О́птика (от греч. ὀπτική – наука о зрительных восприятиях), раздел физики, в котором изучаются оптическое излучение (свет в широком понимании), его распространение и явления, наблюдаемые при взаимодействии света с веществом. Оптическое излучение представляет собой электромагнитные волны видимого, ультрафиолетового и инфракрасного диапазонов. Оптические исследования характеризуются общностью технических средств и методов анализа явлений в указанных диапазонах. Для таких средств и методов характерно использование как волновых, так и корпускулярных свойств излучения. По традиции оптику принято подразделять на геометрическую, физическую и физиологическую.

Геометрическая оптика

Не рассматривая вопрос о природе света, геометрическая оптика исходит из эмпирических законов его распространения и использует представление о световых лучах, преломляющихся и отражающихся на границах сред с различными оптическими свойствами и прямолинейных в оптически однородной среде. Методы геометрической оптики позволяют изучать условия формирования оптических изображений объекта как совокупности изображений его отдельных точек и объяснять многие явления, связанные с прохождением оптического излучения в различных средах, в том числе неоднородных (например, искривление лучей в земной атмосфере вследствие непостоянства её показателя преломления, образование миражей, радуг). Наибольшее значение геометрическая оптика (с частичным привлечением волновой оптики) имеет для расчёта и конструирования оптических приборов – от очковых линз до сложных объективов и крупных астрономических инструментов. Благодаря развитию вычислительной математики и применению современной вычислительной техники такие расчёты достигли высокого совершенства, сформировалось отдельное направление, получившее название вычислительной оптики.

По существу, отдалена от физической природы света и фотометрия, посвящённая главным образом измерению световых величин. Фотометрия представляет собой методическую основу исследования процессов испускания, распространения и поглощения излучения по результатам его действия на приёмники излучения. Ряд задач фотометрии решается с учётом закономерностей восприятия человеческим глазом света и его отдельных цветовых составляющих. Изучением самих этих закономерностей занимается физиологическая оптика, смыкающаяся с биофизикой и психологией и исследующая механизмы зрения.

Физическая оптика

Рассматривает проблемы, связанные с процессами испускания света, природой света и световых явлений. Утверждение, что свет есть поперечные электромагнитные волны, явилось результатом огромного числа экспериментальных исследований дифракции света, интерференции света, поляризации света, распространения света в анизотропных средах. Совокупность явлений, в которых проявляется волновая природа света, изучается в крупном разделе физической оптики – волновой оптике. Её математическим основанием служат общие уравнения классической электродинамики – уравнения Максвелла. Свойства среды при этом характеризуются макроскопическими материальными константами – значениями диэлектрической проницаемости $\varepsilon$ и магнитной проницаемости $\mu,$ входящими в уравнения Максвелла в виде коэффициентов. Эти значения однозначно определяют показатель преломления среды: $n=\sqrt{\varepsilon \mu}.$

Феноменологическая волновая оптика, не рассматривая вопрос о связи величин $\varepsilon$ и $\mu$ (определяемых экспериментально) со структурой вещества, позволяет объяснить все эмпирические законы геометрической оптики и установить границы её применимости. В отличие от геометрической, волновая оптика даёт возможность рассматривать процессы распространения света не только при размерах, формирующих (или рассеивающих) световые пучки систем, значительно бóльших длины волны излучения, но и при любом соотношении между ними. Во многих случаях решение конкретных задач методами волновой оптики оказывается чрезвычайно сложным. Поэтому получила развитие квазиоптика, в которой процессы распространения, преломления и отражения волновых пучков с сечением, бóльшим длины волны, описываются геометрически, но с учётом дифракционных вкладов и тем самым волновой природы излучения. Геометрический и волновой подходы формально также объединяются в геометрической теории дифракции, в которой дополнительно к падающим, отражённым и преломлённым лучам постулируется существование дифрагированных лучей.

Огромную роль в развитии волновой оптики сыграло установление связи величин $\varepsilon$ и $\mu$ с молекулярной и кристаллической структурой вещества. Оно позволило выйти далеко за рамки феноменологического описания оптических явлений и объяснить все процессы, сопровождающие распространение света в рассеивающих и анизотропных средах и вблизи границ разделов сред с разными оптическими характеристиками, а также зависимость оптических свойств сред от длины волны (дисперсию света), влияние на световые явления в средах температуры, давления, звука, электрических и магнитных полей и др.

Важным для развития оптических представлений стало открытие метаматериалов – структур с отрицательным показателем преломления, теоретически исследованных в 1967 г. В. Г. Веселаго. На их основе могут быть созданы устройства с уникальными характеристиками, принципиально отличающимися от характеристик оптических систем с обычными оптическими элементами.

В волновой оптике параметры среды часто считаются не зависящими ни от интенсивности света, ни от времени; соответственно, оптические процессы описываются линейными дифференциальными уравнениями с постоянными коэффициентами. Однако во многих случаях, особенно при больших интенсивностях световых потоков, это предположение несправедливо: показатель преломления зависит от напряжённости электрического поля световой волны (нелинейная поляризуемость вещества). Это приводит к совершенно новым явлениям и закономерностям, таким как изменение угла преломления светового пучка на границе двух сред при изменении его интенсивности, сжатие и расширение световых пучков (самофокусировка света и его самодефокусировка), изменение спектрального состава света, проходящего через нелинейную среду (генерация оптических гармоник), взаимодействие световых пучков в результате модуляции светом величины $\varepsilon$ и появление в излучении комбинационных частот (параметрические явления), самоорганизация световых структур в системах с обратной связью и др. Эти явления рассматриваются в нелинейной оптике, получившей большое практическое значение в связи с созданием лазеров.

Особенно высокие значения напряжённости электрического поля можно получить при фокусировке излучения лазеров, генерирующих импульсы фемтосекундной длительности. Создание импульсных лазерных систем фемтосекундного диапазона, способных генерировать мощности более 1 ТВт (1 ТВт = 10¹² Вт), и проектирование установок петаваттного диапазона (1 ПВт = 10¹⁵ Вт) открывают новые, ранее недоступные возможности для исследования взаимодействия излучения с веществом. Прохождение через вещество сверхмощных импульсов приводит к новым режимам взаимодействия. Часто речь идёт о взаимодействии с плазмой, поскольку напряжённость электрического поля световой волны превосходит ту, что удерживает электроны в атоме. Результатом этого взаимодействия могут быть мощные вспышки вторичного излучения в рентгеновском диапазоне спектра.

Хорошо описывая распространение света в материальных средах, волновая оптика не смогла удовлетворительно объяснить процессы его испускания и поглощения. Исследование этих процессов (фотоэффект, фотохимические превращения молекул, закономерности оптических спектров и др.) и общие термодинамические соображения о взаимодействии электромагнитного поля с веществом привели к выводу, что элементарная система (атом, молекула) может испускать или поглощать энергию электромагнитного поля лишь дискретными порциями (квантами), пропорциональными частоте излучения $\nu.$ Поэтому световому электромагнитному полю сопоставляется поток квантов света – фотонов, распространяющихся в вакууме со скоростью света. В простейшем случае энергия, теряемая или приобретаемая изолированной квантовой системой при взаимодействии с оптическим излучением, равна энергии фотона $h \nu$ $(h$ – постоянная Планка), а в более сложном – сумме или разности энергий нескольких фотонов. Эффекты, в которых при взаимодействии света и вещества проявляются квантовые свойства элементарных систем, рассматриваются в квантовой оптике методами, развитыми в квантовой механике и квантовой электродинамике. Важными объектами, изучаемыми в квантовой оптике, являются сжатые состояния света и другие неклассические макроскопические состояния светового поля.

Двойственность природы света – наличие у него одновременно характерных черт, присущих и волнам, и частицам, – является частным случаем корпускулярно-волнового дуализма. Эта концепция была впервые сформулирована именно для оптического излучения; она утвердилась как универсальная для всех частиц микромира после обнаружения дифракции частиц, обусловленной волновыми свойствами материальных частиц, и лишь затем была экспериментально подтверждена для радиоизлучения. Открытие квантовых явлений в радиодиапазоне во многом стёрло резкую границу между радиофизикой и оптикой. Сначала в радиофизике, а затем в физической оптике сформировалось новое направление, связанное с генерацией вынужденного излучения и созданием квантовых усилителей и квантовых генераторов излучения (мазеров и лазеров). В отличие от неупорядоченного светового поля обычных (тепловых и люминесцентных) источников, излучение лазеров обладает большой временнóй и пространственной упорядоченностью (когерентностью), высокой монохроматичностью $(\Delta \nu/\nu$ достигает 10^–14), предельно малой, почти дифракционной расходимостью пучка и при фокусировке позволяет получать недостижимые ни для каких других источников излучения напряжённости электрического поля, превышающие внутриатомные. Появление лазеров стимулировало пересмотр и развитие традиционных и возникновение новых направлений физической оптики. Оказалось возможным практически реализовать идеи голографии, большую роль стали играть исследования статистики излучения (статистическая оптика), сформировалась как самостоятельный раздел нелинейная оптика, получили развитие методы создания узконаправленных когерентных пучков света и управления ими (когерентная оптика), в том числе методы и средства автоматического управления оптическими системами, позволяющие компенсировать искажения световых пучков, проходящих через неоднородные среды (адаптивная оптика). Большой интерес представляет обнаруженное и технически реализованное в различных вариантах явление обращения волнового фронта. Особую важность приобрело изучение круга явлений, связанных с воздействием интенсивных световых потоков на вещество, вследствие чего начала быстро развиваться лазерная технология. Развитие лазерной техники привело к новому подходу при создании оптических элементов и систем и, в частности, потребовало разработки новых оптических материалов, пропускающих без их повреждений интенсивные световые потоки (силовая оптика).

Успехи в решении обратных оптических задач позволили разработать плоские дифракционные элементы – фазовые пластинки, позволяющие в соответствии с задаваемым алгоритмом преобразовывать амплитудно-фазовый профиль световых пучков.

Развитие нанотехнологий стало мощным стимулом формирования нанофотоники – раздела оптики, в рамках которого рассматриваются оптические явления в нанометровой шкале. Основной задачей нанофотоники является распространение оптических технологий на масштабы длин, находящихся за дифракционным пределом (около 200 нм). Преодолеть дифракционный предел позволяет оптическая микроскопия ближнего поля, основанная на детектировании рассеяния света от изучаемого объекта на расстояниях, меньших длины волны света.

Физиологическая оптика

Физиологическая оптика изучает строение и функционирование всего аппарата зрения – от глаза до коры головного мозга; разрабатывает теорию зрения, восприятия света и цвета. Результаты физиологической оптики используются в медицине, физиологии, технике при разработке разнообразных устройств – от осветительных приборов и очков до цветного кино и телевидения.

Практическое применение

Все разделы оптики имеют разнообразное практическое применение. Задачи рационального освещения улиц, помещений, рабочих мест на производстве, зрелищ, исторических и архитектурных памятников и др. решаются светотехникой на основе геометрической оптики и фотометрии с учётом законов физиологической оптики; при этом используются достижения физической оптики (например, для создания люминесцентных источников света) и оптической технологии (изготовление зеркал, светофильтров, экранов и т. д.). Оптика решает задачи получения в различных спектральных областях изображений, соответствующих оригиналам как по геометрической форме, так и по распределению яркости. Геометрическая оптика с привлечением физической оптики даёт ответ на вопрос, как следует построить оптическую систему, чтобы каждая точка объекта изображалась также в виде точки при сохранении геометрического подобия изображения объекту. Она указывает на источники искажений изображения и их уровень в реальных оптических системах.

Возможности получения оптических образов без применения фокусирующих систем рассматривает голография, в основу которой положена идея однозначной связи формы тела с пространственным распределением амплитуд и фаз распространяющихся от него (рассеянных им) световых волн. Для регистрации распределения амплитуд и фаз поля в голографии используется монохроматическое излучение. Поэтому бурное развитие голографии связано с открывшимися в результате разработки лазеров возможностями получать интенсивные когерентные оптические поля, а также с её широким практическим применением (изучение плазмы, исследование деформации тел, голографическое распознавание образов, оптическая обработка информации и др.). Оптические явления и методы, разработанные в оптике, используются для аналитических целей и контроля в самых различных областях науки и техники.

Особое место в кругу научных и практических задач, решаемых средствами когерентной оптики, занимают метрологические задачи. Использование средств интерферометрии, голографии, доплеровской анемометрии позволяет производить высокоточные измерения большого числа размерных и динамических параметров различных объектов. Структурные параметры, такие как толщина плёнок, высота микрорельефа, размеры неоднородностей, величина деформации, и динамические характеристики исследуемых объектов, связанные со смещением, ускорением, уверенно определяются с точностью до сотых долей длины волны используемого оптического излучения. Средства измерения, основанные на эффектах когерентности оптических волн, незаменимы в качестве инструментов производственного контроля и составляют основу многих эталонных поверочных средств благодаря относительной простоте реализации, устойчивости, высокой точности и высокой чувствительности. Совершенствование методов оптических измерений связано также с учётом фрактальных свойств объектов и взаимодействующего с ними излучения.

Уникальной чувствительностью обладают измерительные устройства, использующие интерференцию света. Интерферометры широко применяют для измерений длин волн и изучения структуры спектральных линий, определения показателей преломления прозрачных сред, абсолютных и относительных измерений длин, измерений угловых размеров звёзд и других космических объектов.

Особенно большое значение имеют методы спектрального анализа и люминесцентного анализа, основанные на связи спектров испускания, поглощения и рассеяния со структурой атомов и молекул и с внутри- и межмолекулярными взаимодействиями. По виду спектров и их изменению со временем или под действием на вещество внешних факторов можно установить атомный и молекулярный состав, агрегатное состояние и внутреннюю структуру вещества, проследить за кинетикой и деталями протекающих в нём физических и химических процессов. Современное развитие оптической спектроскопии тесно связано с использованием лазеров, которые не только расширили возможности её классических разделов, но и привели к развитию нового направления – линейной и нелинейной лазерной спектроскопии. Достижения в области генерации сверхкоротких (пико- и фемтосекундных) световых импульсов определили прогресс спектроскопии пикосекундных импульсов, позволяющей исследовать кинетику быстропротекающих внутри- и межмолекулярных процессов, в частности в биологических объектах.

Значительно расширить возможности спектроскопии позволяет использование источников синхротронного излучения, обладающего значительной интенсивностью и непрерывным спектром в ультрафиолетовой и рентгеновской областях спектра.

Большое практическое значение имеет дистанционное зондирование атмосферы с помощью лазерных устройств (лидаров) и определение присутствия в ней малых примесей различных веществ.

Явление поляризации света лежит в основе ряда методов исследования структуры вещества с помощью многочисленных поляризационных приборов. По изменению степени поляризации (деполяризации) света при рассеянии и люминесценции можно судить о тепловых и структурных флуктуациях в веществе, флуктуациях концентрации растворов, о внутри- и межмолекулярной передаче энергии, структуре и расположении излучающих центров и т. д. Широко применяется поляризационно-оптический метод исследования напряжений, возникающих в твёрдых телах (например, при механических нагрузках), по изменению поляризации прошедшего через тело света, а также метод исследования свойств поверхности тел по изменению поляризации при отражении света (эллипсометрия). В кристаллооптике поляризационные методы используются для изучения структуры кристаллов, в химической промышленности – как контрольные методы при производстве оптически активных веществ, в оптическом приборостроении – для повышения точности отсчётов приборов (например, фотометров).

Широкое распространение получили дифракционные решётки как диспергирующие элементы в спектральных приборах (монохроматорах, спектрографах, спектрофотометрах и др.) и как элементы резонаторов в лазерах с перестройкой частоты излучения. Они используются также в качестве ответвителей монохроматического (лазерного) излучения, велика их роль в интегральных оптических устройствах. Дифракция света на ультразвуке в прозрачных средах позволяет определить упругие константы вещества, а также создать акустооптические модуляторы света, применяемые в светодальномерах, оптических локаторах и системах оптической связи.

Оптические методы, основанные на анализе рассеяния света, послужили одной из существенных основ становления молекулярной физики и её приложений. Так, нефелометрия даёт возможность получать данные о межмолекулярном взаимодействии в растворах, определять размеры и молекулярную массу макромолекул полимеров, а также частиц в коллоидных системах, взвесях и золях. Ценные сведения о структуре уровней энергии молекул, их взаимодействии и строении вещества даёт изучение комбинационного рассеяния света и рассеяния Мандельштама – Бриллюэна. Использование лазеров резко увеличило информативность спектроскопии рассеяния, привело к открытию вынужденного рассеяния света и к развитию нового направления – активной лазерной спектроскопии, основанной на воздействии лазерного излучения на распределение рассеивающих частиц (молекул) по энергетическим состояниям.

Чрезвычайно широко применяются фотоэлектронные приборы, основанные на квантовых оптических явлениях, – фотоэлементы и фотоэлектронные умножители, фотодиоды, фотосопротивления, электронно-оптические преобразователи, передающие телевизионные трубки и др. Фотоэлементы используются не только для регистрации излучения, но и как устройства, преобразующие лучистую энергию Солнца в электрическую энергию (солнечные батареи). Фотохимическое действие света лежит в основе фотографии и изучается в специальной области, пограничной между химией и оптикой, – фотохимии. Изменение оптических свойств веществ под действием света (фотохромизм) используется при разработках новых систем оптической записи и хранения информации для нужд вычислительной техники и создания защитных светофильтров, автоматически увеличивающих поглощение света при возрастании его интенсивности. Получение мощных потоков монохроматического лазерного излучения с разными длинами волн открыло путь к разработке методов лазерного разделения изотопов и стимулирования направленного протекания химических реакций, позволило найти новые, нетрадиционные применения оптики в биофизике (воздействие лазерных световых потоков на биологические объекты на молекулярном уровне) и медицине. В технике использование лазеров привело к появлению оптических методов обработки материалов. Благодаря возможности с помощью лазеров за короткое время концентрировать на площадках с линейными размерами около 10 мкм большие мощности излучения интенсивно развивается оптический метод получения высокотемпературной плотной плазмы с целью осуществления управляемого термоядерного синтеза.

Успехи оптики стимулировали развитие оптоэлектроники, которая изучает эффекты взаимного преобразования оптического излучения и электрических сигналов в твёрдом теле. В оптоэлектронике условно выделяют фотонику и оптронику. В фотонике исследуются методы создания устройств, предназначенных для хранения, передачи, обработки и отображения информации, передаваемой в виде оптических сигналов. Одна из основных задач фотоники – разработка способов управления светом при помощи света. Целью оптроники является развитие методов создания оптронных схем – электронных устройств с внутренними оптическими связями. Техническая основа оптоэлектроники – интегральная оптика, широко использующая волноводные системы и многофункциональные миниатюрные модули с линейным и нелинейным преобразованиями оптического излучения. Элементная база устройств интегральной оптики часто включает микролазеры, в которых в качестве излучающих центров используются гетероструктуры с пониженной размерностью (квантовые ямы, квантовые проволоки и квантовые точки). Ведутся разработки оптического компьютера.

С появлением лазеров дальнейшее развитие получили оптическая дальнометрия, оптическая локация и оптическая связь. Оптические дальномеры применяются в геодезической практике, при строительных работах и др. Методами оптической локации было уточнено расстояние до Луны, ведётся слежение за искусственными спутниками Земли; по линиям лазерной оптической связи ведутся телефонные переговоры и передаются изображения. Создание волоконных световодов с малым затуханием повлекло за собой практические разработки систем кабельной оптической связи, имеющей ряд преимуществ по сравнению с электрической проводной связью. Наблюдаемые в волоконных световодах нелинейные эффекты, такие как параметрическое усиление света, вынужденное рассеяние света (комбинационное и Мандельштама – Бриллюэна), успешно используются в создании и разработке волоконных лазеров, усилителей и преобразователей параметров излучения. При определённых условиях нелинейные эффекты могут быть использованы для увеличения скорости и дальности передачи информации. Особо следует упомянуть передачу информации оптическими солитонами – лазерными импульсами, которые за счёт нелинейных и дисперсионных эффектов распространяются по световоду без изменения формы.

Исторический очерк

Ещё в Древней Греции были открыты законы прямолинейного распространения и отражения света (Аристотель, Платон, Евклид). В Средние века стали известны эмпирические правила построения изображений, даваемых линзами; около 1590 г. голландский изобретатель З. Янсен построил первый двухлинзовый микроскоп; в 1609 г. итальянский физик Г. Галилей изобрёл телескоп. Точные законы преломления света экспериментально установлены в 1621 г. В. Снеллиусом и в 1637 г. Р. Декартом. Последующей формулировкой принципа Ферма (1660) был завершён фундамент построения геометрической оптики.

Дальнейшее развитие оптики связано с открытиями дифракции и интерференции света (Ф. М. Гримальди, опубликована в 1665), двойного лучепреломления (Р. Бартолин, 1669) и с работами И. Ньютона, P. Гука и X. Гюйгенса. Ньютон обратил внимание на периодичность световых явлений и допустил возможность их волновой интерпретации, но отдал предпочтение корпускулярной концепции света, считая его потоком частиц, действующих на эфир. Движением световых частиц через эфир переменной плотности и их взаимодействием с материальными телами, по Ньютону, обусловлены преломление и отражение света, цвета тонких плёнок, дифракция света и его дисперсия. Ньютон осознал поляризацию как «изначальное» свойство света, объясняемое определённой ориентацией световых частиц по отношению к образуемому ими лучу. Гюйгенс полагал, что световое возбуждение есть импульсы упругих колебаний эфира, распространяющиеся с большой, но конечной скоростью. Первое экспериментальное определение скорости света произвёл в 1675 г. О. Рёмер. Наибольшим вкладом Гюйгенса в оптику является формулировка принципа Гюйгенса – Френеля, а также объяснение двойного лучепреломления. Однако Гюйгенс не разработал последовательную волновую теорию света, которая выдержала бы противопоставление воззрениям Ньютона.

Окончательное утверждение волновой оптики связано с работами Т. Юнга и О. Френеля. В 1801 г. Юнг сформулировал принцип интерференции, позволивший ему объяснить цвета тонких плёнок. Опираясь на этот принцип, Френель по-новому истолковал принцип Гюйгенса, дал удовлетворительное волновое объяснение прямолинейности распространения света и объяснил многочисленные дифракционные явления. В опытах Френеля и Д. Ф. Араго было установлено, что волны, поляризованные перпендикулярно друг другу, не интерферируют; это дало основание высказать идею о поперечности световых колебаний, исходя из которой Френель построил теорию кристаллооптических явлений. Таким образом, все известные к тому времени оптические явления получили волновую интерпретацию. Детальная разработка представлений о свете как о поперечных упругих колебаниях эфира приводила к необходимости искусственных теоретических построений (так, эфир наделялся свойствами твёрдого состояния, и в то же время допускалось, что в нём могут свободно перемещаться тела). Эти трудности были разрешены при последовательном развитии учения Дж. К. Максвелла об электромагнитном поле. Основываясь на открытии М. Фарадея, Максвелл пришёл к выводу, что свет – это электромагнитные, а не упругие волны.

Первым указанием на непосредственную связь электромагнетизма с оптикой было открытие М. Фарадеем (1845) вращения плоскости поляризации света в магнитном поле (эффект Фарадея). Далее было установлено, что отношение электромагнитных и электростатических единиц силы тока по абсолютной величине и размерности совпадает со скоростью света $c$ (В. Э. Вебер, Ф. Кольрауш, 1856). Дж. К. Максвелл теоретически показал, а Г. Р. Герц в 1888 г. подтвердил экспериментально, что изменения электромагнитного поля распространяются в вакууме именно с этой скоростью. В прозрачной среде скорость света $v=c/n=c/\sqrt{\varepsilon \mu},$ т. е. определяется диэлектрической $\varepsilon$ и магнитной $\mu$ проницаемостями среды. Открытие в 1862 г. Ф.-П. Леру аномальной дисперсии света, связанной с поглощением света, привело к представлению о веществе как о совокупности осцилляторов, с которыми взаимодействует свет (немецкий физик В. Зельмейер, 1872). В 1890-х гг. П. Друде, Г. Гельмгольц и X. Лоренц при разработке электронной теории строения вещества объединили идею об осцилляторах и электромагнитную теорию света. Представление об электронах как об осцилляторах, которые входят в состав атомов и молекул и способны совершать в них колебания, позволило описать многие оптические явления, в том числе нормальную и аномальную дисперсии света. Подтверждением представлений о том, что излучение и поглощение света определяются поведением электронов в атомах, явилось открытие в 1896 г. П. Зееманом и истолкование в 1897 г. Лоренцем действия магнитного поля на частоты излучения и поглощения атомов (эффект Зеемана). В полном согласии с теорией Максвелла оказалась и величина давления света, измеренная П. Н. Лебедевым в 1899 г. Электромагнитная теория света стала отправным пунктом и при создании теории относительности. Плодотворность классической электродинамической теории света Максвелла – Лоренца неоднократно подтверждалась и в дальнейшем, например при истолковании И. Е. Таммом и И. М. Франком (1937) излучения Вавилова – Черенкова, в выдвижении Д. Габором (1947) идеи голографии (с записью волнового поля в одной плоскости), в разработке оригинального направления трёхмерной голографии, начало которому положили работы Ю. Н. Денисюка (1962).

Электродинамическая теория, однако, оказалась недостаточной для описания процессов поглощения и испускания света. М. Планк, анализируя спектры излучения абсолютно чёрного тела, пришёл к заключению (1900), что элементарная колебательная система (атом, молекула) отдаёт волновую энергию электромагнитному полю или получает её от него не непрерывно, а порциями, пропорциональными частоте колебаний, – квантами. Работы Планка и А. Эйнштейна (1905), который приписал квантам, кроме энергии, также импульс и массу, вернули оптике многие черты корпускулярных представлений. Интенсивность электромагнитного поля в квантовой оптике определяет вероятность обнаружения фотона, а структура поля отражает квантовую структуру ансамбля элементарных излучателей (атомов, молекул) и распределение актов излучения во времени. Таким образом, при сохранении физического смысла поля фотоны, возникающие при актах испускания света и существующие только при движении со скоростью света, приобрели черты материальных частиц. Представление о свете как о потоке фотонов позволило Эйнштейну объяснить основные законы фотоэффекта, впервые исследованные А. Г. Столетовым в 1888–1890 гг., дало наглядное истолкование существованию коротковолновой границы в тормозном излучении электронов, эффекту Комптона, открытому в 1922 г., стоксову сдвигу частоты излучения фотолюминесценции, комбинационному рассеянию света (открытому в 1928 г. Л. И. Мандельштамом и Г. С. Ландсбергом и независимо Ч. В. Раманом и К. С. Кришнаном) и другим явлениям взаимодействия света с веществом.

В современной оптике квантовые представления не противопоставляются волновым, а сочетаются на основе квантовой механики и квантовой электродинамики. Квантовая теория позволила дать интерпретацию спектров атомов, молекул и ионов, объяснить воздействие электрических, магнитных и акустических полей на спектры, установить зависимость характера спектра от условий возбуждения и т. д. Примером обратного влияния оптики на развитие квантовой теории может служить открытие собственного механического момента (спина) и связанного с ним собственного магнитного момента у электрона и других частиц, повлёкшее за собой установление принципа Паули (1925) и истолкование сверхтонкой структуры спектров (В. Паули, 1928).

Наиболее важное открытие оптики 20 в. – разработка методов генерации вынужденного излучения атомов и молекул. Впервые понятие вынужденного излучения ввёл А. Эйнштейн в 1916 г. В 1940 г. В. А. Фабрикант указал на возможность его использования для наблюдения отрицательного поглощения (усиления) излучения. Вынужденно испущенный фотон дублирует фотон, вызвавший переход, и, если имеется активная среда с инверсией населённостей, этот процесс может многократно повторяться – происходит усиление начального светового потока. Добавление к такому квантовому усилителю оптической обратной связи превращает его в оптический квантовый генератор (лазер). Первые квантовые генераторы (в сантиметровом диапазоне длин волн – мазеры) были созданы Ч. Х. Таунсом (США) и независимо А. М. Прохоровым и Н. Г. Басовым в 1954–1955 гг. В дальнейшем с использованием различных методов получения инверсной населённости были построены лазеры на твёрдых, жидких, газообразных и плазменных средах. Приоритетные результаты в области создания лазеров на гетероструктурах были получены Ж. И. Алфёровым. Большой вклад в развитие нелинейной оптики внесли Р. В. Хохлов и С. А. Ахманов. Исследования в области физики лазеров и нелинейной оптики, которые продолжают активно развиваться и в 21 в., позволили создать качественно новый инструментарий для исследования процессов взаимодействия излучения с веществом. На значительную роль оптики в научном прогрессе указывает то, что ежегодно 21 октября научное сообщество отмечает День фотоники.