Vybrané kapitoly z geometrické a vlnové optiky

V následujících vybraných kapitolách z geometrické a vlnové optiky si připomeneme některé poznatky ze střední školy, které není špatné si čas od času připomenout. V úvodní části shrneme, čím se optika zabývá, jak ji můžeme dělit a jak se vyvíjely názory na podstatu světla.

1. Obsah a rozdělení optiky

Optika je část fyziky, jež zkoumá podstatu světla a zákonitosti světelných jevů, které platí při vzniku a šíření světla a při vzájemném působení světla a látky. Můžeme říct, že optika se zabývá vším, co souvisí se světlem. Optiku dělíme na geometrickou (paprskovou), vlnovou a kvantovou. Nejstarší je optika geometrická, kterou se zabývali už staří Řekové. Byla však tehdy chápána spíše jako součást geometrie (ne fyziky) a téměř každý antický učenec pokládal za svou povinnost napsat alespoň jeden spis, který se týkal geometrické optiky. Nejmladší je optika kvantová, její počátky se datují od roku 1900 a jsou spojeny se jmény Planck a Einstein.

Geometrická optika se zabývá popisem optického zobrazování, nepracuje s vlnovou povahou světelného záření, vysvětluje šíření světla pomocí světelných paprsků. Pracuje s pojmy a předpoklady z geometrie (např. zdroj světla považuje za bod, ze kterého se šíří světelné paprsky, ty považuje za přímky, podél kterých se šíří světelná energie). Geometrická optika používá jednoduché zákony, které jsou potvrzeny pozorováním a zkušenostmi a byly vlastně odpozorovány z běžné zkušenosti. Platnost zákonů je tím lepší, čím je vlnová délka kratší. Pokud bychom napsali rovnice, které popisují vlnový charakter světla (Maxwellovy rovnice elektromagnetického pole) a uvažovali krátkou vlnovou délku (krátkovlnová limita), rovnice by se radikálně zjednodušily a dostaly by tvar, který je známý právě z geometrické optiky. Geometrická optika umožňuje řešit úlohy, které by byly při respektování vlnových vlastností světla matematicky obtížně řešitelné a jejich pravá podstata by byla zatemněna náročným (a zbytečným) matematickým popisem.

Vlnová optika se zabývá jevy, při kterých se projevují vlnové vlastnosti světla. Největší význam z nich má interference, ohyb a polarizace světla. Z fyzikálního hlediska je světlo elektromagnetické vlnění, jež se šíří prostorem. Od ostatních elektromagnetických vlnění, (resp. záření - rádiové, infračervené, utrafialové, rentgenové a gama) se liší frekvencí nebo také vlnovou délkou vztaženou k danému prostředí. Viditelné světlo má vlnovou délku větší než ultrafialové záření a kratší než infračervené záření, jeho vlnová délka ve vakuu leží v intervalu 390 nm až 780 nm. S vlnovou délkou souvisí i další vlastnosti. Platí, že čím je vlnová délka kratší, tím je vlnění pronikavější. Všechna elektromagnetická vlnění mají tu společnou vlastnost, že se šíří ve vakuu stejnou rychlostí, přibližně 300 000 km/s. Vlnová optika zkoumá vlastnosti světelných vln a skládání světelných vln.

 Kvantová optika, nejmladší část optiky, popisuje děje, při nichž se projevuje kvantový (částicový) ráz světla. Patří mezi ně fotoefekt, záření absolutně černého tělesa, světelná spektra látek a statistické vlastnosti světelných polí. V tomto textu se kvantovou optikou dále zabývat nebudeme.

 Někteří autoři dělí optiku jinak, než jsme uvedli. Základní dvě skupiny tvoří biologická optika (fyziologická a psychologická) a fyzikální optika (klasická - geometrická, vlnová a kvantová). Mezi jednotlivými obory se prolíná brýlová, přístrojová, aplikovaná optika. Jiní autoři dělí optiku na geometrickou, fyzikální (zkoumá podstatu světla a světelných jevů) a fyziologickou (studuje vidění).

Optika patří k nejstarším oborům fyziky a prošla dlouhým vývojem od nejjednodušších poznatků až po velmi složité principy. Prudký rozvoj optiky nastal díky vlastnostem světla laserového paprsku. Laserový paprsek našel uplatnění v měřicí a laboratorní technice, v lékařství (např. při operaci oka a laserové kosmetice) i v elektronice (např. v přehrávačích kompaktních disků). Stále významnější místo má optika v elektronických zařízeních, proto vznikl samostatný vědní obor optoelektronika, který řeší přenos informací pomocí světelného záření. Ukázalo se, že přenos světelného signálu je mnohem výhodnější než přenos elektrických impulzů pomocí vodičů.

Podrobnější text najdete v časopise Česká oční optika, ročník 2005, 2006, 2007 a únor 2008, červen 2008.