Место в физической картине мира

Оптикой принято называть раздел физики, посвященный изучению генерации, распространения и взаимодействия с веществом ЭМВ в интервале длин волн 10 нм – 2 мм. Границы этого диапазона весьма условны и, на сегодняшний день, можно считать что оптика – раздел физики изучающий электромагнитное излучение, характерное для квантовых систем (хотя механизм генерации может быть и не квантовым).

В область интересов оптики входят:

· Видимое излучение.

· ИК и УФ излучение.

· Рентгеновское излучение.

· Иногда – микроволновое излучение.

В совокупности эти виды излучения образуют оптический диапазон. Исходно интересы оптики ограничивались лишь видимым диапазоном, что определялось наличием единственного фотоприемника - человеческого глаза. По мере появления новых фотоприемников, пригодных для работы в ИК и УФ диапазонах они были исследованы и на основании общности явлений включены в оптический диапазон. Несколько позднее в оптический диапазон были включены рентгеновское излучение. Одним из оснований для этого было открытие дифракции рентгеновских лучей. Вторжение в оптический диапазон радиофизиков, исследующих процессы вынужденного излучения показало общность процессов микроволнового излучения и оптического.

Соответственно в плане спектрального диапазона к оптике примыкают в длинноволновой области – микроволновая или СВЧ – электроника и радиофизика, а в области коротких длин волн – ядерная физика и физика элементарных частиц, в интересы которой в т.ч. входит изучение γ-излучения.

Отличительными особенностями ЭМВ оптического диапазона являются:

1. Наличие у излучения выраженного корпускулярно-волнового дуализма, т.е. ЭМВ данного диапазона могут проявлять как квантовые, так и волновые свойства. К волновым свойствам в первую очередь относят интерференцию и дифракцию, в т.ч. дифракцию рентгеновского излучения. К наиболее выраженным корпускулярным проявлениям относят внешний фотоэффект.

Наиболее ярко иллюстрируют двойственность природы света два наиболее значимых открытия оптики в 20 веке:

-Изобретение лазера и создание нового научного направления – Квантовой электроники.

- Изобретение голографии.

В основе первого лежат почти исключительно квантовые подходы, в основе второго – волновые.

2. Шумовой характер излучения. В случае радиоволн, в излучающей антенне все электроны двигаются согласованно и продуцируют свой вклад в общую когерентную волну с постоянной фазой и частотой. Аналогом может служить волна от колеблющегося на поверхности воды значительного по габаритам предмета – каждая его точка испускает волну согласованно со всеми остальными, давая свой вклад в волну общую.

Излучение оптического диапазона, в подавляющем большинстве случаев, является результатом действия независимых колебаний микросистем. Согласно предыдущей аналогии его можно уподобить волнам, создаваемым на поверхности воды каплями дождя: общая энергия колебаний может быть значительной, но получить упорядоченные колебания в достаточно большом объеме оказывается невозможно, хотя получить направленную полосу неспокойной воды все-таки реально. Именно с этим связаны сложности в наблюдении интерференции в оптическом диапазоне.

Вместе с тем, шумоподобный характер оптического излучения на сегодняшний день перестал быть абсолютным, что связано с появлением оптических генераторов. Данные генераторы работают на квантовых принципах, в связи с чем получили название квантовых генераторов, или лазеров. В данных приборах удалось упорядочить излучение отдельных микроизлучателей, что позволило получить оптическое излучение с характеристиками существенно отличающимися от излучения обычных источников.

Любопытно отметить, что квантовую электронику создали не «классические» оптики, «оседлавшие» вынужденное излучение, а специалисты по радиофизике и СВЧ - электронике, вторгшиеся в оптический диапазон. Даже название «квантовая электроника» указывает на радиотехнические корни этой науки.

Следствием появления лазеров стало появление нескольких новых разделов в оптике:

-оптика гауссовых пучков;

-оптика когерентного излучения и оптика спеклов;

-оптика сверхкоротких лазерных импульсов;

-нелинейная оптика.

Предметом анализа и синтеза классической оптики были и остаются системы измерения и наблюдения:

-обобщение результатов прямых наблюдений;

-угловые измерения с помощью квадрантов;

-создание и усовершенствование линз и систем линз и зеркал, таких как микроскоп и телескоп, а также других оптических приборов;

-создание оптических измерительных систем для измерения малых расстояний (~λ), показателей преломления, дисперсии и др.

В основу этих подходов положены принцип прямолинейного распространения света и два основных закона – закон зеркального отражения света и закон преломления, называемый также законом Снеллиуса или Снеллиуса –Декарта.

По настоящее время на основе этих подходов решается огромное количество прикладных задач построения оптических наблюдательных проекционных и измерительных систем. Область оптики, занимающуюся этими вопросами, обычно называют прикладной оптикой, являющейся прямым следствием оптики геометрической, рассматривающей распространение света как совокупности световых лучей и являющейся приближением бесконечно малой длины световой волны.

Как альтернатива геометрической оптике существуют два подхода развиваемых в рамках физической оптики. В случае физической оптики уже невозможно игнорировать внутреннюю структуру света, поэтому в зависимости от точки зрения различают волновую и квантовую оптику.

В первом случае свет рассматривается как электромагнитная волна, подобная радиоволнам и отличающаяся лишь частотой и, как следствие, длиной волны. Обобщением подходов волновой оптики могут служит уравнения Максвелла. Решая систему таких уравнений при соответствующих граничных условиях можно решать многие задачи распространения световых фронтов, преломления и отражения света, рассеяния и поглощения и т.п. Вместе с тем следует отметить, что многие задачи решать в рамках волновой оптики неэффективно, поскольку их со значительно меньшими затратами можно решать в рамках оптики прикладной (геометрической).

С другой стороны многие задачи, особенно касающиеся взаимодействия излучения и вещества, в принципе не могут быть решены в рамках геометрического или волнового подхода, такие как например излучение нагретых тел, внешний и внутренний фотоэффект и т. п. Ряд задач в рамках квантовых представлений имеют наиболее простую интерпретацию, в первую очередь связанные с явлением люминесценции, генерацией гармоник, усиления и поглощения излучения.

Теоретически, аппарат квантовой оптики позволяет решать все задачи, встающие перед оптикой. При кажущейся привлекательности такого подхода следует отметить его сложность и, во многих случаях, излишнюю абстрактность, что затрудняет понимание задач и построение путей решения.

Следствием этого является сочетание всех трех подходов в современной оптике и использование для решения каждой конкретной задачи подхода наиболее эффективного, наглядного и понятного.

Итак, по используемым подходам разделяют оптику прикладную (геометрическую), волновую и квантовую.

Исторически первой возникла геометрическая оптика, ведущая свою историю со времен Древнего Мира - в первую очередь Древнего Египта и Древней Греции. Уже тогда людям были хорошо известны прямолинейность распространения света, закон зеркального отражения, свойства вогнутых зеркал и фокусирующее действие выпуклых прозрачных предметов.

Родоначальником волновой оптики принято считать Френеля, объяснившего с помощью развиваемых им волновых представлений большинство известных на тот момент оптических явлений и переломивший на какое-то время спор сторонников корпускулярной и волновой концепций в пользу последних.

Наиболее известным сторонником корпускулярной концепции того времени был Исаак Ньютон. В качестве основного возражения против волновой концепции он как раз приводил закон прямолинейного распространения света, объясняя этот факт инерционностью движения световых корпускул. При этом в своих воззрениях он значительно обогнал свое время предполагая наличие у световых корпускул периодических свойств (знаменитый корпускулярно-волновой дуализм). Вместе с тем блестящая разработка Френелем простой и наглядной волновой теории света сделала на какое-то время корпускулярный подход просто ненужным. Вторым рождением световые корпускулы обязаны Максу Планку, которому пришлось обратиться к ним при решении задачи теплового излучения абсолютно черного тела. При этом даже "родитель" относился к идее световых квантов очень осторожно и недоверчиво, считая квантовый подход только математической абстракцией, позволившей решить нерешенную доселе задачу. Человеком, окончательно выведшим квант на "большую дорогу" в оптике принято считать Альберта Эйнштейна.