Подпишитесь на наши новости
Вернуться к началу с статьи up
 

О́ПТИКА

  • рубрика

    Рубрика: Физика

  • родственные статьи
  • image description

    В книжной версии

    Том 24. Москва, 2014, стр. 270

  • image description

    Скопировать библиографическую ссылку:




Авторы: А. М. Бонч-Бруевич, П. В. Короленко

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

Геометрическая оптика

Не рас­смат­ри­вая во­прос о при­ро­де све­та, гео­мет­рич. О. ис­хо­дит из эм­пи­рич. за­ко­нов его рас­про­стра­не­ния и ис­поль­зу­ет пред­став­ле­ние о све­то­вых лу­чах, пре­лом­ляю­щих­ся и от­ра­жаю­щих­ся на гра­ни­цах сред с разл. оп­тич. свой­ст­ва­ми и пря­мо­ли­ней­ных в оп­ти­че­ски од­но­род­ной сре­де. Ме­то­ды гео­мет­рич. О. по­зво­ля­ют изу­чать ус­ло­вия фор­ми­ро­ва­ния оп­тич. изо­бра­же­ний объ­ек­та как со­во­куп­но­сти изо­бра­же­ний его отд. то­чек и объ­яс­нять мн. яв­ле­ния, свя­зан­ные с про­хо­ж­де­ни­ем оп­тич. из­лу­че­ния в разл. сре­дах, в т. ч. не­од­но­род­ных (напр., ис­крив­ле­ние лу­чей в зем­ной ат­мо­сфе­ре вслед­ст­вие не­по­сто­ян­ст­ва её по­ка­за­те­ля пре­лом­ле­ния, об­ра­зо­ва­ние ми­ра­жей, ра­дуг). Наи­боль­шее зна­че­ние гео­мет­рич. О. (с час­тич­ным при­вле­че­ни­ем вол­но­вой О., см. ни­же) име­ет для рас­чё­та и кон­ст­руи­ро­ва­ния оп­тич. при­бо­ров – от оч­ко­вых линз до слож­ных объ­ек­ти­вов и круп­ных ас­тро­но­мич. ин­ст­ру­мен­тов. Бла­го­да­ря раз­ви­тию вы­чис­лит. ма­те­ма­ти­ки и при­ме­не­нию совр. вы­чис­лит. тех­ни­ки та­кие рас­чё­ты дос­тиг­ли вы­со­ко­го со­вер­шен­ст­ва, сфор­ми­ро­ва­лось отд. на­прав­ле­ние, по­лу­чив­шее назв. вы­чис­ли­тель­ной оп­ти­ки. 

По су­ще­ст­ву от­да­ле­на от фи­зич. при­ро­ды све­та и фо­то­мет­рия, по­свя­щён­ная гл. обр. из­ме­ре­нию све­то­вых ве­личин. Фо­то­мет­рия пред­став­ля­ет со­бой ме­то­дич. 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 отд. цве­то­вых со­став­ляю­щих. Изу­че­ни­ем са­мих этих за­ко­но­мер­но­стей за­ни­ма­ет­ся фи­зио­ло­гич. О., 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 экс­пе­рим. ис­сле­до­ва­ний ди­фрак­ции све­та, ин­тер­фе­рен­ции све­та, по­ля­ри­за­ции све­та, рас­про­стра­не­ния све­та в ани­зо­троп­ных сре­дах (см. Кри­стал­ло­оп­ти­ка, Оп­ти­че­ская ани­зо­тро­пия). Со­во­куп­ность яв­ле­ний, в ко­то­рых про­яв­ля­ет­ся вол­но­вая при­ро­да све­та, изу­ча­ет­ся в круп­ном раз­де­ле фи­зич. О. – вол­но­вой оп­ти­ке. Её ма­те­ма­тич. ос­но­ва­ни­ем слу­жат об­щие урав­не­ния клас­сич. элек­тро­ди­на­ми­ки – Мак­свел­ла урав­не­ния. Свой­ст­ва сре­ды при этом ха­рак­те­ри­зу­ют­ся мак­ро­ско­пич. ма­те­ри­аль­ны­ми кон­стан­та­ми – зна­че­ния­ми ди­элек­трич. про­ни­цае­мо­сти $\varepsilon$ и маг­нит­ной про­ни­цае­мо­сти $\mu$, вхо­дя­щи­ми в урав­не­ния Мак­свелла в ви­де ко­эф­фи­ци­ен­тов. Эти зна­че­ния од­но­знач­но оп­ре­де­ля­ют по­ка­за­тель пре­лом­ле­ния сре­ды: $n=\sqrt{\varepsilon \mu}$.

Фе­но­ме­но­ло­гич. вол­но­вая О., не рас­смат­ри­вая во­прос о свя­зи ве­ли­чин $\varepsilon$ и $\mu$ (оп­ре­де­ляе­мых экс­пе­ри­мен­таль­но) со струк­ту­рой ве­ще­ст­ва, по­зво­ля­ет объ­яс­нить все эм­пи­рич. за­ко­ны гео­мет­рич. О. и ус­та­но­вить гра­ни­цы её при­ме­ни­мо­сти. В от­ли­чие от гео­мет­ри­че­ской, вол­но­вая О. 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 О. 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 гео­мет­рич. тео­рии ди­фрак­ции, в ко­то­рой до­пол­ни­тель­но к па­даю­щим, от­ра­жён­ным и пре­лом­лён­ным лу­чам по­сту­ли­ру­ет­ся су­ще­ст­во­ва­ние ди­фра­ги­ро­ван­ных лу­чей.

Ог­ром­ную роль в раз­ви­тии вол­но­вой О. сыг­ра­ло ус­та­нов­ле­ние свя­зи ве­ли­чин $\varepsilon$ и $\mu$ с мо­ле­ку­ляр­ной и кри­стал­лич. струк­ту­рой ве­ще­ст­ва. Она по­зво­ли­ла вый­ти да­ле­ко за рам­ки фе­но­ме­но­ло­гич. опи­са­ния оп­тич. яв­ле­ний и объ­яс­нить все про­цес­сы, со­про­во­ж­даю­щие рас­про­стра­не­ние све­та в рас­сеи­ваю­щих и ани­зо­троп­ных сре­дах и вбли­зи гра­ниц раз­де­лов сред с раз­ны­ми оп­тич. ха­рак­те­ристи­ка­ми, а так­же за­ви­си­мость оп­тич. свойств сред от дли­ны вол­ны (дис­пер­сию), влия­ние на све­то­вые яв­ле­ния в сре­дах темп-ры, дав­ле­ния, зву­ка, элек­три­че­ских и маг­нит­ных по­лей и др.

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

В вол­но­вой О. па­ра­мет­ры сре­ды час­то счи­та­ют­ся не за­ви­ся­щи­ми ни от ин­тен­сив­но­сти све­та, ни от вре­ме­ни; со­от­вет­ст­вен­но, оп­тич. 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 элек­трич. 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 оп­тич. гар­мо­ник), взаи­мо­дей­ст­вие све­то­вых пуч­ков в ре­зуль­та­те мо­ду­ля­ции све­том ве­ли­чи­ны $\varepsilon$ и по­яв­ле­ние в из­лу­че­нии ком­би­на­ци­он­ных час­тот (па­ра­мет­рич. яв­ле­ния, см. Па­ра­мет­ри­че­ский ге­не­ра­тор све­та), само­ор­га­ни­за­ция све­то­вых струк­тур в сис­те­мах с об­рат­ной свя­зью и др. Эти явле­ния рас­смат­ри­ва­ют­ся в не­ли­ней­ной оп­ти­ке, по­лу­чив­шей боль­шое прак­тич. зна­че­ние в свя­зи с соз­да­ни­ем ла­зе­ров.

Осо­бен­но вы­со­кие зна­че­ния на­пря­жён­но­сти элек­трич. по­ля мож­но по­лу­чить при фо­ку­си­ров­ке из­лу­че­ния ла­зе­ров, ге­не­ри­рую­щих им­пуль­сы фем­то­се­кунд­ной дли­тель­но­сти. Соз­да­ние им­пульс­ных ла­зер­ных сис­тем фем­то­се­кунд­но­го диа­па­зо­на, спо­соб­ных ге­не­ри­ро­вать мощ­но­сти бо­лее 1 те­ра­ват­та (1ТВт 1012Вт), и про­ек­ти­ро­ва­ние ус­та­но­вок пе­та­ватт­но­го диа­па­зо­на (1ПВт 1015Вт) 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 элек­трич. 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 О. не смог­ла удов­ле­тво­ри­тель­но объ­яснить про­цес­сы его ис­пус­ка­ния и по­гло­ще­ния. Ис­сле­до­ва­ние этих про­цес­сов (фо­то­эф­фект, фо­то­хи­мич. пре­вра­ще­ния мо­ле­кул, за­ко­но­мер­но­сти оп­тич. спек­тров и др.) и об­щие тер­мо­ди­на­мич. 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 $\nu$ (см. Из­лу­че­ние). 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 оп­тич. из­лу­че­ни­ем, рав­на энер­гии фо­то­на $h \nu$ ($h$ – по­сто­ян­ная План­ка), а в бо­лее слож­ном – сум­ме или раз­но­сти энер­гий не­сколь­ких фо­то­нов (см. Мно­го­фо­тон­ные про­цес­сы). 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 О., яв­ля­ют­ся сжа­тые со­стоя­ния све­та и др. не­клас­сич. мак­ро­ско­пич. 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 оп­тич. из­лу­че­ния; она ут­вер­ди­лась как уни­вер­саль­ная для всех час­тиц мик­ро­ми­ра по­сле об­на­ру­же­ния вол­но­вых свойств у ма­те­ри­аль­ных час­тиц (см. Ди­фрак­ция час­тиц) и лишь за­тем бы­ла экс­пе­ри­мен­таль­но под­твер­жде­на для ра­дио­из­лу­че­ния. От­кры­тие кван­то­вых яв­ле­ний в ра­дио­диа­па­зо­не во мно­гом стёр­ло рез­кую гра­ни­цу ме­ж­ду ра­дио­фи­зи­кой и О. Сна­ча­ла в ра­дио­фи­зи­ке, а за­тем в фи­зич. О. 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, см. Мо­но­хро­ма­ти­че­ское из­лу­че­ние), пре­дель­но ма­лой, поч­ти ди­фрак­ци­он­ной рас­хо­ди­мо­стью пуч­ка и при фо­ку­си­ров­ке по­зво­ля­ет по­лу­чать не­дос­ти­жи­мые ни для ка­ких др. ис­точ­ни­ков из­лу­че­ния на­пря­жён­но­сти элек­трич. по­ля, пре­вы­шаю­щие внут­ри­атом­ные. По­яв­ле­ние ла­зе­ров сти­му­ли­ро­ва­ло пе­ре­смотр и раз­ви­тие тра­ди­ци­он­ных и воз­ник­но­ве­ние но­вых на­прав­ле­ний фи­зич. О. Ока­за­лось воз­мож­ным прак­ти­че­ски реа­ли­зо­вать идеи го­ло­гра­фии, боль­шую роль ста­ли иг­рать ис­следо­ва­ния ста­ти­сти­ки из­лу­че­ния (ста­ти­сти­че­ская оп­ти­ка), сфор­ми­ро­ва­лась как са­мо­сто­ят. раз­дел не­ли­ней­ная О., по­лу­чи­ли раз­ви­тие ме­то­ды соз­да­ния уз­ко­на­прав­лен­ных ко­ге­рент­ных пуч­ков све­та и управ­ле­ния ими (ко­ге­рент­ная О.), в т. ч. ме­то­ды и сред­ст­ва ав­то­ма­тич. управ­ле­ния оп­тич. сис­те­ма­ми, по­зво­ляю­щие ком­пен­си­ро­вать ис­ка­же­ния све­то­вых пуч­ков, про­хо­дя­щих че­рез не­од­но­род­ные сре­ды (адап­тив­ная оп­ти­ка). Боль­шой ин­те­рес пред­став­ля­ет об­на­ру­жен­ное и тех­ни­че­ски реа­ли­зо­ван­ное в разл. ва­ри­ан­тах яв­ле­ние об­ра­ще­ния вол­но­во­го фрон­та. Осо­бую важ­ность при­об­ре­ло изу­че­ние кру­га яв­ле­ний, свя­зан­ных с воз­дей­ст­ви­ем ин­тен­сив­ных све­то­вых по­то­ков на ве­ще­ст­во, и на­ча­ла бы­ст­ро раз­ви­вать­ся ла­зер­ная тех­но­ло­гия. Раз­ви­тие ла­зер­ной тех­ни­ки при­ве­ло к но­во­му под­хо­ду при соз­да­нии оп­тич. эле­мен­тов и сис­тем, и в ча­ст­но­сти по­тре­бо­ва­ло раз­ра­бот­ки но­вых оп­тич. ма­те­риа­лов, про­пус­каю­щих без их по­вре­ж­де­ний ин­тен­сив­ные све­то­вые по­то­ки (си­ло­вая О.).

Ус­пе­хи в ре­ше­нии об­рат­ных оп­тич. 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 О., в рам­ках ко­то­ро­го рас­смат­ри­ва­ют­ся оп­тич. яв­ле­ния в на­но­мет­ро­вой шка­ле. Осн. за­да­чей на­но­фо­то­ни­ки яв­ля­ет­ся рас­про­стра­не­ние оп­тич. тех­но­ло­гий на мас­шта­бы длин, на­хо­дящих­ся за ди­фрак­ци­он­ным пре­де­лом (ок. 200 нм). Пре­одо­леть ди­фрак­ци­он­ный пре­дел по­зво­ля­ет оп­тич. мик­ро­ско­пия ближ­не­го по­ля, ос­но­ван­ная на де­тек­ти­ро­ва­нии рас­сея­ния све­та от изу­чае­мо­го объ­ек­та на рас­стоя­ни­ях, мень­ших дли­ны вол­ны све­та.

Физиологическая оптика

Изу­ча­ет стро­е­ние и функ­цио­ни­ро­ва­ние все­го ап­па­ра­та зре­ния – от гла­за до ко­ры моз­га; раз­ра­ба­ты­ва­ет тео­рию зре­ния, вос­при­ятия све­та и цве­та. Ре­зуль­та­ты фи­зио­ло­гич. О. ис­поль­зу­ют­ся в ме­ди­ци­не, фи­зио­логии, тех­ни­ке при раз­ра­бот­ке раз­но­об­раз­ных уст­ройств – от ос­ве­тит. при­бо­ров и оч­ков до цвет­но­го ки­но и те­ле­ви­де­ния. Под­роб­нее см. в стать­ях Фи­зио­ло­ги­че­ская оп­ти­ка, Зре­ние, Ко­ло­ри­мет­рия.

Практическое применение

Все раз­де­лы О. име­ют раз­но­об­раз­ное прак­тич. при­ме­не­ние. За­да­чи ра­цио­наль­но­го ос­ве­ще­ния улиц, по­ме­ще­ний, ра­бо­чих мест на про­из­вод­ст­ве, зре­лищ, ис­то­рич. и ар­хит. па­мят­ни­ков и др. ре­ша­ют­ся све­то­тех­ни­кой на ос­но­ве гео­мет­рич. О. и фо­то­мет­рии с учё­том за­ко­нов фи­зио­ло­гич. О.; при этом ис­поль­зу­ют­ся дос­ти­же­ния фи­зич. О. (напр., для соз­да­ния лю­ми­нес­цент­ных ис­точ­ни­ков све­та) и оп­тич. тех­но­ло­гии (из­го­тов­ле­ние зер­кал, све­то­фильт­ров, эк­ра­нов и т. д.). О. ре­ша­ет за­да­чи по­лу­че­ния в разл. спек­траль­ных об­лас­тях изо­бра­же­ний, со­от­вет­ст­вую­щих ори­ги­на­лам как по гео­мет­рич. фор­ме, так и по рас­пре­де­ле­нию ярко­сти. Гео­мет­рич. О. с при­вле­че­ни­ем фи­зич. О. да­ёт от­вет на во­прос, как сле­ду­ет по­стро­ить оп­ти­че­скую сис­те­му, что­бы ка­ж­дая точ­ка объ­ек­та изо­бра­жа­лась так­же в ви­де точ­ки при со­хра­не­нии гео­мет­рич. по­до­бия изо­бра­же­ния объ­ек­ту. Она ука­зы­ва­ет на ис­точ­ни­ки ис­ка­же­ний изо­бра­же­ния и их уро­вень в ре­аль­ных оп­тич. сис­те­мах (см. Абер­ра­ции оп­ти­че­ских сис­тем).

Воз­мож­но­сти по­лу­че­ния оп­тич. об­ра­зов без при­ме­не­ния фо­ку­си­рую­щих сис­тем рас­смат­ри­ва­ет го­ло­гра­фия, в ос­но­ву ко­то­рой по­ло­же­на идея об 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 мо­но­хро­ма­тич. из­лу­че­ние. По­это­му бур­ное раз­ви­тие го­ло­гра­фии свя­за­но с от­крыв­ши­ми­ся в ре­зуль­та­те раз­ра­бот­ки ла­зе­ров воз­мож­но­стя­ми по­лу­чать ин­тен­сив­ные ко­ге­рент­ные оп­тич. по­ля, а так­же с её ши­ро­ким прак­тич. при­ме­не­ни­ем (изу­че­ние плаз­мы, ис­сле­до­ва­ние де­фор­ма­ции тел, рас­по­зна­ва­ние об­ра­зов, оп­ти­че­ская об­ра­бот­ка ин­фор­ма­ции и др.). Оп­тич. яв­ле­ния и ме­то­ды, раз­ра­бо­тан­ные в О., ис­поль­зу­ют­ся для ана­ли­тич. це­лей и кон­тро­ля в са­мых разл. об­лас­тях нау­ки и тех­ни­ки.

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

Уни­каль­ной чув­ст­ви­тель­но­стью об­ла­да­ют из­ме­рит. уст­рой­ст­ва, ис­поль­зую­щие ин­тер­фе­рен­цию све­та. Ин­тер­фе­ро­мет­ры ши­ро­ко при­ме­ня­ют для из­ме­ре­ний длин волн и изу­че­ния струк­ту­ры спек­траль­ных ли­ний, оп­ре­де­ле­ния по­ка­за­те­лей пре­лом­ле­ния про­зрач­ных сред, аб­со­лют­ных и от­но­сит. из­ме­ре­ний длин, из­ме­ре­ний уг­ло­вых раз­ме­ров звёзд и др. кос­мич. 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 внутр. струк­ту­ру ве­ще­ст­ва, про­сле­дить за ки­не­ти­кой и де­та­ля­ми про­те­каю­щих в нём фи­зич. и хи­мич. про­цес­сов. Совр. раз­ви­тие оп­ти­че­ской спек­тро­ско­пии тес­но свя­за­но с ис­поль­зо­ва­ни­ем ла­зе­ров, ко­то­рые не толь­ко рас­ши­ри­ли воз­мож­но­сти её клас­сич. 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 био­ло­гич. объ­ек­тах (см. Фемто- и пи­ко­се­кунд­ная спек­тро­ско­пия). 

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

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

Яв­ле­ние по­ля­ри­за­ции све­та ле­жит в ос­но­ве ря­да ме­то­дов ис­сле­до­ва­ния струк­ту­ры ве­ще­ст­ва с по­мо­щью мно­го­числ. 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-оп­тич. ме­тод ис­сле­до­ва­ния на­пря­же­ний, воз­ни­каю­щих в твёр­дых те­лах (напр., при ме­ха­нич. 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 хи­мич. пром-сти – как кон­троль­ные ме­то­ды при про­из-ве оп­ти­че­ски ак­тив­ных ве­ществ, в оп­тич. при­бо­ро­строе­нии – для по­вы­ше­ния точ­но­сти от­счё­тов при­бо­ров (напр., 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 мо­но­хро­ма­тич. (ла­зер­но­го) из­лу­че­ния, ве­ли­ка их роль в ин­те­граль­ных оп­тич. уст­рой­ст­вах. Ди­фрак­ция све­та на ульт­ра­зву­ке в про­зрач­ных сре­дах по­зво­ля­ет оп­ре­де­лить уп­ру­гие кон­стан­ты ве­ще­ст­ва, а так­же соз­дать аку­сто­оп­тич. мо­ду­ля­то­ры све­та (см. так­же Аку­сто­оп­ти­ка), при­ме­няе­мые в све­то­даль­но­ме­рах, оп­тич. ло­ка­то­рах и сис­те­мах оп­тич. свя­зи.

Оп­тич. 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 Ман­дель­шта­ма – Брил­лю­эна рас­сея­ния. 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 энер­ге­тич. со­стоя­ни­ям.

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

Ус­пе­хи О. сти­му­ли­ро­ва­ли раз­ви­тие оп­то­элек­тро­ни­ки, ко­то­рая изу­ча­ет эф­фек­ты вза­им­но­го пре­об­ра­зо­ва­ния оп­тич. из­лу­че­ния и элек­трич. 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 оп­тич. сиг­на­лов. Од­на из осн. за­дач фо­то­ни­ки – раз­ра­бот­ка спо­со­бов управ­ле­ния све­том при по­мо­щи све­та. Це­лью оп­тро­ни­ки яв­ля­ет­ся раз­ви­тие ме­то­дов соз­да­ния оп­трон­ных схем – элек­трон­ных уст­ройств с внутр. оп­тич. свя­зя­ми (см. Оп­трон). Тех­нич. ос­но­ва оп­то­элек­тро­ни­ки – ин­те­граль­ная оп­ти­ка, ши­ро­ко ис­поль­зую­щая вол­но­вод­ные сис­те­мы и мно­го­функ­цио­наль­ные ми­ниа­тюр­ные мо­ду­ли с ли­ней­ным и не­ли­ней­ным пре­об­ра­зо­ва­ни­ями оп­тич. из­лу­че­ния. Эле­мент­ная ба­за уст­ройств ин­те­граль­ной О. 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 оп­тич. даль­но­мет­рия (см. Све­то­даль­но­мер), оп­ти­че­ская ло­ка­ция и оп­ти­че­ская связь. Оп­тич. даль­но­ме­ры при­ме­ня­ют­ся в гео­де­зич. прак­ти­ке, при стро­ит. ра­бо­тах и др. Ме­то­да­ми оп­тич. ло­ка­ции бы­ло уточ­не­но рас­стоя­ние до Лу­ны, ве­дёт­ся сле­же­ние за ИСЗ; по ли­ни­ям ла­зер­ной оп­тич. свя­зи ве­дут­ся те­ле­фон­ные пе­ре­го­во­ры и пе­ре­да­ют­ся изо­бра­же­ния. Соз­да­ние во­ло­кон­ных све­то­во­дов с ма­лым за­ту­ха­ни­ем (см. Во­ло­кон­ная оп­ти­ка) по­влек­ло за со­бой прак­тич. раз­ра­бот­ки сис­тем ка­бель­ной оп­тич. свя­зи, имею­щей ряд пре­иму­ществ по срав­не­нию с элек­трич. про­вод­ной свя­зью. На­блю­дае­мые в во­ло­кон­ных све­то­во­дах не­ли­ней­ные эф­фек­ты, та­кие как па­ра­мет­рич. 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 оп­тич. 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 эм­пи­рич. пра­ви­ла по­строе­ния изо­бра­же­ний, да­вае­мых лин­за­ми; ок. 1590 З. Ян­сен по­стро­ил пер­вый двух­лин­зо­вый мик­ро­скоп; в 1609 Г. Га­ли­лей изо­брёл те­ле­скоп. Точ­ные за­ко­ны пре­лом­ле­ния све­та экс­пе­ри­мен­таль­но ус­та­нов­ле­ны ок. 1620 В. Снел­лиу­сом и в 1637 Р. Де­кар­том. По­сле­дую­щей фор­му­ли­ров­кой Фер­ма прин­ци­па (1660) был за­вер­шён фун­да­мент по­строе­ния гео­мет­рич. оп­ти­ки.

Даль­ней­шее раз­ви­тие О. свя­за­но с от­кры­тия­ми ди­фрак­ции и ин­тер­фе­рен­ции све­та (Ф. М. Гри­маль­ди, опубл. в 1665), двой­но­го лу­че­пре­лом­ле­ния (Э. 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 экс­пе­рим. оп­ре­де­ле­ние ско­ро­сти све­та про­из­вёл в 1675 О. Рё­мер. Наи­боль­шим вкла­дом Гюй­ген­са в О. яв­ля­ет­ся фор­му­ли­ров­ка Гюй­ген­са – Фре­не­ля прин­ци­па, а так­же объ­яс­не­ние двой­но­го лу­че­пре­лом­ле­ния. Од­на­ко Гюй­генс не раз­ра­бо­тал по­сле­до­ва­тель­ную вол­но­вую тео­рию све­та, ко­то­рая вы­дер­жа­ла бы про­ти­во­по­став­ле­ние воз­зре­ни­ям Нью­то­на.

Окон­ча­тель­ное ут­вер­жде­ние вол­но­вой О. свя­за­но с ра­бо­та­ми Т. Юн­га и О. Фре­не­ля. В 1801 Юнг сфор­му­ли­ро­вал прин­цип ин­тер­фе­рен­ции, по­зво­лив­ший ему объ­яс­нить цве­та тон­ких плё­нок (см. По­ло­сы рав­ной тол­щи­ны). Опи­ра­ясь на этот прин­цип, Фре­нель по-но­во­му ис­тол­ко­вал прин­цип Гюй­ген­са, дал удов­ле­тво­ри­тель­ное вол­но­вое объ­яс­не­ние пря­мо­ли­ней­но­сти рас­про­стра­не­ния све­та и объ­яс­нил мно­го­числ. 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 кри­стал­ло­оп­тич. яв­ле­ний. Т. о., все из­вест­ные к то­му вре­ме­ни оп­тич. яв­ле­ния по­лу­чи­ли вол­но­вую ин­тер­пре­та­цию. Де­таль­ная раз­ра­бот­ка пред­став­ле­ний о све­те как о по­пе­реч­ных уп­ру­гих ко­ле­ба­ни­ях эфи­ра при­во­ди­ла к не­об­хо­ди­мо­сти ис­кусств. тео­ре­тич. 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 по­сле­до­ват. 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 О. бы­ло от­кры­тие М. Фа­ра­де­ем (1845) вра­ще­ния плос­ко­сти по­ля­ри­за­ции све­та в маг­нит­ном по­ле (Фа­ра­дея эф­фект). Да­лее бы­ло ус­та­нов­ле­но, что от­но­ше­ние элек­тро­маг­нит­ных и элек­тро­ста­тич. 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 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 франц. фи­зи­ком Ф. Ле­ру ано­маль­ной дис­пер­сии све­та, свя­зан­ной с по­гло­ще­ни­ем све­та, при­ве­ло к пред­став­ле­нию о ве­ще­ст­ве как о со­во­куп­но­сти ос­цил­лято­ров, с ко­то­ры­ми взаи­мо­дей­ству­ет свет (нем. 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 мн. оп­тич. яв­ле­ния, в т. ч. нор­маль­ную и ано­маль­ную дис­пер­сии све­та. Под­твер­жде­ни­ем пред­став­ле­ний о том, что из­лу­че­ние и по­гло­щение све­та оп­ре­де­ля­ют­ся по­ве­де­ни­ем элек­тро­нов в ато­мах, яви­лось от­кры­тие в 1896 П. Зее­ма­ном и ис­тол­ко­ва­ние в 1897 Ло­рен­цем дей­ст­вия маг­нит­но­го по­ля на час­то­ты из­лу­че­ния и по­гло­ще­ния ато­мов (Зее­ма­на эф­фект). В пол­ном со­гла­сии с тео­ри­ей Мак­свел­ла ока­за­лась и ве­ли­чи­на дав­ле­ния све­та, из­ме­рен­ная П. Н. Ле­бе­де­вым в 1899. Элек­тро­маг­нит­ная тео­рия све­та ста­ла от­прав­ным пунк­том и при соз­да­нии от­но­си­тель­но­сти тео­рии. Пло­до­твор­ность клас­сич. элек­тро­ди­на­мич. тео­рии све­та Мак­свел­ла – Ло­рен­ца не­од­но­крат­но под­твер­жда­лась и в даль­ней­шем, напр. при ис­тол­ко­ва­нии И. Е. Там­мом и И. М. Фран­ком (1937) Ва­ви­ло­ва – Че­рен­ко­ва из­лу­че­ния, 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).

Элек­тро­ди­на­мич. 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 О. мн. чер­ты кор­пус­ку­ляр­ных пред­став­ле­ний. Ин­тен­сив­ность элек­тро­маг­нит­но­го по­ля в кван­то­вой О. оп­ре­де­ля­ет ве­ро­ят­ность об­на­ру­же­ния фо­то­на, а струк­ту­ра по­ля от­ра­жа­ет кван­то­вую струк­ту­ру ан­самб­ля эле­мен­тар­ных из­лу­ча­те­лей (ато­мов, мо­ле­кул) и рас­пре­де­ле­ние ак­тов из­лу­че­ния во вре­ме­ни. Т. о., при со­хра­не­нии фи­зич. 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 осн. за­ко­ны фото­эф­фек­та, впер­вые ис­сле­до­ван­ные А. Г. Сто­ле­то­вым в 1888–90, да­ло на­гляд­ное ис­тол­ко­ва­ние су­ще­ст­во­ва­нию ко­рот­ко­вол­но­вой гра­ни­цы в тор­моз­ном из­лу­че­нии элек­тро­нов, Ком­пто­на эф­фек­ту, от­кры­то­му в 1922, сто­ксо­ву сдви­гу час­то­ты из­лу­че­ния фо­то­лю­ми­нес­цен­ции, ком­би­на­ци­он­но­му рас­сея­нию све­та (от­кры­то­му в 1928 Л. И. Ман­дель­шта­мом и Г. С. Ланд­сбер­гом и не­за­ви­си­мо Ч. В. Ра­ма­ном и инд. фи­зи­ком К. С. Кри­шна­ном) и др. яв­ле­ни­ям взаи­мо­дей­ст­вия све­та с ве­ще­ст­вом.

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

Наи­бо­лее важ­ное от­кры­тие О. 20 в. – раз­ра­бот­ка ме­то­дов ге­не­ра­ции вы­ну­ж­ден­но­го из­лу­че­ния ато­мов и мо­ле­кул. Впер­вые по­ня­тие вы­ну­ж­ден­но­го из­лу­че­ния ввёл А. Эйн­штейн в 1916. В 1940 рос. фи­зик 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 оп­тич. об­рат­ной свя­зи пре­вра­ща­ет его в оп­тич. 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 1954–55. В даль­ней­шем с ис­поль­зова­ни­ем разл. 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 О. вне­сли Р. В. Хох­лов и С. А. Ах­ма­нов.

Лит.: Ва­ви­лов СИ. Мик­ро­струк­ту­ра све­та. М., 1950; Дей­ст­вие из­лу­че­ния боль­шой мощ­но­сти на ме­тал­лы / Под ред. А. М. Бонч-Бруе­ви­ча, М. А. Ель­я­ше­ви­ча. М., 1970; Борн М., Вольф Э. Ос­но­вы оп­ти­ки. 2-е изд. М., 1973; Зель­до­вич БЯ., Пи­ли­пец­кий НФ., Шку­нов ВВ. Об­ра­ще­ние вол­но­во­го фрон­та. М., 1985; Ле­то­хов ВС., Че­бо­та­ев ВП. Не­ли­ней­ная ла­зер­ная спек­тро­ско­пия сверх­вы­со­ко­го раз­ре­ше­ния. М., 1990; Ко­ро­те­ев НИ., Шу­май ИЛ. Фи­зи­ка мощ­но­го ла­зер­но­го из­лу­че­ния. М., 1991; Скал­ли МО., Зу­бай­ри МС. Кван­то­вая оп­ти­ка. М., 2003; Ме­то­ды ком­пь­ю­тер­ной оп­ти­ки / Под ред. В. А. Сой­фе­ра. 2-е изд. М., 2003; Ах­ма­нов СА., Ни­ки­тин СЮ. Фи­зи­че­ская оп­ти­ка. 2-е изд. М., 2004; Дмит­ри­ев ВГ., Та­ра­сов ЛВ. При­клад­ная не­ли­ней­ная оп­ти­ка. 2-е изд. М., 2004; Но­вот­ный Л., Хехт Б. Ос­но­вы на­но­оп­ти­ки. М., 2009; Ко­ге­рент­но-оп­ти­че­ские ме­то­ды в из­ме­ри­тель­ной тех­ни­ке и био­фо­то­ни­ке / Под ред. В. П. Ря­бу­хо, В. В. Ту­чи­на. Са­ра­тов, 2009; Ах­ма­нов СА., Дья­ков ЮЕ., Чир­кин АС. Ста­ти­сти­че­ская ра­дио­фи­зи­ка и оп­ти­ка: Слу­чай­ные ко­ле­ба­ния и вол­ны в ли­ней­ных сис­те­мах. 2-е изд. М., 2010; Ланд­сберг ГС. Оп­ти­ка. 6-е изд. М., 2010; Ель­я­ше­вич МА. Атом­ная и мо­ле­ку­ляр­ная спек­тро­ско­пия. 6-е изд. М., 2012.

Вернуться к началу