Optika

[mini|desno|247x247px|Između ostalog, optika proučava i [disperzija (optika)|disperziju svjetlosti.]]
**Optika** je grana fizike koja proučava ponašanje i osobine svjetlosti, uključujući njene interakcije s materijom, a bavi se i konstrukcijom instrumenata koji se koriste svjetlošću ili je otkrivaju. Obično opisuje ponašanje vidljive, ultraljubičaste i infracrvene svjetlosti. Zbog toga što je svjetlost elektromagnetni talas, ostali oblici elektromagnetnog zračenja, kao što su rendgensko i mikrotalasno zračenje i radiotalasi, ispoljavaju slične osobine. Stari Rimljani i Grci ispunjavali su staklene kugle vodom da bi napravili leće. Ovaj praktični razvoj pratio je i razvoj teorija o svjetlosti i vidu od strane starih grčkih i indijskih filozofa, kao i razvoj geometrijske optike u grčko-rimskom svijetu. Sama riječ *optika* potječe od starogrčke riječi ὀπτική (*optikē*), što znači "pojava, izgled".

U grčkoj filozofiji prevladavale su dvije suprotstavljene teorije o optici vezane za to kako funkcionira čulo vida: "intromisijska" i "emisijska". Prema prvoj, vid dolazi od predmeta koji otpuštaju svoje kopije (zvane *eidole*), koje oko hvata. Uz mnoge propagatore, uključujući Demokrita, Epikura, Aristotela i njihove sljedbenike, izgleda da ova teorija ima nekog dodira s modernim teorijama o tome šta je zapravo vid, ali ostala je samo špekulacija bez ikakvog eksperimentalnog utemeljenja.

Platon je prvi jasno uobličio emisijsku teoriju, ideju po kojoj se vizualna percepcija ostvaruje zahvaljujući zrakama koje emitiraju oči. U djelu *Timaj* također je komentirao parnost obrnutih likova u ogledalima. Nekih 100 godina kasnije Euklid je napisao traktat *Optika*, u kojem je vid povezao sa geometrijom, ustanovivši tako *geometrijsku optiku*. Svoj rad zasnovao je na Platonovoj emisijskoj teoriji. Opisao je matematička pravila perspektive i kvalitativno opisao efekte refrakcije iako je doveo u pitanje tvrdnju da snop svjetlosti iz oka može trenutno osvijetliti zvijezde svaki put kad neko trepne. U svom traktatu *Optika* Ptolemej zastupa ekstramisijsko-intromisijsku teoriju vida: zrake (ili protok) iz oka formiraju kupu, čiji je vrh u unutrašnjosti oka, a njena baza definira vidno polje. Zrake su bile osjetljive i prenosile su informacije o udaljenosti i orijentaciji površina nazad do posmatračevog razuma. On je rekapitulirao većinu Euklidovog rada i otišao dalje od njega opisavši način mjerenja ugla refrakcije iako nije uspio uočiti empirijsku vezu između njega i upadnog ugla.

[mini|upright|[Alhazen (Ibnul-Hejsem), "otac optike"]]
[mini|desno|upright|Reprodukcija stranice [Ibn-Sehlovog rukopisa koja pokazuje njegovo znanje o zakonu refrakcije.]]
Tokom srednjeg vijeka grčke ideje o optici obnovili su i proširili autori iz tadašnjeg muslimanskog svijeta. Jedan od najranijih bio je El-Kindi (oko 801–873), koji je pisao na osnovu euklidskih i aristotelovskih ideja o optici, favorizirajući emisijsku teoriju zato što je (po njegovom mišljenju) mogla bolje objasniti optičke pojave. Godine 984. perzijski matematičar Ibn-Sehl napisao je traktat *O gorućim ogledalima i lećama*, ispravno opisavši zakon refrakcije ekvivalentan Snellovom zakonu. Koristio se ovim zakonom da izračuna optimalne oblike leća i sfernih ogledala. Početkom 11. stoljeća Alhazen (Ibnul-Hejsem) napisao je *Knjigu o optici* (*Kitabul-menazir*), u kojoj je istraživao refleksiju i refrakciju i predložio novi sistem za objašnjavanje vida i svjetlosti, zasnovan na posmatranju i eksperimentu. Odbacio je emisijsku teoriju iz ptolemejske optike i umjesto nje predložio ideju da se svjetlost pravolinijski odbija u svim smjerovima od svih vidljivih tačaka datog objekta i zatim ulazi u oko iako nije mogao objasniti kako oko hvata zrake. Alhazenovo djelo bilo je uglavnom zanemareno u arapskom svijetu, ali je anonimno prevedeno na latinski oko 1200. godine, a dodatno ga je proširio poljski monah Witelo, učinivši ga standardnim udžbenikom optike u Evropi u narednih 400 godina.

U 13. stoljeću u Evropi engleski biskup Robert Grosseteste pisao je o mnogim naučnim temama raspravljajući o svjetlosti iz četiri perspektive: epistemologija svjetlosti, metafizika ili kosmogonija svjetlosti, etiologija ili fizika svjetlosti i teologija svjetlosti, zasnivajući to na Aristotelovim djelima i platonizmu. Grossetesteov najpoznatiji učenik, Roger Bacon, napisao je radove u kojima je citirao širok raspon nedavno prevedenih djela iz filozofije i optike, uključujući djela Alhazena, Aristotela, Avicene, Ibn-Rušda, Euklida, El-Kindija, Ptolemeja, Tideja i Konstantina Afrikanca. Bacon je bio u mogućnosti koristiti dijelove staklenih sfera kao lupe da pokaže da se svjetlost odbija od objekata umjesto da je objekti emitiraju.

Prve naočale izumljene su u Italiji oko 1286. Ovo je bio početak optičke industrije struganja i poliranja leća za ove "naočale", najprije u Veneciji i Firenci u 13. stoljeću, a kasnije u centrima za proizvodnju naočala u Holandiji i Njemačkoj. Proizvođači naočala napravili su poboljšane vrste leća za korekciju vida zasnovane više na empirijskom znanju stečenom posmatranjem efekata leća nego na korištenju proste optičke teorije tog vremena (koja uglavnom nije mogla adekvatno objasniti čak ni to kako naočale funkcioniraju). Ovaj praktični razvoj, majstorstvo i eksperimentiranje lećama direktno su doveli do izuma složenog optičkog mikroskopa oko 1595. i refraktorskog teleskopa 1608. u centrima za proizvodnju naočala u Holandiji.

Početkom 17. stoljeća Johannes Kepler u svojim je radovima proširio poglede na geometrijsku optiku, osvrnuvši se na leće, odbijanje svjetlosti od ravnih i sfernih ogledala, način rada stenopeičnih kamera, upravljanje zakona obrnutih kvadrata jačinom svjetlosti i optička objašnjenja astronomskih pojava kao što su pomračenje Mjeseca i Sunca i astronomska paralaksa. Također je uspio utvrditi ulogu mrežnjače kao organa koji zapravo bilježi slike i konačno naučno kvantificirati efekte različitih vrsta leća koje su proizvođači naočala posmatrali prethodnih 300 godina. Nakon izuma teleskopa Kepler je postavio teorijsku osnovu za način na koji teleskopi rade i opisao poboljšanu verziju, poznatu kao *Keplerov teleskop*, koristeći se dvjema konveksnim lećama da dobije veće uvećanje.

mini|desno|upright|Naslovna stranica prvog izdanja Newtonove *Optike*
Optička teorija unaprijeđena je sredinom 17. stoljeća traktatima filozofa Renéa Descartesa, u kojima su objašnjene razne optičke pojave, uključujući refleksiju i refrakciju, s pretpostavkom da svjetlost emitiraju objekti koji je proizvode. Ova tvrdnja značajno se razlikovala od starogrčke emisijske teorije. Krajem 1660-ih i početkom 1670-ih Isaac Newton proširio je Descartesove ideje i postavio korpuskularnu teoriju svjetlosti, poznatu po tome što je odredila da je bijela svjetlost mješavina boja koja se može razložiti na sastavne dijelove pomoću prizme. Godine 1690. Christiaan Huygens predložio je talasnu teoriju svjetlosti, zasnovanu na sugestijama Roberta Hookea iz 1664. Sam Hooke javno je kritizirao Newtonove teorije o svjetlosti i prepirka među njima trajala je do Hookeove smrti. Godine 1704. Newton je objavio *Optiku* i, u to vrijeme, djelomično zbog njegovog uspjeha u drugim oblastima fizike, općenito je smatran pobjednikom u debati o prirodi svjetlosti. Talasna optika uspješno je ujedinjena s Maxwellovom elektromagnetnom teorijom u 1860-ima.

Sljedeći razvoj u optičkoj teoriji desio se 1899, kad je Max Planck ispravno modelirao zračenje crnog tijela pretpostavivši da se razmjena energije između svjetlosti i materije dešava jedino u diskretnim količinama, koje je nazvao *kvantovima*. Godine 1905. Albert Einstein objavio je teoriju o fotoelektričnom efektu, koja je čvrsto uspostavila kvantizaciju same svjetlosti. Godine 1913. Niels Bohr pokazao je da atomi mogu emitirati samo diskretne količine energije, objasnivši tako diskretne linije viđene u emisijskom spektru i apsorpcijskim spektrima. Razumijevanje interakcije između svjetlosti i materije, koje je rezultiralo iz ovih razvoja, ne samo da je formiralo osnovu kvantne optike nego je bilo i ključno za razvoj kvantne mehanike kao cjeline. Krajnji vrhunac, teorija kvantne elektrodinamike, objašnjava sve optičke i elektromagnetne procese općenito kao rezultat razmjene stvarnih i virtualnih fotona.

Kvantna optika dobila je praktičnu važnost otkrićem masera 1953. i lasera 1960. Prateći rad Paula Diraca u oblasti kvantne teorije polja, George Sudarshan, Roy J. Glauber i Leonard Mandel primijenili su kvantnu teoriju na elektromagnetno polje u 1950-ima i 1960-ima da dođu do detaljnijeg razumijevanja fotodetekcije i statistike svjetlosti.

## Klasična optika 
Dijeli se na dvije glavne grane: geometrijsku optiku (ili optiku zrâkā) i fizikalnu (ili talasnu) optiku. U geometrijskoj optici za svjetlost se smatra da se kreće pravolinijski, dok se u fizikalnoj smatra da je svjetlost elektromagnetni talas.

Geometrijska optika može se smatrati približnim predstavljanjem fizikalne optike koje se primjenjuje kad je talasna dužina korištene svjetlosti mnogo manja od veličine optičkih elemenata u sistemu koji se modelira.

### Geometrijska optika 
mini|231x231px|desno|Geometrija refleksije i refrakcije svjetlosnih zraka
*Geometrijska optika* ili *optika zrâkā* opisuje širenje svjetlosti kao "zraka" koje se kreću pravolinijski i čije su putanje određene zakonima refleksije i refrakcije na prijelaznim površinama između različitih sredina. Ovi zakoni otkriveni su empirijski i potječu najranije iz 984

#### Aproksimacija 
Geometrijska optika često se uprošćuje upotrebom paraksijalne aproksimacije ili "aproksimacije malog ugla". Matematičko ponašanje tada postaje linearno, omogućujući da se optičke komponente i sistemi opišu prostim matricama. Ovo dovodi do tehnika zvanih Gaußova optika i *paraksijalno praćenje zraka*, koje se koriste za otkrivanje osnovnih osobina optičkih sistema, kao što su približna slika i položaj objekata i uvećavanja.

#### Refleksija 
okvir|Dijagram ogledalne refleksije
Refleksija se može podijeliti na dva tipa: ogledalnu i difuznu refleksiju. Ogledalna opisuje sjajnost površina kao što su ogledala, koja reflektiraju svjetlost na jednostavan i predvidljiv način. Ovo omogućuje produkciju reflektiranih slika koje se mogu povezati sa stvarnim (realnim) ili ekstrapoliranim (virtualnim) lokacijama u prostoru. Difuzna refleksija opisuje materijale koji nemaju sjaj, kao što su papir ili kamen. Refleksije od ovih površina mogu se opisati jedino statistički, gdje tačna distribucija reflektirane svjetlosti zavisi od mikroskopske strukture materijala. Mnogi difuzni reflektori opisuju se ili mogu biti približno predstavljeni Lambertovim zakonom, koji opisuje površine koje imaju jednaku luminanciju (sjajnost, svjetljivost) gledano iz bilo kojeg ugla. Sjajne površine mogu dati i ogledalnu i difuznu refleksiju.

Kod ogledalne, smjer reflektirane zrake određen je uglom koji upadna zraka stvara s površinskom normalom, linijom okomitom na površinu u tački u kojoj svjetlost stvara kontakt s površinom. Upadne i reflektirane zrake i normala leže u jednoj ravni, a ugao između odbijene zrake i površinske normale jednak je onome između upadne zrake i normale. Ovo je poznato kao zakon refleksije.

Kod ravnih ogledala zakon refleksije implicira da su slike objekata uspravne i na jednakom udaljenosti iza ogledala kao objekti koji su ispred ogledala. Veličina slike ista je kao veličina objekta. Ovaj zakon također implicira da su ogledalne slike parno invertirane (obrnuto preslikane), što mi percipiramo kao inverziju lijevo-desno. Slike dobijene refleksijom od dvaju (ili bilo kojeg parnog broja) ogledala nisu obrnuto preslikane. Ugaoni reflektori

Za svjetlosne zrake koje se kreću iz materijala s visokim u materijal s niskim indeksom prelamanja Snellov zakon predviđa da \theta_2 ne postoji kad je \theta_1 velik. U ovom slučaju ne dešava se nikakav prijenos; sva svjetlost biva reflektirana. Ova pojava zove se potpuna unutrašnja refleksija i ona omogućuje tehnologiju optičkih vlakana. Kako se svjetlost kreće optičkim vlaknom, dolazi do potpune unutrašnje refleksije, zahvaljujući čemu nema gubitka ni najmanje njene količine cijelom dužinom kabela.

Praćenje zrake može se koristiti da se pokaže kako leća formira sliku. Za tanku leću na zraku lokacija slike određuje se jednostavnom jednačinom

:\frac{1}{S_1} + \frac{1}{S_2} = \frac{1}{f},

gdje je S_1 udaljenost objekta od leće, S_2 udaljenost od leće do slike, a f žarišna dužina leće. Prema pravilima za označavanje predznacima korištenim ovdje, udaljenosti objekta i slike pozitivne su ako su objekt i slika na suprotnim stranama leće. Postojanje elektromagnetnih talasa predviđeno je 1865. Maxwellovim jednačinama. Ovi talasi šire se brzinom svjetlosti i imaju promjenjivo električno i magnetno polje, koja su ortogonalna jedno na drugo i također se kreću u smjeru širenja talasa. Svjetlosni talasi danas se općenito tretiraju kao elektromagnetni talasi osim kad u razmatranje moraju biti uzeti kvantnomehanički efekti.

#### Modeliranje i dizajn optičkih sistema pomoću talasne optike 
Mnoge pojednostavljene aproksimacije dostupne su za analiziranje i dizajniranje optičkih sistema. Većina njih koristi jednu skalarnu veličinu da predstavi električno polje svjetlosnog talasa umjesto modela s vektorom s ortogonalnim električnim i magnetnim vektorima.

Huygens–Fresnelova jednačina jedan je takav model. Nju je empirijski izveo Fresnel 1815. na osnovu Huygensove pretpostavke da svaka tačka na talasnom frontu generira sekundarni sferni talasni front, što je Fresnel kombinirao s principom superpozicije talasa. Kirchhoffova jednačina za difrakciju, koja se izvodi pomoću Maxwellovih jednačina, postavlja Huygens-Fresnelovu jednačinu na čvršće fizičke osnove. Primjeri primjene Huygens–Fresnelovog principa mogu se naći u odjeljcima o difrakciji i Fraunhoferovoj difrakciji.

Složeniji modeli, uključujući modeliranje i električnih i magnetnih polja svjetlosnog talasa, potrebni su kad se radi o detaljnijoj interakciji svjetlosti s materijalima gdje ta interakcija zavisi od njihovih električnih i magnetnih svojstava. Naprimjer, svjetlosni talas ponaša se na jedan način u interakciji s metalnim površinama, a sasvim drugačije u interakciji sa dielektričnim materijalom. Za modeliranje polarizirane svjetlosti također se mora koristiti vektorski model.

Tehnike numeričkog modeliranja kao što su metoda finitnog elementa, metoda graničnog elementa i metoda matrice transmisijskih linija mogu se koristiti za modeliranje širenja svjetlosti u sistemima koji se ne mogu riješiti analitički. Takvi modeli računski su zahtjevni i obično se koriste jedino za rješavanje malih problema koji zahtijevaju preciznost veću od one koja se može postići analitičkim rješenjima.

Svi rezultati iz geometrijske optike mogu se dobiti pomoću tehnika Fourierove optike, koja primjenjuje mnoge od istih matematičkih i analitičkih tehnika korištenih u akustičnom inženjerstvu i obradi signala.

Širenje Gaußovog snopa jednostavni je paraksijalni talasnooptički model za širenje koherentnog zračenja kao što su laserski snopovi. Ova tehnika djelomično je odgovorna za difrakciju, omogućujući prezicne kalkulacije stepena kojim se laserski snop širi sa daljinom i minimalnu veličinu do koje se ovaj snop može sabrati u žarište. Širenje Gaußovog snopa tako premošćuje prazninu između geometrijske i talasne optike.

#### Superpozicija i interferencija 
U odsustvu nelinearnih efekata princip superpozicije može se koristiti za predviđanje oblika uzajamno djelujućih talasa pomoću jednostavnog dodavanja njihovih faza.

mini|desno|300px|Kad se prolije ulje ili gorivo, formiraju se raznobojni uzorci usljed interferencije tankih slojeva.
Budući da Huygens–Fresnelov princip tvrdi da je svaka tačka talasnog fronta povezana s nastankom novog talasa, moguće je da talasni front interferira sa samim sobom konstruktivno ili destruktivno na različitim lokacijama proizvodeći svijetle i tamne šare u pravilnim i predvidljivim uzorcima. Michelsonov interferometar bio je poznati instrument koji je koristio efekte interferencije da precizno izmjeri brzinu svjetlosti.
Pojava tankih slojeva i prevlaka direktno je pogođena efektima interferencije. Antireflektivne prevlake koriste destruktivnu interferenciju da smanje reflektivnost površina na koje se primjenjuju i mogu se upotrijebiti da se minimiziraju blještanje i neželjene refleksije. Najjednostavniji slučaj jest sloj čija je debljina jednaka četvrtini talasne dužine upadne svjetlosti. Talas reflektiran od vrha sloja i talas reflektiran od granične površine sloja/materijala nalaze se tačno 180° van faze, uzrokujući destruktivnu interferenciju. Ovi su talasi van faze za tačno i jedino jednu talasnu dužinu, koja obično biva odabrana tako da bude blizu centra vidljivog spektra (oko 550&nbsp;nm). Složeniji dizajni koji koriste višestruke slojeve mogu postići nisku reflektivnost na širokom pojasu ili ekstremno nisku reflektivnost na jednoj talasnoj dužini.

Konstruktivna interferencija u tankim slojevima može proizvesti snažnu refleksiju svjetlosti u rasponu talasnih dužina, koji može biti uzak ili širok, u zavisnosti od dizajna prevlake. Ovi slojevi koriste se za proizvodnju dielektričnih ogledala, filtera za interferenciju, vrućih ogledala i filtera za razdvajanje boja u kamerama za televiziju u boji. Ovaj efekt interferencije također stvara uzorke duginih boja viđene u mrljama od ulja ili nafte. Kasnije u tom stoljeću Robert Hooke i Isaac Newton također su opisali pojavu danas poznatu kao difrakcija u Newtonovim prstenovima, dok je James Gregory zabilježio svoja zapažanja o difrakcijskim uzorcima na ptičijim perima.

Prvi talasnooptički model difrakcije koji se oslanjao na Huygens–Fresnelov princip razvio je 1803. Thomas Young u svojim interferencijskim eksperimentima s interferencijskim shemama dobijenim na dvama uskim otvorima na malom međusobnom rastojanju. Young je pokazao da se njegovi rezultati mogu objasniti jedino ako se ovi uski otvori ponašaju kao dva jedinstvena izvora talasa, a ne kao izvori čestica. Godine 1815. i 1818. Augustin-Jean Fresnel čvrsto je matematički objasnio kako interferencija talasa može biti odgovorna za difrakciju.

Ova jednačina malo je modificirana kako bi uzela u obzir razne situacije, kao što su difrakcija kroz jedan otvor, difrakcija kroz više otvora ili difrakcija kroz difrakcijsku rešetku koja sadrži velik broj otvora na jednakim razmacima.

Rendgenska difrakcija iskorištava činjenicu da atomi u kristalu imaju jednak razmak na rastojanjima koja su u redu 1 ongstrema. Da bi se vidjele difrakcijske sheme, rendgenske zrake s talasnim dužinama sličnim tom rastojanju puštaju se da prođu kroz kristal. Budući da su kristali trodimenzionalni objekti, a ne dvodimenzionalne rešetke, povezane difrakcijske sheme variraju u dva smjera u skladu sa Braggovom refleksijom, pri čemu se povezane svijetle tačke pojavljuju u jedinstvenim shemama, a d je dvaput veće od razmaka između atoma.

#### Raspršivanje i rasijanje 
mini|desno|Konceptualna animacija raspršivanja svjetlosti kroz prizmu. Svjetlost visoke frekvencije (plava) najviše je zakrivljena, a svjetlost niske frekvencije (crvena) najmanje.

Refraktivni procesi odvijaju se u granicama talasne optike, gdje je talasna dužina svjetlosti slična ostalim rastojanjima, kao jedan vid rasijanja. Najjednostavniji tip rasijanja jest Thomsonovo rasijanje, koje se dešava kad se elektromagnetni talasi zakrive usljed djelovanja pojedinih čestica. U granicama Thomsonovog rasijanja, u kojem je talasna priroda svjetlosti očita, svjetlost se raspršuje nezavisno od frekvencije, za razliku od Comptonovog rasijanja, koje je zavisno od frekvencije i strogo kvantnomehanički proces, a uključuje čestičnu prirodu svjetlosti. U statističkom smislu, elastično rasijanje svjetlosti djelovanjem brojnih čestica mnogo manjih od talasne dužine svjetlosti jest proces poznat kao Rayleighovo rasijanje, dok je sličan proces rasijanja djelovanje čestica koje su slične talasnoj dužini ili veće od nje poznat kao Mieovo rasijanje, čiji je najčešće primijećen rezultat Tyndallov efekt. Manja količina rasijanja svjetlosti od atoma ili molekula može proći kroz Ramanovo rasijanje, u kojem se frekvencija mijenja usljed uzbuđenosti atoma i molekula. Brillouinovo rasijanje dešava se kad se frekvencija svjetlosti mijenja zbog lokalnih promjena u vremenu i kretanju gustih materijala.

Do raspršivanje (disperzije) dolazi kad različite frekvencije svjetlosti imaju različite fazne brzine, bilo zbog svojstava materijala (*materijalno raspršivanje*), bilo zbog geometrije svjetlovoda (*svjetlovodno raspršivanje*). Najpoznatiji oblik raspršivanja jest smanjenje indeksa prelamanja s povećanjem talasne dužine, koje je vidljivo kod većine prozirnih materijala. Ovo se naziva "normalnim raspršivanjem". Dešava se u svim dielektričnim materijalima u rasponima talasnih dužina pri kojima materijal ne upija svjetlost. U rasponima talasnih dužina pri kojima sredina ima značajno upijanje svjetlosti indeks prelamanja može porasti s talasnom dužinom. Ovo se naziva "anomalnim raspršivanjem". Za jednoličnu sredinu grupna brzina jest

:v_g = c \left( n - \lambda \frac{dn}{d\lambda} \right)^{-1},

gdje je *n* indeks prelamanja, a *c* brzina svjetlosti u vakuumu. Ovo daje jednostavniji oblik parametra kašnjenja raspršivanja:

:D = - \frac{\lambda}{c} \, \frac{d^2 n}{d \lambda^2}.

Ako je *D* manje od nule, kaže se da sredina ima *pozitivno* ili normalno raspršivanje. Ako je *D* veće od nule, sredina ima *negativno raspršivanje*. Ako se svjetlosni puls kreće kroz sredinu s normalnim raspršivanjem, rezultat je da komponente s višom frekvencijom usporavaju više nego komponente s nižom frekvencijom. Puls stoga postaje *pozitivno frekvencijski moduliran* i frekvencija mu se povisuje s protokom vremena. Ovo uzrokuje da se spektar koji izlazi iz prizme pojavljuje u takvom stanju da je crvena svjetlost najmanje, a plava/ljubičasta svjetlost najviše prelomljena. Obrnuto, ako se puls kreće kroz sredinu s anomalnim (negativnim) raspršivanjem, komponente s višom frekvencijom kreću se brže od onih s nižom frekvencijom, pa puls postaje *negativno frekvencijski moduliran* i frekvencija mu se snižava s protokom vremena.

Rezultat grupnobrzinskog raspršivanja, bio negativan ili pozitivan, jest konačno vremensko širenje pulsa. Ovo čini upravljanje raspršivanjem izuzetno važnim u optičkim komunikacijskim sistemima zasnovanim na optičkim vlaknima s obzirom na to da, ako je raspršivanje preveliko, grupa pulsova koji nose informaciju raširit će se s protokom vremena i spojiti, što izvlačenje signala čini nemogućim.

Tipičan način za razmatranje polarizacije jest praćenje orijentacije vektora električnog polja za vrijeme kretanja elektromagnetnog talasa. Vektor električnog polja ravnog talasa može se proizvoljno podijeliti na dvije okomite komponente označene *x* i *y* (dok **z** označuje smjer kretanja). Oblik koji vektor električnog polja iscrtava u ravni x-y jest Lissajousova slika koja opisuje *stanje polarizacije*.

desno|mini|350px|Polarizator mijenja orijentaciju linearno polarizirane svjetlosti.Na ovoj slici *θ*1 – *θ0* = *θi*.
Sredine koje smanjuju amplitudu izvjesnih etapa polarizacije nazivaju se *dihroičnima*, s uređajima koji blokiraju gotovo sve zračenje u jednoj etapi, poznatima kao *polarizirajući filteri* ili jednostavno "polarizatori". Malusov zakon, koji je nazvan po Étienne-Louisu Malusu, kaže da, kad se savršeni polarizator postavi u linearno polariziran svjetlosni snop, jačina svjetlosti (*I*) koja prolazi kroz filter dobije se pomoću formule

: I = I_0 \cos^2 \theta_i \quad,
gdje je
:*I*0 početna jačina,
:a *θi* ugao između početnog smjera polarizacije svjetlosti i osi polarizatora.

Specijalistička područja optičkih istraživanja uključuju proučavanje toga kako svjetlost međusobno djeluje sa specifičnim materijalima u smislu kristalooptike ili metamaterijala. Druga istraživanja fokusiraju se na fenomenologiju elektromagnetnih talasa u smislu singularne, neslikovne, nelinearne i statističke optike, te radiometrije. Osim toga, računarski inženjeri zainteresirali su se za integriranu optiku, mašinski vid i fotonsko računanje kao moguće komponente "sljedeće generacije" računara.

Danas se nauka koja se bavi samo optičkim pojavama zove optička nauka ili optička fizika kako bi se razlikovala od primijenjenih optičkih nauka, koje se zajednički nazivaju optičko inženjerstvo. Među istaknute podoblasti optičkog inženjerstva spadaju osvjetljivačko inženjerstvo, fotonika i optoelektronika, s praktičnim primjenama kao što su dizajn leća, izrada i testiranje optičkih komponenti i obrada slike. Nekā se od ovih polja preklapaju, s nejasnim granicama između predmetnih termina koji imaju nešto malo drugačije značenje u različitim dijelovima svijeta i različitim granama industrije. Profesionalna zajednica istraživača u nelinearnoj optici razvila se u posljednjih nekoliko decenija zahvaljujući napretku u laserskoj tehnologiji.

### Laseri 
[mini|Eksperimenti poput ovog s visokoenergetskim [laserima dio su istraživanja iz savremene optike.]]
Laser je uređaj koji emitira svjetlost (elektromagnetno zračenje) u procesu zvanom *stimulirana emisija*. Naziv *laser* jest akronim za *Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation* (*Pojačanje svjetlosti pomoću stimulirane emisije zračenja*). Laserska svjetlost obično je prostorno koherentna, što znači da se svjetlost emitira u uskom, niskodivergentnom snopu ili se može konvertirati u takav snop pomoću optičkih komponenti kao što su leće. Zbog toga što je mikrotalasni ekvivalent lasera, *maser*, razvijen prvi, uređaji koji emitiraju mikrotalase i radiofrekvencije obično se nazivaju *maserima*.

[mini|lijevo|[Vrlo veliki teleskop|VLT-ova laserski vođena zvijezda]]

Prvi laser demonstrirao je 16. maja 1960. Theodore Maiman u Istraživačkim laboratorijama Hughes. Kad su tek izumljeni, nazvani su "rješenjem koje traži problem". Otad su laseri postali industrija vrijedna više milijardi dolara, pronašavši hiljade raznovrsnih primjena. Prva primjena lasera vidljiva u svakodnevnom životu bio je čitač barkodova u supermarketima, koji je u upotrebu uveden 1974. LaserDisc-plejer, uveden u upotrebu 1978, bio je prvi uspješan potrošački proizvod koji je sadržavao laser, ali je CD-plejer bio prvi uređaj opremljen laserom koji je postao zaista uobičajen u domovima potrošača, počevši od 1982. Ovi uređaji za optičko pohranjivanje podataka koriste poluprovodnički laser širine manje od milimetra za skeniranje površine diska za preuzimanje podataka. Prijenos informacija optičkim kabelom oslanja se na lasere za prenošenje velikih količina informacija brzinom svjetlosti. U ostale uobičajene primjene lasera spadaju laserski printeri i laserski pokazivači. Laseri se koriste u medicini u područjima kao što su beskrvna hirurgija, laserska operacija oka i laserska mikrodisekcija. U vojne primjene spadaju sistemi protivraketne odbrane, elektro-optičke protivmjere (EOCM) i lidar. Laseri se također koriste u hologramima, laserskoj grafici, laserskim svjetlosnim šouima i laserskoj depilaciji.

### Kapica–Diracov efekt 
Ovaj efekt uzrokuje difrakciju snopova čestica kad naiđu na statični svjetlosni talas. Svjetlost se može koristiti za pozicioniranje materije pomoću raznih pojava (vidi članak Optička pinceta).

## Primjene 
Optika je dio svakodnevnog života. Sveprisutnost vidnih sistema u biologiji ukazuje na centralnu ulogu koju optika ima kao nauka o jednome od pet čula. Mnogi ljudi imaju koristi od naočala ili kontaktnih leća, a optika je sastavni dio funkcioniranja mnogih potrošačkih proizvoda, uključujući kamere. Duge i miraži primjeri su optičkih pojava. Optička komunikacija pruža glavni oslonac i za internet i za savremenu telefoniju.

### Ljudsko oko 
[300px|mini|desno|Model ljudskog oka. U ovom članku spomenuti su: 3. [cilijarni mišić, 6. zjenica, 8. rožnjača, 10. leća, 22. vidni živac, 26. jamica i 30. mrežnjača.]]

Ljudsko oko funkcionira tako što fokusira svjetlost na sloj fotoreceptorskih ćelija zvan mrežnjača, koja čini unutrašnju "podstavu" stražnjeg dijela oka. Fokusiranje se postiže pomoću niza prozirnih sredina. Svjetlost koja ulazi u oko prvo prolazi kroz rožnjaču, koja oku daje većinu njegove optičke moći. Svjetlost zatim nastavlja kroz tečnost odmah iza rožnjače – prednju očnu komoru, potom prolazi kroz zjenicu, pa kroz leću, koja dalje fokusira svjetlost i omogućuje podešavanje žarišta. Svjetlost zatim prolazi kroz glavnu tečnost u oku – staklasto tijelo – i dolazi do mrežnjače. Ćelije u mrežnjači oblažu pozadinu oka, osim mjesta na kojem izlazi vidni živac; posljedica ovoga jest slijepa mrlja.

Postoje dva tipa fotoreceptora, štapići i čepići, koji su osjetljivi na različite aspekte svjetlosti. Štapići su osjetljivi na jačinu svjetlosti u širokom rasponu frekvencija, pa su stoga odgovorni za skotopski vid (crno-bijelo). Njih nema u jamici, dijelu mrežnjače odgovornom za centralni vid, i nisu tako osjetljivi na prostorne i vremenske promjene u svjetlosti kao čepići. Međutim, u mrežnjači ima 20 puta više štapića nego čepića zato što su štapići raspoređeni po većem području, pa su zbog toga odgovorni za periferni vid.

Suprotno ovome, čepići su manje osjetljivi na ukupnu jačinu svjetlosti, ali dolaze u tri vrste, koje su osjetljive na različite raspone frekvencija i stoga su zadužene za percepciju boje i fotopski vid. Čepići su jako koncentrirani u jamici i imaju visoku vizualnu oštrinu, što znači da su bolji u prostornoj rezoluciji od štapića. Budući da čepići nisu toliko osjetljivi na slabu svjetlost kao štapići, za noćni vid zaduženi su većinom štapići. Isto tako, budući da se čepići nalaze u jamici, za centralni vid (uključujući vid potreban za čitanje, precizne poslove, kao što je šivanje, ili pažljivi pregled predmeta) odgovorni su upravo oni.

Optička moć korektivnih leća mjeri se dioptrijom, vrijednošću koja je jednaka recipročnoj vrijednosti žarišne dužine izmjerene u metrima; pozitivna žarišna dužina odgovara sabirnoj, a negativna rasipnoj leći. Za leće koje ispravljaju i astigmatizam daju se tri broja: jedan za sferičnu moć, jedan za cilindričnu moć i jedan za ugao orijentacije astigmatizma.

U kognitivne iluzije spadaju neke koje su rezultat nesvjesne pogrešne primjene izvjesnih optičkih principa. Naprimjer, i Amesova soba i Heringova, Müller-Lyerova, Orbisonova, Ponzova, Sanderova i Wundtova iluzija oslanjaju se na sugestiju privida udaljenosti upotrebom linija koje se u daljini spajaju ili razdvajaju, na isti način na koji za paralelne svjetlosne zrake (ili set bilo kojih paralelnih linija) izgleda da se spajaju u tački nestajanja u beskonačnosti u dvodimenzionalno renderiranim slikama s umjetničkom perspektivom. Ova sugestija odgovorna je i za poznatu Mjesečevu iluziju, u kojoj Mjesec, uprkost tome što u suštini ima istu ugaonu veličinu, izgleda mnogo veći blizu horizonta nego kad je u zenitu. Ova iluzija toliko je zbunila Ptolemeja da ju je neispravno pripisao atmosferskoj refrakciji kad ju je opisao u svom traktatu *Optika*.

#### Optički instrumenti 
[mini|desno|300px|Ilustracije raznih optičkih instrumenata u *[Cyclopædia|Cyclopædiji* (1728)]]

Pojedinačne leće imaju raznovrsne primjene, uključujući fotografske objektive, korektivne leće i lupe, dok se pojedinačna ogledala koriste u paraboličnim ogledalima i retrovizorima. Kombiniranjem više ogledala, prizmi i leća dobijaju se složeni optički instrumenti koji imaju praktične primjene. Naprimjer, periskop se jednostavno sastoji od dva ravna ogledala postavljena tako da omogućuju gledanje preko prepreka. Najpoznatiji složeni optički instrumenti u nauci jesu mikroskop i teleskop, a oba su izumili Holanđani krajem 16. stoljeća.

Mikroskopi su najprije imali samo dvije leće: objektiv i okular. Objektiv je u suštini lupa i dizajniran je s vrlo malom žarišnom dužinom, dok okular općenito ima veću. Ovo omogućuje dobijanje uvećane slike malih predmeta. Općenito, koristi se dodatni izvor osvjetljenja s obzirom na to da su uvećane slike tamnije zbog očuvanja energije i širenja svjetlosnih zraka po većoj površini. Savremeni mikroskopi, poznati kao *složeni mikroskopi*, imaju više leća (obično četiri) da bi se optimizirala funkcionalnost i povećala stabilnost slike.

Prvi teleskopi, zvani *refraktori*, također su imali po jedan objektiv i okular. Za razliku od mikroskopa, leća u objektivu teleskopa bila je dizajnirana s velikom žarišnom dužinom kako bi se izbjegle optičke aberacije. Objektiv je fokusirao sliku udaljenog predmeta na svojoj žarišnoj tački, koja je podešena tako da se nalazi u žarišnoj tački okulara, koji ima mnogo manju žarišnu dužinu. Glavni cilj teleskopa nije nužno uvećanje, nego skupljanje svjetlosti, koje je određeno fizičkom veličinom leće u objektivu. Stoga se teleskopi normalno označavaju po prečniku njihovih objektiva umjesto po uvećanju, koje se može promijeniti zamjenom okulara. Zbog toga što je uvećanje teleskopa jednako količniku žarišne dužine objektiva i žarišne dužine okulara, okulari s manjom žarišnom dužinom uzrokuju veće uvećanje.

Drugim riječima, što je otvor blende manji (to daje veću dubinu fokusa), to ulazi manje svjetlosti, pa se vrijeme mora produžiti (što dovodi do mogućeg zamućenja slike ako dođe do nekog kretanja). Primjer upotrebe zakona recipročnosti jest pravilo f/16, koje daje grubu procjenu za postavke potrebne za procjenu odgovarajuće ekspozicije pri dnevnoj svjetlosti.

Otvor blende fotoaparata mjeri se bezdimenzionalnim brojem zvanim f-broj ili f-stop (*f/#*, često označen s N), a dobije se formulom
:f/\# = N = \frac fD \ ,
gdje je f žarišna dužina, a D prečnik otvora kroz koji svjetlost ulazi. Po dogovoru, "*f/#*" se smatra jednim simbolom, a specifične vrijednosti *f/#* zapisuju se tako da se oznaka za broj zamijeni vrijednošću. Dva načina za povećanje f-broja jesu smanjivanje prečnika ulaznog otvora ili promjena na veću žarišnu dužinu (u slučaju zum-objektiva ovo se može uraditi jednostavnim podešavanjem leće). Veći f-brojevi imaju i veću dubinu polja usljed toga što se leća približava granici stenopeične kamere, koja je u stanju savršeno fokusirati sve slike, bez obzira na udaljenost, ali zahtijeva vrlo duge ekspozicije.

Vidno polje koje pruža leća mijenja se sa žarišnom dužinom leće. Postoje tri osnovne klasifikacije zasnovane na odnosu veličine dijagonale filma ili veličine senzora fotoaparata i žarišne dužine leće:

*Normalna leća: ugao pogleda oko 50° (zvan *normalni* zato što se za ovaj ugao smatra da je ugrubo ekvivalentan ljudskom vidu 
*Širokougaona leća: ugao pogleda širi od 60°, a žarišna dužina kraća nego kod normalne leće
*Dugožarišna leća: ugao pogleda uži je nego kod normalne leće. Ovo je bilo koja leća čija je žarišna dužina veća od dijagonale filma ili senzora. Najčešći tip ove leće jest teleobjektiv, koji koristi specijalnu *teleobjektivsku grupu* kako bi fizički bio kraći od svoje žarišne dužine.

Savremene zum-leće mogu imati neke od ovih osobina ili sve njih.

Apsolutna vrijednost zahtijevanog vremena ekspozicije zavisi od toga koliko je sredina koja se koristi senzitivna na svjetlost (mjereno osjetljivošću filma ili, za digitalne sredine, kvantnom efektivnošću). U počecima fotografije korištene su sredine s vrlo niskom osjetljivošću na svjetlost, pa su tako vremena ekspozicije morala biti duga čak i kod veoma svijetlih fotografija. S poboljšanjem tehnologije poboljšala se i osjetljivost, preko filmskih i digitalnih kamera.

Drugi rezultati iz talasne i geometrijske optike primjenjuju se na optiku fotoaparata. Naprimjer, maksimalna sposobnost rezolucije pri specifičnim postavkama fotoaparata određena je difrakcijskom granicom povezanom s veličinom ulaznog otvora za svjetlost, a dobija se, ugrubo, pomoću Rayleighovog kriterija.

### Atmosferska optika 
[mini|desno|300px|Do raznobojnosti ili šarolikosti neba često dolazi usljed rasijanja svjetlosti od čestica i zagađenja, kao na ovoj fotografiji zalaska Sunca tokom [Požari u Kaliforniji 2007.|požara u Kaliforniji u oktobru 2007.]]
Jedinstvena optička svojstva atmosfere uzrokuju širok raspon spektakularnih optičkih fenomena. Plava boja neba direktan je rezultat Rayleighovog rasijanja, koje preusmjerava Sunčevu svjetlost s višom frekvencijom (plava) nazad u posmatračevo vidno polje. Zbog toga što se plava svjetlost lakše rasijava od crvene, Sunce poprima crvenkastu nijansu kad se posmatra kroz gustu atmosferu, kao prilikom izlaska ili zalaska. Dodatne čestične tvari na nebu mogu rasijati različite boje pod različitim uglovima stvarajući lijep sjaj na nebu u sumrak i zoru. Rasijavanje od kristala leda i drugih čestica u atmosferi odgovorno je za halo, crvenilo neba, koronu, krepuskularne zrake i lažno Sunce. Varijacija u ovim vrstama pojava nastaje usljed različitih veličina čestica i njihovih geometrije.

Miraži su optički fenomeni u kojima su svjetlosne zrake savijene zbog toplotnih varijacija u indeksu prelamanja zrâka, što proizvodi razbacane ili jako izobličene slike udaljenih predmeta. U ostale dramatične optičke fenomene povezane s ovim spada efekt Nove Zemlje, prilikom kojeg se čini da Sunce izlazi ranije nego što je predviđeno i u deformiranom obliku. Spektakularan oblik refrakcije dešava se pri temperaturnoj inverziji, a zove se fatamorgana, prilikom koje predmeti na horizontu ili čak iza horizonta, kao što su ostrva, litice, brodovi ili ledeni bregovi, izgledaju izduženi i izdignuti, kao "dvorci iz bajki".

Duge su rezultat kombinacije unutrašnje refleksije i disperzivne refrakcije svjetlosti u kišnim kapima. Pojedinačna refleksija od mnoštva kišnih kapi proizvodi dugu, čija se ugaona veličina na nebu kreće od 40° do 42°, s crvenom bojom na vanjskoj strani. Dvostruke duge nastaju od dviju unutrašnjih refleksija s ugaonom veličinom od 50,5° do 54°, s ljubičastom bojom na vanjskoj strani. Budući da se duge vide kad je Sunce za 180° udaljeno od njihovog centra, one su izraženije što je Sunce bliže horizontu.

## Reference 
## Vanjski linkovi 
;Udžbenici i priručnici
*Optics  – udžbenik o optici (*open-source*)
*Optics2001 – biblioteka i zajednica
*Fundamental Optics – tehnički vodič
*Physics of Light and Optics – knjiga za dodiplomski studij (Univerzitet "Brigham Young")

;Dodatna literatura
*Optics and photonics: Physics enhancing our lives (Publikacije Instituta za fiziku)

;Društva

*Evropsko optičko društvo – link
*Optičko društvo – link
*SPIE – link

*Konzorcij Evropske fotoničke industrije – link
*Indijsko optičko društvo – link


Kategorija:Elektromagnetno zračenje
Kategorija:Primijenjena i interdisciplinarna fizika
Kategorija:Filozofija prirode
Kategorija:Svjetlost