Optiikka

Optiikka eli valo-oppi (m.kreik. ὀπτική, optikee, ’näkemistä koskeva’) on valon tai yleisemmin sähkömagneettisen säteilyn käyttäytymistä ja ominaisuuksia sekä valon ja aineen vuorovaikutusta tutkiva fysiikan osa-alue. Optiikka voidaan jakaa tutkimuksen näkökannan perusteella geometriseen optiikkaan ja fysikaaliseen optiikkaan. Geometrinen optiikka tutkii valon kulkua eri väliaineissa, sen kulkuun liittyviä geometrisia seikkoja sekä valon taittumista ja heijastumista esimerkiksi peileissä ja linsseissä, kun taas fysikaalinen optiikka tarkastelee valon todellista luonnetta, ominaisuuksia ja valoon liittyviä ilmiöitä (esim. valon intensiteetti, diffraktio). Fysikaalinen optiikka jakautuu edelleen sähkömagneettiseen optiikkaan, jossa valoa tutkitaan sähkömagnetismin näkökulmasta, ja  kvanttioptiikkaan, joka syntyi 1900-luvulla kvanttimekaniikan vaikutuksesta. Sähkömagneettista optiikkaa voidaan sanoa myös klassiseksi optiikaksi ja kvanttioptiikkaa vastaavasti moderniksi optiikaksi, samoin kuin kvanttifysiikka yleensäkin määritellään moderniksi fysiikaksi erotukseksi klassisesta fysiikasta. Modernin optiikan osa-alueisiin kuuluu sen sovelluksia tutkiva fotoniikka.
Optiikka mielletään helposti muusta fysiikasta jossakin määrin erilliseksi alaksi. Tieteellisestä optiikan tutkimuksesta käytetään usein nimitystä optinen tiede tai optinen fysiikka. Sovellettua optista tiedettä kutsutaan optiseksi tekniikaksi. Valaistukseen liittyvien sovellutusten ollessa kyseessä puhutaan valaistustekniikasta. Koska optiikalla on paljon käytännön sovellutuksia, optinen tiede ja optinen tekniikka ovat usein sidoksissa toisiinsa. Optiikalla on suuri merkitys myös esimerkiksi sähkötekniikassa ja lääketieteessä. 
Henkilöä, joka tutkii optiikkaa sanotaan optiikan tutkijaksi. Tätä ei pidä sekoittaa optikkoon eli optometristiin, joka on näkemisen asiantuntija.

Keskiaika

Keskiajalla tieteellistä tutkimusta ei Euroopassa juuri harjoitettu. Platonin Akatemiakin suljettiin vuonna 529. Sitä vastoin esimerkiksi Persiassa oli huomattavia tutkijoita, ja Bagdadiin perustettu Viisauden talo sai tieteellisen tutkimuksen keskuksena vastaavan merkityksen kuin Akatemialla oli aikaisemmin ollut. Arabien vaikutus oli myöhemmälle tieteen kehitykselle ensiarvoisen tärkeä, koska monet Arkhimedeen, Aristoteleen ja muidenkin antiikin kreikkalaisten kirjoituksista säilyivät ainoastaan arabiankielisinä käännöksinä. Kun ne sittemmin käännettiin Euroopassa latinaksi, eurooppalainen tiede nousi jälleen hallitsevampaan asemaan. 
Al-Kindi oli varhaisimpia arabialaisia optiikan kehittäjiä. Aristoteleen ja Eukleideen ajatuksista vaikuttuneena hän esitti oman näkemyksensä näkökyvystä eli siitä miksi kappaleet ylipäänsä nähdään. Al-Kindi kirjoitti latinankielisenä versiona säilyneessä De radiis stellarum -teoksessa, että kaikki kappaleet lähettävät luonnostaan valosäteitä kaikkiin suuntiin. Hänen vaikutuksensa oli enemmän filosofinen kuin tieteellinen. Tieteellisen tutkimuksen kannalta häntä merkittävämpi oli kuitenkin matemaatikko ja fyysikko Ibn Sahl. Vuonna 984 kirjoittamassaan teoksessa Polttavista peileistä ja linsseistä (engl. On Burning Mirrors and Lenses) hän kertoo kaarevista peileistä, linsseistä ja valon fokusoinnista. Ibn Sahlin on väitetty ensimmäisenä keksineen Snellin lain, vaikka Ptolemaios oli jo satoja vuosia aikaisemmin ollut sen jäljillä.
Läntisessä kirjallisuudessa aikaisemmin Alhazenina tunnettu arabitieteilijä Abu al-Hasan ibn al-Haitham oli varhaiskeskiajan kaikkein suurin optiikan tutkija. Hänen teoksensa Optiikan kirja (Kitāb al-manāzir) oli myöhemmin Euroopassa kaikkein tärkein optiikan alan teos. Hänen tutkimustensa tuloksena syntyivät geometrisen optiikan keskeisimmät peruskäsitteet kuten polttopiste ja keskussäteet. Tästä hän onkin saanut tieteenhistorian piirissä kunnianimen optiikan isä. Kokeellisten tutkimustensa perusteella al-Haitham vihdoin todisti Empedokleen ja Platonin emissioteorian vääräksi osoittamalla näön perustuvan kappaleen eri kohdista heijastuviin valonsäteisiin. Läpimurron hän teki tutkiessaan valon taittumista: hän havaitsi taittumisen riippuvan väliaineista, mikä johti optinen tiheys- ja taitekerroin-käsitteiden syntymiseen. Hän havaitsi Ptolemaioksen taittumislain pätevän vain pienillä tulokulmilla, muttei itse pystynyt muodostamaan täydellisempää muotoa laille.
Abbas ibn Firnas keksi 800-luvulla menetelmän, jolla hiekasta voitiin valmistaa väritöntä lasia. Keksintö mahdollisti silmälasien valmistamisen ja teki myös mahdolliseksi rakentaa entistä parempia optisia kojeita, joita ilman tarkat tähtitieteelliset mittaukset olisivat olleet mahdottomia. 
Euroopassa ei optiikan alalla tehty mitään tärkeitä keksintöjä ennen kuin uuden ajan alussa. Silloin optiikan kehitys liittyi läheisesti tähtitieteen kehitykseen.

Uusi aika

Optisia välineitä oli keksitty jo aikaisemmin, mutta varsinaisesti uuden ajan optiikan tutkimuksen aloitti vasta nykyaikaisen valo-opin isänä pidetty Johannes Kepler. Vuoden 1604 ensimmäisenä päivänä Kepler esitteli keisarille Astronomiæ Pars Optica -teoksen käsikirjoituksen, jonka laatimiseen hän oli saanut aiheen aiemmin tapahtuneista auringon- ja kuunpimennyksistä. Teoksessaan hän väitti valon voimakkuuden olevan kääntäen verrannollinen valonlähteen etäisyyteen ja valonnopeuden olevan äärettömän suuri. Tässä samassa teoksessa Kepler selitti ensimmäisen kerran oikein kuvan muodostumisen verkkokalvolle: kuva on verkkokalvolla väärin päin, koska silmän etuosan linssi kokoaa silmään saapuvan valon ennen verkkokalvoa. Hän yritti selittää myös, miten taitekulma valon taittuessa riippuu tulokulmasta, mutta epäonnistui tässä. Paremmin tässä ongelmassa suoriutui hänen aikalaisensa Willebrord Snellius. Laki nimettiin hänen mukaansa Snellin laiksi, vaikka hän itse ei tulosta julkaissutkaan; sen julkaisi vasta myöhemmin Christiaan Huygens. Nykymuotoonsa lain johti vuonna 1644 filosofi René Descartes. Lopulta Pierre de Fermat täydensi lakia lisäämällä vuonna 1657 siihen yhteyden valon nopeuteen väliaineissa. Kepler auttoi Galileita tämän rakentaman kaukoputken parantamisessa.
Valon käyttäytymistä oli tutkittu jo kauan, mutta edelleen oli epäselvää, mitä valo on ja mistä se koostuu. Askeleen eteenpäin tässä asiassa otti bolognalainen tieteilijä ja jesuiitta Francesco Maria Grimaldi, joka teki tarkkoja mittauksia valon diffraktiosta. Hän myös otti käyttöön ilmiötä kuvaavan sanan. Ensimmäinen viittaus ilmiöön löytyy kuitenkin jo da Vinciltä. Diffraktio innostikin 1600-luvun fyysikkoja selittämään ilmiön syitä. Ensimmäisenä asiaa tutki Robert Hooke, jonka mukaan valoa pitäisi ajatella värähdyksenä. Tämä tiesi valon aaltoteorian syntyä. Sen ohella hän tutki interferenssivärejä, joiden hän uskoi syntyvän eri pinnoista heijastuneiden säteiden yhdistyessä. 
Isaac Newton teki kokeita prismalla. Tällöin hän havaitsi, että valo voidaan, paitsi hajottaa spektriksi,  myös koota uudelleen valkoiseksi valoksi. Havainnostaan Newton päätteli valon koostuvan pienistä hiukkasista. Optikkaan oli syntynyt ristiriita; toiset havainnot puolsivat hiukkasteoriaa ja toiset aaltoluonnetta. Newton keräsi matematiikan ja mekaniikan saavutuksillaan niin suuren suosion, että hänen uskottiin olevan oikeassa tässäkin asiassa. Aaltoteorian kannattajat olivat tiedemaailman radikaaleja ja selvä vähemmistö. Näihin radikaaleihin kuului hollantilainen Christiaan Huygens. Hän kannatti aaltoteoriaa ja havaitsi myös valon polarisaation. 
Valon nopeutta ei vielä 1600-luvulle mennessä ollut kukaan mitannut. Ensimmäisenä sen sai mitatuksi tanskalainen Ole Rømer. Oli havaittu, että Jupiterin kuut joutuvat joka kierroksella Jupiterin varjoon, niin että tapahtuu pimennys. Kun nämä pimennykset eivät kuitenkaan toistuneet yhtä pitkin väliajoin, Rømer päätteli tämän johtuneen siitä, että Maan ja Jupiterin etäisyys vaihteli riippuen siitä, millä puolella Aurinkoa planeetat kulloinkin olivat, ja koska valolta kului tähän matkaan aikaa, pimennykset toisinaan vain näyttivät viivästyvän. Tällä perusteella hän sai lasketuksi, että valon nopeus oli noin 210 000 km/s. A.-H.-L. Fizeaun mittaukset 1800-luvun puolivälissä näyttivät valolle lähes yli 100 000 km/s suurempaa nopeutta. Myöhemmin nopeus saatiin määriteltyä sähköisten vakioiden avulla. Tämä saatiin ratkaisemalla James Clerk Maxwellin johtamien yhtälöiden avulla sähkömagneettisen säteilyn vaihenopeus: , jossa ε₀ on tyhjiön permittiivisyys ja μ₀ on tyhjiön permeabiliteetti. Léon Foucault oli aiemmin vuonna 1850 määrittänyt valon nopeuden ilmassa ja vedessä. Tulokset olivat hiukkasteorian kannalta hankalia: se ennusti vedessä kulkevan valon olevan nopeampi kuin ilmassa, mutta näin ei ollut. Sen myötä hiukkasteoriasta uskallettiin luopua.
1700-luvulla optiikan tutkimus koki jonkinlaisen laman; optiikan perusteet oli luotu eikä suuria läpimurtoja tapahtunut. Käytännöllisellä puolella taas keksittiin akromaattiset linssit, joiden mahdollisuutta Newton vahvasti epäili. Linssityypin keksi ensin vuonna 1733 Chester Moor Hall ja vielä toisen kerran vuonna 1757 John Dolland. Toinen 1700-luvun havainto oli James Bradleyn havaitsema tähtien aberraatio eli tähden näennäinen paikan muutos Maan liikesuunnassa. Sen luultiin olevan viimein ehdoton todiste Newtonin hiukkasteorian paremmuudesta, mutta 1800-luvulla tapahtui käänne.
Brittiläinen yleisnero Thomas Young oli päätynyt tutkimaan valon ominaisuuksia. Hänen vuonna 1801 tekemänsä koejärjestely tunnetaan nykyään kaksoisrakokokeena, jossa valonsäde kulkee ensin yksittäisen raon läpi ja sen jälkeen kahden ohuen pystysuoran raon läpi muutoin valoa läpäisemättömissä levyissä, joiden takana olevan levyn (heijastin, varjostin) pinnalle syntyy interferenssikuvio. Kuvioon vedoten Young osoitti valon olevan todellisuudessa poikittaista aaltoliikettä, eikä koostu hiukkasista kuten Newton oli väittänyt. Aaltoteoria tarvitsi silti lisää tukea, koska useimmat ilmiöt kyettiin selittämään hiukkasteorian avulla. Koe sai kuitenkin aikaan, että aaltoteoriaa alettiin yleisemmin kannattaa.
Vuonna 1800 William Herschel mittasi, kuinka tehokkaasti spektrin eriväriset valot lämmittävät kohteita, joihin ne osuivat. Hän teki uskomattoman havainnon: lämpeneminen oli suurimmillaan kohdassa, jossa ei ollut väriä lainkaan. Tämä vastasi säteitä, joiden aallonpituus oli suurempi kuin punaisella valolla. Herschel oli löytänyt ”näkymättömän valon”, jota nykyisin kutsutaan infrapunaksi. Valoon tuntui kuuluvan aiempaa laajempi alue, jota ihminen ei voi silmin havaita. Sen vuoksi Johan Ritter päätti tutkia, jatkuisiko valo myös violetin alueen ulkopuolelle. Tämän testaamiseksi hän hankki hopeakloridia, jonka hän oli kuullut tummenevan nopeammin sinisen kuin punaisen valon vaikutuksesta. Hän hajotti prisman avulla auringonvalon spektriksi ja asetti hopeakloridia jokaisen värin kohdalle. Hän havaitsi kuulemansa pitävän paikkansa, joten nyt hän asetti hopeakloridia violetin värialueen toisellekin puolelle ja havaitsi hopeakloridin tummenevan siellä vielä nopeammin. Uuden valoalueen hän nimesi ”kemiallisiksi säteiksi”, mutta niitä kutsutaan nykyään ultraviolettisäteilyksi.
Siinä missä 1600-luvulla optiikka kehittyi tähtitieteen vaikutuksessa, niin 1800-luvun puolivälissä se sai vetoapua sähkö- ja magnetismitutkimuksista. Michael Faraday pani merkille, että lineaarisesti polarisoidun valon polarisaatiotaso kääntyy magneettikentässä. Tätä sanotaan Faradayn kiertymäksi. Koska magneettikenttä vaikutti valoon, valolla oli oltava yhteys sähköön ja magnetismiin. Skotti James Clerk Maxwell sittemmin selitti tämän yhtälöidensä avulla: valo oli kapea osa sähkömagneettista säteilyä, minkä todensi kokeellisesti lopulta Heinrich Hertz.

Modernin optiikan aika

Koko fysiikan alalla tapahtui läpimurto vuonna 1900, kun Max Planck esitteli tiedepiireille energian kvanttiluonteen. Se merkitsi, että myös valo oli kvantittunut eli sillä oli sittenkin hiukkasluonne. Asian varmensi Albert Einstein selittäessään valosähköisen ilmiön. Jo neljä vuosisataa kestänyt kiista valon rakenteesta päättyi vuonna 1924, kun ranskalainen fyysikko Louis de Broglie osoitti valolla ja muilla hiukkasilla olevan aaltohiukkasdualistinen rakenne: valolla oli sekä hiukkas- että aaltoluonne. 1900-luvun ensimmäisinä vuosikymmeninä myös materiaalin rakenne alkoi selvitä fyysikoille. 
Lääketieteen ja biologian kannalta merkittäväksi keksinnöksi osoittautui Frits Zerniken vaihekontrastimikroskooppi, jolla paitsi saadaan erittäin tarkkoja kuvia soluista niin myös väriaineita ei tarvita. Kuvausmenetelmän ansiosta biologit onnistuivat ensimmäistä kertaa seuraamaan solusykliä. Yhdysvaltalainen Charles Townes ja hänen neuvostoliittolaiset kollegansa Nikolai Basov ja Aleksandr Prohorov saivat vuonna 1964 Nobelin fysiikanpalkinnon keksittyään ja rakennettuaan toimivan laserin. Dennis Gabor taas voitti palkinnon yhdeksän vuotta myöhemmin keksittyään hologrammit.

Valon luonne

Valoa tutkittaessa sen on havaittu olevan aaltoliikettä, joten se käyttäytyy rajapinnoissa samaan tapaan kuin mekaaninen aaltoliikekin.

Heijastuminen

Valonsäteen kohdatessa kappaleen pinnan osa siitä heijastuu. Heijastuminen tarkoittaa fysiikassa aaltoliikkeen kahden eri faasin rajapinnalla tapahtuvaa vuorovaikutusta, jossa aaltoliike muuttaa suuntaansa ja jatkaa liikettään samassa faasissa. Heijastuminen voidaan jakaa kahteen tyyppiin heijastavan pinnan ja materiaalin mukaan; spekulaariseen heijastumiseen tasaiselta pinnalta sekä diffusiiviseen eli hajaheijastukseen rosoiselta pinnalta.
Heijastuneen valon määrään vaikuttavat kappaleen tasaisuuden lisäksi myös materiaali; väliaineen ja heijastavan kappaleen taitekertoimien suhde on määräävässä asemassa. Osa valosta absorboituu heijastavan kappaleen materiaaliin, jonka vuoksi uskottiin, ettei täydellisesti heijastavaa peiliä ole mahdollista valmistaa. Vuonna 1998 MIT:n tieteilijät kuitenkin onnistuivat valmistamaan dielektrisen peilin pinoamalla pieniä telluuri- ja polystyreenitasoja päällekkäin. Näin saatu peili heijastaa kaiken siihen osuvan valon.
Heijastumiseen liittyvissä ongelmissa on kiinnostuttu yleisimmin valonsäteen kulmista. Valonsäteelle voidaan ilmoittaa kaksi kulmaa: tulokulma ja heijastuskulma. Tulokulma ilmoittaa sen kulman, jossa valonsäde saapuu kappaleen pintaan pinnan normaalin suhteen. Heijastuskulma taas ilmoittaa heijastuneen valonsäteen ja heijastaneen kappaleen normaalin välisen kulman. Kulmien suhdetta kuvaavan heijastuslain mukaan heijastuskulma on yhtä suuri kuin tulokulma materiaalista riippumatta. Tulo- ja heijastussäteet ovat samassa normaalin suuntaisessa tasossa, tulotasossa. Heijastuslaki pätee, kun pinnan rosoisuus on pienempi kuin valon aallonpituus, rosoisilla pinnoillakin eli diffusiivisessa heijastuksessa yksittäisten säteiden tapauksissa. Laki voidaan johtaa Huygensin periaatteesta.

Interferenssi ja diffraktio

Aaltoliikkeen interferenssi tarkoittaa eri aaltojen yhdistymistä superpositioperiaatteen mukaisesti. Valoaaltojen vaihe-erosta riippuu mitä näiden ”summalle” käy. Jos aallot ovat vastakkaisissa vaiheissa, ne heikentävät toisiaan interferoidessaan ja voivat jopa sammuttaa toisensa. Puhutaan destruktiivisesta interferenssistä. Jos aallot ovat samassa vaiheessa, ne vahvistavat toisiaan (konstruktiivinen interferenssi), jolloin valon intensiteetti kasvaa. Koherentissa säteilyssä vaihe-ero on jakuvasti vakio. Tällaista säteilyä tuottavat esimerkiksi laserit ja maserit. Interferenssi ilmenee parhaiten nimenomaan laserin valolla, joka on koherenttia ja monokromaattista eli sen tuottama valo on yksiväristä (aallonpituus sama).
Diffraktio eli valon taipuminen on ilmiö, jossa esimerkiksi rako vaikuttaa valon kulkuun. Taipumista tapahtuu jatkuvasti valon kohdatessa kappaleen. Arkielämässä diffraktiota ei tosin voi helposti huomata, koska valaistus on polykromaattista (valkoista valoa) ja eri aallonpituuksien diffraktoituessa ne interferoivat eikä mitään selvää kuviota voi havaita. Diffraktio jaetaan tavallisesti Fresnelin diffraktioon ja Fraunhoferin diffraktioon. Fresnelin diffraktio tapahtuu, kun aaltorintama on kaareva, ja Fraunhoferin diffraktio, kun aaltorintama on selvästi tasomainen. Diffraktio rajoittaa geometrisen optiikan pätevyysaluetta.

Polarisaatio

Valon tai yleisemmin sähkömagneettisen säteilyn polarisaatiolla tarkoitetaan valoaaltoon liittyvän sähkökentän värähtelysuuntaa. Valoa kutsutaan täysin polarisoituneeksi, jos siinä on vain yhteen suuntaan värähtelevää valoa. Valo polarisoituu aina sen saapuessa rajapintaan vinossa kulmassa. Näin ollen heijastunut ja taittunut valo ovat aina osittain polarisoituneita, ei kuitenkaan kokonaisheijastunut valo. Brewsterin lain mukaan heijastunut valo on täysin polarisoitunutta, kun samasta pinnasta heijastunut ja taittunut säde ovat toisiaan vastaan kohtisuorassa eli kun heijastus- ja taitekulman summa on 90 astetta. Brewsterin laki ei koske metalleja, koska niiden pinnasta heijastunut valo polarisoituu huonosti. Tämä on luonnollista, kun otetaan huomioon, että metallit ovat valoa läpäisemättömiä. Kun mikään osa tulevasta valosta ei taitu metallin sisään, seuraa siitä, että kaikki valo kaikkine polarisaatiosuuntineen heijastuu.

Fysikaalinen optiikka

Fysikaalinen tai joskus myös aalto-optiikka tutkii valon luonnetta ja siitä johtuvia ominaisuuksia. Tästä syystä fysikaalisen optiikan tutkimuskohteet ovat moninaisempia.

Kvanttioptiikka

Kvanttioptiikka tutkii fysikaalisen optiikan tavoin valon rakennetta, mutta kvanttifysiikan näkökulmasta.

Tilastollinen optiikka

Tilastollinen eli statistinen optiikka on suhteellisen uusi optiikan ala. Se syntyi kvanttimekaniikan tilastollisen tulkinnan seurauksena, mutta sen tutkimus lähti kunnolla alkuun vasta laserin löydön jälkeen.