ОПТИКА

(греч. optike — наука о зрительных восприятиях, от optos — видимый, зримый), раздел физики, в к-ром изучаются оптическое излучение (свет), процессы его распространения и явления, наблюдаемые при вз-ствии света и в-ва. Оптич. излучение представляет собой эл.-магн. волны, и поэтому О.— часть общего учения об электромагнитном поле (электродинамики). Оптич. диапазон длин волн охватывает ок. 20 октав и ограничен с одной стороны рентгеновскими лучами, а с другой — микроволновым диапазоном радиоизлучения. Такое разграничение условно и в значит. степени определяется общностью техн. средств и методов исследования явлений в указанном диапазоне. По традиции О. принято подразделять на геометрическую, физическую и физиологическую.

Геометрическая оптика, не рассматривая вопроса о природе света, исходит из эмпирич. законов его распространения и использует представление о распространяющихся независимо друг от друга световых лучах, преломляющихся и отражающихся на границах сред с разными оптич. св-вами и прямолинейных в оптически однородной среде.

Методы геом. О. позволяют изучить условия формирования оптич. изображений объекта как совокупности изображений отд. его точек и объяснить мн. явления (миражи, радуги), связанные с прохождением оптич. излучения в различных, в т. ч. оптически неоднородных, средах (см., напр., (см. РЕФРАКЦИЯ СВЕТА)).Наибольшее значение геом. О. (с частичным привлечением волн. О.) имеет для расчёта и конструирования оптич. приборов — от очковых линз до сложных объективов и огромных астр. инструментов. Благодаря развитию и применению вычислит. математики, методы таких расчётов достигли высокого совершенства и сформировалось отд. направление, получившее назв. вычислительной оптики.

По существу, не рассматривает физ. природу света и фотометрия. Ряд задач фотометрии решается с учётом закономерностей восприятия света человеческим глазом. Изучением этих закономерностей занимается физиологическая О., смыкающаяся с биофизикой и психологией и исследующая механизмы зрения.

Физическая оптика рассматривает проблемы, связанные с природой света и световых явлений. Утверждение, что свет есть поперечные эл.-магн. волны, основано на результатах огромного числа эксперим. исследований дифракции света, интерференции света, поляризации света и распространения света в анизотропных средах (см. КРИСТАЛЛООПТИКА, ОПТИЧЕСКАЯ АНИЗОТРОПИЯ). Совокупность явлений, в к-рых проявляется волн. природа света, изучается в крупном разделе физ. О,— волновой оптике. Её матем. основанием служат общие ур-ния классич. электродинамики — Максвелла уравнения. Св-ва среды при этом характеризуются макроскопич. матер. константами — значениями диэлектрической проницаемости 8 и магнитной проницаемости m, входящими в ур-ния Максвелла в виде коэффициентов. Эти величины однозначно определяют показатель преломления n среды: n=?em.

Феноменологическая волн. О., не рассматривая связь величин e и m (обычно известных из опыта) со структурой в-ва, позволяет объяснить все эмпирич. законы геом. О. и установить границы её применимости. В отличие от геометрической волновая О. даёт возможность рассматривать процессы распространения света не только тогда, когда размеры формирующих или рассеивающих световые пучки систем много больше длины волны X, но и при любом соотношении между ними. Во многих случаях решение конкретных задач методами волн. О. оказывается чрезвычайно сложным. Поэтому получила развитие квазиоптика, в к-рой процессы распространения, преломления и отражения описываются в рамках геом. оптики, но при этом учитывается и волн. природа из лучения. Геом. и волн. подходы формально объединяются в геом. теории дифракции, в к-рой, кроме падающих, отражённых и преломлённых лучей, постулируется существование разл. типа дифрагированных лучей.

Огромную роль в развитии волн. О. сыграло установление связи величин e и m с мол. и крист. структурой в-ва (см. КРИСТАЛЛООПТИКА, МЕТАЛЛООПТИКА). Это позволило объяснить все явления, сопровождающие распространение света в рассеивающих и анизотропных средах и вблизи границ разделов сред с разными оптич. хар-ками, а также зависимость от l, (дисперсию) оптич. св-в сред, влияние на световые явления давления, темп-ры, звука, электрич. и магн. полей и др.

В классической волн. О. параметры среды считаются не зависящими от интенсивности света; соответственно оптич. процессы описываются линейными дифф. ур-ниями. Однако во мн. случаях, особенно при больших интенсивностях световых потоков, это предположение несправедливо и показатель преломления оказывается зависящим от напряжённости электрич. поля световой волны (нелинейная поляризуемость в-ва). Это приводит к изменению угла преломления светового пучка на границе двух сред при изменении его интенсивности, к сжатию и расширению световых пучков (самофокусировка света и его самодефокусировка), к изменению спектр. состава света, проходящего через нелинейную среду (генерация оптических гармоник), к вз-ствию световых пучков и появлению в излучении т. н. комбинационных частот, а в среде — выделенных направлений преимущественного вз-ствия световых волн (параметрич. явления, (см. ПАРАМЕТРИЧЕСКИЙ ГЕНЕРАТОР СВЕТА)) и т. Д. Эти явления рассматриваются нелинейной оптикой, получившей особенно большое развитие в связи с созданием лазеров.

Хорошо описывая распространение света в матер. средах, волн. О. не смогла удовлетворительно объяснить процессы его испускания и поглощения. Исследование этих процессов (фотоэффекта, фотохим. превращений молекул, спектров оптических и пр.) и общие термодинамич. соображения о вз-ствии эл.-магн. поля с в-вом привели к выводу, что элем. система (атом, молекула) может испускать или поглощать энергию лишь дискр. порциями (квантами), пропорциональными частоте излучения v. Поэтому световому эл.-магн. полю необходимо сопоставить поток квантов света — фотонов. В простейшем случае энергия, теряемая или приобретаемая изолированной квант. системой в элем. акте вз-ствия с оптич. излучением, равна энергии фотона, а в более сложном — сумме или разности энергий неск. фотонов (см. МНОГОФОТОННЫЕ ПРОЦЕССЫ). Явления, в к-рых при вз-ствии света и в-ва проявляются квант. св-ва элем. систем, изучаются в квантовой оптике методами, развитыми в квантовой механике и квантовой электродинамике.

Двойственность природы света (наличие у него одновременно характерных черт, присущих и волнам и ч-цам) явл. частным проявлением корпускулярно-волнового дуализма. Исторически концепция корпускулярно-волн. дуализма, впервые сформулированная именно для оптического излучения, окончательно утвердилась после обнаружения волновых свойств у материальных частиц (см. ДИФРАКЦИЯ МИКРОЧАСТИЦ) и лишь затем экспериментально подтвердилась для радиоизлучения (квантовая электроника). Открытие квантовых явлений в радиодиапазоне во многом стёрло резкую границу между радиофизикой и О. Сначала в радиофизике, а затем в физ. О. сформировалось новое направление, связанное с генерированием вынужденного излучения и созданием квантовых усилителей и квантовых генераторов излучения (мазеров и лазеров). В отличие от неупорядоченного светового поля обычных (тепловых и люминесцентных) источников, излучение лазеров характеризуется временной и пространственной упорядоченностью (когерентностью), высокой монохроматичностью (Dv/v=10-14, (см. МОНОХРОМАТИЧЕСКОЕ ИЗЛУЧЕНИЕ)) и предельно малой (вплоть до дифракционной) расходимостью пучка. Последнее позволяет при фокусировке получать не достижимые ни для каких других источников плотности излучения (=1018 Вт-см-2•ср-1). Появление лазеров стимулировало пересмотр и развитие традиционных и возникновение новых направлений физ. О. Большую роль стали играть исследования статистики излучения (статистическая оптика), сформировалась как самостоят. раздел нелинейная оптика, получили развитие методы создания узконаправленных когерентных пучков света и управления ими (когерентная О.) и т. д. Особую важность приобрело изучение круга явлений, связанных с воздействием интенсивных световых потоков на в-во. Развитие лазерной техники привело к новому подходу при создании оптич. элементов и систем и, в частности, потребовало разработки новых оптич. материалов, пропускающих без их повреждений интенсивные световые потоки (силовая оптика).

Все разделы оптики имеют многочисл. практич. применения. Задачи рационального освещения улиц, помещений, рабочих мест на производстве, зрелищ, историч. и архитектурных памятников и пр. решаются светотехникой на основе геом. О. и фотометрии, учитывающей законы физиол. О. Геом. О. решает задачи получения в разл. условиях стигматических изображений, соответствующих объектам как по геом. форме, так и по распределению яркости, а также исследует причины искажений изображения и их уровень в реальных оптич. системах (см. АБЕРРАЦИИ ОПТИЧЕСКИХ СИСТЕМ). Геом. О. с привлечением физ. О. устанавливает разрешающую способность приборов и систем, учитывает зависимость показателя преломления от l (дисперсию света) и т. д.

Новые возможности получения оптич. образов без применения фокусирующих систем даёт голография, основанная на однозначной связи формы тела с пространств. распределением амплитуд и фаз распространяющихся от него (рассеянных им) световых волн. Для регистрации поля с учётом распределения фаз волн в голографии используют монохроматич. излучение. В месте регистрации изображения на рассеянное телом излучение накладывают дополнительное когерентное поле и фиксируют (напр., на фоточувствит. слое) возникающую при этом интерференц. картину. При рассматривании полученной т. о. плоской голограммы в когерентном (монохроматическом) свете или объёмной голограммы в белом свете получается объёмное изображение предмета. Развитие голографии связано с появлением лазеров, позволяющих получать интенсивные когерентные световые поля. Она находит применение при решении мн. научных и техн. проблем (изучение св-в плазмы, исследование сдвигов и напряжений в телах и т. д.).

Оптич. явления и методы применяются для аналитич. целей и контроля в разл. областях науки и техники. Особенно большое значение имеют методы спектрального анализа и люминесцентного анализа, основанные на связи структуры атомов и молекул с хар-ром их спектров испускания и поглощения, а также спектров комбинационного рассеяния света. По виду спектров можно установить мол. и ат. состав, агрегатное состояние, темп-ру в-ва, исследовать кинетику протекающих в нём физических и химических процессов. Применение в спектроскопии лазеров обусловило бурное развитие нового её направления — лазерной спектроскопии.

Интерферометры применяются для измерений длин волн и изучения спектров, определения показателей преломления прозрачных сред, абс. и относит. измерений длин, измерений угл. размеров звезд и др. косм. объектов. В пром-сти интерферометры используют для контроля качества и формы поверхностей, регистрации небольших смещений, обнаружения по малым изменениям показателей преломления непостоянства темп-ры, давления или состава в-ва и т. д. Созданы лазерные интерферометры с уникальными хар-ками, расширившие возможности интерференц. методов за счёт большой мощности и высокой монохроматичности излучения лазеров.

Явление поляризации света лежит в основе ряда методов исследования структуры в-ва с помощью многочисл. поляризационных приборов. По изменению степени поляризации (деполяризации) света при рассеянии и люминесценции можно судить о тепловых и структурных флуктуациях в в-ве, флуктуациях концентрации р-ров, о внутри- и межмолекулярной передаче энергии, структуре и расположении излучающих центров и т. д. Применяется поляризационно-оптический метод исследования напряжений, возникающих в тв. телах (напр., при механич. нагрузках), по изменению поляризации прошедшего через тело света, а также метод исследования св-в поверхности тел по измерению поляризации при отражении света (эллипсометрия). В кристаллооптике поляризац. методы используются для изучения структуры кристаллов, в хим. пром-сти — как контрольные методы при производстве оптически активных веществ (см. САХАРИМЕТРИЯ), в оптич. приборостроении — для повышения точности отсчётов приборов (напр., фотометров).

Широкое распространение получили высокочувствительные спектральные приборы с дифракционной решёткой в кач-ве диспергирующего элемента (монохроматоры, спектрографы, спектрофотометры и др.), использующие явление дифракции света. Дифракция света на ультразвуке в прозрачных средах позволяет определить упругие константы в-ва, а также создать акустооптич. модуляторы света (см. МОДУЛЯЦИЯ СВЕТА).

Оптич. методы, основанные на анализе рассеяния света (особенно мутными средами), имеют большое значение для мол. физики и её приложений. Так, нефелометрия даёт возможность получать данные о межмолекулярном взаимодействии в р-рах, определять размеры и мол. массу макромолекул полимеров, а также ч-ц в коллоидных системах, взвесях и аэрозолях. Ценные сведения о структуре уровней энергии молекул и св-вах в-ва даёт изучение комбинационного рассеяния света, Мандельштама — Бриллюэна рассеяния и вынужденного рассеяния света, открытого благодаря использованию лазеров.

Очень широка сфера практич. применения приборов, основанных на квант. оптич. явлениях,— фотоэлементов и фотоэлектронных умножителей, фотосопротивлений, фотодиодов, электронно-оптических преобразователей и др. усилителей яркости изображения, передающих и приёмных телевиз. трубок и т. д. Фотоэлементы используются не только для регистрации излучения, но и как устройства, преобразующие лучистую энергию Солнца в электрич. энергию (т. н. солнечные батареи). Фотохим. процессы лежат в основе фотографии. На основе изучения изменений оптич. св-в в-в под действием света (фотохромизм) разрабатываются новые системы записи и хранения информации для нужд вычислит. техники и созданы защитные светофильтры, автоматически усиливающие поглощение света при возрастании его интенсивности. Получение мощных потоков монохроматического лазерного излучения с разными длинами волн открыло пути к разработке методов лазерного разделения изотопов и стимулирования направленного протекания хим. реакций, позволило О. найти новые, нетрадиционные применения в биофизике (воздействие лазерных световых потоков на биол. объекты на мол. уровне) и медицине. Благодаря возможности с помощью лазеров концентрировать на площадках с линейными размерами =10 мкм большие мощности излучения, интенсивно развивается оптич. метод получения высокотемпературной плазмы с целью осуществления управляемого термоядерного синтеза.

Успехи О. стимулировали развитие оптоэлектроники. Первоначально её задачи сводились к простой замене электронных элементов в счётно-решающих и др. устройствах оптическими. Затем (70-е гг. 20 в.) стали разрабатываться принципиально новые подходы к решению задач вычислит. техники и обработки информации, исходящие из методов голографии, и предлагаться новые техн. решения, основанные на применении микрооптич. устройств (интегральная оптика). С появлением лазеров новое развитие получили оптич. дальнометрия (см. СВЕТОДАЛЬНОМЕР), оптическая локация и оптическая связь. В них используются элементы и устройства, принципы действия к-рых основаны на изменении хар-ра поляризации света при его прохождении через электро- или магнитоактивные среды (см. МАГНИТООПТИКА, КЕРРА ЭФФЕКТ, ПОККЕЛЬСА ЭФФЕКТ, ФАРАДЕЯ ЭФФЕКТ, ЭЛЕКТРООПТИКА). Методами оптич. локации было уточнено расстояние до Луны, ведётся слежение за ИСЗ; по линиям лазерной оптич. связи осуществляются телефонные переговоры и передаются изображения. Создание световодов с малым затуханием повлекло за собой разработки систем кабельной оптич. видеосвязи.

Исторический очерк. О.— одна из древнейших наук, тесно связанная с потребностями практики на протяжении всего своего развития. Прямолинейность распространения света была известна народам Месопотамии за 5 тыс. лет до н. э., и это св-во использовалось в Древнем Египте при строит. работах. Пифагор (в 6 в. до н. э.) высказал близкую к современной точку зрения, что тела становятся видимыми благодаря испускаемым ими ч-цам. Аристотель (4 в. до н. э.) полагал, что свет есть возбуждение среды, находящейся между объектом и глазом. Он занимался атмосферной О. и считал причиной появления радуг отражение света каплями воды. В том же веке в школе Платона были сформулированы два важнейших закона геом. О.— прямолинейность лучей света и равенство углов их падения и отражения. Евклид (3 в. до н. э.) в трактатах по О. рассматривал возникновение изображений при отражении от зеркал. Гл. вклад греков, явившийся первым шагом в развитии О. как науки, состоит не в их гипотезах о природе света, а в том, что они нашли законы его прямолинейного распространения и отражения (катоптрика) и умели ими пользоваться.

Следующий важный шаг развития О. состоял в понимании законов преломления света (диоптрика) и был сделан лишь много веков спустя. В ср. века хорошо были известны эмпирич. правила построения изображений, даваемых линзами, и начало развиваться искусство изготовления линз. В 13 в. появились очки. По нек-рым данным, ок. 1590 3. Янсен (Нидерланды) построил первый двухлинзовый микроскоп. Первые же наблюдения с помощью телескопа, построенного итал. учёным Галилеем в 1609, принесли ряд замечательных астр. открытий. Однако точные законы преломления света были эксперим. установлены лишь ок. 1620 голл. учёным В. Снеллем (см. СНЕЛЛЯ ЗАКОН ПРЕЛОМЛЕНИЯ) и франц. учёным Р. Декартом, изложившим их в «Диоптрике» (1637).

Этим (и последующей формулировкой Ферма принципа) был завершён фундамент построения геом. О.

Дальнейшее развитие О. связано с открытиями дифракции света (итал. учёный Ф. Гримальди; опубликовано в 1665), интерференции света, а также двойного лучепреломления (дат. учёный Э. Бартолин, 1669), не поддающихся истолкованию в рамках геом. О., и с работами англ. учёных И. Ньютона, Р. Гука и голл. учёного X. Гюйгенса. Ньютон обращал большое внимание на периодичность световых явлений и допускал возможность волновой их интерпретации, но отдавал предпочтение корпускулярной концепции света, считая его потоком ч-ц, действующих на эфир (этот термин для обозначения наделённой механич. св-вами среды — переносчика света ввёл Декарт) и вызывающих в нём колебания. Движением световых ч-ц через эфир переменной (вследствие колебаний) плотности и их вз-ствием с матер. телами, по Ньютону, обусловлены преломление и отражение света, цвета тонких плёнок, дифракция света и его дисперсия (Ньютоном же подробно изученная). Ньютон не считал возможным рассматривать свет как колебания самого эфира, т. к. в то время на этом пути не удавалось удовлетворительно объяснить прямолинейность световых лучей и поляризацию света (впервые осознанную именно Ньютоном и следовавшую из классич. опытов Гюйгенса по двойному лучепреломлению). Согласно Ньютону, поляризация — «изначальное» св-во света, объясняемое определ. ориентацией световых ч-ц по отношению к образуемому ими лучу.

Гюйгенс, следуя идеям Леонардо да Винчи и развивая работы Гримальди и Гука, исходил из аналогии между мн. акустич. и оптич. явлениями. Он полагал, что световое возбуждение есть импульсы упругих колебаний эфира, распространяющиеся с большой, но конечной скоростью (нем. астроном И. Кеплер и Декарт считали скорость света бесконечной, Ньютон и Гук — конечной; первое её эксперим. определение произвёл в 1676 дат. астроном О. Рёмер). Наибольшим вкладом Гюйгенса в О. явя. установление им принципа, согласно к-рому каждая точка фронта волн. возбуждения может рассматриваться как источник вторичных (сферических) волн (Гюйгенса — Френеля принцип); их огибающая представляет собой фронт реальной распространяющейся волны в последующие моменты времени. Опираясь на этот принцип, Гюйгенс дал волн. истолкование законов отражения и преломления, причём из его теории следовало правильное выражение для показателя преломления: n21=v1/v2 (где v1 и v2 — скорость света в 1-й и 2-й средах). Гюйгенс объяснил также двойное лучепреломление. Однако, сформулировав фундам. принцип волн. О., Гюйгенс не разработал последовательную волн. теорию света, к-рая могла бы противостоять воззрениям Ньютона, поэтому корпускулярная «теория истечения» сохраняла господствующее положение в О. до нач. 19 в. Победа волн. О. связана с работами англ. учёного Т. Юнга и франц. учёного О. Френеля. В 1801 Юнг сформулировал принцип интерференции, позволивший ему объяснить цвета тонких плёнок (см. ПОЛОСЫ РАВНОЙ ТОЛЩИНЫ) и послуживший основой для понимания всех интерференц. явлений. Френель, используя принцип Гюйгенса, дал удовлетворительное волн. объяснение прямолинейности распространения света и объяснил многочисл. дифракц. явления. В опытах Френеля и франц. учёного Д. Ф. Араго было установлено, что волны, поляризованные перпендикулярно друг другу, не интерферируют; это дало основания Юнгу и независимо от него Френелю высказать существенно важную идею о поперечности световых колебаний, исходя из к-рой Френель построил теорию кристаллооптич. явлений. Т. о., все известные к тому времени оптич. явления получили волн. интерпретацию. Вместе с тем детальная разработка представлений о свете, как поперечных упругих колебаниях эфира, приводила к необходимости искусственных теор. построений (так, эфир приходилось наделять св-вами тв. состояния и в то же время допускать, что в нём могут свободно перемещаться тела). Эти трудности были разрешены лишь при последоват. развитии учения англ. физиком Дж. К. Максвеллом об эл.-магн. поле. Основываясь на открытии англ. физика М. Фарадея, Максвелл пришёл к выводу, что свет есть эл.-магн., а не упругие волны.

Первым указанием на непосредств. связь электромагнетизма с О. было открытие Фарадеем (1848) вращения плоскости поляризации света в магн. поле (Фарадея эффект). Далее было установлено, что отношение эл.-магн. и электростатич. единиц силы тока по абс. величине и размерности совпадает со скоростью света с (нем. физики В. Вебер и Ф. Кольрауш, 1856). Максвелл теоретически показал, а нем. физик Г. Герц в 1888 подтвердил экспериментально, что изменения эл.-магн. поля распространяются в вакууме именно с этой скоростью. В прозрачной среде скорость света v=c/n=?(e/m), т. е. определяется диэлектрич. и магн. проницаемостями среды. Открытие в 1862 франц. физиком Ф. Леру существования в узких участках спектра аномальной дисперсии (показатель преломления n увеличивался с ростом длины волны l), к-рая, как показал впоследствии нем. физик А. Кундт, свойственна очень мн. в-вам и связана с поглощением ими света, привело к представлению о в-ве как совокупности осцилляторов, с к-рыми взаимодействует свет (нем. физик В. Зельмейер, 1872). В 90-х гг. 19 в. нем. физики П. Друде, Г. Гельмгольц и в особенности голл. физик X. Лоренц при создании электронной теории строения в-ва объединили идею об осцилляторах и эл.-магн. теорию света. Плодотворное представление об эл-нах как об осцилляторах, к-рые входят в состав атомов и молекул и способны совершать в них колебания, позволило описать мн. оптич. явления, в т. ч. нормальную и аномальную дисперсии, т. к. в электронной теории значение e зависит от частоты (длины волны) внеш. поля. Наиболее точные опыты по аномальной дисперсии (Д. С. Рождественский, 1912) дали результаты, хорошо согласующиеся с предсказаниями электронной теории. Блестящим подтверждением представлений о том, что излучение и поглощение света определяются поведением эл-нов в атомах, явилось открытие в 1896 голл. физиком П. Зееманом и истолкование в 1897 Лоренцем действия магн. поля на частоты излучения и поглощения атомов (Зеемана эффект). В полном согласии с теорией Максвелла оказалась и величина светового давления, мысль о к-ром впервые высказал в 1619 Кеплер для объяснения отклонения хвостов комет в сторону от Солнца. В земных условиях давление света было впервые продемонстрировано и измерено П. Н. Лебедевым в 1899. Построение эл.-магн. теории света и дополнение её электронной теорией вз-ствия света и в-ва явилось крупнейшим этапом в развитии О.

Эл.-магн. теория света стала отправным пунктом при создании относительности теории. Эксперим. основаниями для этого были данные оптич. опытов с движущимися средами и движением наблюдателя относительно источника излучения, противоречившие теор. представлениям. Юнг в 1804 показал, что волн. теория требует для объяснения явления аберрации света неподвижного, не увлекаемого Землёй эфира. Напротив, Френель в 1818 нашёл, что для независимости показателя преломления тел от их движения (наблюдения Араго, 1810) необходимо, чтобы тела частично увлекали эфир. Этот вывод был подкреплён Физо опытом (см. СКОРОСТЬ СВЕТА). Электродинамика движущихся сред, развитая Лоренцем (1896) в рамках электронной теории, также приводила к частичному увлечению эфира. Однако классич. Майкельсона опыт, впервые выполненный в 1881 и неоднократно повторяющийся со всё большей точностью, не обнаружил такого увлечения («эфирного ветра»). Этот и ряд др. опытов, противоречивших представлениям о среде — переносчике эл.-магн. колебаний, нашли объяснение в созданной А. Эйнштейном специальной (частной) теории относительности (1905), приведшей к кардинальному пересмотру мн. положений классич. физики, в частности окончательно устранившей необходимость в эфире и др. гипотетич. средах-переносчиках.

Плодотворность классич. электродинамич. теории света Максвелла — Лоренца неоднократно подтверждалась и в дальнейшем, напр. в истолковании И. Е. Таммом и И. М. Франком (1937) природы Черенкоеа — Вавилова излучения, в выдвижении Д. Га-бором (1947) идеи голографии (с записью волн. поля в одной плоскости), в разработке метода голографии с записью в трёхмерной среде, начало к-рому положили работы Ю. Н. Денисюка (1962), и т. д.

Несмотря на успехи электродинамич. теории, выяснилось, что она явно недостаточна для описания процессов поглощения и испускания света. Особенно отчётливо это проявилось в парадоксальности выводов теории (противоречащих закону сохранения энергии) из анализа распределения по длинам волн равновесного теплового излучения (излучения абсолютно чёрного тела). Рассматривая эту принципиальную проблему, нем. физик М. Планк пришёл к заключению (1900), что элементарная колебат. система (атом, молекула) отдаёт волн энергию эл.-магн. полю или получает её от него не непрерывно, а порциями, пропорциональными частоте колебаний, квантами. Развитие идеи Планка, противоречащей классич. представлениям, не только дало удовлетворит. решение проблемы теплового излучения, но и заложило основы всей совр. квант. физики. Работы Планка и Эйнштейна (1905), к-рый приписал квантам света — фотонам, кроме энергии, также импульс и массу, вернули О. мн. черты корпускулярных представлений.

Интенсивность эл.-магн. поля в квант. О. определяет вероятность обнаружения фотона, а структура поля отражает квант. структуру ансамбля элем. излучателей (атомов, молекул) и распределение актов излучения во времени. Т. о., при сохранении физ. смысла поля фотоны, возникающие в актах испускания света и существующие только при движении со скоростью света, приобрели черты матер, ч-ц. При поглощении фотона он перестаёт существовать, а поглотившая его система получает его энергию и импульс. Если, взаимодействуя с другой ч-цей, фотон не поглощается, то он изменяет свою энергию и импульс (сохраняя абс. величину скорости) в соответствии с законами соударения двух матер. тел. Фотонные представления позволили Эйнштейну объяснить осн. законы фотоэффекта, впервые исследованные А. Г. Столетовым в 1888—90, и дать ясную трактовку фотохим. превращений. Они дают наглядное истолкование существованию коротковолновой границы в тормозном излучении эл-нов (макс. энергия фотона равна энергии эл-на), Комптона эффекту (открытому в 1923), стоксовскому сдвигу частоты излучения фотолюминесценции по отношению к частоте возбуждающего света, комбинационному рассеянию света (открытому в 1928 Л. И. Мандельштамом и Г. С. Ландсбергом и независимо от них инд. физиком Ч. В. Раманом) и огромному числу др. явлений вз-ствия света с в-вом, известных ко времени формирования квант. теории и открытых в последующие годы. Поэтому переход к квант. представлениям был следующим существ. шагом в О., к-рую в её дальнейшем развитии нельзя рассматривать изолированно от квант. физики вообще.

В совр. О. квант. представления не противополагаются волновым, а сочетаются на идейной основе квантовой механики и квантовой электродинамики, развитых в трудах Н. Бора (Дания), М. Борна и В. Гейзенберга (Германия), В. Паули (Швейцария), Э. Шредингера (Австрия), англ. физика П. Дирака, Э. Ферми (США), Л. Д. Ландау, В. А. Фока и др. Квант. теория позволила дать интерпретацию спектрам атомов, молекул и ионов, объяснить воздействие электрич., магн. и акустич. полей на спектры, установить зависимость хар-ра спектра от условий возбуждения и т. д. Примером обратного влияния О. на развитие квант. теории может служить открытие собств. момента кол-ва движения — спина и связанного с ним собственного магн. момента у эл-на (С. А. Гаудсмит, США, Дж. Уленбек, Нидерланды, 1925) и др. ч-ц и ядер атомов, повлёкшее за собой установление Паули принципа (1926) и истолкование сверхтонкой структуры спектров (Паули, 1928).

Т. о., построение двух из наиболее фундам. теорий совр. физики — квант. механики и спец. теории относительности — основывалось на наблюдении и анализе оптич. явлений.

Наиболее важное событие совр. О.— эксперим. обнаружение и создание методов генерации вынужденного излучения атомов и молекул, предсказанного Эйнштейном в 1916. Вынужденно испущенный фотон дублирует фотон, вызвавший переход и, если имеется запас возбуждённых систем, превышающий число поглощающих (т. н. активная среда с инверсной населённостью энергетич. состояний атомов или молекул), этот процесс может многократно повторяться — происходит усиление исходного светового потока (оптич. сигнала). Добавление к такому квантовому усилителю оптической обратной связи (напр., путём возвращения части излучения с помощью системы зеркал) превращает его в оптический квант. генератор—лазер. Первые квант. генераторы (в сантиметровом диапазоне длин волн — мазеры) были созданы А. М. Прохоровым, Н. Г. Басовым и амер. физиком Ч. Таунсом в 1954—55. В 1961 был построен первый лазер на рубине, в следующем году — первый газовый лазер на смеси гелия и неона, а в 1963 — полупроводниковые лазеры. Важность этих основополагающих работ была немедленно оценена, и за ними последовали многочисл. исследования св-в вынужденного излучения и возможностей его генерации. Используя разл. методы получения инверсной населённости, строят лазеры на твёрдых, жидких, газообразных и плазменных средах. Их появление стимулировало развитие традиц. областей О. и привело к возникновению совершенно новых научных и техн. направлений (нелинейная и параметрическая О., силовая О., оптич. обработка материалов), позволило распространить методы О. на решение задач, немыслимых для неё раньше (напр., проблема управляемого термоядерного синтеза), и тем самым подтвердило динамичность О., свойственную наукам, находящимся на переднем крае знаний.

Физический энциклопедический словарь. — М.: Советская энциклопедия.Главный редактор А. М. Прохоров.1983.

ОПТИКА

(от греч. optike - наукао зрительных восприятиях) - раздел физики, в к-ром изучаются оптическоеизлучение (свет), его распространение и явления, наблюдаемые при взаимодействиисвета и вещества. Оптич. излучение представляет собой эл.-магн. волны, охватываеток. 20 октав и ограничен с одной стороны рентг. лучами, а с другой - микроволновымдиапазоном радиоизлучения. Такое ограничение условно и в значит. степениопределяется общностью техн. средств и методов исследования явлений в указанномдиапазоне. Для этих средств и методов характерны формирование оптич. изображенийпредметов, основанное на волновых свойствах излучения, с помощью приборов, излучения, действие к-рых основано на квантовыхсвойствах (см. ниже). По традиции О. принято подразделять на геометрическую, Геометрическая О., не рассматриваявопрос о природе света, исходит из эмпирич. законов его распространенияи использует представление о световых лучах, преломляющихся и отражающихсяна границах сред с разными оптич. свойствами и прямолинейных в оптическиоднородной среде.
Методы геом. О. позволяют изучать условияформирования оптпч. изображений объекта как совокупности изображений отд. По существу отвлекается от физ. природысвета и фотометрия, посвящённая гл. обр. измерению световых величии. зрения.

Физическая О. рассматривает проблемы, дифракции света, интерференциисвета, поляризации света, распространения света в анизотропных средах(см. Кристаллооптика, Оптическая анизотропия). Совокупность явлений, волновой оптике. Её матем. основанием служат общие ур-нияклассич. электродинамики - Максвелла уравнения. Свойства среды приэтом характеризуются макроскопич. материальными константами - значениями диэлектрической проницаемости и магнитной проницаемости входящимив ур-ния Максвелла в виде коэффициентов. Эти значения однозначно определяютпоказатель преломления среды: ОПТИКА фото №3
Феноменологич. волновая О., оставляющаяв стороне вопрос о связи величин ОПТИКА фото №4 и ОПТИКА фото №5 (определяемыхэкспериментально) со структурой вещества, позволяет объяснить все эмпирич. квазиоппшка, в к-ройпроцессы распространения, преломления и отражения волновых пучков с сечением> ОПТИКА фото №6 описываютсягеометрически, но учитываются дифракц. вклады и тем самым волновая природаизлучения. Формально такой геом. и волновой подходы также объединяютсяв геом. теории дифракции, в к-рой дополнительно к падающим, отражёнными преломлённым лучам геом. О. постулируется существование дифрагир. лучей.
Огромную роль в развитии волновой О. сыгралоустановление связи величин ОПТИКА фото №7 и ОПТИКА фото №8 с молекулярнойи кристаллич. структурой вещества. Оно позволило выйти далеко за рамкифеноменологич. описания оптич. явлений к объяснить все процессы, сопровождающиераспространение света в рассеивающих и анизотропных средах и вблизи границразделов сред с разными оптич. характеристиками, а также зависимость от ОПТИКА фото №9 оптич. свойств сред (дисперсию), влияние на световые явления в средах темп-ры, В классич. волновой О. параметры средысчитаются не зависящими ни от интенсивности света, ни от времени; соответственно, самофокусировка света и его самодефокусировка),изменение спектрального состава света, проходящего через нелинейпую среду(генерация оптич. гармоник), взаимодействие световых пучков в результатемодуляции светом величин е (эпсилон) и появление в излучении комбинац. Параметрический генератор света )ит. д. Эти явления рассматриваются нелинейной оптикой, получившейбольшое практич. значение в связи с созданием лазеров.
Хорошо описывая распространение светав материальных средах, волновая О. не смогла удовлетворительно объяснитьпроцессы его испускания и поглощения. Исследование этих процессов ( фотоэффекта, фотохим. спектров оптических и пр.)и общие термодинамич. соображения о взаимодействии эл.-магн. поля с веществомпривели к выводу, что элементарная система (атом, молекула) может испускатьили поглощать энергию эл.-магн. поля лишь дискретными порциями (квантами),пропорциональными частоте излучения ОПТИКА фото №10 (см. Излучение). Поэтому световому эл.-магн. полю сопоставляетсяпоток квантов света - фотонов, распространяющихся в вакууме со скоростьюсвета. В простейшем случае энергия, теряемая или приобретаемая изолиров. а в более сложном - сумме или разности энергий неск. фотонов (см. Многофотонныепроцессы). Эффекты, в к-рых при взаимодействии света и вещества проявляютсяквантовые свойства элементарных систем, рассматриваются квантовой оптикой методами, Двойственность природы света - наличиеу него одновременно характерных черт, присущих и волнам, и частицам, -является частным случаем корпускулярно-волнового дуализма. Эта концепциябыла впервые сформулирована именно для оптич. излучения; она утвердиласькак универсальная для всех частиц микромира после обнаружения волновыхсвойств у материальных частиц (см. Дифракция частиц )и лишь затембыла экспериментально подтверждена для радиоизлучения ( квантовая электроника). Открытие квантовых явлений в радиодиапазоне во многом стёрло резкуюграницу между радиофизикой и О. Сначала в радиофизике, а затем в физ. О. мазеров и лазеров). В отличие от неупорядоченного световогополя обычных (тепловых и люминесцентных) источников, излучение лазеровобладает большой временной и пространств. упорядоченностью ( когерентностью), высокоймонохроматичностью ( ОПТИКА фото №11 достигает ~10^-14, см. Монохроматическое излучение), предельномалой, почти дифракционной расходимостью пучка и при фокусировкепозволяет получать недостижимые ни для каких др. источников напряжённостиэлектрия. поля, превышающие внутриатомные. Появление лазеров стимулировалопересмотр и развитие традиционных и возникновение новых направлений физ. голографии, большуюроль стали играть исследования статистики излучения ( статистическаяоптика), сформировалась как самостоят. раздел нелинейная оптика, получилиразвитие методы создания узконаправленных когерентных пучков света и управленияими (когерентная О.), в т. ч. методы и средства автоматич. управления оптич. адаптивная оптика). В этом плане большойинтерес представляет обнаруженное и технически реализованное в разл. вариантахявление обращения волнового фронта. Особую важность приобрело изучениекруга явлений, связанных с воздействием интенсивных световых потоков навещество, и начала быстро развиваться лазерная технология. Развитие лазернойтехники привело к новому подходу при создании оптич. элементов и системи, в частности, потребовало разработки новых оптич. материалов, пропускающихбез их повреждений интенсивные световые потоки (силовая О.).
Практические применения. Все разделы О. Аберрации оптических систем).
Возможности получения оптич. образов безприменения фокусирующих систем рассматривает голография, в основу к-ройположена идея об однозначной связи формы тела с пространственным распределениемамплитуд и фаз распространяющихся от него (рассеянных им) световых волн. спектрального анализа и люминесцентногоанализа, основанные на связи спектров испускания, поглощения и рассеяниясо структурой атомов и молекул и внутри- и межмолекулярными взаимодействиями. лазерной спектроскопии. Достижения в области генерированиясверхкоротких (пико- и фемтосекундных) световых импульсов определили прогресс спектроскопиипикосекундных импульсов, позволяющей исследовать кинетику быстропротекающихвнутри- и межмолекулярных процессов, в частности в биол. объектах. Большоепрактич. значение имеет дпстанц. зондирование атмосферы с помощью лазерныхустройств (лидары) и определению присутствия в ней малых примесей разл. Уникальной чувствительностью обладаютизмерит. устройства, использующие интерференцию света. Интерферометры широкоприменяют для измерений длин волн и изучения структуры спектральных линий, Явление поляризации света лежит в основеряда методов исследования структуры вещества с помощью многочисл. поляризационныхприборов. По изменению степени поляризации (деполяризации) света прирассеянии и люминесценции можно судить о тепловых и структурных флуктуацияхв веществе, флуктуациях концентрации растворов, о внутри- и межмолекулярнойпередаче энергии, структуре и расположении излучающих центров и т. д. Широкоприменяются поляризационно-оптический метод исследования напряжений, эллипсометрия). Вкристаллооптике поляризац. методы используются для изучения структуры кристаллов, Сахариметрия), в оптич. приборостроении - для повышенияточности отсчётов приборов (напр., фотометров).
Широкое распространение получили дифракционныерешётки как диспергирующие элементы в спектральных приборах (монохроматорах, Дифракционный ответвитель), велика их роль в интегральных оптич. устройствах. Дифракция на ультразвукев прозрачных средах позволяет определить упругие константы вещества, атакже создать акустооптич. модуляторы света (см. также Акцстооптика), применяемые в светодальномерах, оптич. локаторах и системах оптическойсвязи.
Оптич. методы, основанные на анализе рассеяниясвета, послужили одной из существенных основ становления молекулярной физикии её приложений. Так, нефелометрия даёт возможность получать данные о межмолекулярномвзаимодействии в растворах, определять размеры и молекулярную массу макромолекулполимеров, а также частиц в коллоидных системах, взвесях и золях. Ценныесведения о структуре уровней энергии молекул, их взаимодействии и строениивещества даёт изучение комбинационного рассеяния света и Мандельштама- Бриллюэна рассеяния. Использование лазеров резко увеличило информативностьспектроскопии рассеяния, привело к открытию вынужденных рассеяний и к развитиюнового направления, основанного на воздействии лазерного излучения на распределениерассеивающих частиц (молекул) по энергетич. состояниям ( активная лазернаяспектроскопия).
Чрезвычайно широка сфера практич. примененийфотоэлектронных приборов, основанных на квантовых оптич. явлениях, - фотоэлементови фотоэлектронных умножителей, фотодиодов, фотосопротивлений, электронно-оптическихпреобразователей, передающих телевизионных трубок и т. фотохромизм )используется при разработках новыхсистем записи и хранения информации для нужд вычислит. техники и созданиязащитных светофильтров, автоматически увеличивающих поглощение света привозрастании его интенсивности. Получение мощных потоков монохроматпч. лазерногоизлучения с разными длинами воли открыло пути к разработке методов лазерногоразделения изотопов и стимулирования направленного протекания хим. реакций, Лазерный отжиг). Благодаря возможности спомощью лазеров за короткое время концентрировать на площадках с линейнымиразмерами ~10 мкм большие мощности излучения интенсивно развивается оптическийметод получения высокотемпературной плотной плазмы с целью осуществленияУТС (см. Лазерный термоядерный синтез).
Успехи О. стимулировали развитие оптоэлектроники. В её задачу входит разработка оптич. устройств для замены элементови отд. блоков в вычислит. машинах, а также разработка новых подходов крешению задач вычислит. техники и обработки информации на основе принциповголографии и когерентной оптики. Техн. основой оптоэлектроники является интегральная оптика, предлагающая для решения её задач широкое использованиеволноводных систем и многофункциональных миниатюрных модулей с линейными нелинейным преобразованием оптич. излучения. С появлением лазеров дальнейшееразвитие получили оптич. дальнометрия (см. Светодальномер), оптическаялокация и оптическая связь. Оптич. дальномеры применяются вгеодезич. практике, при строит. работах и пр. Методами оптич. локации былоуточнено расстояние до Луны, ведётся слежение за ИСЗ; по линиям лазернойоптич. связи ведутся телефонные переговоры и передаются изображения. Созданиесветоводов с малым затуханием повлекло за собой практич. разработки системкабельной оптич. связи, имеющей ряд преимуществ по сравнению с электрич. Физиологическая О. изучает строение ифункционирование всего аппарата зрения - от глаза до коры мозга; разрабатываетсятеория зрения, восприятия света и цвета. Результаты физиологич. О. используютсяв медицине, физиологии, технике при разработке разнообразных устройств- от осветит. приборов и очков до цветного кино и телевидения. (Подробнеесм. в ст. Физиологическая оптика, Зрение, Колориметрия.)

Исторический очерк. Древние греки(Аристотель, Платон, Евклид) нашли законы прямолинейного распространенияи отражения света. В ср. века стали известны эмпирич. правила построенияизображений, даваемых линзами; ок. 1590 3. Янсен (Z. Janssen) построилпервый двухлинзовый микроскоп; в 1609 Г. Галилей (G. Galilei) изобрёл телескоп. Снелля закон преломления) и в 1637Р. Декартом (R. Descartes). Последующей формулировкой Ферма принципа(1660) был завершён фундамент построения геом. О.
Дальнейшее развитие О. связано с открытиямидифракции и интерференции света [Ф. Гримальди (F. M. Grimalcli), опубликованов 1665], двойного лучепреломления [Э. Бартолин (Е. Bartolin), 1669] и сработами И. Ньютона (I. Newton), P. Гука (R. Hooke) и X. Гюйгенса (Ch.Huygens). Ньютон обращал большое внимание на периодичность световых явленийи допускал возможность их волновой интерпретации, но отдавал предпочтениекорпускулярной концепции света, считая его потоком частиц, действующихна эфир. Движением световых частиц через эфир переменной плотности и ихвзаимодействием с материальными телами, по Ньютону, обусловлены преломлениеи отражение света, цвета тонких плёнок, дифракция света и его дисперсия. Скорость света). Наиб. Гюйгенса- Френеля принцип, атакже объяснение двойного лучепреломления. Однако Гюйгенс не разработалпоследовательно волновую теорию света, к-рая выдержала бы противопоставлениевоззрениям Ньютона.
Победа волновой О. связана с работамиТ. Юнга (Th. Young) и О. Френеля (A. J. Fresnel). В 1801 Юнг сформулировалпринцип интерференции, позволивший ему объяснить цвета тонких плёнок (см.Полосы равной толщины). Опираясь на этот принцип, Френель по-новомуистолковал принцип Гюйгенса, дал удовлетворит. волновое объяснение прямолинейностираспространения света и объяснил многочисл. дифракц. явления. В опытахФренеля и Араго (D. F. Arago) было установлено, что волны, поляризованныеперпендикулярно друг другу, не интерферируют; это дало основания высказатьидею о поперечности световых колебаний, исходя из к-рой Френель построилтеорию кристаллооптич. явлений. Т. Первым указанием на непосредств. связьэлектромагнетизма с О. было открытие Фарадеем (1848) вращения плоскостиполяризации света в магн. поле (Фарадея эффект). Далее былоустановлено, что отношение эл.-магн. и электростатич. единиц силы токано абс. величине и размерности совпадает со скоростью света с[В. т. е. определяется диэлектрич. и магн. проницаемостями среды. Открытиев 1862 Ф. Леру (F. P. Leroux) аномальной дисперсии, к-рая связана с поглощениемсвета, привело к представлению о веществе как совокупности осцилляторов, . нормальнуюи аномальную дисперсию. Подтверждением представлений о том, что излучениеи поглощение света определяются поведением электронов в атомах, явилосьоткрытие в 1896 П. Зееманом (P. Zeeman) и истолкование в 1897 Лоренцемдействия магн. поля на частоты излучения и поглощения атомов ( Зееманаэффект). В полном согласии с теорией Максвелла оказалась и величина давлениясвета, измеренная П. Н. Лебедевым в 1899. Эл.-магн. теория света сталаотправным пунктом и при создании относительности теории. Плодотворностьклассич. электродинамич. теории света Максвелла - Лоренца неоднократноподтверждалась и в дальнейшем, напр. при истолковании И. Е. Таммом и И. Черенкова - Вавилова излучения, в выдвиженииД. Габором (D. Gabor, 1947) идеи голографии (с записью волновогоноля в одной плоскости), в разработке оригинального направления трёхмернойголографии, начало к-рому положили работы Ю. Н. Денисюка (1962), и т. Электродинамич. теория, однако, оказаласьнедостаточной для описания процессов поглощения и испускания света. М. чёрного тела, пришёл к заключению (1900), что элементарная колебат. система (атом, распределение актов излученияво времени. Т. о., при сохранении физ. смысла поля фотоны, возникающиепри актах испускания света и существующие только при движении со скоростьюсвета, приобрели черты материальных частиц. Фотонные представления позволилиЭйнштейну объяснить осн. законы фотоэффекта, впервые исследованныеА. Г. Столетовым в 1888 - 90; они дают наглядное истолкование существованиюКВ-границы в тормозном излучении электронов, Комптона эффекти, открытомув 1923, стоксову сдвигу частоты излучения фотолюминесценции, комбинац. В совр. О. квантовые представления непротивопоставляются волновым, а сочетаются на основе квантовой механики и квантовой электродинамики. Квантовая теория позволила датьинтерпретациюспектрам атомов, молекул и ионов, объяснить воздействие электрич., магн. спина - исвязанного с ним собств. магн. момента у электрона и др. частиц, повлёкшееза собой установление Паули принципа(1926) и истолкование сверхтонкойструктуры спектров [В. Паули (W. Pauli), 1928].
Наиб. важное событие совр. О. - эксперим. инверсией населённости, этот процессможет многократно повторяться - происходит усиление нач. светового потока. квантовый генератор (лазер). Первые квантовые генераторы (всантиметровом диапазоне длин волн - мазеры) были созданы А. М. Прохоровым, голография, УТС, оптич. компьютер).

Лит.. Ландсберг Г. С., Оптика, 5изд., М., 1976; Вавилов С. И., Микроструктура света, М., 1950; ГерцбергерМ., Современная геометрическая оптика, пер. с англ., М., 19G2; Борн М..ВольфЭ., Основы оптики, пер. с англ., 2 изд., М., 1973; Действие излучения большоймощности на металлы, под ред. А. М. Бонч-Бруевича, М. А. Ельяшевича, М.,1970; Спектроскопия оптического смешения и корреляция фотонов, под ред. спектроскопия, А. М. Бонч-Бруевич.

Физическая энциклопедия. В 5-ти томах. — М.: Советская энциклопедия.Главный редактор А. М. Прохоров.1988.

Синонимы:

вариооптика, катоптрика, кинооптика, магазин, магнитооптика, нанооптика, физика, фотооптика, электрооптика

Смотреть больше слов в «Физической энциклопедии»

ОПТИКА ДВИЖУЩИХСЯ СРЕД →← ОПРЕДЕЛИТЕЛЬ

ОПТИКА

Синонимы слова "ОПТИКА":

Смотреть что такое ОПТИКА в других словарях:

Рекомендуем посмотреть: