Optika

Ajalugu

Optika sai alguse Vana-Egiptusest ja Mesopotaamiast, kus valmistati esimesed läätsed. Kõige varasem teadaolev lääts on Nimrodi lääts , 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.
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.
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.
Keskajal arendasid neid ideid edasi moslemid. Üks kõige varajasematest oli Al-Kindi (801–873), toetudes Aristotelese ja Eukleidese seisukohtadele . Aastal 984 kirjeldas pärsia matemaatik Ibn Sahl valguse murdumise seaduspärasusi sarnaselt praegu kasutatava Snelli seadusega .
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. 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.
Esimesed kantavad prillid leiutas Salvino D’Armate Itaalias aastal 1284.
Läbimurde tegi René Descartes, kes seletas hulga optilisi fenomene, eeldades, et valgus kiirgab objektidelt, mis seda tekitavad.
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. 1860. aastatel ühendas James Clerk Maxwell ka valguse oma elektromagnetteooriaga ja nii algas laineoptika võidukäik.

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 enamus füüsikuid, et eksisteerib müstiline keskkond „eeter“, milles valgus liigub. Elektromagnetlainete olemasolu tehti kindlaks 1865. aastal Maxwelli võrranditega. Sellised lained levivad valguskiirusel 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.