Kapitola 12

OPTIKA

Svetlo nás obklopuje po celý život. Jeho hlavným zdrojom je Slnko – naša najbližšia hviezda. Svetlo dokážeme vyrobiť aj umelo, napríklad spaľovaním dreva, tak ako to robia ľudia po stáročia. Podstate svetla a jeho vlastnostiam sa venovali učenci už od čias starého Grécka. V tom čase verili, že svetlo je vlnovej povahy a šíri sa priestorom, ako vlna na vode. Táto predstava umožnila vysvetliť niektoré svetelné efekty pozorované v prírode. Sir Isaac Newton (1642 – 1727) v sérii pokusov s ohybom svetla na štrbine ukázal, že svetlo je korpuskulárnej povahy. Jeho rovesník Christian Huygens (1629 – 1695) naopak v sérii pokusov s interferenciou preferoval vlnovú podstatu svetla. Veľmi presvedčivý dôkaz o vlnovej podstate svetla priniesol Thomas Young (1773 – 1829), keď predviedol svoj slávny dvojštrbinový experiment. Definitívny dôkaz o vlnovej podstate svetla priniesol James Clerk Maxwell (1831 – 1879), keď v roku 1864 uverejnil teóriu elektromagnetického vlnenia a napísal vlnovú rovnicu „svetla“. Všetko sa zdalo byť jasné, až pokiaľ Albert Einstein v roku 1905 uverejnil slávnu prácu o podstate fotoefektu. Podľa tehto vysvetlenia má svetlo predsa korpuskulárny charakter. Neskôr, pri interpretácii kvantovej mechaniky sa ukázalo, že pravdu mali obe strany a svetlo má duálny charakter – je aj vlnenie a súčastne prúd častíc fotónov.

Podstatou optiky je skúmať vlnové vlastnosti svetla. Neobyčajne pomalá konvergencia súčtu guľových vĺn, z ktorých podľa Huygensa možno poskladať akúkoľvek vlnoplochu, na jednej strane prináša rozmanité optické efekty, na druhej strane však robí ťažkosti pri výpočtoch. Preto boli vyvinuté mnohé aproximácie, uľahčujúce výpočty. Podstatná časť práce na poli optiky bola urobená v 17. a 18. storočí takými velikánmi ako G.R.Kirchhoff, A.J.Fresnel, Fraunhofer alebo S.D.Poisson.

Každá aproximácia má však prísne určenú oblasť použitia. Preto musíme veľmi podrobne porozumieť podstate približných metód používaných v optike, aby sme vedeli určiť kedy ktorú môžeme použiť.

Význam numerických metód a ich spresňovania narastá v súčasnosti, keď miniaturizácia optických (napríklad fotoaparát) a opto-elektronických (optické disky) vyžaduje neustále menšie rozmery optických súčiastok.

Učebné ciele

Študent by mal vedieť popísať podstatné vlastnosti svetla, poznať aproximácie používané v optike a prípadne použiť vedomosti na jednoduché simulácie v optike. Získané vedomosti by mali byť dostatočné na riešenie technických aplikácií.

Kľúčové slová

spektrum elektromagnetického žiarenia, vlnová rovnica, riešenie vlnovej rovnice, meranie rýchlosti svetla, geometrická optika, index lomu, Fermatov princíp, totálny odraz, interferencia – skladanie vĺn, interferencia na tenkej vrstve, lom svetla na rozhraní, Huygensov princíp, difrakcia, ohyb svetla na hranatom orvore, Fraunhoferove a Fresnelove priblíženie, dvojštrbinový experiment, zložené a komorové oko