Slovník optiky: Veda o správaní a manipulácii so svetlom

Optika je odvetvie fyziky, ktoré skúma správanie, vlastnosti a aplikácie svetla. Tento slovník poskytuje hĺbkové, referenčné definície a vysvetlenia základných aj pokročilých pojmov z optiky, fotometrie a modernej optickej techniky.

A

Aberácia

Aberácia opisuje odchýlku optického systému od dokonalého vytvorenia obrazu, čo spôsobuje chyby ako rozmazanie, skreslenie alebo farebné okraje. Skutočné šošovky a zrkadlá trpia monochromatickými aberáciami (postihujú jediné vlnové dĺžky, napr. sférická aberácia, koma, astigmatizmus, zakrivenie poľa a skreslenie) a chromatickou aberáciou (vznikajúcou v dôsledku vlnovo závislého indexu lomu, čo spôsobuje farebné lemy). Tieto chyby obmedzujú rozlíšenie a vernosť obrazu. Moderný optický návrh využíva asférické plochy, achromatické dublety a výpočtovú optimalizáciu na minimalizáciu aberácií, čo je kľúčové od ďalekohľadov po fotoaparáty v smartfónoch.

Adaptívna optika

Adaptívna optika (AO) je pokročilá technika na korekciu dynamicky sa meniacich aberácií, najmä atmosférickej turbulencie v astronómii. AO systémy používajú snímač čelnej vlny, deformovateľné zrkadlo a rýchly riadiaci systém na meranie a kompenzáciu skreslenia čelnej vlny v reálnom čase a obnovujú tak výkon blízky difrakčnému limitu.

AO dramaticky zlepšuje rozlíšenie pozemských teleskopov a používa sa aj v oftalmológii, laserovej komunikácii a pokročilej mikroskopii. Účinnosť AO sa často hodnotí Strehlovým pomerom (maximálna intenzita v porovnaní s ideálnym systémom).

Amplitúda

V optike amplitúda označuje maximálnu hodnotu elektrického alebo magnetického poľa elektromagnetickej vlny. Pre rovinnú vlnu [ E(z, t) = E_0 \cos(kz - \omega t + \phi) ] kde (E_0) je amplitúda. Optická intenzita je úmerná druhému mocninu amplitúdy. Amplitúda je kľúčová pri interferenčných a difrakčných javoch a môže niesť informáciu v modulovaných signáloch.

B

Lúč

Lúč je smerový zväzok svetelných lúčov alebo vĺn, charakterizovaný svojou priestorovou koherenciou, divergenciou a priečnym profilom. Laserové lúče sú vysoko kolimované, koherentné a často majú Gaussov profil. Dôležité parametre zahŕňajú pásmo lúča, divergenciu, Rayleighov rozsah a faktor M². Špecializované lúče zahŕňajú Besselove, Airyho a optické vírové lúče. Lúče sú základom laserových aplikácií, spájania do vlákien, zobrazovania a výroby.

Hraničné podmienky

Hraničné podmienky sú matematické obmedzenia na elektromagnetické polia na rozhraní medzi materiálmi, odvodené z Maxwellových rovníc. Určujú, ako sa elektrické a magnetické zložky polí prepájajú na rozhraniach, tvoria základ pre odvodenie Fresnelových rovníc, analýzu vlnovodov, viacvrstvových povlakov a simuláciu fotonických štruktúr.

C

Teória koherencie

Teória koherencie kvantifikuje, ako dobre sú optické polia korelované v čase (časová koherencia) a priestore (priestorová koherencia). Časová koherencia súvisí so spektrálnou šírkou a viditeľnosťou interferencie pri časových oneskoreniach; priestorová koherencia ovplyvňuje interferenčné obrazce cez čelnú vlnu. Základnými nástrojmi sú vzájomná koherenčná funkcia a stupeň koherencie (0 až 1). Teória koherencie je základom interferometrie, holografie a kvantovej optiky.

Kolimované svetlo

Kolimované svetlo pozostáva z takmer rovnobežných lúčov s minimálnou divergenciou. Dosahuje sa pomocou šošoviek alebo zrkadiel, pričom kolimácia je nevyhnutná pre laserové meranie vzdialenosti, voľnoprístorovú komunikáciu, presné osvetlenie a mikroskopiu. Miera kolimácie sa charakterizuje uhlom divergencie; vysokokvalitné optické systémy dosahujú divergenciu v miliradiánoch alebo menšiu.

Zbiehavá/rozbiehavá šošovka

Zbiehavá šošovka (vypuklá) zaostruje rovnobežné lúče do reálneho bodu; rozbiehavá šošovka (dutá) ich rozptyľuje, akoby vychádzali z virtuálneho bodu. Rovnica tenkej šošovky súvisí so vzdialenosťou predmetu, obrazu a ohniskovou vzdialenosťou: [ \frac{1}{f} = \frac{1}{d_o} + \frac{1}{d_i} ] Zložené objektívy kombinujú prvky na korekciu aberácií a maximalizáciu rozlíšenia.

D

Difrakcia

Difrakcia je ohýbanie a rozptyl vĺn okolo prekážok alebo otvorov, čo je základný dôsledok vlnovej povahy svetla. Opisuje ju Huygensov-Fresnelov princíp, difrakcia sa pozoruje pri jednoštrbinových, dvojštrbinových a mriežkových obrazcoch a obmedzuje rozlíšenie zobrazovacích systémov (Rayleighovo kritérium). Fraunhoferova (ďaleké pole) a Fresnelova (blízke pole) sú dva hlavné režimy. Difrakcia je kľúčová v spektrometroch, optických vláknach a návrhu fotonických zariadení.

Disperzia

Disperzia je závislosť indexu lomu materiálu od vlnovej dĺžky, čo spôsobuje, že rôzne farby sa šíria rôznou rýchlosťou. Vedie k rozdeleniu bieleho svetla v prizmách a dúhach, spôsobuje chromatickú aberáciu v šošovkách. Disperziu popisujú Cauchyho a Sellmeierove rovnice, ovplyvňuje grupové a fázové rýchlosti, rozširovanie impulzov vo vláknach a je inžiniersky upravovaná vo fotonických zariadeniach pre generáciu superkontinua.

E

Elektromagnetické spektrum

Elektromagnetické spektrum zahŕňa všetky vlnové dĺžky elektromagnetického žiarenia od gama žiarenia (<0,01 nm), cez röntgenové žiarenie, ultrafialové, viditeľné (400–700 nm), infračervené, mikrovlny až po rádiové vlny (škála km). Optika sa zameriava najmä na viditeľné, UV a IR žiarenie, no fyzikálne princípy platia v celom spektre. Každá oblasť interaguje s látkou inak a má špecifické vedecké a technologické využitie.

Étendue

Étendue je zachovávaná vlastnosť svetla, opisujúca súčin plochy, cez ktorú svetlo prechádza, a priestorového uhla, ktorý zaberá: [ \mathcal{E} = n^2 A \Omega ] Kvantifikuje “rozprestretie” svetla vo fázovom priestore a stanovuje limity koncentrácie, tvarovania lúča a priepustnosti. Zachovanie étendue obmedzuje zaostrovanie rozšírených svetelných zdrojov a je základom osvetlenia, solárnych koncentrátorov a návrhu spektrometrov.

F

Fermatov princíp

Fermatov princíp hovorí, že svetlo sa medzi dvoma bodmi šíri po dráhe, pre ktorú je optická dĺžka dráhy stacionárna (zvyčajne minimálna). Tento princíp je základom odrazu, lomu (Snellov zákon), zaostrovania šošovkami a vzniku fatamorgán. Fermatov princíp sa všeobecne uplatňuje v zložitých optických systémoch a tvorí základ výpočtového trasovania lúčov.

Fresnelove rovnice

Fresnelove rovnice kvantitatívne popisujú, ako sa svetlo odráža a prenáša na rozhraní materiálov s rôznymi indexmi lomu. Poskytujú amplitúdové a intenzitné koeficienty odrazu/prenosu pre s- a p-polarizované svetlo, vysvetľujú javy ako Brewsterov uhol, polarizačné efekty a návrh povlakov a zrkadiel.

G

Geometrická optika (lúčová optika)

Geometrická optika považuje svetlo za lúče šíriace sa priamočiaro, ktoré sa na rozhraniach lámu alebo odrážajú (Snellov zákon). Tento model zjednodušuje analýzu a návrh šošoviek, zrkadiel a zobrazovacích systémov, platí, keď sú štruktúry oveľa väčšie ako vlnová dĺžka. Tvorí základ trasovania lúčov a maticovej optiky, ale zanedbáva vlnové javy ako difrakciu a interferenciu – tie sú zásadné pri malých otvoroch alebo mikroštruktúrach.

H

Holografia

Holografia je technika, ktorá zaznamenáva a rekonštruuje celú čelnú vlnu (amplitúdu a fázu) svetla rozptýleného od objektu. Interferenciou objektovej vlny s referenčným lúčom a zaznamenaním vzniknutého obrazca (hologramu) možno neskôr rekonštruovať celý trojrozmerný svetelný poľ, čo vedie k skutočným 3D obrazom. Holografia vyžaduje vysoko koherentné zdroje (lasery) a je základom vznikajúcich technológií v oblasti ukladania dát, zobrazovania a displejov.

I

Interferencia

Interferencia je skladanie dvoch alebo viacerých koherentných svetelných vĺn, ktoré vytvára oblasti konštruktívnej (jasnej) a deštruktívnej (tmavej) intenzity. Interferencia je základom javov ako prúžky v Michelsonovom a Youngovom dvojštrbinovom experimente, farby tenkých vrstiev a fungovania interferometrov pre metrológiu a detekciu.

L

Šošovka

Šošovka je optický prvok, ktorý láme svetlo tak, aby lúče zbiehali alebo rozbiehali a vytvárali obrazy. Šošovky sa charakterizujú tvarom (vypuklé, duté), ohniskovou vzdialenosťou a numerickou apertúrou. Zložené šošovky kombinujú viacero prvkov na korekciu aberácií. Šošovky sú nepostrádateľné v kamerách, mikroskopoch, ďalekohľadoch, okuliaroch a laseroch.

P

Fotometria

Fotometria je veda o meraní viditeľného svetla z hľadiska vnímania ľudským okom (svetelný tok), s jednotkami ako lúmen (svetelný tok), kandela (svetelná intenzita) a lux (osvetlenie). Fotometrické merania zohľadňujú spektrálnu odozvu ľudského oka, na rozdiel od radiometrie, ktorá meria celkový optický výkon (watt), bez ohľadu na vlnovú dĺžku.

Polarizácia

Polarizácia opisuje orientáciu vektora elektrického poľa svetelnej vlny. Svetlo môže byť lineárne, kruhovo alebo elipticky polarizované. Ovládanie polarizácie je zásadné v displejoch, komunikácii, mikroskopii a kvantovej optike. Zariadenia ako polarizátory, vlnové doštičky a dvojlomné kryštály manipulujú stavmi polarizácie.

Q

Kvantová optika

Kvantová optika skúma kvantovú povahu svetla, vrátane štatistiky fotónov, neklasických stavov, previazania a kvantového merania. Je základom kvantovej komunikácie, výpočtov a pokročilých zobrazovacích techník.

R

Odraz

Odraz je zmena smeru svetla na rozhraní, riadi sa zákonom: uhol dopadu sa rovná uhlu odrazu. Zrkadlá a kovové povlaky využívajú odraz na zobrazovanie, smerovanie lúčov a detekciu.

Lom

Lom je ohyb svetla pri prechode medzi materiálmi s rôznymi indexmi lomu, popísaný Snellovým zákonom: [ n_1 \sin \theta_1 = n_2 \sin \theta_2 ] Lom umožňuje zaostrovanie šošovkami, vedenie svetla v optických vláknach a vznik dúhy.

S

Snellov zákon

Snellov zákon kvantifikuje vzťah medzi uhlami dopadu a lomu na rozhraní: [ n_1 \sin \theta_1 = n_2 \sin \theta_2 ] Určuje, ako sa svetlo láme na rozhraní materiálov.

T

Úplný vnútorný odraz

Úplný vnútorný odraz nastáva, keď svetlo prechádza z prostredia s vyšším indexom lomu do nižšieho a dopadá pod uhlom väčším ako je kritický, čo vedie k tomu, že všetko svetlo sa odrazí späť. Tento princíp je základom optických vlákien a svetlovodov.

W

Čelná vlna

Čelná vlna je plocha s konštantnou fázou v šíriacej sa vlne. Čelné vlny môžu byť rovinné, sférické alebo zložité (napr. aberované alebo štruktúrované lúče). Analýza a manipulácia čelných vĺn je centrom adaptívnej optiky, holografie a fázovo-kontrastného zobrazovania.

Z

Zemax (optický návrhový softvér)

Zemax je široko používaný softvér na návrh optiky na modelovanie, optimalizáciu a tolerovanie šošovkových systémov, optických vlákien a osvetľovacích zariadení. Umožňuje simuláciu trasovania lúčov, vlnovej optiky a výkonnosti systémov, čo je kľúčové pre moderné optické inžinierstvo.

Preskúmajte slovník pre podrobné vysvetlenia ďalších pojmov z optiky, fotometrie a fotonického inžinierstva.