Slovník optiky: věda o chování a ovlivňování světla

Optika je obor fyziky, který zkoumá chování, vlastnosti a aplikace světla. Tento slovník nabízí podrobné, odborné definice a vysvětlení základních i pokročilých pojmů v optice, fotometrii a moderním optickém inženýrství.

A

Aberace

Aberace označuje odchylku optického systému od dokonalého vytvoření obrazu, což způsobuje vady jako rozmazání, zkreslení nebo barevné lemování. Skutečné čočky a zrcadla trpí monochromatickými aberacemi (ovlivňujícími jednotlivé vlnové délky, např. sférická aberace, koma, astigmatismus, zakřivení pole a zkreslení) a chromatickou aberací (vznikající v důsledku závislosti indexu lomu na vlnové délce, což vede k barevným lemům). Tyto vady omezují rozlišení a věrnost obrazu. Moderní optický návrh využívá asférické plochy, achromatické dublety a výpočetní optimalizaci pro minimalizaci aberací, což je klíčové od teleskopů po fotoaparáty v chytrých telefonech.

Adaptivní optika

Adaptivní optika (AO) je pokročilá technika pro korekci dynamicky se měnících aberací, zejména atmosférické turbulence v astronomii. Systémy AO využívají vlnový senzor, deformovatelné zrcadlo a rychlý řídicí systém k měření a kompenzaci deformací vlnoplochy v reálném čase, čímž obnovují téměř difrakčně omezený výkon.

AO dramaticky zlepšuje rozlišení pozemských teleskopů a využívá se také v oftalmologii, laserové komunikaci a pokročilé mikroskopii. Účinnost AO se často vyjadřuje Strehlovým poměrem (vrcholová intenzita ve srovnání s ideálním systémem).

Amplituda

V optice označuje amplituda maximální hodnotu elektrického nebo magnetického pole elektromagnetické vlny. Pro rovinnou vlnu platí [ E(z, t) = E_0 \cos(kz - \omega t + \phi) ] kde (E_0) je amplituda. Optická intenzita je úměrná čtverci amplitudy. Amplituda je klíčová v interferenci a difrakčních jevech a může nést informace v modulovaných signálech.

B

Paprsek

Paprsek je směrové svazek světelných paprsků nebo vln, charakterizovaný prostorovou koherencí, divergencí a průřezovým profilem. Laserové paprsky jsou vysoce kolimované, koherentní a často mají gaussovský profil. Důležité parametry zahrnují ohnisko paprsku, divergenci, Rayleighův rozsah a faktor M². Speciální paprsky jsou Besselovy, Airyho a optické vírové paprsky. Paprsky jsou základní v laserových aplikacích, spojování do vláken, zobrazování a výrobě.

Okrajové podmínky

Okrajové podmínky jsou matematické požadavky na elektromagnetická pole na rozhraní mezi materiály, odvozené z Maxwellových rovnic. Určují, jak se elektrické a magnetické složky pole spojují přes rozhraní a jsou základem pro odvození Fresnelových rovnic, analýzu vlnovodů, vícenásobných vrstev a simulace fotonických struktur.

C

Teorie koherence

Teorie koherence kvantifikuje, jak dobře jsou optická pole korelována v čase (časová koherence) a prostoru (prostorová koherence). Časová koherence souvisí se spektrální šířkou a viditelností interference při časovém zpoždění; prostorová koherence určuje interferenční obrazce přes vlnoplochu. Klíčové nástroje jsou vzájemná koherenční funkce a stupeň koherence (0 až 1). Teorie koherence je základem interferometrie, holografie a kvantové optiky.

Kolimované světlo

Kolimované světlo tvoří téměř rovnoběžné paprsky s minimální divergencí. Kolimace se dosahuje pomocí čoček nebo zrcadel a je nezbytná pro laserové měření vzdálenosti, volně prostorovou komunikaci, přesné osvětlení i mikroskopii. Stupeň kolimace se udává rozptylovým úhlem; kvalitní optické systémy dosahují divergence v řádu miliradiánů nebo méně.

Spojná/rozptylná čočka

Spojná čočka (konvexní) zaostřuje rovnoběžné paprsky do reálného bodu; rozptylná čočka (konkávní) je rozptyluje, jako by vycházely z virtuálního bodu. Tenká čočková rovnice vyjadřuje vztah mezi vzdáleností předmětu, obrazu a ohniskovou vzdáleností: [ \frac{1}{f} = \frac{1}{d_o} + \frac{1}{d_i} ] Složené objektivy kombinují více prvků pro korekci aberací a maximalizaci rozlišení.

D

Difrakce

Difrakce je ohyb a rozptyl vln kolem překážek nebo otvorů, což je základní důsledek vlnové povahy světla. Popisuje ji Huygensův-Fresnelův princip, difrakce se projevuje ve vzorech od jednoduché štěrbiny, dvojštěrbiny i mřížky a omezuje rozlišení zobrazovacích systémů (Rayleighovo kritérium). Fraunhoferova (vzdálené pole) a Fresnelova (blízké pole) jsou hlavní režimy. Difrakce je klíčová ve spektrometrech, optických vláknech a při návrhu fotonických zařízení.

Disperze

Disperze je závislost indexu lomu materiálu na vlnové délce, což způsobuje, že různé barvy světla se šíří různou rychlostí. Vede k rozkladu bílého světla v hranolech a duze a způsobuje chromatickou aberaci čoček. Disperzi popisují Cauchyho a Sellmeierovy rovnice; ovlivňuje skupinovou a fázovou rychlost, šíření pulzů ve vláknech a je upravována v fotonických zařízeních pro generování superkontinua.

E

Elektromagnetické spektrum

Elektromagnetické spektrum zahrnuje všechny vlnové délky elektromagnetického záření, od gama záření (<0,01 nm) přes rentgenové paprsky, ultrafialové, viditelné (400–700 nm), infračervené, mikrovlny až po rádiové vlny (v řádu kilometrů). Optika se zaměřuje hlavně na viditelné, UV a IR, ale fyzikální principy platí v celém spektru. Každá oblast interaguje s látkou odlišně a má specifické vědecké i technologické využití.

Étendue

Étendue je zachovávaná vlastnost světla popisující součin plochy, kterou světlo prochází, a prostorového úhlu, který zaujímá: [ \mathcal{E} = n^2 A \Omega ] Vyjadřuje “rozšíření” světla ve fázovém prostoru a stanovuje limity koncentrace, tvarování svazku a propustnosti. Zachování étendue omezuje zaostření rozšířených světelných zdrojů a je zásadní v osvětlovací technice, solárních koncentrátorech a návrhu spektrometrů.

F

Fermatův princip

Fermatův princip říká, že světlo se mezi dvěma body šíří po takové dráze, pro kterou je optická dráha stacionární (obvykle minimální). Tento princip je základem odrazu, lomu (Snellův zákon), zaostření čočkou i vzniku fatamorgány. Fermatův princip lze zobecnit na složitější optické systémy a tvoří základ výpočetního sledování paprsků.

Fresnelovy rovnice

Fresnelovy rovnice kvantitativně popisují, jak se světlo odráží a propouští na rozhraní materiálů s různými indexy lomu. Udávají amplitudové a intenzitní koeficienty odrazu/prostupu pro s- a p-polarizované světlo a vysvětlují jevy jako Brewsterův úhel, polarizační efekty a návrh vrstev a zrcadel.

G

Geometrická optika (paprsková optika)

Geometrická optika považuje světlo za paprsky pohybující se přímočaře a ohýbající se na rozhraních odrazem a lomem (Snellův zákon). Tento model zjednodušuje analýzu a návrh čoček, zrcadel a zobrazovacích systémů a platí, když jsou struktury mnohem větší než vlnová délka. Je základem sledování paprsků a maticové optiky, ale zanedbává vlnové jevy jako difrakci a interferenci, které jsou zásadní u malých otvorů či mikrostruktur.

H

Holografie

Holografie je technika, která zaznamenává a rekonstruuje celou vlnoplochu (amplitudu i fázi) světla rozptýleného od objektu. Interferencí objektové a referenční vlny a záznamem vzniklého vzoru (hologramu) lze později rekonstruovat trojrozměrné světelné pole a vytvořit skutečný 3D obraz. Holografie vyžaduje vysoce koherentní zdroje (lasery) a je základem rozvíjejících se technologií v oblasti ukládání dat, zobrazování a displejů.

I

Interference

Interference je skládání dvou nebo více koherentních světelných vln, které vytvoří oblasti konstruktivní (světlé) a destruktivní (tmavé) intenzity. Interference je základem jevů jako proužky v Michelsonově a Youngově dvojštěrbinovém experimentu, barev tenkých vrstev a funkce interferometrů pro metrologii a snímání.

L

Čočka

Čočka je optický prvek, který láme světlo a sbírá nebo rozptyluje paprsky a vytváří obrazy. Čočky jsou charakterizovány tvarem (konvexní, konkávní), ohniskovou vzdáleností a numerickou aperturou. Složené čočky kombinují více prvků pro korekci aberací. Čočky jsou nepostradatelné v kamerách, mikroskopech, dalekohledech, brýlích a laserech.

P

Fotometrie

Fotometrie je věda o měření viditelného světla podle vnímání lidským okem (světelný tok) s jednotkami jako lumen (světelný tok), kandela (světelná intenzita) a lux (osvětlenost). Fotometrická měření zohledňují spektrální citlivost oka a liší se od radiometrie, která měří celkový optický výkon (watt) bez ohledu na vlnovou délku.

Polarizace

Polarizace označuje orientaci vektoru elektrického pole u světelné vlny. Světlo může být lineárně, kruhově nebo elipticky polarizováno. Ovládání polarizace je zásadní v displejích, komunikaci, mikroskopii a kvantové optice. Zařízení jako polarizátory, vlnové destičky a dvojlomné krystaly upravují stav polarizace.

Q

Kvantová optika

Kvantová optika zkoumá kvantovou povahu světla, včetně statistiky fotonů, neklasických stavů, provázanosti a kvantového měření. Je základem kvantové komunikace, výpočtů a pokročilých zobrazovacích technik.

R

Odraz

Odraz je změna směru světla na rozhraní, řízená zákonem: úhel dopadu se rovná úhlu odrazu. Zrcadla a kovové vrstvy využívají odraz pro zobrazování, směrování paprsků a detekci.

Lom

Lom je ohyb světla při přechodu mezi materiály s různými indexy lomu, popsaný Snellovým zákonem: [ n_1 \sin \theta_1 = n_2 \sin \theta_2 ] Lom umožňuje zaostřování čoček, vedení světla v optických vláknech a vznik duhy.

S

Snellův zákon

Snellův zákon kvantifikuje vztah mezi úhly dopadu a lomu na rozhraní: [ n_1 \sin \theta_1 = n_2 \sin \theta_2 ] Určuje, jak se světlo ohýbá na rozhraní materiálů.

T

Úplný vnitřní odraz

Úplný vnitřní odraz nastává, když se světlo snaží proniknout z prostředí s vyšším indexem do prostředí s nižším indexem pod větším úhlem, než je kritický, a veškeré světlo se odrazí zpět. Tento princip je základem optických vláken a světlovodů.

W

Vlnoplocha

Vlnoplocha je plocha stejné fáze v šířící se vlně. Vlnoplochy mohou být rovinné, kulové nebo složité (například u aberovaných nebo strukturovaných paprsků). Analýza a manipulace s vlnoplochami je klíčová v adaptivní optice, holografii a fázově kontrastním zobrazování.

Z

Zemax (optický návrhový software)

Zemax je široce používaný softwarový nástroj pro návrh, optimalizaci a toleranční analýzu čočkových systémů, optických vláken a osvětlovacích zařízení. Umožňuje simulaci sledování paprsků, vlnové optiky a hodnocení výkonnosti systému, což je zásadní pro moderní optické inženýrství.

Prozkoumejte slovník pro podrobné vysvětlení dalších pojmů z optiky, fotometrie a fotonického inženýrství.