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

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
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
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

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

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

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.

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 $n = v c $ … absolutní index lomu optického prostředí

$sin β sin α = n 1 n 2 = v 2 v 1 $

nebo

$n 1 sin α = n 2 sin β$

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:

$sin α m = n 1 1 $

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:

$v 2 v 1 = n 1 c : n 2 c = n 1 n 2 $
Prostředí opticky hustší – větší index lomu
Prostředí opticky řidší – menší index lomu

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

při přechodu světla z opticky hustšího prostředí do prostředí opticky řidšího nastává lom světla od kolmice ( α<β).

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.

Ilustrace: Refraktometry a optické kabely