Optika - všetko o optike
Optika je náuka o svetle. Zaoberá sa štúdiom zákonitostí svetelných javov, ktoré vznikajú pri prechode svetla prostrediami a
ich rozhraniami v najrôznejších fyzikálnych a geometrických podmienkach, štúdiom vzniku, zániku svetla a jeho pôsobenia na látku. Optika nie
je len jedným z fyzikálnych vedných odborov. Je to samostatný odbor, ktorý zjednocuje široké pole optického výskumu vo všetkých
prírodných i technických vedách.
Aby sme pochopili základné otázky a tendencie vývoja optiky, ako i jej súvislost s ostatnými
fyzikálnymi odbormi, zmienime sa o hlavných medzníkoch jej vývoja.
Optika sa zacala pôvodne vyvíjat ako náuka o videní.
Euklides (365-300 pred n. l.) sformuloval jednu z prvých teórií videnia, zákon priamociareho šírenia svetla a
na jeho základe i zákon odrazu svetla od zrkadiel. Vlastnosti dutých zrkadiel boli známe i Archimedovi (287-212
pred n. l.), ktorý údajne pomocou zrkadiel vytvorených zo štítov obrancov Syrakúz zapaloval drevené lode Rimanov.
Ptolemaios (90-160) získal základné poznatky o lome svetla.
Cirkev a inkvizícia v stredoveku kládla
velké prekážky rozvoju vedeckého myslenia. Odrazilo sa to v tom, že do roku 700 nevznikli nijaké význacnejšie práce v optike. V období
scholastiky nevznikli práce týkajúce sa podstaty svetla. Celý záujem bolo možné sústredit len na otázky chodu svetla pri odraze na zrkadlách
a prechode šošovkami. Dôkazom rozvoja vedy u Arabov sú práce fyzika Alhazena (965-1038), ktorý prispel k rozvoju
viacerých oblastí optiky najmä v súvislosti s teóriou videnia a s lomom svetla. Anglican R. Bacon (1214-1294) sa
zaoberal vlastnostami zrkadiel. Pri svojej práci používal už jednoduché sústavy šošoviek. V roku 1285 vznikli aj prvé okuliare.
Obdobie renesancie od 14. storocia po polovicu 17. storocia sa charakterizuje viacerými dôležitými objavmi, ktoré prispeli k postupnému
rozvoju ekonomiky, kultúry, ale aj k vyostreniu boja pokrokových filozofov so scholastikou. Veda získava experimentálny charakter, co vedie v
optike k mnohým dôležitým objavom.
F. Maurolycus (1494-1575) objasnil funkciu okuliarov. Talian
G. Porta (1534-1615) zdokonalil cameru obscuru známu už od 10. storocia, a to tak, že do otvoru umiestnil
šošovku. V nasledujúcich rokoch boli skonštruované aj dalšie zobrazovacie optické prístroje. Prvý zložený mikroskop vynašiel v
roku 1590 holandský optik Z. Jansen. Prvé zložené dalekohlady zhotovili v rokoch 1608-1610 holandskí optici Z.
Jansen, J. Mecius a H. Lippershey. Nemecký fyzik a astronóm J. Kepler
(1571-1630) navrhol v roku 1611 hvezdársky dalekohlad a napísal niekolko dalších závažných prác z teórie optických prístrojov a z
fyziologickej optiky. Zaoberal sa aj lomom svetla, ale zákon lomu objavil až holandský fyzik W. Snellius
(1591-1626) a v dnešnom tvare ako prvý uverejnil francúzsky matematik a filozof R. Descartes (1596-1650). Descartes
predpokladal, že rýchlost svetla nie je konecná.
V roku 1657 francúzsky fyzik P. Fermat (1601-1665)
sformuloval základný princíp geometrickej optiky - príncíp mínimálneho casu, okolo ktorého vzniklo v tom období množstvo diskusií
a sporov už aj preto, že princíp predpokladá konecnú hodnotu rýchlosti svetla. Taliansky fyzik G. Galilei
(1564-1642) zdokonalil dalekohlad a použil ho vo svojich astronomických pozorovaniach. Pokúsil sa odmerat i rýchlost svetla, ale nemal
ešte vhodné experimentálne podmienky na takéto nárocné meranie. K najdôležitejším objavom tohto obdobia patrí objav difrakcie (ohybu)
svetla, ktorú ako prvý pozoroval F. M. Grimaldi (1618-1663).
Experimentálne poznatky dosiahnuté do
prvej polovice 17. storocia sa stali východiskom pri riešení otázky podstaty svetla. Názory na podstatu svetla vychádzali z toho, že
svetlo je nositelom energie. Energia sa môže prenášat v podstate dvoma spôsobmi. Teleso, ktoré sa pohybuje, má kinetickú energiu. Tento
spôsob prenosu energie sa stal základom korpuskulárnej teórie svetla. Energia sa prenáša aj pri šírení vlnenia, a to bol základ vlnovej
teórie svetla. Celé dalšie obdobie je poznacené bojom týchto dvoch teórií, v ktorom striedavo vítazila jedna i druhá aby nakoniec v súlade s
dialektickým zákonom jednoty a boja protikladov zvítazili obidve.
V druhej polovici 17. storocia sa stali význacným prínosom práce
anglického matematika a fyzika I. Newtona (1643-1727). Aj ked záznam o pozorovaní disperzie svetla existuje v práci
ceského fyzika J. Marca z Cronlandu (1595-1671) skôr ako u Newtona. Newton prvý velmi dôkladne preskúmal prechod
svetla hranolom a svoje poznatky spracoval v základoch teórie farieb. Našiel zákonitosti interferencného javu, ktorý dnes
nazývame Newtonovými krúžkami. Pri svojich úvahách vychádzal Newton z toho, že v homogénnom prostredí sa šíri svetlo priamociaro. To ho
viedlo k predstave, že svetlo je prúdom castíc, ktorých dráhy urcujú zákony mechaniky a tým sa stal zakladatelom korpuskulárnej
(emanacnej) teórie svetla.
Anglický fyzik R. Hooke (1635-1703) považoval svetlo za priecne kmity
šíriace sa velkou rýchlostou akýmsi éterom, ktorý vyplna celý priestor. V tom istom období holandský vedec Ch.
Huygens (1629-1695) výrazne prispel k rozvoju vlnovej (undulacnej) teórie svetla, a to najmä princípom, ktorý je podla
neho pomenovaný. Tento princíp mu umožnil vysvetlit zákon odrazu, zákon lomu, ako aj dvojlom, ktorý v roku 1669 objavil dánsky vedec
E. Bartolinus (1625-1698). Pri skúmaní dvojlomu objavil Huygens polarizáciu svetla, ale pretože považoval svetlo za
pozdlžne vlnenie éteru, vysvetlit ju nevedel. Vlnovú teóriu podporoval i známy ruský vedec M. V. Lomonosov
(1711-1765). Velký význam mali astronomické pozorovania dánskeho astronóma O. Romera (1644-1710), ktorý pri
pozorovaní zatmenia Jupiterových mesiacov zistil, že rýchlost svetla je konecná.
Tažkosti, ktoré vznikli vo vlnovej
teórii pri vysvetlovaní priamociareho šírenia svetla a polarizácie, ako i postoj samotného Newtona spôsobili, že v priebehu takmer celého
storocia nebola vlnová teória uznávaná. Až závažné objavy na zaciatku 19. storocia túto situáciu zmenili.
V 19. storocí nastal
rozvoj priemyslu a tým i rozvoj fyziky ako teoretického základu technického pokroku. Anglický fyzik T. Young
(1773-1829) sformuloval v roku 1801 základné princípy interferencie svetla, vysvetlil vznik farieb tenkých vrstiev, polarizáciu však vysvetlit
nevedel. E. Malus (1775-1812) pozoroval polarizáciu svetla odrazom a našiel vztah medzi intenzitou riadneho a
mimoriadneho lúca. Velký pokrok v rozvoji optiky znamenali objavy francúzskeho fyzika A. J. Fresnela (1788-1827),
ktorý sa velkou mierou zaslúžil o úplné vítazstvo vlnovej teórie. Jeho velkým prínosom bolo, že dokázal spojit myšlienky Huygensa a
Younga, co mu umožnilo spresnit Huygensov princíp a dat mu hlbší fyzikálny zmysel. Pomocou takto spresneného princípu rozriešil Fresnel
niektoré difrakcné úlohy. Spolu s francúzskym fyzikom D. F. Aragom (1786-1853) preskúmal Fresnel interferenciu
polarizovaného svetla a zistil, že lúce, ktoré sú polarizované v navzájom kolmých rovinách, neinterferujú. To ho priviedlo na
myšlienku, že svetelné vlnenie je priecne. Fresnel objavil i zákony, ktoré urcujú intenzitu svetla pri odraze a lome na rozhraní dvoch
prostredí.
Vlnovú teóriu podporili i dalšie objavy. Nemecký fyzik J. Fraunhofer (1787-1826) zmeral vlnovú
dlžku svetla optickou mriežkou. Francúzsky fyzik A. L. Cauchy (1789-1857) rozpracoval vlnovú teóriu disperzie na
základe predstavy o atómovej stavbe éteru. V tomto období má svoj zaciatok i fotografia. Francúz L. J. M. Daguerre
(1789-1851) zistil, že pomocou ortutových pár možno vyvolat obraz zachytený na striebornej platni, ktorá bola vystavená úcinkom jódových
pár. Táto metóda, nazvaná dagerotypiou, zaujala jedného z najznámejších slovenských vedcov tohto obdobia - J. M.
Petzvala (1807-1891). Dagerotypiu zdokonalil tým, že na základe presných výpoctov navrhol achromatický dvojitý
objektív, ktorý sa stal základom rozvoja fotografickej optiky, a ktorý sa používa aj dnes. Petzval sa teda pricinil o to, že z camery
obscury vznikol skutocný fotografický prístroj. Okrem toho Petzval objavil i divadelný dalekohlad a zaslúžil sa o zdokonalenie
dalších zobrazovacích optických prístrojov.
Dalšie objavy znamenali úplné vítazstvo vlnovej teórie. Nemecký fyzik
E. Abbe (1840-1905) na základe vlnovej teórie vytvoril teóriu mikroskopu a anglický fyzik R. J.
Rayleigh (1842-19.19) dospel k teórii rozlišovacej schopnosti hranolového spektroskopu. Francúzsky fyzik L. J.
Foucault (1819-1868) zistil, že rýchlost svetla vo vode je menšia ako vo vzduchu, cím experimentálne dokázal vlnovú podstatu
svetla. Nemecký fyzik G. R. Kirchhoff (1824-1887) matematicky sformuloval Huygensov-Fresnelov princíp. Velký význam
pre rozvoj celej fyziky mali pokusy amerického fyzika A. A. Michelsona (1852-1931), ktorý pomocou interferometra
vlastnej konštrukcie dokázal, že rýchlost svetla v smere pohybu Zeme a v smere kolmom na tento smer, je rovnaká. Pomocou interferometra
porovnával Michelson aj dlžku metra s vlnovou dlžkou svetla a skúmal štruktúru spektrálnych ciar. Francúzski fyzici Ch.
Fabry (1867-1945) a A. Perot (1863-1925) skonštruovali mnohozväzkový interferometer, ktorý sa
používa i v súcasnosti. Velký význam mali aj pokusy nemeckého fyzika O. Wienera (1862-1927), ktoré dokázali
existenciu svetelných stojatých vln.
Vlnová teória svetla koncom 19. storocia umožnovala vysvetlit mnoho pozorovaných
javov, ale niektoré vysvetlit nemohla. Išlo najmä o javy súvisiace s vyžarovaním a s absorpciou svetla. Snahou fyzikov bolo preto dalej
rozpracovat teóriu pružného éteru, a to tak, aby na opísanie všetkých javov stacili zákony a pojmy mechaniky. Pritom však narazili na
základný problém týkajúci sa velkej rýchlosti svetla. Ak by totiž bolo svetlo mechanické vlnenie, bola by jeho velká rýchlost dôsledkom
velkej hustoty éteru. Vtedy by však éter kládol pohybujúcim sa telesám velký odpor, co je v rozpore so skúsenostou. Nezávisle od optiky sa v
tomto období vyvíjali nové poznatky z elektriny a magnetizmu. Anglický fyzik M. Faraday (1791-1867) objavil v roku 1831
zákon elektromagnetickej indukcie a v roku 1865 anglický fyzik J. C. Maxwell (1831-1879) zhodnotil všetky známe
poznatky a sformuloval základné zákony elektriny a magnetizmu, ktoré dnes nazývame Maxwellovými rovnicami. Z týchto rovníc vyplýva
existencia elektromagnetického vlnenia, ktoré sa šíri rýchlostou svetla. Tieto výsledky, ako aj objavy, ktoré dokazovali úzku súvislost
elektrických a magnetických javov s optickými, ako napr. otácanie roviny polarizácie v magnetickom poli (M. Faraday v roku 1845), viedli Maxwella
k vytvoreniu elektromagnetickej teórie svetla. K elektromagnetickej teórii svetla prispel i ceský fyzik F.
Kolácek (1851-1913), ktorý vypracoval elektromagnetickú teóriu disperzie svetla a dokázal, že svetelný vektor je
totožný s vektorom intenzity elektrického pola. Existenciu elektromagnetického vlnenia experimentálne overil nemecký fyzik H.
Hertz (1857-1894), ako aj známy ruský fyzik A. S. Popov (1859-1905) objavom rádiotelegrafie. Velký význam
mali aj práce ruského fyzika P. N. Lebedeva (1866-1912), ktorý prvý zmeral svetelný tlak a zaoberal sa problémami
generácie a príjmu elektromagnetického vlnenia.
V dalšom období holandský fyzik H. A. Lorentz (1853-1928)
položil základy elektrónovej teórie, na základe ktorej bola vytvorená elektrónová teória disperzie a boli vysvetlené dalšie javy
súvisiace najmä s vyžarovaním a s absorpciou svetla. Ceský fyzik F. Záviška (1879-1945) overil Fresnelov zákon
dvojlomu v kryštáloch. Elektrónová teória umožnila odpovedat na viaceré otázky vzájomného pôsobenia svetla s látkou. Holandský fyzik
P. Zeeman (1865-1943) objavil rozštiepenie spektrálnych ciar v silnom magnetickom poli a položil tým
základy magnetooptiky. Anglický fyzik J. Kerr (1824-1907) objavil dvojlom v elektrickom poli. V
súvislosti s optickými javmi v pohybujúcich sa prostrediach vystúpila do popredia ešte raz otázka éteru, pretože sa predpokladalo, že
šírenie elektromagnetických vln umožnuje éter. Vlastnosti éteru by sa však mali prejavit v prvom rade pri pohybe telies. Preto sa Michelson
pokúsil zaznamenat interferometrom pohyb éteru vzhladom na Zem. Tento pokus sa skoncil neúspešne, co vyvolalo v celej fyzike velké zmeny.
Dôkazom toho bolo sformulovanie Lorentzových transformácií, na základe ktorých nemecký fyzik A. Einstein (1879-1955)
vytvoril špeciálnu teóriu relativity.
Velké objavy koncom 19. a zaciatkom 20. storocia znamenajú velký
prelom v prírodných vedách. Vo fyzike tento prelom sprevádza zrútenie starých predstáv o priestore a case, ako aj o zložení látok, co
vyvoláva krízu vo fyzike. V knihe Materializmus a empiriokriticizmus, ktorá vyšla v roku 1908, V. I. Lenin kritikou idealistických
filozofických smerov ukázal, že východisko z tejto situácie môže poskytnút len dialektický materializmus. Pre další rozvoj optiky
mal velký význam objav fotoelektrického javu v roku 1887 nemeckým fyzikom H. Hertzom. Ruský fyzik A. G.
Stoletov (1839-1896) prvý preskúmal systematicky tento jav a sformuloval základné zákony fotoelektrického javu, ktoré
platia i v súcasnosti. Nemecký fyzik P. Lenard (1862-1947), bratislavský rodák, objavil významnú zákonitost, podla
ktorej energia fotoelektrónov závisí od kmitoctu, nie však od intenzity dopadajúceho svetla. Nemecký fyzik M.
Planck (1858-1947) pri skúmaní rovnovážneho žiarenia absolútne cierneho telesa vyslovil domnienku, že energia, ktorú uvolnujú
atómy, je vždy celocíselným násobkom urcitého množstva energie a toto množstvo energie nazval kvantom. Tým položil základy
kvantovej teórie svetla. Na základe Planckovej hypotézy nemecký fyzik A. Einstein vysvetlil fotoelektrický jav a rozpracoval fotónovú
kvantovú teóriu svetla. Další rozvoj kvantovej teórie svetla ovplyvnili práce dánskeho fyzika N. Bohra (1885-1962),
ktorý vytvoril kvantovú teóriu atómu a žiarenia. Na rozvoji kvantovej teórie žiarenia majú velkú zásluhu sovietski fyzici
D. S. Roždestvenskij (1876-1940), A. N. Terenin (1896-1967) a další ich spolupracovníci.
Výsledky kvantovej teórie svetla dokazujú, že svetlo má súcasne vlnové i kvantové vlastnosti. Kvantová teória svetla je
korpuskulárnou teóriou, aj ked energia fotónu sa urcuje pomocou frekvencie svetelného vlnenia. Interferenciu, difrakciu a polarizáciu svetla
vieme vysvetlit na základe vlnovej teórie svetla. Fotoelektrický jav a absorpciu svetla vysvetluje kvantová teória svetla. Vlnové a
korpuskulárne vlastnosti svetla tvoria jednotu, navzájom sa nevylucujú, ale doplnujú. Tento dualizmus vln a castíc je pekným dôkazom platnosti
jedného zo základných zákonov dialektického materializmu - zákona jednoty a boja protikladov. Dalšie objavy a teoretické práce v prvej
polovici 20. storocia dokázali dualizmus vln a castíc pri všetkých elementárnych casticiach. Zásluhou známych vedcov, najmä francúzskeho
fyzika L. de Broglieho (1892), anglického fyzika P. Diraca (1902), nemeckého fyzika W.
Heisenberga (1901) a rakúskeho fyzika E. Schrodingera (1887-1961) vznikla kvantová mechanika a kvantová
elektrodynamika. Rozvoj týchto disciplín umožnil vysvetlit viaceré javy, ktoré vznikajú pri vzájomnom pôsobení svetla a prostredia.
Závažnými prácami prispel k rozvoju optiky jeden z najväcších sovietskych fyzikov S. I. Vavilov (1891-1951), ktorý
sa zaoberal najmä otázkami luminiscencie a štúdiom vyžarovania a absorpcie molekúl a atómov. Indický fyzik V. Ch.
Raman (1888) objavil v kvapalinách a súcasne sovietski fyzici L. I. Manderštam (1879-1944) a G.
S. Landsberg (1890-1957) objavili v kryštáloch kombinacný rozptyl svetla. Sovietsky fyzik P.A. Cerenkov
(1904) na základe Vavilovovej hypotézy dokázal existenciu svetelného žiarenia pri šírení elektrónov, ktorých
rýchlost prevyšuje rýchlost svetla v danom prostredí. Teoreticky vysvetlili vznik tohto Cerenkovovho žiarenia sovietski fyzici I. J.
Tamm (1895) a I. M. Frank (1908), ktorí spolu s Cerenkovom dostali za túto prácu Nobelovu cenu.
V prvej polovici 20. storocia sa nerozvíjala len kvantová optika, ale aj experimentálne metódy merania vlnových dlžok, mnohozväzková
interferometria a spektroskopia, optika tenkých vrstiev a dalšie oblasti. Svetoznáme výsledky dosiahol v tomto období profesor brnenskej
univerzity A. Vašícek (1903-1966) v oblasti elipsometrie a optiky tenkých vrstiev. Profesor experimentálnej fyziky
Karlovej univerzity V. Posejpal (1874-1935) získal bohatý experimentálny materiál pri štúdiu molárnej refrakcie
plynov. Profesor vedeckej fotografie a fotofyziky na Karlovej univerzite L. Zachoval dosiahol úspechy pri štúdiu
optických, luminiscencných a mechanických vlastností kryštálov halogenidov striebra. Profesor Palackého univerzity v Olomouci B.
Havelka (1907) zavedením moderných metód konštrukcie optických sústav a organizacnou prácou prispel k rozvoju optiky v celej
našej vlasti. Vedecký pracovník SAV J. Hajda (1908-1973) sa svojimi prácami najmä z interferometrie a teórie
optických prístrojov zaslúžil o rozvoj optiky na Slovensku.
Optika druhej polovice 20. storocia sa vyvíja v úzkej súvislosti s
velmi závažným objavom kvantového generátora koherentného elektromagnetického žiarenia. Princíp stimulovanej emisie, na ktorom je
založený, bol známy už A. Einsteinovi v roku 1916. S možnostou získat aktívne prostredie sa zaoberal sovietsky fyzik V. A.
Fabrikant už v roku 1936. Vyriešit experimentálne problémy stojace v ceste konštrukcii prvého kvantového generátora sa však
podarilo až v roku 1954, ked sovietski vedci N. G. Basov (1922) a A. M. Prochorov (1916) a
súcasne americký fyzik Ch. H. Townes (1915) skonštruovali prvý cpavkový kvantový generátor - maser
(microwave amplification by stimulated emission of radiation) pracujúci v oblasti centimetrových vln, za co dostali Nobelovu cenu za fyziku. Bolo
potrebných už len niekolko rokov, aby bol princíp stimulovanej emisie prenesený do optickej oblasti elektromagnetického spektra. Podarilo sa to v
roku 1960 americkému fyzikovi T. Maimanovi, ktorý skonštruoval prvý optický kvantový generátor - laser
(light amplification by stimulated emission of radiation) s kryštálom rubínu. Od tohto obdobia sa na výskum laserov a ich využitia sústredili
velké pracovné skupiny vedcov na celom svete. Boli skonštruované lasery rôznych druhov a rôznych vlastností. Objav lasera priniesol so sebou
zákonite aj vznik nových fyzikálnych i technických odborov. V optike sa rozvinula koherentná optika a nelineárna optika. V rámci
koherentnej optiky vznikla optická holografia, principiálne nová metóda získania trojrozmerného obrazu predmetu so širokými možnostami
využitia vo vede a v technickej praxi. Za objav holografie v roku 1948 získal anglický fyzik D. Gabor (1900) Nobelovu
cenu za fyziku, ale až v roku 1971, ked sa pomocou lasera ukázalo, aké možností holografia poskytuje. Sovietsky fyzik J. N.
Denisiuk, laureát Leninovej ceny, nezávisle od Gabora rozpracoval metódu záznamu svetelného vlnenia v hrubých emulziách, a tak
objavil objemovú holografiu.
Prvé javy nelineárnej optiky, t. j. optiky velkých svetelných intenzít, pozoroval už sovietsky fyzik
S. I. Vavilov v prvej polovici 20. storocia, ale nedostatok intenzívnych zdrojov svetla mu znemožnil v tejto problematike
pokracovat. Prudký rozvoj nelineárnej optiky sa zacal od roku 1961, ked americký fyzik P.Franken získal druhú
harmonickú frekvenciu žiarenia rubínového lasera. Od tých cias sa nelineárna optika rozšírila do mnohých laboratórií a v súcasnosti patrí
medzi hlavné smery výskumu fyzikov na celom svete.
Popri nelineárnej optike sa rozvíja aj integrovaná optika, ktorá
využíva techniku a metódy mikroelektroniky v oblasti optických frekvencií. Integrovaná optika má vyriešit najmä otázky prenosu informácií,
modulácie a demodulácie svetelného vlnenia a filtrácie frekvencií. Je vidiet, že napriek svojmu dlhému vývoju nie je optika uzavretou vedou.
Jej vplyv je citelný v každej oblasti ludskej cinnosti. Dá sa ocakávat, že po posledných objavoch bude vplyv ešte silnejší.
Zones.sk – Zóny pre každého študenta