Quang học

Quang học là một ngành của vật lý học nghiên cứu các tính chất và hoạt động của ánh sáng, bao gồm tương tác của nó với vật chất và các chế tạo ra các dụng cụ nhằm sử dụng hoặc phát hiện nó. Phạm vi của quang học thường nghiên cứu ở bước sóng khả kiến, tử ngoại, và hồng ngoại. bởi vì ánh sáng là sóng điện từ, những dạng khác của bức xạ điện từ như tia X, sóng vi ba, và sóng vô tuyến cũng thể hiện các tính chất tương tự.
Hầu hết các hiện tượng và hiệu ứng quang học có thể được miêu tả phù hợp bởi điện từ học cổ điển. Tuy nhiên, cách miêu tả điện từ đầy đủ của ánh sáng lại rất khó áp dụng trong thực tiễn. Quang học thực hành thường sử dụng các mô hình đơn giản. Theo nghĩa chung nhất đó là quang hình học, ngành nghiên cứu tính chất của tia sáng khi nó lan truyền trong môi trường theo đường thẳng hoặc bị lệch hay phản xạ giữa các môi trường. Quang học vật lý là mô hình đầy đủ hơn về ánh sáng, bao gồm các hiệu ứng có bản chất sóng như nhiễu xạ và giao thoa mà không thể giải thích bởi quang hình học. Về mặt lịch sử, các nhà vật lý đã phát triển mô hình tia sáng đầu tiên, sau đó là mô hình sóng và mô hình hạt ánh sáng. Sự phát triển của lý thuyết điện từ học trong thế kỷ 19 đã dẫn tới khám phá ra rằng ánh sáng có bản chất là một loại bức xạ điện từ.
Một số hiệu ứng của ánh sáng chỉ có thể giải thích dựa trên bản chất lưỡng tính sóng hạt của ánh sáng. Cơ sở của những hiệu ứng này được miêu tả bởi cơ học lượng tử. Khi xem ánh sáng có tính chất hạt, thì ánh sáng được mô hình bởi tập hợp các hạt gọi là "photon". Quang học lượng tử là ngành ứng dụng các tính chất lượng tử để nghiên cứu các hệ quang học.
Ngành quang học có sự liên quan và ứng dụng cho nhiều lĩnh vực như thiên văn học, các lĩnh vực kỹ thuật, chụp ảnh, và y học (bao gồm nghiên cứu về mắt và đo lường thị lực). Những ứng dụng của quang học có thể thấy trong nhiều lĩnh vực công nghệ và đời sống, như gương, thấu kính, kính thiên văn, kính hiển vi, laser, và sợi quang học.

Quang hình học

Quang hình học có thể chia thành hai nhánh chính: quang hình học và quang học vật lý. Trong quang hình học hay quang học tia sáng, ánh sáng được coi là truyền đi theo đường thẳng, còn trong quang học vật lý hay quang học sóng, ánh sáng được coi là một dạng sóng điện từ.
Quang hình học có thể xem như là một bộ phận của quang học vật lý khi coi bước sóng ánh sáng nhỏ hơn nhiều so với các dụng cụ quang học hoặc đối với các mô hình được áp dụng.

Các xấp xỉ

Quang hình học thường được đơn giản hóa bằng cách xấp xỉ bàng trục, hay "xấp xỉ góc nhỏ". Các phương trình toán học miêu tả xấp xỉ sẽ trở lên tuyến tính, cho phép các thành phần và hệ quang học được miêu tả theo các ma trận đơn giản. Phương pháp này được miêu tả bởi lý thuyết quang học Gauss và tia bàng trục, cho phép tìm ra các tính chất cơ bản của quang hệ, như hình ảnh, vị trí xấp xỉ và độ phóng đại của vật.

Mô hình và thiết kế hệ thống quang học sử dụng quang học sóng

Có nhiều cách xấp xỉ đơn giản cho thiết kế và phân tích các quang hệ. Đa số sử dụng một đại lượng vô hướng để biểu diễn trường điện từ của sóng ánh sáng, hơn là sử dụng vectơ với các vectơ điện và vectơ từ vuông góc với nhau. Phương trình Huygens–Fresnel là một trong những mô hình như thế. Mô hình này do Fresnel rút ra từ thực nghiệm vào năm 1815, dựa trên giả thuyết của Huygen rằng mỗi điểm nằm trên đầu sóng là nguồn cho các sóng thứ cấp mới; và sự lan truyền của toàn bộ là tổng của các sóng thứ cấp đến từ mọi điểm trong môi trường mà sóng đã đi qua, mà Fresnel kết hợp với nguyên lý giao thoa của sóng. Phương trình Huygens-Fresnel có nền tảng vật lý từ phương trình nhiễu xạ Kirchhoff, mà nó thu được từ phương trình Maxwell. Ví dụ về ứng dụng của nguyên lý Huygens–Fresnel như giải thích các hiện tượng khúc xạ và mô hình khúc xạ Fraunhofer.
Những mô hình phức tạp hơn, bao hàm mô hình về điện trường và từ trường của sóng ánh sáng, đòi hỏi cần thiết khi xét tới tương tác giữa ánh sáng và vật chất nơi tương tác này phụ thuộc vào tính chất điện và tính chất từ của vật chất. Ví dụ, hành xử của ánh sáng tương tác với bề mặt kim loại rất khác với khi nó tương tác với vật liệu điện môi. Mô hình vectơ cũng cần thiết khi giải thích sự phân cực của ánh sáng.
Các kỹ thuật mô phỏng bằng máy tính như sử dụng phương pháp phần tử hữu hạn, phương pháp phần tử biên có thể dùng để mô hình hóa sự lan truyền của ánh sáng trong hệ mà không thể thu được nghiệm giải tích. Những mô hình này đòi hỏi phương pháp số và thường dùng để giải các vấn đề yêu cầu độ chính xác tương đối xấp xỉ so với các nghiệm giải tích thu được.
Tất cả các kết quả của quang hình học có thể rút ra nhờ kỹ thuật của lĩnh vực quang học Fourier mà có thể áp dụng cho nhiều kỹ thuật toán học và phân tích sử dụng trong kỹ thuật âm thanh và xử tín hiệu.
Phương pháp hàm Gauss về sự lan truyền của chùm điện từ là mô hình quang học vật lý bàng trục cho sự lan truyền của bức xạ kết hợp như chùm laser. Kỹ thuật này có tính đến hiện tượng khúc xạ, cho phép tính toán chính xác tỷ lệ một chùm laser mở rộng theo khoảng cách, và kích thước tối thiểu mà chùm có thể tập trung được. Phương pháp hàm Gauss đã bắc cầu nối khoảng cách giữa quang hình học và quang học vật lý.

Ánh sáng tự nhiên

Hầu hết các nguồn bức xạ điện từ chứa nhiều phân tử và nguyên tử phát ra bức xạ. Hướng của điện trường tạo ra bởi các nguồn này có thể không tương quan với nhau, trong trường hợp này ánh sáng được coi là không phân cực. Nếu có sự tương quan một phần giữa các nguồn, ánh sáng sẽ phân cực một phần. Nếu toàn bộ dải phổ ánh sáng của nguồn phân cực đều như nhau, ánh sáng phân cực một phần có thể được miêu tả như là kết quả của sự chồng chập hoàn toàn của thành phần ánh sáng không phân cực với thành phần ánh sáng phân cực. Từ đây có thể mô tả ánh sáng theo số hạng "bậc phân cực", và tham số phân cực elip.
Ánh sáng phản xạ twf vật liệu trong suốt bị phân cực một phần hay toàn bộ, ngoại trừ tia sáng vuông góc với bề mặt vật liệu. Hiệu ứng này cho phép nhà toán học Étienne-Louis Malus thí nghiệm và đưa ra mô hình toán học về ánh sáng phân cực. Sự phân cực xuất hiện khi ánh sáng tán xạ trong khí quyển. Ánh sáng tán xạ tạo ra độ trắng và nền màu xanh da trời khi trời quang mây. Sự phân cực một phần này của ánh sáng tán xạ đem lại thuận lợi cho khoa học chụp ảnh khi áp dụng thêm các bộ lọc phân cực để thu được chất lượng ảnh tốt hơn. Sự phân cực quang học có vai trò quan trọng trong hóa học do hiệu ứng quay quang học và phân cực tròn ("lưỡng chiết tròn") thể hiện ở các phân tử quang hóa học.

Hiệu ứng Kapitsa–Dirac

Hiệu ứng Kapitsa–Dirac làm các chùm hạt bị nhiễu xạ khi gặp sóng đứng ánh sáng. Ánh sáng có thể dùng để định vị vật chất thông qua nhiều hiệu ứng khác nhau.

Ứng dụng

Quang học có mặt trong đời sống hàng ngày. Hệ thống thị giác có mặt ở khắp nơi trong ngành sinh học cho thấy vai trò trung tâm của quang học như là khoa học của một trong năm giác quan. Nhiều người hưởng lợi từ việc đeo kính mắt hoặc kính áp tròng, và quang học được áp dụng để đưa ra nhiều hàng hóa tiêu dùng chất lượng như máy ảnh. Cầu vồng và ảnh mờ ảo (mirage) là các ví dụ cho hiện tượng quang học. Thông tin quang là nền tảng cho các công nghệ Internet và truyền thông.