужденного рассеяния света, открытого благодаря использованию лазеров.

Очень широка сфера практич. применения приборов, основанных на квант. оптич. явлениях,— фотоэлементов и фотоэлектронных умножителей, фотосопротивлений, фотодиодов, электронно-оптических преобразователей и др. усилителей яркости изображения, передающих и приёмных телевиз. трубок и т. д. Фотоэлементы используются не только для регистрации излучения, но и как устройства, преобразующие лучистую энергию Солнца в электрич. энергию (т. н. солнечные батареи). Фотохим. процессы лежат в основе фотографии. На основе изучения изменений оптич. св-в в-в под действием света (фотохромизм) разрабатываются новые системы записи и хранения информации для нужд вычислит. техники и созданы защитные светофильтры, автоматически усиливающие поглощение света при возрастании его интенсивности. Получение мощных потоков монохроматического лазерного излучения с разными длинами волн открыло пути к разработке методов лазерного разделения изотопов и стимулирования направленного протекания хим. реакций, позволило О. найти новые, нетрадиционные применения в биофизике (воздействие лазерных световых потоков на биол. объекты на мол. уровне) и медицине. Благодаря возможности с помощью лазеров концентрировать на площадках с линейными размерами =10 мкм большие мощности излучения, интенсивно развивается оптич. метод получения высокотемпературной плазмы с целью осуществления управляемого термоядерного синтеза.

Успехи О. стимулировали развитие оптоэлектроники. Первоначально её задачи сводились к простой замене электронных элементов в счётно-решающих и др. устройствах оптическими. Затем (70-е гг. 20 в.) стали разрабатываться принципиально новые подходы к решению задач вычислит. техники и обработки информации, исходящие из методов голографии, и предлагаться новые техн. решения, основанные на применении микрооптич. устройств (интегральная оптика). С появлением лазеров новое развитие получили оптич. дальнометрия (см. СВЕТОДАЛЬНОМЕР), оптическая локация и оптическая связь. В них используются элементы и устройства, принципы действия к-рых основаны на изменении хар-ра поляризации света при его прохождении через электро- или магнитоактивные среды (см. МАГНИТООПТИКА, КЕРРА ЭФФЕКТ, ПОККЕЛЬСА ЭФФЕКТ, ФАРАДЕЯ ЭФФЕКТ, ЭЛЕКТРООПТИКА). Методами оптич. локации было уточнено расстояние до Луны, ведётся слежение за ИСЗ; по линиям лазерной оптич. связи осуществляются телефонные переговоры и передаются изображения. Создание световодов с малым затуханием повлекло за собой разработки систем кабельной оптич. видеосвязи.

Исторический очерк. О.— одна из древнейших наук, тесно связанная с потребностями практики на протяжении всего своего развития. Прямолинейность распространения света была известна народам Месопотамии за 5 тыс. лет до н. э., и это св-во использовалось в Древнем Египте при строит. работах. Пифагор (в 6 в. до н. э.) высказал близкую к современной точку зрения, что тела становятся видимыми благодаря испускаемым ими ч-цам. Аристотель (4 в. до н. э.) полагал, что свет есть возбуждение среды, находящейся между объектом и глазом. Он занимался атмосферной О. и считал причиной появления радуг отражение света каплями воды. В том же веке в школе Платона были сформулированы два важнейших закона геом. О.— прямолинейность лучей света и равенство углов их падения и отражения. Евклид (3 в. до н. э.) в трактатах по О. рассматривал возникновение изображений при отражении от зеркал. Гл. вклад греков, явившийся первым шагом в развитии О. как науки, состоит не в их гипотезах о природе света, а в том, что они нашли законы его прямолинейного распространения и отражения (катоптрика) и умели ими пользоваться.

Следующий важный шаг развития О. состоял в понимании законов преломления света (диоптрика) и был сделан лишь много веков спустя. В ср. века хорошо были известны эмпирич. правила построения изображений, даваемых линзами, и начало развиваться искусство изготовления линз. В 13 в. появились очки. По нек-рым данным, ок. 1590 3. Янсен (Нидерланды) построил первый двухлинзовый микроскоп. Первые же наблюдения с помощью телескопа, построенного итал. учёным Галилеем в 1609, принесли ряд замечательных астр. открытий. Однако точные законы преломления света были эксперим. установлены лишь ок. 1620 голл. учёным В. Снеллем (см. СНЕЛЛЯ ЗАКОН ПРЕЛОМЛЕНИЯ) и франц. учёным Р. Декартом, изложившим их в «Диоптрике» (1637).

Этим (и последующей формулировкой Ферма принципа) был завершён фундамент построения геом. О.

Дальнейшее развитие О. связано с открытиями дифракции света (итал. учёный Ф. Гримальди; опубликовано в 1665), интерференции света, а также двойного лучепреломления (дат. учёный Э. Бартолин, 1669), не поддающихся истолкованию в рамках геом. О., и с работами англ. учёных И. Ньютона, Р. Гука и голл. учёного X. Гюйгенса. Ньютон обращал большое внимание на периодичность световых явлений и допускал возможность волновой их интерпретации, но отдавал предпочтение корпускулярной концепции света, считая его потоком ч-ц, действующих на эфир (этот термин для обозначения наделённой механич. св-вами среды — переносчика света ввёл Декарт) и вызывающих в нём колебания. Движением световых ч-ц через эфир переменной (вследствие колебаний) плотности и их вз-ствием с матер. телами, по Ньютону, обусловлены преломление и отражение света, цвета тонких плёнок, дифракция света и его дисперсия (Ньютоном же подробно изученная). Ньютон не считал возможным рассматривать свет как колебания самого эфира, т. к. в то время на этом пути не удавалось удовлетворительно объяснить прямолинейность световых лучей и поляризацию света (впервые осознанную именно Ньютоном и следовавшую из классич. опытов Гюйгенса по двойному лучепреломлению). Согласно Ньютону, поляризация — «изначальное» св-во света, объясняемое определ. ориентацией световых ч-ц по отношению к образуемому ими лучу.

Гюйгенс, следуя идеям Леонардо да Винчи и развивая работы Гримальди и Гука, исходил из аналогии между мн. акустич. и оптич. явлениями. Он полагал, что световое возбуждение есть импульсы упругих колебаний эфира, распространяющиеся с большой, но конечной скоростью (нем. астроном И. Кеплер и Декарт считали скорость света бесконечной, Ньютон и Гук — конечной; первое её эксперим. определение произвёл в 1676 дат. астроном О. Рёмер). Наибольшим вкладом Гюйгенса в О. явя. установление им принципа, согласно к-рому каждая точка фронта волн. возбуждения может рассматриваться как источник вторичных (сферических) волн (Гюйгенса — Френеля принцип); их огибающая представляет собой фронт реальной распространяющейся волны в последующие моменты времени. Опираясь на этот принцип, Гюйгенс дал волн. истолкование законов отражения и преломления, причём из его теории следовало правильное выражение для показателя преломления: n21=v1/v2 (где v1 и v2 — скорость света в 1-й и 2-й средах). Гюйгенс объяснил также двойное лучепреломление. Однако, сформулировав фундам. принцип волн. О., Гюйгенс не разработал последовательную волн. теорию света, к-рая могла бы противостоять воззрениям Ньютона, поэтому корпускулярная «теория истечения» сохраняла господствующее положение в О. до нач. 19 в. Победа волн. О. связана с работами англ. учёного Т. Юнга и франц. учёного О. Френеля. В 1801 Юнг сформулировал принцип интерференции, позволивший ему объяснить цвета тонких плёнок (см. ПОЛОСЫ РАВНОЙ ТОЛЩИНЫ) и послуживший основой для понимания всех интерференц. явлений. Френель, используя принцип Гюйгенса, дал удовлетворительное волн. объяснение прямолинейности распространения света и объяснил многочисл. дифракц. явления. В опытах Френеля и франц. учёного Д. Ф. Араго было установлено, что волны, поляризованные перпендикулярно друг другу, не интерферируют; это дало основания Юнгу и независимо от него Френелю высказать существенно важную идею о поперечности световых колебаний, исходя из к-рой Френель построил теорию кристаллооптич. явлений. Т. о., все известные к тому времени оптич. явления получили волн. интерпретацию. Вместе с тем детальная разработка представлений о свете, как поперечных упругих колебаниях эфира, приводила к необходимости искусственных теор. построений (так, эфир приходилось наделять св-вами тв. состояния и в то же время допускать, что в нём могут свободно перемещаться тела). Эти трудности были разрешены лишь при последоват. развитии учения англ. физиком Дж. К. Максвеллом об эл.-магн. поле. Основываясь на открытии англ. физика М. Фарадея, Максвелл пришёл к выводу, что свет есть эл.-магн., а не упругие волны.

Первым указанием на непосредств. связь электромагнетизма с О. было открытие Фарадеем (1848) вращения плоскости поляризации света в магн. поле (Фарадея эффект). Далее было установлено, что отношение эл.-магн. и электростатич. единиц силы тока по абс. величине и размерности совпадает со скоростью света с (нем. физики В. Вебер и Ф. Кольрауш, 1856). Максвелл теоретически показал, а нем. физик Г. Герц в 1888 подтвердил экспериментально, что изменения эл.-магн. поля распространяются в вакууме именно с этой скоростью. В прозрачной среде скорость света v=c/n=?(e/m), т. е. определяется диэлектрич. и магн. проницаемостями среды. Открытие в 1862 франц. физиком Ф. Леру существования в узких участках спектра аномальной дисперсии (показатель преломления n увеличивался с ростом длины волны l), к-рая, как показал впоследствии нем. физик А. Кундт, свойственна очень мн. в-вам и связана с поглощением ими света, привело к представлению о в-ве как совокупности осцилляторов, с к-рыми взаимодействует свет (нем. физик В. Зельмейер, 1872). В 90-х гг. 19 в. нем. физики П. Друде, Г. Гельмгольц и в особенности голл. физик X. Лоренц при создании электронной теории строения в-ва объединили идею об осцилляторах и эл.-магн. теорию света. Плодотворное представление об эл-нах как об осцилляторах, к-рые входят в состав атомов и молекул и способны совершать в них колебания, позволило описать мн. оптич. явления, в т. ч. нормальную и аномальную дисперсии, т. к. в электронной теории значение e зависит от частоты (длины волны) внеш. поля. Наиболее точные опыты по аномальной дисперсии (Д. С. Рождественский, 1912) дали результаты, хорошо согласующиеся с предсказаниями электронной теории. Блестящим подтверждением представлений о том, что излучение и поглощение света определяются поведением эл-нов в атомах, явилось открытие в 1896 голл. физиком П. Зееманом и истолкование в 1897 Лоренцем действия магн. поля на частоты излучения и поглощения атомов (Зеемана эффект). В полном согласии с теорией Максвелла оказалась и величина светового давления, мысль о к-ром впервые высказал в 1619 Кеплер для объяснения отклонения хвостов комет в сторону от Солнца. В земных условиях давление света было впервые продемонстрировано и измерено П. Н. Лебедевым в 1899. Построение эл.-магн. теории света и дополнение её электронной теорией вз-ствия света и в-ва явилось крупнейшим этапом в развитии О.

Эл.-магн. теория света стала отправным пунктом при создании относительности теории. Эксперим. основаниями для этого были данные оптич. опытов с движущимися средами и движением наблюдателя относительно источника излучения, противоречившие теор. представлениям. Юнг в 1804 показал, что волн. теория требует для объяснения явления аберрации света неподвижного, не увлекаемого Землёй эфира. Напротив, Френель в 1818 нашёл, что для независимости показателя преломления тел от их движения (наблюдения Араго, 1810) необходимо, чтобы тела частично увлекали эфир. Этот вывод был подкреплён Физо опытом (см. СКОРОСТЬ СВЕТА). Электродинамика движущихся сред, развитая Лоренцем (1896) в рамках электронной теории, также приводила к частичному увлечению эфира. Однако классич. Майкельсона опыт, впервые выполненный в 1881 и неоднократно повторяющийся со всё большей точностью, не обнаружил такого увлечения («эфирного ветра»). Этот и ряд др. опытов, противоречивших представлениям о среде — переносчике эл.-магн. колебаний, нашли объяснение в созданной А. Эйнштейном специальной (частной) теории относительности (1905), приведшей к кардинальному пересмотру мн. положений классич. физики, в частности окончательно устранившей необходимость в эфире и др. гипотетич. средах-переносчиках.

Плодотворность классич. электродинамич. теории света Максвелла — Лоренца неоднократно подтверждалась и в дальнейшем, напр. в истолковании И. Е. Таммом и И. М. Франком (1937) природы Черенкоеа — Вавилова излучения, в выдвижении Д. Га-бором (1947) идеи голографии (с записью волн. поля в одной плоскости), в разработке метода голографии с записью в трёхмерной среде, начало к-рому положили работы Ю. Н. Денисюка (1962), и т. д.

Несмотря на успехи электродинамич. теории, выяснилось, что она явно недостаточна для описания процессов поглощения и испускания света. Особенно отчётливо это проявилось в парадоксальности выводов теории (противоречащих закону сохранения энергии) из анализа распределения по длинам волн равновесного теплового излучения (излучения абсолютно чёрного тела). Рассматривая эту принципиальную проблему, нем. физик М. Планк пришёл к заключению (1900), что элементарная колебат. система (атом, молекула) отдаёт волн энергию эл.-магн. полю или получает её от него не непрерывно, а порциями, пропорциональными частоте колебаний, квантами. Развитие идеи Планка, противоречащей классич. представлениям, не только дало удовлетворит. решение проблемы теплового излучения, но и заложило основы всей совр. квант. физики. Работы Планка и Эйнштейна (1905), к-рый приписал квантам света — фотонам, кроме энергии, также импульс и массу, вернули О. мн. черты корпускулярных представлений.

Интенсивность эл.-магн. поля в квант. О. определяет вероятность обнаружения фотона, а структура поля отражает квант. структуру ансамбля элем. излучателей (атомов, молекул) и распределение актов излучения во времени. Т. о., при сохранении физ. смысла поля фотоны, возникающие в актах испускания света и существующие только при движении со скоростью света, приобрели черты матер, ч-ц. При поглощении фотона он перестаёт существовать, а поглотившая его система получает его энергию и импульс. Если, взаимодействуя с другой ч-цей, фотон не поглощается, то он изменяет свою энергию и импульс (сохраняя абс. величину скорости) в соответствии с законами соударения двух матер. тел. Фотонные представления позволили Эйнштейну объяснить осн. законы фотоэффекта, впервые исследованные А. Г. Столетовым в 1888—90, и дать ясную трактовку фотохим. превращений. Они дают наглядное истолкование существованию коротковолновой границы в тормозном излучении эл-нов (макс. энергия фотона равна энергии эл-на), Комптона эффекту (открытому в 1923), стоксовскому сдвигу частоты излучения фотолюминесценции по отношению к частоте возбуждающего света, комбинационному рассеянию света (открытому в 1928 Л. И. Мандельштамом и Г. С. Ландсбергом и независимо от них инд. физиком Ч. В. Раманом) и огромному числу др. явлений вз-ствия света с в-вом, известных ко времени формирования квант. теории и открытых в последующие годы. Поэтому переход к квант. представлениям был следующим существ. шагом в О., к-рую в её дальнейшем развитии нельзя рассматривать изолированно от квант. физики вообще.

В совр. О. квант. представления не противополагаются волновым, а сочетаются на идейной основе квантовой механики и квантовой электродинамики, развитых в трудах Н. Бора (Дания), М. Борна и В. Гейзенберга (Германия), В. Паули (Швейцария), Э. Шредингера (Австрия), англ. физика П. Дирака, Э. Ферми (США), Л. Д. Ландау, В. А. Фока и др. Квант. теория позволила дать интерпретацию спектрам атомов, молекул и ионов, объяснить воздействие электрич., магн. и акустич. полей на спектры, установить зависимость хар-ра спектра от условий возбуждения и т. д. Примером обратного влияния О. на развитие квант. теории может служить открытие собств. момента кол-ва движения — спина и связанного с ним собственного магн. момента у эл-на (С. А. Гаудсмит, США, Дж. Уленбек, Нидерланды, 1925) и др. ч-ц и ядер атомов, повлёкшее за собой установление Паули принципа (1926) и истолкование сверхтонкой структуры спектров (Паули, 1928).

Т. о., построение двух из наиболее фундам. теорий совр. физики — квант. механики и спец. теории относительности — основывалось на наблюдении и анализе оптич. явлений.

Наиболее важное событие совр. О.— эксперим. обнаружение и создание методов генерации вынужденного излучения атомов и молекул, предсказанного Эйнштейном в 1916. Вынужденно испущенный фотон дублирует фотон, вызвавший переход и, если имеется запас возбуждённых систем, превышающий число поглощающих (т. н. активная среда с инверсной населённостью энергетич. состояний атомов или молекул), этот процесс может многократно повторяться — происходит усиление исходного светового потока (оптич. сигнала). Добавление к такому квантовому усилителю оптической обратной связи (напр., путём возвращения части излучения с помощью системы зеркал) превращает его в оптический квант. генератор—лазер. Первые квант. генераторы (в сантиметровом диапазоне длин волн — мазеры) были созданы А. М. Прохоровым, Н. Г. Басовым и амер. физиком Ч. Таунсом в 1954—55. В 1961 был построен первый лазер на рубине, в следующем году — первый газовый лазер на смеси гелия и неона, а в 1963 — полупроводниковые лазеры. Важность этих основополагающих работ была немедленно оценена, и за ними последовали многочисл. исследования св-в вынужденного излучения и возможностей его генерации. Используя разл. методы получения инверсной населённости, строят лазеры на твёрдых, жидких, газообразных и плазменных средах. Их появление стимулировало развитие традиц. областей О. и привело к возникновению совершенно новых научных и техн. направлений (нелинейная и параметрическая О., силовая О., оптич. обработка материалов), позволило распространить методы О. на решение задач, немыслимых для неё раньше (напр., проблема управляемого термоядерного синтеза), и тем самым подтвердило динамичность О., свойственную наукам, находящимся на переднем крае знаний.

ОПТИКА, раздел физики, исследующий свет и его свойства. Основные аспекты включают физическую природу СВЕТА, охватывающую как волны, так и частицы (ФОТОНЫ), ОТРАЖЕНИЕ, РЕФРАКЦИЮ, ПОЛЯРИЗАЦИЮ света и его передачу через различные среды. Оптика занимается изучением МИРАЖЕЙ, линз и систем линз (включая хрусталик глаза и линзы оптических инструментов), а также оптически активных химических веществ и кристаллов, поляризующих свет. В более общем смысле оптика интересуется большей частью ЭЛЕКТРОМАГНИТНОГО СПЕКТРА, которая находится между короткими радиоволнами и МЯГКИМИ РЕНТГЕНОВСКИМИ ЛУЧАМИ и называется оптическим спектром.

раздел физики, в котором рассматриваются все явления, связанные со светом, включая инфракрасное и ультрафиолетовое излучение

(см. также ФОТОМЕТРИЯ;

ЭЛЕКТРОМАГНИТНОЕ ИЗЛУЧЕНИЕ).

ГЕОМЕТРИЧЕСКАЯ ОПТИКА

Геометрическая оптика основывается на представлении о прямолинейном распространении света. Главную роль в ней играет понятие светового луча. В волновой оптике световой луч совпадает с направлением нормали к волновому фронту, а в корпускулярной - с траекторией движения частицы. В случае точечного источника в однородной среде световые лучи представляют собой прямые линии, выходящие из источника во всех направлениях. На границах раздела однородных сред направление световых лучей может изменяться вследствие отражения или преломления, но в каждой из сред они остаются прямыми. Также в соответствии с опытом принимается, что при этом направление световых лучей не зависит от интенсивности света.

Отражение. Когда свет отражается от полированной плоской поверхности, угол падения (измеренный от нормали к поверхности) равен углу отражения (рис. 1), причем отраженный луч, нормаль и падающий луч лежат в одной плоскости. Если на плоское зеркало падает световой пучок, то при отражении форма пучка не изменяется; он лишь распространяется в другом направлении. Поэтому, глядя в зеркало, можно видеть изображение источника света (или освещенного предмета), причем изображение кажется таким же, как и исходный объект, но находящимся за зеркалом на расстоянии, равном расстоянию от объекта до зеркала. Прямая, проходящая через точечный объект и его изображение, перпендикулярна зеркалу.

Рис. 1. ОТРАЖЕНИЕ ОТ ПЛОСКОЙ ПОВЕРХНОСТИ.

Многократное отражение. Когда два зеркала обращены одно к другому, изображение, возникающее в одном из них, отражается в другом, и получается целый ряд изображений, число которых зависит от взаимного расположения зеркал. В случае двух параллельных зеркал, когда объект помещается между ними (рис. 2,а), получается бесконечная последовательность изображений, расположенных на прямой, перпендикулярной обоим зеркалам. Часть этой последовательности можно увидеть, если зеркала расположены друг от друга на достаточно большом расстоянии, чтобы можно было заглянуть со стороны. Если два плоских зеркала образуют прямой угол, то каждое из двух первичных изображений отражается во втором зеркале, но при этом вторичные изображения совпадают, так что в результате получится всего три изображения (рис. 2,б). При меньших углах между зеркалами можно получить большее число изображений; все они расположены на окружности, проходящей через объект, с центром в точке на линии пересечения зеркал. Изображения, которые дают плоские зеркала, всегда мнимые - они не формируются реальными световыми пучками и потому не могут быть получены на экране.

Рис. 2. МНОГОКРАТНОЕ ОТРАЖЕНИЕ. а - параллельные зеркала, бесконечная последовательность изображений; б - два зеркала под прямым углом друг к другу, три изображения.

Отражение от кривых поверхностей. Отражение от кривых поверхностей происходит по тем же законам, что и от прямых, причем нормаль в точке отражения проводится перпендикулярно касательной плоскости в этой точке. Простейший, но самый важный случай - отражение от сферических поверхностей. В этом случае нормали совпадают с радиусами. Здесь возможны два варианта: 1. Вогнутые зеркала: свет падает изнутри на поверхность сферы. Когда пучок параллельных лучей падает на вогнутое зеркало (рис. 3,а), отраженные лучи пересекаются в точке, расположенной на половине расстояния между зеркалом и центром его кривизны. Эта точка называется фокусом зеркала, а расстояние между зеркалом и этой точкой - фокусным расстоянием. Расстояние s от объекта до зеркала, расстояние sў от зеркала до изображения и фокусное расстояние f связаны формулой

Рис. 3. ОТРАЖЕНИЕ ПАРАЛЛЕЛЬНОГО ПУЧКА света от кривых поверхностей. а - вогнутое зеркало; б - выпуклое зеркало.

1/f = (1/s) + (1/s'),

где все величины следует считать положительными, если их измерять влево от зеркала, как на рис. 4,а. Когда объект находится на расстоянии, превышающем фокусное, формируется действительное изображение, но когда расстояние s меньше фокусного расстояния, расстояние до изображения sў становится отрицательным. При этом изображение формируется за зеркалом и является мнимым.

Рис. 4. ГРАФИЧЕСКИЙ МЕТОД построения изображения, создаваемого вогнутым зеркалом. а - расстояние от зеркала до объекта больше радиуса; б - расстояние до объекта меньше фокусного расстояния.

2. Выпуклые зеркала: свет падает извне на поверхность сферы. В этом случае после отражения от зеркала всегда получается расходящийся пучок лучей (рис. 3,б), а изображение, образующееся за зеркалом, всегда мнимое. Положение изображений можно определить, пользуясь той же формулой, взяв в ней фокусное расстояние со знаком "минус". На рис. 4,а показано вогнутое зеркало. Слева в виде вертикальной стрелки изображен объект высотой h. Радиус сферического зеркала равен R, а фокусное расстояние f = R/2. В этом примере расстояние s от зеркала до объекта больше R. Изображение можно построить графически, если из бесконечно большого числа световых лучей рассмотреть три, исходящие из вершины объекта. Луч, параллельный главной оптической оси, после отражения от зеркала пройдет через фокус. Второй луч, попадающий в центр зеркала, отразится таким образом, что падающий и отраженный лучи образуют одинаковые углы с главной осью. Пересечение этих отраженных лучей даст изображение верхней точки объекта, а полное изображение объекта можно получить, если из этой точки опустить перпендикуляр hў на главную оптическую ось. Для проверки можно проследить за ходом третьего луча, идущего через центр кривизны зеркала и отражающегося от него обратно по тому же самому пути. Как видно из рисунка, он тоже пройдет через точку пересечения первых двух отраженных лучей. Изображение в этом случае будет действительным (оно формируется настоящими световыми пучками), перевернутым и уменьшенным. То же самое зеркало представлено на рис. 4,б, но расстояние до объекта меньше фокусного. В этом случае после отражения лучи образуют расходящийся пучок, а их продолжения пересекаются в точке, которую можно рассматривать как источник, из которого выходит весь пучок. Изображение будет мнимым, увеличенным и прямым. Случаю, представленному на рис. 4,б, соответствует вогнутое зеркало для бритья, если объект (лицо) располагается в пределах фокусного расстояния.

Преломление. При прохождении света через границу раздела двух прозрачных сред, таких, как воздух и стекло, угол преломления (между лучом во второй среде и нормалью) меньше угла падения (между падающим лучом и той же нормалью), если свет проходит из воздуха в стекло (рис. 5), и больше угла падения, если свет проходит из стекла в воздух. Преломление подчиняется закону Снеллиуса, согласно которому падающий и преломленный лучи и нормаль, проведенная через точку пересечения светом границы сред, лежат в одной плоскости, а угол падения i и угол преломления r, отсчитываемые от нормали, связаны соотношением n = sini/sinr, где n - относительный показатель преломления сред, равный отношению скоростей света в этих двух средах (скорость света в стекле меньше, чем в воздухе).

Рис. 5. ПРЕЛОМЛЕНИЕ СВЕТА.

Если свет проходит через плоскопараллельную стеклянную пластинку, то, поскольку такое двукратное преломление симметрично, выходящий луч параллелен падающему. Если свет падает не по нормали к пластинке, то выходящий луч будет смещен относительно падающего на расстояние, зависящее от угла падения, толщины пластинки и показателя преломления. Если же пучок света проходит через призму (рис. 6), то направление выходящего пучка изменяется. Кроме того, показатель преломления стекла неодинаков для разных длин волн: для фиолетового света он больше, чем для красного. Поэтому, когда через призму проходит белый свет, его цветовые составляющие отклоняются в разной степени, разлагаясь в спектр. Менее всего отклоняется красный свет, за ним следуют оранжевый, желтый, зеленый, голубой, синий и, наконец, фиолетовый. Зависимость показателя преломления от длины волны излучения называется дисперсией. Дисперсия, как и показатель преломления, сильно зависит от свойств материала. Угловое отклонение D (рис. 6) минимально при симметричном ходе луча через призму, когда угол падения луча при входе в призму равен углу, под которым этот луч выходит из призмы. Такой угол называется углом минимального отклонения. Для призмы с преломляющим углом A (углом при вершине) и относительным показателем преломления n справедливо соотношение n = sin[[(A + D)/2]]sin(A/2), которым определяется угол минимального отклонения.

Рис. 6. РАЗЛОЖЕНИЕ СВЕТА ПРИЗМОЙ.

Критический угол. Когда луч света переходит из оптически более плотной среды, такой, как стекло, в менее плотную, такую, как воздух, угол преломления оказывается больше угла падения (рис. 7). При некотором значении угла падения, которое называется критическим, преломленный луч будет скользить вдоль границы раздела, все еще оставаясь во второй среде. Когда угол падения превысит критический, преломленного луча уже не будет, а свет полностью отразится назад в первую среду. Такое явление называется полным внутренним отражением. Поскольку при угле падения, равном критическому, угол преломления равен 90° (sinr = 1), критический угол C, при котором начинается полное внутреннее отражение, дается соотношением sinC = 1/n, где n - относительный показатель преломления.

Рис. 7. ПОЛНОЕ ВНУТРЕННЕЕ ОТРАЖЕНИЕ.

Линзы. При преломлении на кривых поверхностях тоже применим закон Снеллиуса, как и закон отражения. Опять-таки наиболее важное значение имеет случай преломления на сферической поверхности. Рассмотрим рис. 8,а. Прямая, проведенная через вершину сферического сегмента и центр кривизны, называется главной осью. Луч света, идущий вдоль главной оси, падает на стекло по нормали и потому проходит без изменения направления, но другие, параллельные ему лучи падают на поверхность под разными углами к нормали, увеличивающимися с удалением от главной оси. Поэтому и преломление будет больше для удаленных лучей, но все лучи такого параллельного пучка, идущего параллельно главной оси, пересекут ее в точке, называемой главным фокусом. Расстояние от этой точки до вершины поверхности называется фокусным расстоянием. Если пучок таких же параллельных лучей падает на вогнутую поверхность, то после преломления пучок становится расходящимся, а продолжения этих лучей пересекаются в точке, которая называется мнимым фокусом (рис. 8,б). Расстояние от этой точки до вершины тоже называется фокусным расстоянием, но ему приписывается знак "минус".

Рис. 8. ПРЕЛОМЛЕНИЕ НА КРИВЫХ ПОВЕРХНОСТЯХ. а - выпуклая поверхность; б - вогнутая поверхность.

Тело из стекла или другого оптического материала, ограниченное двумя поверхностями, радиусы кривизны и фокусные расстояния которых велики по сравнению с другими размерами, называется тонкой линзой. Из шести линз, показанных на рис. 9, первые три - собирающие, а остальные три - рассеивающие. Фокусное расстояние тонкой линзы можно рассчитать, если известны радиусы кривизны и показатель преломления материала. Соответствующая формула имеет вид

Рис. 9. ТОНКИЕ ЛИНЗЫ. 1 - двояковыпуклая; 2 - плосковыпуклая; 3 - выпуклый мениск; 4 - двояковогнутая; 5 - плосковогнутая; 6 - вогнутый мениск.

где R1 и R2 - радиусы кривизны поверхностей, которые в случае двояковыпуклой линзы (рис. 10) считаются положительными, а в случае двояковогнутой - отрицательными. Положение изображения для заданного объекта можно рассчитать по простой формуле с учетом некоторых условностей, показанных на рис. 10. Объект помещают слева от линзы, а ее центр считается началом координат, от которого измеряются все расстояния вдоль главной оси. Область слева от линзы называется пространством объекта, а справа - пространством изображения. При этом расстояние до объекта в пространстве объекта и расстояние до изображения в пространстве изображения считаются положительными. Все расстояния, показанные на рис. 10, положительные.

Рис. 10. ГРАФИЧЕСКОЕ ПОСТРОЕНИЕ изображения, создаваемого двояковыпуклой линзой в случае, когда расстояние до объекта больше фокусного расстояния.

В этом случае, если f - фокусное расстояние, s - расстояние до объекта, а sў - расстояние до изображения, формула тонкой линзы запишется в виде 1/f = (1/s) + (1/s')

Формула применима и для вогнутых линз, если считать фокусное расстояние отрицательным. Заметим, что, поскольку световые лучи обладают свойством обратимости (т.е. пойдут по тому же самому пути, если изменить их направление на противоположное), объект и изображение можно поменять местами при условии, что изображение является действительным. Пары таких точек называют сопряженными точками системы. Руководствуясь рис. 10, можно построить также изображение точек, находящихся вне главной оси. Плоскому объекту, перпендикулярному оси, будет соответствовать также плоское и перпендикулярное оси изображение при условии, что размеры объекта малы по сравнению с фокусным расстоянием. Лучи, проходящие через центр линзы, не отклоняются, а лучи, параллельные главной оси, пересекаются в фокусе, лежащем на этой оси. Объект на рис. 10 представлен стрелкой h слева. Изображение верхней точки объекта находится в точке пересечения множества исходящих из нее лучей, из которых достаточно выбрать два: луч, параллельный главной оси, который затем пройдет через фокус, и луч, проходящий через центр линзы, который не меняет своего направления, проходя через линзу. Получив таким образом верхнюю точку изображения, достаточно опустить перпендикуляр на главную ось, чтобы получить все изображение, высоту которого обозначим через hў. В случае, показанном на рис. 10, мы имеем действительное, перевернутое и уменьшенное изображение. Из соотношений подобия треугольников нетрудно найти отношение m высоты изображения к высоте объекта, которое называется увеличением: m = h'/h = s'/s.

Комбинации линз. Когда речь идет о системе нескольких линз, положение окончательного изображения определяется последовательным применением к каждой линзе известной нам формулы с учетом знаков. Такую систему можно заменить одной линзой с "эквивалентным" фокусным расстоянием. В случае двух отстоящих друг от друга на расстояние a простых линз с общей главной осью и фокусными расстояниями f1 и f2 эквивалентное фокусное расстояние F дается формулой

Если обе линзы совместить, т.е. считать, что a -> 0, то получим

. Величина, обратная фокусному расстоянию (с учетом знака), называется оптической силой. Если фокусное расстояние измеряется в метрах, то соответствующая оптическая сила выражается в диоптриях. Как явствует из последней формулы, оптическая сила системы близко расположенных тонких линз равна сумме оптических сил отдельных линз.

Толстая линза. Случай линзы или системы линз, толщина которой сравнима с фокусным расстоянием, достаточно сложен, требует громоздких вычислений и здесь не рассматривается.

Погрешности линз. Когда свет точечного источника проходит через линзу, все лучи на самом деле не пересекаются в одной-единственной точке - фокусе. Часть лучей отклоняется в той или иной степени, в зависимости от типа линзы. Такие отклонения, называемые аберрациями, обусловлены различными причинами. Одной из наиболее существенных является хроматическая аберрация. Она обусловлена дисперсией материала линзы. Фокусное расстояние линзы определяется ее показателем преломления, и его зависимость от волны падающего света приводит к тому, что для каждой цветовой составляющей белого света имеется свой фокус в разных точках на главной оси, как это показано на рис. 11. Есть два типа хроматической аберрации: продольная - когда фокусы от красного до фиолетового распределены вдоль главной оси, как на рис. 11, и поперечная - когда в зависимости от длины волны изменяется увеличение и на изображении появляются окрашенные контуры. Коррекция хроматической аберрации достигается использованием двух и более линз из разных стекол с дисперсией разного типа. Самый простой пример - телеобъектив. Он состоит из двух линз: собирающей из крона и рассеивающей из флинта, дисперсия которого значительно больше. Таким образом, дисперсия собирающей линзы компенсируется дисперсией более слабой рассеивающей. В результате получается собирающая система, называемая ахроматом. В такой комбинации хроматическая аберрация корректируется лишь для двух значений длин волн, и небольшая окраска, называемая вторичным спектром, все же остается.

Рис. 11. ХРОМАТИЧЕСКАЯ АБЕРРАЦИЯ.

Геометрические аберрации. Приведенные выше формулы для тонких линз, строго говоря, являются первым, хотя и весьма удовлетворительным для практических нужд приближением, когда лучи в системе проходят вблизи оси. Более детальный анализ приводит к так называемой теории третьего порядка, в которой рассматриваются пять различных типов аберраций для монохроматического света. Первая из них - сферическая, когда дальние от оси лучи пересекаются после прохождения линзы ближе к ней, чем ближние к оси (рис. 12). Коррекция этой аберрации достигается применением многолинзовых систем с линзами разного радиуса. Второй тип аберрации - кома, которая возникает, когда лучи образуют с осью небольшой угол. Различием в фокусных расстояниях для лучей пучка, проходящих через разные зоны линзы обусловлено разное поперечное увеличение (рис. 13). Поэтому изображение точечного источника приобретает вид хвоста кометы вследствие смещенных в сторону от фокуса изображений, сформированных периферийными зонами линзы.

Рис. 12. СФЕРИЧЕСКАЯ АБЕРРАЦИЯ.

Рис. 13. КОМА.

Третий тип аберрации, тоже относящийся к изображению точек, смещенных с оси, - астигматизм. Лучи от точки, падающие на линзу в разных плоскостях, проходящих через ось системы, формируют изображения на разных расстояниях от центра линзы. Изображение точки получается либо в виде горизонтального отрезка, либо в виде вертикального отрезка, либо в виде пятна эллиптической формы в зависимости от расстояния до линзы. Даже если рассмотренные три аберрации скорректировать, останутся искривление плоскости изображения и дисторсия. Искривление плоскости изображения очень нежелательно в фотографии, поскольку поверхность фотопленки должна быть плоской. При дисторсии искажается форма объекта. Два основных типа дисторсии - подушкообразная и бочкообразная - показаны на рис. 14, где объектом является квадрат. Небольшая дисторсия вполне терпима в большинстве линзовых систем, но крайне нежелательна в объективах для аэрофотосъемки.

Рис. 14. ДИСТОРСИЯ в случае квадратного объекта. а - подушкообразная; б - бочкообразная.

Формулы для аберраций разного типа слишком сложны для полного расчета безаберрационных систем, хотя и позволяют сделать приблизительные оценки в отдельных случаях. Их приходится дополнять численным расчетом хода лучей в каждой конкретной системе.

ВОЛНОВАЯ ОПТИКА

В волновой оптике рассматриваются оптические явления, обусловленные волновыми свойствами света.

Волновые свойства. Волновая теория света в ее наиболее полной и строгой форме основана на уравнениях Максвелла, которые представляют собой дифференциальные уравнения в частных производных, выведенные на основе фундаментальных законов электромагнетизма. В ней свет рассматривается как электромагнитная волна, электрическая и магнитная компоненты поля которой колеблются во взаимно перпендикулярных направлениях и перпендикулярно направлению распространения волны. К счастью, в большинстве случаев для описания волновых свойств света достаточно упрощенной теории, основанной на принципе Гюйгенса. Согласно этому принципу, каждую точку данного волнового фронта можно рассматривать как источник сферических волн, и огибающая всех таких сферических волн дает новый волновой фронт.

Интерференция. Впервые интерференцию продемонстрировал в 1801 Т.Юнг в опыте, схема которого представлена на рис. 15. Перед источником света помещена щель, а на некотором расстоянии от нее - еще две щели, симметрично расположенные. На экране, установленном еще дальше, наблюдаются чередующиеся светлые и темные полосы. Их возникновение объясняется следующим образом. Щели S1 и S2, на которые падает свет из щели S, играют роль двух новых источников, испускающих свет во всех направлениях. Будет ли некоторая точка на экране светлой или темной, зависит от того, в какой фазе в эту точку придут световые волны от щелей S1 и S2. В точке P0 длины путей от обеих щелей одинаковы, поэтому волны от S1 и S2 приходят в фазе, их амплитуды складываются и интенсивность света здесь будет максимальной. Если же от этой точки продвинуться вверх или вниз на такое расстояние, что разность хода лучей от S1 и S2 будет равна половине длины волны, то максимум одной волны наложится на минимум другой и результатом будет темнота (точка P1). Если перейти дальше к точке P2, где разность хода составит целую длину волны, то в этой точке снова будет наблюдаться максимальная интенсивность, и т.д. Наложение волн, приводящее к чередованию максимумов и минимумов интенсивности называется интерференцией. Когда амплитуды складываются, интерференция называется усиливающей (конструктивной), а когда вычитаются - ослабляющей (деструктивной).

Рис. 15. ОПЫТ ЮНГА, интерференция света от двух щелей.

В рассмотренном опыте при распространении света за щелями наблюдается и его дифракция (см. ниже). Но можно наблюдать интерференцию и "в чистом виде" в опыте с зеркалом Ллойда. Экран ставят под прямым углом к зеркалу так, чтобы он соприкасался с ним. Удаленный точечный источник света, находящийся на малом расстоянии от плоскости зеркала, освещает часть экрана как прямыми лучами, так и лучами, отраженными от зеркала. Образуется точно такая же интерференционная картина, как и в опыте с двумя щелями. Можно было бы ожидать, что в месте пересечения зеркала и экрана должна находиться первая светлая полоса. Но поскольку при отражении от зеркала происходит сдвиг фазы на p (что соответствует разности хода в полволны), первой на самом деле оказывается темная полоса. Следует иметь в виду, что интерференцию света можно наблюдать только при определенных условиях. Дело в том, что обычный световой пучок состоит из световых волн, испускаемых огромным числом атомов. Фазовые соотношения между отдельными волнами все время беспорядочно меняются, причем у каждого источника света по-своему. Иначе говоря, свет двух независимых источников не когерентен. Поэтому с двумя пучками невозможно получить интерференционную картину, если они не от одного и того же источника. Явление интерференции играет важную роль в нашей жизни. На длине волны некоторых монохроматических источников света основаны самые стабильные эталоны длины, а интерференционными методами проводится их сравнение с рабочими эталонами метра и т.п. Такое сравнение можно осуществить при помощи интерферометра Майкельсона - оптического прибора, схема которого представлена на рис. 16.

Рис. 16. ИНТЕРФЕРОМЕТР МАЙКЕЛЬСОНА.

Полупрозрачное зеркало D делит свет от протяженного монохроматического источника S на два пучка, один из которых отражается от неподвижно закрепленного зеркала M1, а другой - от зеркала M2, перемещающегося на прецизионных микрометрических салазках параллельно самому себе. Части идущих обратно пучков объединяются ниже пластинки D и дают интерференционную картину в поле зрения наблюдателя E. Интерференционную картину можно фотографировать. В схему обычно добавляют компенсирующую пластинку Dў, благодаря чему пути, проходимые в стекле обоими пучками, становятся одинаковыми и разность хода определяется только положением зеркала M2. Если зеркала отъюстированы так, что их изображения строго параллельны, то возникает система интерференционных колец. Разность хода двух пучков равна удвоенной разности расстояний от каждого из зеркал до пластинки D. Там, где разность хода равна нулю, будет максимум для любой длины волны, и в случае белого света мы получим белое ("ахроматическое") равномерно освещенное поле - полосу нулевого порядка. Для ее наблюдения необходима компенсирующая пластинка D', устраняющая влияние дисперсии в стекле. При перемещении подвижного зеркала наложение полос для разных длин волн дает окрашенные кольца, которые снова смешиваются в белый свет при разности хода в нескольких сотых миллиметра. При монохроматическом освещении, медленно перемещая подвижное зеркало, мы будем наблюдать деструктивную интерференцию, когда перемещение составит четверть длины волны. А при перемещении еще на одну четверть снова будет наблюдаться максимум. При дальнейшем перемещении зеркала будут появляться все новые и новые кольца, но условием максимума в центре картины по-прежнему будет равенство 2d = Nl,

где d - смещение подвижного зеркала, N - целое число, а l - длина волны. Таким образом, расстояния можно точно сравнивать с длиной волны, просто подсчитывая число интерференционных полос, появляющихся в поле зрения: каждая новая полоса соответствует перемещению на l/2. На практике при больших разностях хода получить четкую интерференционную картину нельзя, поскольку реальные монохроматические источники дают свет, хотя и в узком, но конечном интервале длин волн. Поэтому при увеличении разности хода интерференционные полосы, соответствующие разным длинам волн, в конце концов перекрываются настолько, что контраст интерференционной картины оказывается недостаточным для наблюдения. Некоторые длины волн в спектре паров кадмия обладают высокой степенью монохроматичности, так что интерференционная картина образуется даже при разности путей порядка 10 см, а наиболее резкая красная линия используется для определения эталона метра. Еще большей монохроматичностью при высокой интенсивности линий характеризуется излучение отдельных изотопов ртути, получаемых в небольших количествах на ускорителях или в атомном реакторе. Важное значение имеет также интерференция в тонких пленках или в зазоре между стеклянными пластинками. Рассмотрим две очень близко расположенные стеклянные пластинки, освещаемые монохроматическим светом. Свет будет отражаться от обеих поверхностей, но при этом путь одного из лучей (отражающегося от дальней пластинки) будет несколько больше. Поэтому два отраженных пучка дадут интерференционную картину. Если зазор между пластинками имеет форму клина, то в отраженном свете наблюдается интерференционная картина в виде полос (равной толщины), причем расстояние между соседними светлыми полосами соответствует изменению толщины клина на половину длины волны. В случае неровных поверхностей наблюдаются контуры равной толщины, характеризующие поверхностный рельеф. Если пластинки тесно прижаты друг к другу, то можно в белом свете получить цветную интерференционную картину, которую, однако, труднее интерпретировать. Такие интерференционные картины позволяют очень точно сравнивать оптические поверхности, например для контроля поверхностей линз при их изготовлении.

Дифракция. Когда волновые фронты светового пучка ограничиваются, например, диафрагмой или краем непрозрачного экрана, волны частично проникают в область геометрической тени. Поэтому тень оказывается не резкой, как должно было бы быть при прямолинейном распространении света, а размытой. Такое огибание светом препятствий является общим для всех волн свойством и называется дифракцией. Различают два типа дифракции: дифракцию Фраунгофера, когда источник и экран бесконечно удалены друг от друга, и дифракцию Френеля, когда они находятся на конечном расстоянии друг от друга. Примером дифракции Фраунгофера может служить дифракция на одной щели (рис. 17). Свет от источника (щели S') падает на щель S и проходит к экрану P. Если поместить источник и экран в фокусах линз L1 и L2, то это будет соответствовать их удалению на бесконечность. Если щели S и Sў заменить отверстиями, дифракционная картина будет иметь вид концентрических колец, а не полос, но распределение света по диаметру будет аналогичным. Размер дифракционной картины зависит от ширины щели или диаметра отверстия: чем они больше, тем меньше размер картины. Дифракцией определяется разрешающая способность и телескопа, и микроскопа. Предположим, что имеются два точечных источника, каждый из которых дает на экране свою дифракционную картину. При близком расположении источников две дифракционные картины перекрываются. При этом в зависимости от степени перекрытия можно различить на этом изображении две отдельные точки. Если центр одной из дифракционных картин приходится на середину первого темного кольца другой, то считается, что они различимы. Используя этот критерий, можно найти максимально возможную (ограниченную волновыми свойствами света) разрешающую способность телескопа, которая тем выше, чем больше диаметр его главного зеркала.

Рис. 17. ДИФРАКЦИЯ ФРАУНГОФЕРА.

Из дифракционных приборов наиболее важное значение имеет дифракционная решетка. Как правило, она представляет собой стеклянную пластинку с большим числом параллельных эквидистантных штрихов, проведенных резцом. (Металлическая дифракционная решетка называется отражательной.) На прозрачную дифракционную решетку направляется параллельный пучок света, создаваемый линзой (рис. 18). Выходящие параллельные дифрагированные пучки при помощи другой линзы фокусируются на экран. (Необходимость в линзах отпадает, если дифракционная решетка выполнена в виде вогнутого зеркала.) Решетка разбивает свет на пучки, идущие как в прямом направлении (q = 0), так и под разными углами q в зависимости от периода решетки d и длины волны l света. Фронт плоской падающей монохроматической волны, разбитый щелями решетки, в пределах каждой щели можно в соответствии с принципом Гюйгенса рассматривать как независимый источник. Между волнами, исходящими из этих новых источников, может происходить интерференция, которая будет усиливающей, если разность их хода равна целому кратному длины волны. Разность хода, как это явствует из рис. 18, равна d sinq, а поэтому направления, в которых будут наблюдаться максимумы, определяются условием

Рис. 18. ДИФРАКЦИОННАЯ РЕШЕТКА.

Nl = d sinq,

где N = 0, 1, 2, 3 и т.д. Случай N = 0 соответствует центральному, недифрагированному пучку нулевого порядка. При большом числе штрихов возникает ряд четких изображений источника, соответствующих разным порядкам - разным значениям N. Если на решетку падает белый свет, то он разлагается в спектр, но спектры высших порядков могут перекрываться. Дифракционные решетки широко применяются для спектрального анализа. Лучшие решетки имеют размер порядка 10 см и более, а полное число штрихов может превышать 100 000.

Дифракция Френеля. Френель исследовал дифракцию, разбивая волновой фронт падающей волны на зоны так, чтобы расстояния от двух соседних зон до рассматриваемой точки экрана различались на половину длины волны. Он установил, что если отверстия и диафрагмы не очень малы, то дифракционные явления наблюдаются только на краях пучка.

Поляризация. Как уже говорилось, свет - это электромагнитное излучение с векторами напряженности электрического поля и напряженности магнитного поля, перпендикулярными друг другу и направлению распространения волны. Таким образом, помимо своего направления световой пучок характеризуется еще одним параметром - плоскостью, в которой колеблется электрическая (или магнитная) компонента поля. Если колебания вектора напряженности электрического поля в пучке света происходят в одной определенной плоскости (а вектора напряженности магнитного поля - в перпендикулярной ей плоскости), то говорят, что свет является плоскополяризованным; плоскость колебаний вектора E напряженности электрического поля называется плоскостью поляризации. Колебания вектора E в случае естественного света принимают всевозможные ориентации, поскольку свет реальных источников слагается из света, хаотически испускаемого большим числом атомов без какой-либо преимущественной ориентации. Такой неполяризованный свет можно разложить на две взаимно перпендикулярные компоненты одинаковой интенсивности. Возможен и частично поляризованный свет, в котором доли компонент неодинаковы. В этом случае степень поляризации определяется как отношение доли поляризованного света к полной интенсивности. Существуют и два других типа поляризации: круговая и эллиптическая. В первом случае вектор E колеблется не в фиксированной плоскости, а описывает полную окружность при прохождении светом расстояния в одну длину волны; величина вектора при этом остается постоянной. Эллиптическая поляризация аналогична круговой, но только в этом случае конец вектора E описывает не окружность, а эллипс. В каждом из этих случаев в зависимости от того, в какую сторону поворачивается вектор E при распространении волны, возможна правая и левая поляризация. Неполяризованный свет в принципе можно разложить на два пучка с круговой поляризацией в противоположных направлениях. Когда свет отражается от поверхности диэлектрика, например стекла, и отраженный, и преломленный лучи являются частично поляризованными. При некотором угле падения, называемом углом Брюстера, отраженный свет становится полностью поляризованным. В отраженном луче вектор E параллелен отражающей поверхности. В этом случае отраженный и преломленный луч взаимно перпендикулярны, а угол Брюстера связан с показателем преломления n соотношением tgq = n. Для стекла q " 57°.

Двойное лучепреломление. При преломлении света в некоторых кристаллах, таких, как кварц или кальцит, он разделяется на два пучка, один из которых подчиняется обычному закону преломления и называется обыкновенным, а другой преломляется иначе и называется необыкновенным лучом. Оба пучка оказываются плоскополяризованными во взаимно перпендикулярных направлениях. В кристаллах кварца и кальцита имеется также направление, называемое оптической осью, в котором двойное лучепреломление отсутствует. Это означает, что при распространении света вдоль оптической оси его скорость не зависит от ориентации вектора напряженности E электрического поля в световой волне. Соответственно, показатель преломления n не зависит от ориентации плоскости поляризации. Подобные кристаллы называются одноосными. В других направлениях один из лучей - обыкновенный - по-прежнему распространяется с той же скоростью, но луч, поляризованный перпендикулярно плоскости поляризации обыкновенного луча, имеет другую скорость, и для него показатель преломления оказывается другим. В общем случае для одноосных кристаллов можно выбрать три взаимно перпендикулярных направления, в двух из которых показатели преломления одинаковы, а в третьем направлении значение n другое. Это третье направление совпадает с оптической осью. Есть и другой тип более сложных кристаллов, в которых показатели преломления для всех трех взаимно перпендикулярных направлений неодинаковы. В этих случаях имеются две характерные оптические оси, которые не совпадают с рассмотренными выше. Такие кристаллы называются двухосными. В некоторых кристаллах, таких, как турмалин, двойное лучепреломление хотя и имеет место, обыкновенный луч почти полностью поглощается, а выходящий луч является плоскополяризованным. Тонкие плоскопараллельные пластинки, изготовленные из таких кристаллов, очень удобны для получения поляризованного света, хотя поляризация в этом случае и не является стопроцентной. Более совершенный поляризатор можно изготовить из кристалла исландского шпата (прозрачная и однородная разновидность кальцита), определенным образом разрезав его по диагонали на два куска и склеив их затем канадским бальзамом. Показатели преломления этого кристалла таковы, что если разрез сделан правильно, то обыкновенный луч претерпевает на нем полное внутреннее отражение, попадает на боковую поверхность кристалла и поглощается, а необыкновенный проходит через систему. Такая система называется николем (призмой Николя). Если два николя расположить друг за другом на пути светового луча и ориентировать так, чтобы проходящее излучение имело максимальную интенсивность (параллельная ориентация), то при повороте второго николя на 90° поляризованный свет, даваемый первым николем, через систему не пройдет, а при углах от 0 до 90° пройдет лишь часть первоначального светового излучения. Первый из николей в этой системе называется поляризатором, а второй - анализатором. Поляризационные фильтры (поляроиды), хотя они и не являются столь совершенными поляризаторами, как николи, дешевле и практичнее. Они делаются из пластмассы и по своим свойствам сходны с турмалином.

Оптическая активность. Некоторые кристаллы, например кварц, хотя и имеют оптическую ось, вдоль которой отсутствует двойное лучепреломление, тем не менее способны поворачивать плоскость поляризации проходящего через них света, причем угол поворота зависит от оптической длины пути света в данном веществе. Таким же свойством обладают и некоторые растворы, например раствор сахара в воде. Существуют левовращающие и правовращающие вещества в зависимости от направления вращения (со стороны наблюдателя). Поворот плоскости поляризации обусловлен различием в показателях преломления для света с левой и правой круговой поляризацией.

Рассеяние света. Когда свет распространяется в среде с диспергированными малыми частицами, например сквозь дым, часть света рассеивается во всех направлениях вследствие отражения или преломления. Рассеяние может происходить даже на молекулах газа (так называемое рэлеевской рассеяние). Интенсивность рассеяния зависит от числа рассеивающих частиц на пути световой волны, а также от длины волны, причем сильнее рассеиваются коротковолновые лучи - фиолетовые и ультрафиолетовые. Поэтому, пользуясь фотопленкой, чувствительной к инфракрасному излучению, можно делать снимки в тумане. Рэлеевским рассеянием света объясняется голубизна неба: синий свет больше рассеивается, и когда смотришь на небо, этот цвет преобладает. Свет же, прошедший через рассеивающую среду (атмосферный воздух), краснеет, чем и объясняется покраснение солнца на восходе и на закате, когда оно стоит низко над горизонтом. Рассеяние обычно сопровождается поляризационными явлениями, так что для голубого неба в некоторых направлениях характерна значительная степень поляризации. См. также

ОПТИЧЕСКИЕ ПРИБОРЫ;

КВАНТОВАЯ МЕХАНИКА;

СПЕКТРОСКОПИЯ.

ЛИТЕРАТУРА

Борн М., Вольф Э. Основы оптики. М., 1973 Ландсберг Г. С. Оптика. М., 1976

О́ПТИКА -и; ж. [греч. optikē]

1. Раздел физики, изучающий процессы излучения света и его взаимодействия с веществом. Закон оптики. Изучать оптику. Применять на практике положения оптики. Волоконная о. (спец.; раздел оптики, изучающий передачу света и изображения по световодам; приборы и инструменты, посредством которых осуществляется такая передача). // Учебный предмет, посвящённый изучению в школе и в вузе этого раздела физики. Изучать оптику. Сдавать экзамен по оптике. Геометрическая о. Физическая о. Нелинейная о.

2. Отрасль промышленности, занимающаяся изготовлением оптических приборов. Электромашиностроение и о. - ведущие отрасли промышленности в Санкт-Петербурге. // Учреждение, торгующее такими инструментами, приспособлениями. / Разг. Такие инструменты и приспособления бытового назначения (линзы, бинокли и т.п.).

3. собир. Приборы и инструменты, действие которых основано на законах отражения и преломления света.

* * *

(от греч. optikē — наука о зрительных восприятиях), раздел физики, в котором исследуются процессы излучения света, его распространение в различных средах и взаимодействие света с веществом. Оптика изучает широкую область спектра электромагнитных волн, примыкающую к видимому свету: ультрафиолетовую область (включая мягкие рентгеновские лучи) и инфракрасную, вплоть до миллиметровых радиоволн. Отличие оптики от других разделов физики, связанных с электромагнитным излучением, состоит не столько в длинах волн, сколько в совокупности специфических, выработанных исторически и широко применяемых методов и понятий. Внутри оптики выделяют геометрическую оптику, физиологическую оптику, физическую оптику, нелинейную оптику и др.

* * *

О́ПТИКА (от греч. optike — наука о зрительных восприятиях), раздел физики, в котором исследуются процессы излучения света, его распространение в различных средах и взаимодействие света c веществом. Оптика изучает широкую область спектра электромагнитных волн, примыкающую к видимому свету: ультрафиолетовую область (включая мягкие рентгеновские лучи) и инфракрасную, вплоть до миллиметровых радиоволн. Отличие оптики от других разделов физики, связанных с электромагнитным излучением, состоит не столько в длинах волн, сколько в совокупности специфических, выработанных исторически и широко применяемых методов и понятий. Внутри оптики выделяют геометрическую оптику, физиологическую оптику, физическую оптику, нелинейную оптику и др.

(греч. optike - наука о зрительных восприятиях, от optos - видимый, зримый) - раздел физики, в к-ром рассматривается учение о свете, его распространении и взаимодействии с обществом. Совр. О. исследует не только видимое излучение (свет), но также и не видимые глазом инфракрасное излучение и ультрафиолетовое излучение. Оптич. явления, для объяснения к-рых достаточны приближ. представления о световых лучах и экспериментально установл закономерности отражения и преломления этих лучей на границе раздела двух сред, рассматриваются в геометрической оптике. Гл. часть О. составляет физическая О., занимающаяся выяснением природы света и закономерностей его испускания, распространения, рассеяния и поглощения в веществе. Явления дифракции, интерференции и поляризации света рассматриваются в волновой О. Закономерности распространения света в веществе в зависимости от его мол. строения (дисперсия света, поглощение света, рассеяние света и т. д.) рассматриваются в молекулярной оптике. Нелинейные оптич. эффекты рассматриваются в нелинейной оптике. Одним из важнейших разделов физ. О. является спектроскопия. Интегральная оптика занимается исследованием оптич. явлений в плёночных и круглых световодах. Разрабатывается активных сред оптика, занимающаяся вопросами использования сред, усиливающих излучение, в оптич. приборах и устройствах. О. неоднородных сред изучает явления распространения оптич. излучения в оптически неоднородных средах. Восприятие света человеч. глазом изучается в физиологической О. и цветоведении, к-рые тесно соприкасаются с физ. и геом. О., а также с физиологией и психологией. Законы О. и оптич. методы исследования широко используются для исследования строения и св-в вещества, для количеств. и качеств. анализа и др., а также в светотехнике, приборостроении, автоматике и т. д.

ОПТИКА — (1) раздел физики, изучающий процессы излучения света, его распространения в различных средах и явления, наблюдаемые при взаимодействии света и вещества. Традиционно О. подразделяется на геометрическую, физ. и физиологическую; (2) собирательное название оптических приборов и систем.