Historický přehled i moderní směry optiky RNDr. Jitka Prokšová, Ph.D. FPV 2010/11

Historický přehled – časová osa pravěk fyzikystará fyzika novověká fyzika

Optika v období renesance (formování optiky jako vědního oboru)

 renesanční osobnosti: Leonardo da Vinci (1452–1519):  srovnává děj v temné komoře s lidským okem, kde vzniká obrácený obraz na sítnici  interference  stereoskopické vnímání  výrazný vliv na aplikace optiky i rozvoj celé fyziky v tomto období Franciscus Maurolycus (1494–1575)  spis „Pozorování světla a stínu“  posun paprsku při průchodu planparalelní deskou  oční čočka zobrazuje podobně jako skleněná

Jan Marcus Marci (1595–1667)  experimentální fyzik, lékař, matematik  1648: studie o duhovém oblouku světla  lom světla = různým barvám spektra přísluší různé úhly lomu, jednoduché barvy se nerozkládají  lékař císaře Leopolda I. (1658), rektor UK (1662)  na jeho počest pojmenován kráter na odvrácené straně Měsíce (kráter Marci)  jeho práce znal např. Christiaan Huygens

zkoumání přírody  v 2. pol. 13. st. v Persii studium příčin tvoření duhy  1311 Theodorich (dominikánský mnich)  až René Descartes (matematické vysvětlení, spis Meteory) z českých fyziků 1646: M. B. Haněl (disertace o problematice duhy)

Optika v 17. století

Galileo Galilei (1564–1642):  obrovský význam  zakladatel experimentální fyziky  první návrh měření rychlosti světla  stavba dalekohledu (x hvězdářský)  významné astronomické práce Christoph Scheiner (1575–1630):  jezuita (současník GG)  ukázal vznik převráceného skutečného obrazu předmětu na sítnici oka (pokusy s očima telat)  popsal funkci pupily, snaha o popis akomodace oka (neúspěšná)

Francesco Grimaldi z Bologně (1618–1663):  první popis ohybu světla na štěrbině  optická mřížka (kovová deska s vrypy ozářená bílým světlem)  1674: nezávisle na něm pozoroval ohyb italský matematik Deschales Sigismund Ferdinand Hartmann (1632–1681):  jezuita (Wroclaw, Olomouc, Praha)  zákony GEO při odrazu na zrcadlech  1668 spis Catoptrica illustrata  Hartmannova deska

Willebrord Snell (Snellius) van Royen (1591–1626): holandský matematik a fyzik,  určil délku meridiánového oblouku výpočtem z trigonometrické sítě  zabýval se průchodem světla přes rozhraní dvou prostředí  Snellův zákon lomu (Descartes, Fermat)

Pierre de Fermat (1601–1665): francouzský matematik a fyzik,  matematická analýza, analytická geometrie  teorie čísel  velká Fermatova věta  princip extrémní dráhy světla  autor Snellova zákona lomu

Isaac Newton (1643–1727): anglický matematik a fyzik, jeden z největších géniů  pokusy s disperzí bílého světla na hranolu a opětovným skládáním barev  autor Snellova zákona lomu?  Newtonova čočková rce  emanační teorie světla:  světelný paprsek – složen ze světelných částic (tvaru koule), šířících se přímočaře podle zákonů klasické mechaniky  odraz světla – odraz dokonale pružné částice (koule)  lom světla – způsoben přitažlivostí mezi světelnými částicemi a lámavým prostředím (nesouhlas: chybné rychlosti šíření částic)

 jevy interference: Newtonovy kroužky – výklad: jev, který dokazuje vlnovou povahu světla, spojoval Newton s periodičností nebo s kmitáním prostředí

Christian Huygens (1629–1695): undulační vlnová teorie světla předpoklady:  světelný rozruch jako pružný impuls šířící se éterem (který zaplňuje i vnitřek předmětů)  každý bod, do kterého vlnění dospělo, se stává zdrojem nového rozruchu objevy:  polarizace světla v krystalech  světlo je příčné vlnění

Erasmus Berthelsen (Bartholinus) (1625–1698): dánský lékař a matematik  1669: první pozoroval úkaz dvojlomu světla na krystalu islandského vápence  děj vysvětlil o 10 let později Christian Huygens (bez toho, aby ale vysvětlil polarizaci světla při dvojlomu)

Optické přístroje: Zacharias Janssen holandský výrobce čoček,  objevitel a vynálezce dalekohledu (1604) František Lippershey dožadoval se patentu galileovskéhodalekohledu v 1608 Galileo Galilei 1609: sestrojil stejný dalekohled a později z něj udělal mikroskop jeho přínos je hlavně v pozorování

Johannes Kepler hvězdářský typ dalekohledu 1611 popis i terestrického dalekohledu Isaac Newton 1663: konstrukce zrcadlového dalekohledu (odstranění vad čoček) Gregory + Cassegrein pozdější vylepšení reflektoru

Optika v 18. a 19. století

Joseph Louis Lagrange a Hermann Helmholtz:  teoretické práce o lomu světla na kulových plochách a čočkách Isaac Newton:  detailní popis disperze světla na hranolu  1704: „Optics or Treatise of Reflections, Refractions, Inflections and Colours of Light“  sedm základních barev spektra

Vývoj názorů o podstatě světla…  undulační (Huygensova) teorie 1690: spis Traité de lumiére (Pojednání o světle)  emanační (Newtonova) teorie 1704: spis Optics… (viz předchozí) objevy v 18. st. Newtonova teorie Huygensova teorie (do boje za ni: Euler, Young, Fresnel…)

Velký skok… 1865 elektromagnetická (Maxwellova) teorie  James Clerk Maxwell (1831–1879) 1) problematické vlastnosti éteru (charakter podélných vln, ne příčných, jak vyplývalo z experimentů) elektrická a magnetická vlna obě polarizovány v navzájem kolmých rovinách 2) světlo = část elektromagnetického spektra

V závěru 19. st. …  Joseph Larmor (1857–1942)  Hendrik Antoon Lorentz (1853–1928) pokrok elektromagnetické teorie: elektronová teorie

Podrobný historický vývoj… William Wollaston (1766–1828): anglický fyzik a chemik  pozorování absorpčních čar ve slunečním spektru  „kopírovací“ přístroj camera lucida Základem je čtyřboký polopropustný hranol, v němž se horizontální světelný paprsek láme do vertikálního směru a přichází do oka kreslíře. Hranol bývá namontován na držadle připevněném k horizontální desce, na níž leží materiál, na který je kresleno. Kreslíř se dívá přes hranu hranolu a vidí současně kreslenou scénu i nakreslenou část scény. To mu umožňuje zakreslit přesně klíčové body scény. Ernest Abbe (1840–1905): německý fyzik  hranoly se stálou deviací  teorie minimální odchylky  Abbeův refraktometr

Joseph von Fraunhofer (1787–1826): německý fyzik (optik) a mechanik, později ředitel velké optické firmy v Mnichově  zakladatel spektrální analýzy  pozorování absorpčních čar (Fraunhoferovy čáry) ve slunečním spektru… nezávisle na Wollastonovi  zdokonalení různých optických přístrojů František Koláček (1881–1942): český fyzik, profesor na brněnské a pražské uni  teoretické problémy optické disperze  zkoumání zákonitostí čárových spekter

Rozvoj optických přístrojů… Friedrich Wilhelm Herschel (1738–1822): německý varhaník, učitel hudby a astronom  1781: objevitel planety Uran  1795: zdokonalil reflektor Cassegraina Nicéphore Niepce (1765–1833): francouzský chemik profesor na Kodaňské uni  1826: objevil fotografický proces

Josef Petzval (1807–1891): slovenský fyzik, profesor vídeňské uni  vynikající optik  sestrojení kvalitního objektivu Předpoklady dobré kvality optických přístrojů: kvalitní sklo… v Čechách kolem 1800

Rozvoj vlnové optiky… Thomas Young (1773–1829): anglický hudebník, lékař, fyzik, matematik a malíř  nadšený bojovník za uznání Huygensovy undulační teorie  1801: vysvětlení interferenčních a difrakčních jevů  světlo je příčné vlnění (otázky polarizace) Augustin Jean Fresnel (1788–1827): francouzský inženýr, člen Akademie  dovršení Youngovy průkopnické práce  zdatný experimentátor i teoretik

Etienne Louis Malus (1775–1812): francouzský inženýr  objevitel světelné polarizace  účastník Napoleonovy výpravy do Egypta  1808: vědecké studie o refrakci na krystalu islandského vápence (otázka intenzity řádného a mimořádného paprsku)  Malusův zákon (k výkladu však užil Newtonovy emisní teorie)

Jean Baptiste Biot (1774–1862): francouzský fyzik a mechanik  studoval vlastnosti dvojosých krystalů  Biotovy zákony o stáčení polarizační roviny  zjistění optické aktivity (objev rotační polarizace Arago v 1811) David Brewster (1781–1868): anglický fyzik  Brewsterův zákon  studie polarizace na stu krystalických látek  pozoval chromatickou polarizaci

Johann Gottlieb Nörrenberg (1787–1862): německý fyzik, profesor na uni v Darmstadtu  sestrojil polarizační přístroj (polarizace odrazem i lomem)  Biotovy zákony o stáčení polarizační roviny  zjistění optické aktivity William Nicol (1768–1851): anglický fyzik, učitel fyziky v Edinburghu  polarizační hranol  krystaly islandského vápence slepené vrstvou kanadského balzámu

Jean B. F. Soleil (1798–1878): znamenitý francouzský optik a mechanik  zdokonalil Biotův-Mitscherlichův polarimetr  zvýšení přesnosti odečítání díky Soleilově dvojdesce (levo- a pravotočivý křemen) bratři Josef a Jan Fričové: synové českého politika J. V. Friče, studovali přírodní vědy na UK  založení firmy na výrobu přesných vědeckých přístrojů (mezi nimi i tzv. polostínové polarimetry)  založení hvězdárny na Ondřejově (1898 až 1908)

Rozvoj fotometrie…  1760 publikován základní zákon fotometrie Johann H. Lambert (1728–1779): člen berlínské Akademie  Lambertův kosinusový zákon Lord Rumford (B. Thompson) (1753–1814): 1794: konstrukce historicky nejstarších fotometrů, následoval: 1843: Bunsenův fotometr

 1884: první pokus o mezinárodní dohodu Jules Violle (1841–1923): člen francouzské Akademie, profesor v Lyoně  návrh, aby se jednotkou svítivosti stala svítivost 1 cm2 Pt při bodu tání Pt Friedrich von Hefner-Alteneck (1845–1904): šéfinženýr u firmy Siemens & Halske  1884: Hefnerova svíčka (=vodorovná svítivost 40 mm dlouhého plamene octanu amylnatého hořícího nad bavlněným kulatým knotem o průměru 8 mm za určitých podmínek, jednotka byla používaná především v Německu před rokem 1942)

Optika ve 20. století

Kvantová teorie světla… Max Planck Albert Einstein (1858–1947) (1879–1955)

Optické jevy – dualismus: světlo má vlastnosti, které svědčí o jeho vlnové povaze a jiné, které dokazují korpuskulární charakter Kvantová optika: teorie, která popisuje jak vlastnosti světla, tak vlastnosti atomů, de Broglieho vztahy – přechod od korpuskulární teorie k vlnové teorii Renesance optiky (objev laserů, aplikace v informatice, optoelektronice)

Optika v aplikacích:  luminiscence  laserová optika (koherentní zobrazení)  optoelektronika  adaptivní optika  gradientní optika  transformační optika (kvantové komunikační a informační protokoly)  holografie…

Luminiscenční jevy teoretický základ: vlastnost plynných a kondenzovaných soustav – odezva na působící vnější energii se projevuje vyzářením elektromagnetického vlnění v době delší než  přechody na hladinách atomů či molekul dělení podle doby trvání:  fluorescence: emise záření při excitaci  fosforescence: emise po excitaci

Nové pojmy v teorii luminiscence: luminofor: PL, kde luminiscence závisí na nečistotách nebo poruchách KM krystalické luminofory  sloučeniny, které vykazují luminiscenci v „čistém“ stavu ( na každou elementární buňku připadá v takové sloučenině 1 iont s neúplně zaplněnou slupkou… např. halogenidy, sulfidy, sloučeniny Mo a Pt)  alkalické halogenidy aktivované Th nebo jinými těžkými kovy  sulfidy ZnS, CdS aktivované prvky Cu, Ag, Au, Mn  křemičitanové luminofory (stínítka osciloskopů)  organické krystaly (antracen aktivovaný naftacenem)

Teoretické pozadí:  luminiscenční kinetika: elektron přejde z nižší energetické hladiny na vyšší (je excitován, zůstává však vázán na svůj mateřský atom)  excitace a rekombinace do základního stavu probíhá uvnitř téhož luminiscenčního centra  mechanismus dosvitu: doba doznívání koncentrace vybuzených elektronů

Druhy luminiscence podle způsobu buzení: druh luminiscence:způsob buzení: fotoluminiscenceUV nebo viditelné světlo radioluminiscenceRTG, gama, částice vysokých energií katodoluminiscenceurychlené elektrony termoluminiscencetepelná energie elektroluminiscenceelektrické pole galvanoluminiscenceelektrochemická reakce, elektrický proud mechanoluminiscencetlak, mletí, drcení, deformace krystaloluminiscencerůst krystalů kryoluminiscencepůsobení nízkých teplot chemoluminiscencechemické reakce …

Některé jevy nelineární optiky: optické vlastnosti prostředí závisí na:  vlnové délce světla, které prostředím prochází  intenzitě světla Před objevem laseru – tepelné zdroje (generování světelných vln) Vnitřní pole atomů Laser

rozdíly od klasické Maxwellovy teorie:  soustava rovnic není lineární  neplatí princip superpozice  interakce světelných vln  generace jedněch na úkor druhých Dielektrická prostředí působením vnějšího pole může dojít k polarizaci:  atomové  iontové  orientační

 pole světelné vlny má periodu (tzn. hraje roli při ustavení atomové polarizace)  odezva prostředí na vnější působení – polarizace (elektrický dipólový moment jednotky objemu prostředí, vzbuzený vnějším polem)  pro homogenní, izotropní prostředí bez prostorové disperze platí:

Pozorované nelineární jevy:  generace vln s vyššími harmonickými (na úkor části energie dopadající světelné vlny s frekvencí se v prostředí vybudí světelné vlny s frekvencemi )  parametrická generace světla (na úkor části energie dopadající světelné vlny s frekvencí se v prostředí vybudí dvě světelné vlny, z nichž jedna má frekvenci a druhá frekvenci, přičemž frekvencimůžeme plynule měnit v mezích od nuly do )  samofokusace světla (dosáhne-li intenzita dopadající vlny jisté prahové hodnoty, dochází k zúžení světelného svazku a koncentraci energie do tenkého světelného „kanálku“)  zprůhlednění prostředí (prostředí původně neprůhledné pro světlo o malé intenzitě se stává průhledným pro světlo o velké intenzitě)a další…

Gradientní optika:  část optiky, která se zabývá šířením světla v nehomogenním prostředí  index lomu závisí na souřadnicích, nejčastěji rotační symetrie vůči ose čočky (osa z je osou symetrie):  konstrukce čoček ve tvaru válce (vlastnosti pak závisí pouze na délce tohoto válce)  široké uplatnění v optických komunikacích (gradientní vlákna), měřicí a kontrolní technice  technologické možnosti – specifické vlastnosti

Adaptivní optika:  široká oblast působnosti  optické prvky a systémy - parametry lze měnit, ovlivnění vlnoploch, transformace  odstranění poruch vlnoploch  uplatnění:  pozemní astronomické dalekohledy – odstranění vlivu nehomogenit zemské atmosféry  fokusace laserového záření  korekce laserových optických systémů a výkonných laserů

Jiné možnosti zápisu OU: maticová optika…  dvě možnosti zápisu optických událostí (= dva způsoby stanovení průchodu paprsků optickou soustavou):  zobrazovací rovnice  přenosová matice paprsku  maticový způsob zápisu  počátkem 30. let 20. století – první formulace T. Smith  v 60. letech znovu oživení  předpoklad: paprsky se šíří pouze v jedné rovině formalismus použitelný pro systémy s rovinnou geometrií

popis paprsku: popis paprsku:  poloha a úhel vzhledem k optické ose výhodnost maticového zápisu:  přenosová matice paprsku posloupnosti optických prvků (systémů) = součinu přenosových matic jednotlivých prvků  formální postup pro popis komplexních optických soustav v paraxiálním přiblížení z y

Průchod paprsku: charakteristika soustavy: vstup výstup y z vstupvýstupoptická soustava

Přenosová matice paprsku: v paraxiálním přiblížení: A, B, C, D jsou reálná čísla přepis do matice:

Šíření vakuem: znaménková konvence: úhel se měří od paprsku k ose z kladný směr = proti směru hodinových ručiček záporný směr = po směru hodinových ručiček y z d

Lom na sférickém rozhraní: charakteristika soustavy A: y z

Obecná soustava:  popis událostí pomocí součinu matic pro lom, odraz a šíření světelných paprsků v homogenním prostředí  každý prvek v systému – přenosová matice  výhodné pro identické soustavy  otázky stability řešení

Příklad:  soustava tenkých čoček ve vzdálenosti d y z

 každá z čoček:  přenosová matice:  podmínka stability:

 parametr b  z podmínky vyplývá:

Odkazy:  Dějiny fyziky  Špelda: Dějiny fyziky  Přednášky z fyziky  Richard Feynmann: Přednášky z fyziky  Saleh, B. – Teich M.: Základy fotoniky. Praha, Matfyzpress 1994  Born, M. – Wolf, E.: Principles of Optics. Cambridge, Cambridge University Press 1998  Malý P.: Optika. UK Karolinum, 2008