38 Optika úvod a geom. optika

Optika obecně

• Vedle mechaniky nejstarší obor fyziky
• Ve svém původním významu se zabývá světlem, zákonitostmi jeho šíření a ději při vzájemném působení světla a látky
• V širším pojetí zahrnujeme do optiky i účinky světelného záření zkoumané v chemii, biologii, lékařství, psychologii a v dalších oborech

Světlo

• Světlo je součástí spektra elektromagnetického záření
• Lidské oko vnímá elektromagnetické vlnění o frekvencích 7,6·1014 Hz – 3,9·1014 Hz
• Rychlost ve vakuu je c = 3·105 km·s-1
• Rychlost ve vzduchu je přibližně stejná jako ve vakuu
• Ve vodě rychlost světla dosahuje hodnoty přibližně 225 000 km·s-1 a ve skle 200 000 – 150 000 km·s-1

Rozdělení optiky

1. Paprsková (geometrická) optika
   • Geometrická optika studuje zákony založené na přímočarém šíření, které platí v rozměrech velkých proti vlnové délce.
   • Je založena na třech zákonech
     • Zákon přímočarého šíření světla
     • Zákon odrazu světla
     • Zákon lomu světla
   • Hlavní problematikou je zobrazování optickými soustavami
2. Vlnová optika
   • Vlnová optika studuje vlnové vlastnosti záření, pokud jde o tak velké množství zářivé energie, že není třeba přihlížet k její nespojitosti.
   • Zabývá se zejména jevy, které potvrzují vlnovou povahu světla
   • Jsou to např.: disperze světla, interference světla, difrakce (ohyb) světla a polarizace světla
3. Kvantová optika
   • Kvantová optika studuje elementární vlastnosti záření, zvláště vznik a absorpci, při nichž se zřetelně uplatňuje kvantová povaha záření.
   • Zabývá se ději, při nichž se projevuje kvantový ráz světla
   • Jsou to především děje, při nichž dochází ke vzájemnému působení světla a látky

Postuláty geometrické optiky

1. V homogenním prostředí se světlo šíří přímočaře
2. Na hranici dvou homogenních izotropních a nevodivých prostředí se odráží a láme tak, že je splněn zákon odrazu a lomu
3. Směr šíření světla podél paprsku je vždy možno změnit na opačný
4. Světelné paprsky se mohou protínat, aniž by se navzájem ovlivňovaly

Základní pojmy geometrické optiky

• Světelné zdroje – tělesa vyzařující světlo

• Optické prostředí – prostředí, kterým se světlo šíří

    - __Průhledné__ – nedochází k rozptylu světla
    - __Průsvitné__ – při průchodu prostředím se část rozptyluje
    - __Neprůhledné__ – světlo se v něm silně pohlcuje nebo se na povrchu odráží

• Opticky homogenní (stejnorodé) prostředí – optické prostředí, které má kdekoli ve svém objemu stejné optické vlastnosti
• Ve stejnorodém optickém prostředí se světlo šíří přímočaře
• Opticky izotropní prostředí – nezávisí-li rychlost šíření světla v optickém prostředí na směru
• Anizotropní prostředí – rychlost světla na směru šíření závisí
• Bodový zdroj světla – zdroj světla, u kterého můžeme zanedbat jeho rozměry
• Rovinné vlnoplochy – kulové vlnoplochy ve velké vzdálenosti od zdroje
• Směr šíření světla ve stejnorodém optickém prostředí udávají přímky kolmé na vlnoplochu, které se nazývají světelné paprsky

Zákon odrazu světla

• Pokud světelný paprsek dopadá na rozhraní dvou prostředí s odlišnými optickými vlastnostmi, pak se světlo na rozhraní částečně odráží a částečně se láme do druhého prostředí

    - Odraz a lom světla se řídí stejnými zákony, jaké byly odvozeny pro mechanické vlnění pomocí Huygensova principu \(viz\. otázka 23\.\)

• Zákon odrazu světla:
  • Úhel odrazu α ´ se rovná úhlu dopadu α. Odražený paprsek leží v rovině dopadu.
• Úhel odrazu nezávisí na frekvenci světla. Proto se paprsky různých barev odrážejí stejně.

Lom světla

• Pro směr lomeného paprsku platí vztah:

                        obrázek vynechán

β…úhel lomu

• Podíl rychlostí v1 a v2 je veličina zvaná index lomu n pro dané rozhraní
• Pokud je první prostředí vakuum nebo vzduch platí *v1 = c *a pro rychlost světla v druhém prostředí zavedeme v2 = v
• Poté platí: obrázek vynechán … absolutní index lomu optického prostředí

Zákon lomu

• Nazývá se též Snellův zákon

    - Objevil ho v 17\. století Holanďan W\. Snell
  
                              obrázek vynechán nebo   obrázek vynechán

• • • Zvláštní případ lomu od kolmice nastává, když β = 90°. Úhel dopadu, kterému odpovídá tento úhel lomu, se nazývá mezní úhel αm. Je – li úhel dopadu α > αm, lom světla nenastává a vzniká úplný odraz světla.

• Když dochází k úplnému odrazu světla na rozhraní s vakuem, platí pro mezní úhel vztah:

           	obrázek vynechán

Index lomu světla

• Hodnoty indexu lomu různých látek:

    - Vakuum: n = 1 … Vzduch: n = 1 \(1,0002718\)
    - Led: n = 1,31 … Voda: n = 1,33 … Běžné sklo: n = 1,5

• Když se světlo šíří z optického prostředí o indexu n1, v němž má rychlost v1, do prostředí s indexem lomu n2, kde má rychlost v2, platí:

                                                      obrázek vynechán

• Prostředí opticky hustší – větší index lomu

• Prostředí opticky řidší – menší index lomu

obrázek vynechánLom světla ke kolmici a od kolmice

• Lom světla při přechodu z prostředí:
  1. z prostředí opticky řidšího do prostředí opticky hustšího nastává lom světla ke kolmici ( β<α)

obrázek vynechán

• 1. při přechodu světla z opticky hustšího prostředí do prostředí opticky řidšího nastává lom světla __od kolmice ( α<β). __

Refraktometry a optické kabely

• Refraktometry jsou přístroje pro měření indexu lomu.
  • Měřením mezního úhlu se určuje index lomu látky, kterou světlo prochází.
• Úplný odraz se využívá ke konstrukci odrazných hranolů
• Na úplném odrazu jsou založena důležitá moderní zařízení pro přenos signálů ve sdělovací technice –optické kabely. Základní částí optického kabelu je skleněné vlákno (optický vlnovod). Sklo v jeho střední části má větší index lomu než obvodová vrstva. Signály v optickém kabelu mají digitální podobu.

obrázek vynechánobrázek vynechán