Optika
 | See artikkel räägib teadusharust; Newtoni teose kohta vaata artiklit Optika (Newton) |
Optika ehk valgusõpetus on füüsika haru, mis kirjeldab valguse käitumist ja omadusi, sealjuures ka aine ja valguse vastastikmõju. Samuti iseloomustab see valgust avastavate või seda kasutavate instrumentide ehitust ja põhimõtteid. Enamasti käsitleb optika nii nähtava, ultraviolett- kui ka infrapunavalguse omadusi. Kuna valgus on elektromagnetlaine, on tal sarnased omadused teiste elektromagnetlainetega, näiteks röntgenikiirguse ning mikro- ja raadiolainetega.[1]
Suurt osa optilisi nähtusi saab seletada klassikalise käsitlusega, kuigi täpset teooriat on tihti raske praktikas rakendada. Praktilisi katseid tehes kasutatakse üldjuhul mudeleid. Üks kõige levinum neist, geomeetriline optika, käsitleb valgust kiirtekimbuna, milles kiired levivad sirgjooneliselt ja muudavad suunda ainelt peegeldudes või seda läbides. Füüsikaline optika on keerulisem mudel, mis suudab kirjeldada (erinevalt geomeetrilisest) difraktsiooni ja interferentsi, võttes arvesse valguse lainelisi omadusi. Ajalooliselt eelnes geomeetriline käsitlus füüsikalisele olles vanimaks optika osaks. 19. sajandi areng elektromagnetteoorias viis arusaamani, et valgus on tegelikult elektromagnetkiirgus.
Mõned nähtused vajavad aga kirjeldamiseks mõlema teooria olemasolu, arvestades nii valguse lainelisi kui ka osakeselisi omadusi. Selliste nähtuste seletamiseks on vaja rakendada kvantmehaanikat, kus näiteks valgusvoogu saab kirjeldada ka osakeste, mida nimetatakse footoniteks, voona. Kvantoptika tegeleb kvantmehaanika kaudu optiliste süsteemide seletamisega.
Optikast on kasu väga paljudes valdkondades, näiteks astronoomias, inseneriteadustes, fotograafias ja meditsiinis (näiteks optomeetria). Praktiliselt kasutatakse optikat igal sammul: peegleid ja läätsi kasutatakse näiteks teleskoopides, mikroskoopides ja fotoaparaatides, optilisi kaableid näiteks meditsiinis ja andmesides. Tänu optikale on vaegnägijatel võimalus kasutada prille ja kontaktläätsi.
Ajalugu
Optika sai alguse Vana-Egiptusest ja Mesopotaamiast, kus valmistati esimesed läätsed. Kõige varasem teadaolev lääts on Nimrodi lääts [2], mis valmistati umbes 700 eKr poleeritud kvartsist. Muistsed roomlased ja kreeklased täitsid klaaskerasid veega ja kasutasid neid samal eesmärgil. Sõna "optika" tuleneb vanakreeka sõnast ὀπτική, mis tähendab välimust, väljanägemist.[3]
Kreeka filosoofia jagunes optika seisukohalt kaheks. Üks koolkond väitis, et visuaalne taju toimub siis, kui keha pinnalt „voolab“ tema projektsioon ehk eidola vaatleja silma. Selle teooria toetajate seas olid näiteks Demokritos ja Aristoteles.[4]
Teise poole üks rajajaid oli Platon, kes kirjeldas nägemist hoopis selle kaudu, et vaatleja silmad väljastavad kiiri, millega siis ümbritsevat tajutakse. Sadu aastaid hiljem kirjutas Eukleides teose "Optika", milles ta ühendas nägemismeele geomeetriaga, pannes nii aluse geomeetrilisele optikale. Tema töö põhines Platoni teoorial, iseloomustades nägemise matemaatilisi reegleid ja isegi valguse murdumist.[5]
Keskajal arendasid neid ideid edasi moslemid. Üks kõige varajasematest oli Al-Kindi (801–873), toetudes Aristotelese ja Eukleidese seisukohtadele [6]. Aastal 984 kirjeldas pärsia matemaatik Ibn Sahl valguse murdumise seaduspärasusi sarnaselt praegu kasutatava Snelli seadusega [7].
11. sajandi alguses kirjutas Alhazen (Ibn al-Haytham) raamatu, milles ta uuris nii valguse peegeldumist kui ka murdumist ja pakkus välja uue süsteemi, selgitamaks inimese visuaalset taju.[8][9][10][11][12]. Tema teooria kohaselt tabavad vaatleja silma sirgjoonelised valguskiired, mis on peegeldunud vaadeldava objekti kõigilt punktidelt. Täpsemat viisi, kuidas silm neid kiiri püüab, ei osanud ta aga selgitada.[13]
Esimesed kantavad prillid leiutas Salvino D’Armate Itaalias aastal 1284.[14]
Läbimurde tegi René Descartes, kes seletas hulga optilisi fenomene, eeldades, et valgus kiirgab objektidelt, mis seda tekitavad.[15]
Järgmisena viis optikat põhjapanevalt edasi Isaac Newton, tõestades, et valge valgus koosneb tegelikult spektrivärvidest. Aastal 1690 avaldas Christiaan Huygens valguse laineteooria, pannes aluse füüsikalisele optikale. Sellest hoolimata aktsepteeriti Newtoni optikat 19. sajandi alguseni, mil Thomas Young ja Augustin-Jean Fresnel demonstreerisid kuulsat Youngi katset.[16] 1860. aastatel ühendas James Clerk Maxwell ka valguse oma elektromagnetteooriaga ning algas laineoptika võidukäik.[17]
Klassikaline optika
Klassikaline optika on üldjoontes jagatud kaheks: geomeetriliseks ja füüsikaliseks optikaks. Geomeetrilises ehk kiirteoptikas käsitletakse valgust sirgjooneliste kiirte levimisena, aga füüsikalises optikas loetakse valgust elektromagnetiliseks kiirguseks, teda käsitletakse elektromagnetlainena.
Geomeetriline optika on füüsikalise optika lähendus, kus uuritava valguse lainepikkus on kasutatavate optiliste elementide mõõtmetega võrreldes palju kordi väiksem.
Füüsikaline optika
Füüsikaline optika käsitleb valgust elektromagnetlaine levimisena. Selline mudel selgitab näiteks interferentsi ja difraktsiooni, mida geomeetriline optika ei selgita. Valguslaine kiirus õhus on umbes 3,0×108 m/s (vaakumis 299 792 458 m/s).
Nähtava valguse lainepikkus varieerub 400–700 nanomeetrini, kuid terminit „valgus“ kasutatakse tihti ka infrapunase (0,7–300 μm) ja ultravioletse (10–400 nm) kiirguse kirjeldamiseks.
Lainemudelit saab kasutada optilise süsteemi käitumise ennustamiseks.
Kuni 19. sajandi keskpaigani arvas enamik füüsikuid, et eksisteerib müstiline keskkond „eeter“, milles valgus liigub. Elektromagnetlainete olemasolu tehti kindlaks 1865. aastal Maxwelli võrranditega. Sellised lained levivad valguse kiirusel ning neil on muutuvad elektriväli ja magnetväli, mis on üksteise ja levimissuuna suhtes risti. Valguslaineid käsitletakse nüüd elektromagnetlainetena, välja arvatud siis, kui tuleb rakendada kvantmehaanikat.
Geomeetriline optika
Geomeetriline ehk kiirteoptika kirjeldab valguse levikut kiirtena, mis liiguvad homogeenses keskkonnas sirgjooneliselt ja mille trajektoor erinevate keskkondade vahel on määratud peegeldumis- ja murdumisseadustega.
Need seaduspärasused määrati kindlaks juba aastal 984 ja neid kasutatakse tänapäevani optiliste instrumentide konstrueerimisel:
- Kui valguskiir läbib kahe keskkonna piirpinda, jaguneb see peegeldunud ja murdunud kiireks.
- Peegeldumisseadus ütleb, et peegeldunud kiir on samas tasandis pinna normaali ja langenud kiirega ning langemisnurk ja peegeldumisnurk on võrdsed.
- Murdumisseadus ütleb, et murdunud kiir on samas tasandis pinna normaali ja langenud kiirega ning murdumisnurga ja langemisnurga siinuste suhe n on konstantne. See on tuntud ka kui kahe aine suhteline murdumisnäitaja :
.
Peegeldumis- ja murdumisseadused saab tuletada Fermat’ printsiibist, mis väidab, et valgus levib mööda sellist teed, mille läbimiseks kulub kõige vähem aega.[18]