Оптика

Оптика (греч. optike - наука о зрительных восприятиях, от optos - видимый, зримый), раздел физики, в котором изучаются природа оптического излучения (света), его распространение и явления, наблюдаемые при взаимодействии света и вещества. Оптическое излучение представляет собой электромагнитные волны, и поэтому оптика - часть общего учения об электромагнитном поле. Оптический диапазон длин волн охватывает окодо 20 октав и ограничен, с одной стороны, рентгеновскими лучами, а с другой - микроволновым диапазоном радиоизлучения. Такое ограничение условно и в значит, степени определяется общностью технических средств и методов исследования явлений в указанном диапазоне. Для этих средств и методов характерны основанные на волновых свойствах излучения формирование изображений оптических предметов с помощью приборов, линейные размеры которых много больше длины волны λ излучения, а также использование приемников света, действие которых основано на его квантовых свойствах.

По традиции оптику принято подразделять на геометрическую, физическую и физиологическую. Геометрическая оптика оставляет в стороне вопрос о природе света, исходит из эмпирических законов его распространения и использует представление о световых лучах, преломляющихся и отражающихся на границах сред с разными оптическими свойствами и прямолинейных в оптически однородной среде. Ее задача - математически исследовать ход световых лучей в среде с известной зависимостью преломления показателя n от координат либо, напротив, найти оптические свойства и форму прозрачных и отражающих сред, при которых лучи проходят по заданному пути.

Методы геометрической оптики позволяют изучить условия формирования оптические изображения объекта как совокупности изображений отд. его точек и объяснить многие явления, связанные с прохождением оптические излучения в различных средах (например, искривление лучей в земной атмосфере вследствие непостоянства ее показателя преломления, образование миражей, радуг и т. п.). Наибольшее значение геометрическая оптика (с частичным привлечением волновой оптики, см. ниже) имеет для расчета и конструирования оптических приборов - от очковых линз до сложных объективов и огромных астрономических инструментов. Благодаря развитию и применению вычислит, математики методы таких расчетов достигли высокого совершенства и сформировалось отд. направление, получившее назв. вычислительной оптики.

По существу отвлекается от физической природы света и фотометрия, посвященная главным образом измерению световых величин. Фотометрия представляет собой методическую основу исследования процессов испускания, распространения и поглощения излучения по результатам его действия на приемники излучения. Ряд задач фотометрии решается с учетом закономерностей восприятия человеческим глазом света и его отдельных цветовых составляющих. Изучением этих закономерностей занимается физиологическая оптика, смыкающаяся с биофизикой и психологией и исследующая зрительный анализатор (от глаза до коры головного мозга) и механизмы зрения.

Физическая оптика рассматривает проблемы, связанные с природой света и световых явлений. Утверждение, что свет есть поперечные электромагнитные волны, основано на результатах огромного числа экспериментальных исследований дифракции света, интерференции света, поляризации света и распространения света в анизотропных средах (см. Кристаллооптика, Оптическая анизотропия). Совокупность явлений, в которых проявляется волновая природа света, изучается в крупном разделе физической оптики - волновой оптики. Ее математическим основанием служат общие уравнения классической электродинамики - Максвелла уравнения. Свойства среды при этом характеризуются макроскопическими материальными константами - диэлектрической проницаемостью ε и магнитной проницаемостью μ, входящими в уравнения Максвелла в виде коэффициентов. Эти константы однозначно определяют показатель преломления среды: n =√εμ.

Феноменологич. волновая оптика, оставляющая в стороне вопрос о связи величин ε и μ (обычно известных из опыта) со структурой вещества, позволяет объяснить все эмпирические законы геометрической оптики и установить границы ее применимости. В отличие от геометрической, волновая оптика дает возможность рассматривать процессы распространения света не только при размерах формирующих или рассеивающих световые пучки систем >>λ (длины волны света), но и при любом соотношении между ними. Во многих случаях решение конкретных задач методами волновой оптики оказывается чрезвычайно сложным. Поэтому получила развитие квазиоптика (особенно применительно к наиболее длинноволновому участку спектра оптическим излучениям и смежному с ним так называемому субмиллиметровому поддиапазону радиоизлучения), в которой процессы распространения, преломления и отражения описываются геометрооптически, но в которой при этом нельзя пренебрегать и волновой природой излучения. Геометрические и волновой подходы формально объединяются в геометрической теории дифракции, в которой дополнительно к падающим, отраженным и преломленным лучам геометрической оптики постулируется существование различного типа дифрагированных лучей.

Огромную роль в развитии волновой оптики сыграло установление связи величин ε и μ с молекулярной и кристаллич. структурой вещества (см. Кристаллооптика, Металлооптика, Молекулярная оптика). 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 от λ оптических свойств сред - их дисперсию, влияние на световые явления в средах давления, температуры, звука, электрического и магнитного полей и многое другое.

В классической волновой оптике параметры среды считаются не зависящими от интенсивности света; соответственно, оптические процессы описываются линейными (дифференциальными) уравнениями. Выяснилось, однако, что во многих случаях, особенно при больших интенсивностях световых потоков, это предположение несправедливо; при этом обнаружились совершенно новые явления и закономерности. В частности, зависимость показателя преломления от напряженности поля световой волны (нелинейная поляризуемость вещества) приводит к изменению угла преломления светового пучка на границе двух сред при изменении его интенсивности, к сжатию и расширению световых пучков (самофокусировка света и его самодефокусировка), к изменению спектрального состава света, проходящего через такую (нелинейную) среду (генерация оптических гармоник), к взаимодействию световых пучков и появлению в излучении т. н. комбинационных частот, выделенных направлений преимущественного распространения света (параметрические явления, см. Параметрические генераторы света) и т. д. Эти явления рассматриваются нелинейной оптикой, получившей развитие в связи с созданием лазеров.

Хорошо описывая распространение света в материальных средах, волновая оптика не смогла удовлетворительно объяснить процессы его испускания и поглощения. Исследование этих процессов (фотоэффекта, фотохимических превращений молекул, закономерностей спектров оптических и пр.) и общие термодинамические соображения о взаимодействии электромагнитного поля с веществом привели к выводу, что элементарная система (атом, молекула) может отдавать энергию электромагнитному полю (или, напротив, получать ее от него) лишь дискретными порциями (квантами), пропорциональными частоте излучения v (см. Излучение). Поэтому световому электромагнитному полю необходимо сопоставить поток квантов света - фотонов, распространяющихся в вакууме со скоростью света с = 2,99*10¹⁰ см/сек. Фотоны обладают энергией hν, импульсом с абсолютной величиной hν/c и массой hν/c² (их масса покоя равна нулю, см. Масса), а также спином h/2π; здесь h = 6,65*10^-27эрг/сек -Планка постоянная. В простейшем случае энергия, теряемая или приобретаемая изолированной квантовой системой при взаимодействии с оптическим излучением, равна энергии фотона, а в более сложном - сумме или разности энергий нескольких фотонов (см. Многофотонные процессы). Явления, в которых при взаимодействии света и вещества существенны квантовые свойства элементарных систем, рассматриваются квантовой оптики методами, развитыми в квантовой механике и квантовой электродинамике, а оптические явления, не связанные с изменением собственных состояний квантовых систем (например, давление света, Доплера эффект), могут трактоваться в рамках как классических волновых, так и фотонных представлений.

Двойственность природы света (наличие одновременно характерных черт, присущих и волнам, и частицам) - частное проявление корпускулярно-волнового дуализма, свойственного, согласно квантовой теории, всем объектам микромира (например, электронам, протонам, атомам). Исторически концепция корпускулярно-волнового дуализма, впервые сформулированная именно для оптического излучения, окончательно утвердилась после обнаружения волновых свойств у материальных частиц (см. Дифракция частиц) и лишь некоторое время спустя была экспериментально подтверждена для соседнего с оптическим диапазона электромагнитного излучения - радиоизлучения (квантовая электроника, квантовая радиофизика). Открытие квантовых явлений в радиодиапазоне во многом стерло резкую границу между радиофизикой и оптикой. Сначала в радиофизике, а затем в физической оптике сформировалось новое направление, связанное с генерированием 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 в результате управления полем актами испускания входящих в них элементарных систем характеризуется упорядоченностью (когерентностью). Оно отличается высокой монохроматичностью (Δν/ν ~ 10^-13, см. Монохроматический свет), предельно малой (вплоть до дифракционной) расходимостью пучка и при фокусировке позволяет получать недостижимые ни для каких других источников плотности излучения (~10¹⁸вт*см^-2*cтep^-1). Появление лазеров стимулировало пересмотр и развитие традиционных и возникновение новых направлений физической оптики. Большую роль стали играть исследования статистики излучения (статистическая оптика); были открыты новые нелинейные и нестационарные явления, получили развитие методы создания узконаправленных когерентных пучков света и управления ими (когерентная оптика) и т. д. Особую важность приобрело изучение круга явлений, связанных с воздействием света на вещество (до появления лазеров наибольшее внимание привлекало воздействие вещества на свет). Развитие лазерной техники привело к новому подходу при создании оптических элементов и систем и, в частности, потребовало разработки новых оптических материалов, которые пропускают интенсивные световые потоки, сами не повреждаясь (силовая оптика).

Все разделы оптики имели и имеют многочисленные практические применения. Задачи рационального освещения улиц, помещений, рабочих мест на производстве, зрелищ, исторических и архитектурных памятников и прочие решаются светотехникой на основе геометрической оптики и фотометрии, учитывающей законы физиологической оптики; при этом используются достижения физической оптики (например, для создания люминесцентных источников света) и оптические технологии (изготовление зеркал, светофильтров, экранов и т. д.). Одна из важнейших традиционных задач оптики - получение изображений, соответствующих оригиналам как по геометрической форме, так и по распределению яркости (иконика), решается главным образом геометрической оптикой с привлечением физической оптики (для установления разрешающей способности приборов и систем, учета зависимости показателя преломления от λ - дисперсии света и др.). Геометрическая оптика дает ответ на вопрос, как следует построить оптическую систему для того, чтобы каждая точка объекта изображалась бы также в виде точки при сохранении геометрического подобия изображения объекту. Она указывает на источники искажений изображения и их уровень в реальных оптических системах (см. Аберрации оптических систем). Для построения оптических систем существенна технология изготовления оптических материалов (стекол, кристаллов, оптическая керамики и пр.) с требуемыми свойствами, а также технология обработки оптических элементов. Из технологических соображений чаще всего применяют линзы и зеркала со сферическими поверхностями, но для упрощения оптических систем и повышения качества изображений при высокой светосиле используют и асферические оптические элементы.

Новые возможности получения оптических образов без применения фокусирующих систем дает голография, основанная на однозначной связи формы тела с пространственным распределением амплитуд и фаз распространяющихся от него световых волн. Для регистрации поля с учетом распределения фаз волн в голографии на регистрируемое поле накладывают дополнит, когерентное поле и фиксируют (на фоточувствительном слое или другими методами) возникающую при этом интерференционную картину. При рассматривании полученной таким образом голограммы в когерентном (монохроматическом) свете получается объемное изображение предмета.

Появление источников интенсивных когерентных световых полей (лазеров) дало толчок широкому развитию голографии. Она находит применение при решении многих научных и технических проблем. С помощью голографии получают пространственные изображения предметов, регистрируют (при импульсном освещении) быстропротекающие процессы, исследуют сдвиги и напряжения в телах и т. д.

Оптические явления и методы, разработанные в оптике, широко применяются для аналитических целей и контроля в самых различных областях науки и техники. Особенно большое значение имеют методы спектрального анализа и люминесцентного анализа, основанные на связи структуры атомов и молекул с характером их спектров испускания и поглощения, а также спектров комбинационного рассеяния света. По виду спектров и их изменению со временем или под действием на вещество внешних факторов можно установить молекулярный и атомный состав, агрегатное состояние, температуру вещества, исследовать, кинетику протекающих в нем физических и химических процессов. Применение в спектроскопии лазеров обусловило бурное развитие нового ее направления - лазерной спектроскопии. Спектральный и люминесцентный анализ используют в различных областях физики, астрофизике, геофизике и физике моря, химии, биологии, медицине, технике, в ряде гуманитарных наук - искусствоведении, криминалистике и пр.

Чрезвычайно высокая точность измерит, методов, осн. на интерференции света, обусловила их большое практическое значение. 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 звезд и других космических объектов (см. Звездный интерферометр). В промышленности интерферометры используют для контроля качества и формы поверхностей, регистрации небольших смещений, обнаружения по малым изменениям показателя преломления непостоянства температуры, давления или состава вещества и т. д. Созданы лазерные интерферометры с уникальными характеристиками, резко расширившие возможности интерференционных методов за счет большой мощности и высокой монохроматичности излучения лазеров.

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 в объемах и на поверхностях твердых тел, в котором эти (механические) напряжения определяются по изменению поляризации отраженного или прошедшего через тело света. В кристаллооптике поляризационные методы используются для изучения структуры кристаллов, в химической промышленности - как контрольные при производстве оптически-активных веществ (см. также Сахариметрия), в минералогии и петрографии - для идентификации минералов, в оптическом приборостроении - для повышения точности отсчетов приборов (например, фотометров).

Широкое распространение получили высокочувствительных спектральные приборы с дифракционной решеткой в качестве диспергирующего элемента (монохроматоры, спектрографы, спектрофотометры и др.), использующие явление дифракции света. Дифракция на ультразвуковых волнах в прозрачных средах позволяет определять упругие константы вещества, а также создать акустооптические модуляторы света (см. Модуляция света).

Оптические методы, заключающиеся в анализе рассеяния света (особенно мутными средами), имеют большое значение для молекулярной физики и ее приложений. Так, нефелометрия дает возможность получать данные о межмолекулярном взаимодействии в растворах, определять размеры и молекулярный вес макромолекул полимеров, а также частиц в коллоидных системах, взвесях и аэрозолях. Последнее весьма важно для атмосферной оптики, оптики красок и порошков. Ценные сведения об энергетической структуре молекул и свойствах тел дают изучение комбинационного рассеяния света, Мандельштама - Бриллюэна рассеяния и вынужденного рассеяния света, обнаруженного благодаря использованию лазеров.

Очень широка сфера практического применения приборов, основанных на квантовых оптических явлениях - фотоэлементов и фотоэлектронных умножителей, усилителей яркости изображения (электроннооптических преобразователей), передающих телевизионных трубок и т. д. Фотоэлементы используются не только для регистрации излучения, но и как устройства, преобразующие лучистую энергию Солнца в электроэнергию для питания электро-, радио- и др. аппаратуры (т. н. солнечные батареи). Фотохимические процессы лежат в основе фотографии и изучаются в специальной области, пограничной между химией и оптикой - фотохимии. Помимо исследования процессов внутри- и межмолекулярной передачи энергии, фотохимия уделяет большое внимание преобразованию и запасанию световой (например, солнечной) энергии и изменению оптических свойств веществ под действием света (фотохромия). На основе фотохромных материалов разрабатываются новые системы записи и хранения информации для нужд вычислит, техники и созданы защитные светофильтры с автоматическим увеличением поглощения света при возрастании его интенсивности. Получение мощных потоков монохроматического лазерного излучения с разными длинами волн открыло пути к разработке оптических методов разделения изотопов и стимулирования направленного протекания химических реакций, позволило оптике найти новые, нетрадиционные применения в биофизике (воздействие лазерных световых потоков на биологические объекты на молекулярном уровне) и медицине (см. Лазерное излучение). В технике использование лазеров привело к появлению оптических методов обработки материалов (см. Лазерная технология). Благодаря возможности с помощью лазеров концентрировать на площадках с линейными размерами порядка десятков микрон большие мощности излучения, интенсивно развивается оптический метод получения высокотемпературной плазмы с целью осуществления управляемого термоядерного синтеза.

Успехи оптики стимулировали развитие оптоэлектроники. Первоначально она понималась как замена электронных элементов в счетно-решающих и др. устройствах оптическими. Затем (к концу 60 - началу 70-х гг. 20 в.) стали разрабатываться принципиально новые подходы к решению задач вычислительной техники и обработки информации, исходящие из принципов голографии, и предлагаться новые технические решения, основанные на применении микрооптических устройств (интегральная оптика). С появлением лазеров новое развитие получили оптическая дальномерия (см. Светодалъномер, Электрооптический дальномер), оптическая локация и оптическая связь. В них широко используются элементы управления световым лучом электрическими сигналами (см. Модуляция света). Принципы действия многих из этих элементов основаны на изменении характера поляризации света при его прохождении через электро- или магнитоактивные среды (см. Магнитооптика, Керра эффект, Поккельса эффект, Фарадея эффект, Электрооптика). Оптические дальномеры применяются в геодезической практике, при строительных работах, в качестве высотомеров и пр. Методами оптической локации было уточнено расстояние до Луны, ведется слежение за искусственными спутниками Земли по линиям лазерной оптической связи осуществляются телефонные переговоры и передаются изображения. Создание световодов с малым затуханием повлекло за собой разработки систем кабельной оптической видеосвязи.

Практически нет ни одной области науки или техники, в которой не использовались бы оптические методы, а во многих из них оптика играет определяющую роль.

Исторический очерк. Оптика - одна из древнейших наук, тесно связанная с потребностями практики на всех этапах своего развития. Прямолинейность распространения света была известна народам Месопотамии за 5 тысяч лет до н. э. и использовалась в Древнем Египте при строительных работах. Пифагор в 6 веке до н. э. высказал близкую к современной точку зрения, что тела становятся видимыми благодаря испускаемым ими частицам. Аристотель (4 в. до н. э.) полагал, что свет есть возбуждение среды, находящейся между объектом и глазом. Он занимался атмосферной оптикой и считал причиной появления радуг отражение света каплями воды. В том же веке в школе Платона были сформулированы два важнейших закона геометрическая оптики - прямолинейность лучей света и равенство углов их падения и отражения. Евклид (3 век до н. э.) в трактатах по оптике рассматривал возникновение изображений при отражении от зеркал. Главный вклад греков, явившийся первым шагом в развитии оптики как науки, состоит не в их гипотезах о природе света, а в том, что они нашли законы его прямолинейного распространения и отражения (катоптрика) и умели ими пользоваться.

Второй важный шаг состоял в понимании законов преломления света {диоптрика) и был сделан лишь много веков спустя. Диоптрические опыты описывались Евклидом и Клеомедом (1 в. н. э.), о применении стеклянных шаров как зажигательных линз упоминали Аристофан (ок. 400 до н. э.) и Плиний Старший (1 в. н. э.), а обширные сведения о преломлении были изложены Птолемеем (130 н. э.); важность этого вопроса тогда состояла гл. обр. в его непосредств. связи с точностью астрономич. наблюдений. Однако законы преломления не удалось установить ни Птолемею, ни араб, ученому Ибн аль-Хайсаму, написавшему в 11 в. знаменитый трактат по оптике, ни даже Г. Галилею и И. Кеплеру. Вместе с тем в ср. века уже хорошо были известны эмпирические правила построения изображений, даваемых линзами, и начало развиваться искусство изготовления линз. В 13 в. появились очки. По некоторым данным, около 1590 3. Янсен (Нидерланды) построил первый двухлинзовый микроскоп. Первые же наблюдения с помощью телескопа, изобретенного Галилеем в 1609, принесли ряд замечательных астрономических открытий. Однако точные законы преломления света были экспериментально установлены лишь около 1620 В. Снеллиусом (см. Снелля закон преломления) и Р. Декартом, изложившим их в "Диоптрике" (1637). Этим (и последующей формулировкой Ферма принципа) был завершен фундамент построения и практического использования геометрической оптики.

Дальнейшее развитие оптики связано с открытиями дифракции и интерференции света (Ф. Гримальди; публикация 1665) и двойного лучепреломления (дат. ученый Э. Бартолин, 1669), не поддающихся истолкованию в рамках геометрической оптики, и с именами И. Ньютона, Р. Гука и X. Гюйгенса. Ньютон обращал большое внимание на периодичность световых явлений и допускал возможность волновой их интерпретации, но отдавал предпочтение корпускулярной концепции света, считая его потоком частиц, действующих на эфир (этот термин для обозначения наделенной механическими свойствами среды - переносчика света ввел Декарт) и вызывающих в нем колебания. Движением световых частиц через эфир переменной (вследствие колебаний) плотности и их взаимодействием с материальными телами, по Ньютону, обусловлены преломление и отражение света, цвета тонких пленок, дифракция света и его дисперсия (Ньютоном же впервые подробно изученная). Ньютон не считал возможным рассматривать свет как колебания самого эфира, т. к. в то время на этом пути не удавалось удовлетворительно объяснить прямолинейность световых лучей и поляризацию света (впервые осознанную именно Ньютоном, хотя и следовавшую из классических опытов Гюйгенса по двойному лучепреломлению). Согласно Ньютону, поляризация - "изначальное" свойство света, объясняемое определенной ориентацией световых частиц по отношению к образуемому ими лучу.

Гюйгенс, следуя идеям Леонардо да Винчи и развивая работы Гримальди и Гука, исходил из аналогии между многими акустическими и оптическими явлениями. Он полагал, что световое возбуждение есть импульсы упругих колебаний эфира, распространяющиеся с большой, но конечной скоростью (Кеплер и Декарт считали скорость света бесконечной, Ньютон и Гук - конечной; впервые ее величину экспериментально определил в 1676 О. Ремер, см. Скорость света). Наибольшим вкладом Гюйгенса в оптику, не потерявшим ценности до сих пор, является Гюйгенса - Френеля принцип, согласно которому каждая точка фронта волнового возбуждения может рассматриваться как источник вторичных (сферических) волн; огибающая (поверхность) вторичных волн представляет собой фронт реальной распространяющейся волны в последующие моменты времени. Опираясь на этот принцип, Гюйгенс дал волновое истолкование законов отражения и преломления. Из его теории следовало правильное выражение для показателя преломления: n₂₁ = ν₁/ν₂ (где ν₁ и ν₂ - скорости света в 1-й и 2-й средах), в то время как у Ньютона (и Гука) получалось обратное (не соответствующее действительности) отношение ν₂/ν₁. Гюйгенс объяснил также двойное лучепреломление. Говоря о световых волнах, Гюйгенс не придавал им буквального смысла и не пользовался понятием длины волны. Он игнорировал явление дифракции, считая, что свет распространяется прямолинейно даже через сколь угодно малое отверстие, и не рассматривал поляризацию света. Не упоминает он и об описанных в 1675 Ньютона кольцах - интерференционном эффекте, прямо свидетельствовавшем о периодичности световых колебаний, а не об их импульсном, как он полагал, характере. Таким образом, сформулировав фундаментальный принцип волновой оптики, Гюйгенс не разработал последовательную волновую теорию света, которая выдержала бы противопоставление воззрениям Ньютона. По этой причине и вследствие большого научного авторитета Ньютона корпускулярная "теория истечения" последнего (ее приверженцы придали ей категоричность, не свойственную высказываниям самого Ньютона) сохраняла господствующее положение в оптике до начала 19 в., хотя некоторые крупные ученые, например Л. Эйлер и М. В. Ломоносов, отдавали предпочтение волновым представлениям о природе света. Путь к победе волновой оптики открыли работы Т. Юнга и О. Френеля. В 1801 Юнг сформулировал принцип интерференции, позволивший ему объяснить цвета тонких пленок (см. Полосы равной толщины) и послуживший основой для понимания всех интерференционных явлений. Опираясь на этот принцип, Френель по-новому истолковал принцип Гюйгенса и не только дал удовлетворит, волновое объяснение прямолинейности распространения света, но и объяснил многочисленные дифракционные явления. В опытах Френеля и Д. Араго было установлено, что волны, поляризованные перпендикулярно друг другу, не интерферируют; это дало основания Юнгу и (независимо) Френелю высказать существенно важную идею о поперечности световых колебаний, исходя из которой Френель построил волновую теорию кристаллооптических явлений. Таким образом, все известные к тому времени оптические явления получили волновую интерпретацию. Однако и в этом "триумфальном шествии" были трудности, т. к. детальная разработка представлений о свете, как поперечных упругих колебаниях эфира, приводила к необходимости искусств, теоретических построений (так, эфир приходилось наделять свойствами твердого тела, в котором, тем не менее, могли свободно перемещаться тела). Эти трудности были радикально разрешены лишь при последовательном развитии учения Дж. К. Максвелла об электромагнитном поле. Максвелл, исходя из открытий М. Фарадея, пришел к выводу, что свет представляет собой не упругие, а электромагнитные волны. Позже, в начале 20 в. выяснилось, что для их распространения не нужен эфир.

Первым указанием на непосредственную связь электромагнетизма с оптикой было открытие Фарадеем (1846) вращения плоскости поляризации света в магнитном поле (Фарадея эффекта). Далее было установлено, что отношение электромагнитной и электростатических единиц силы тока по абсолютной величине и размерности совпадает со скоростью света с (В. Вебер и Ф. Колърауш, 1856). Максвелл теоретически показал, а Г. Герц в 1888 подтвердил экспериментально, что изменения электромагнитного поля распространяются в вакууме именно с этой скоростью. В прозрачной среде скорость света v = с/n = с/√(εμ), т. е. определяется диэлектрической и магнитной проницаемостями среды. Вначале не удавалось объяснить в рамках электромагнитной теории известные к тому времени зависимости показателя преломления n от длины волны λ излучения, используя взятые из опыта значения волны ε и волны μ. Со времен Ньютона была известна нормальная дисперсия - возрастание n с уменьшением волны λ. С позиций упругой волновой теории света она была объяснена Френелем и О. Коши. Но в 1862 французский физик Ф. Леру обнаружил участок дисперсионной кривой, на котором n увеличивался с ростом волны λ. Впоследствии А. Кундт показал, что такая (аномальная) дисперсия свойственна очень многим веществам и связана с поглощением ими света. Возникло представление о веществе как совокупности упругих осцилляторов (резонаторов), с которыми взаимодействует свет (В. Зельмейер, 1872). Развивая эту идею и рассматривая влияние вынужденных колебаний осцилляторов под действием света на скорость его распространения, Г. Гелъмгольц (1874) дал полную теорию дисперсии в рамках "упругой" теории света. В 90-х гг. 19 в. П. Друде, Гельмгольц и в особенности X. Лоренц при построении электронной теории вещества объединили идею об осцилляторах и электромагнитную теорию света. Плодотворное представление об электронах, которые входят в состав атомов и молекул и способны совершать в них колебания, позволило описать многие оптические явления, в т. ч. нормальную и аномальную дисперсию, т. к. в электронной теории значение волны ε зависит от частоты (длины волны) электромагнитного поля. Наиболее точные опыты по аномальной дисперсии (Д. С. Рождественский, 1912) дали результаты, хорошо согласующиеся с предсказаниями электронной теории. Блестящим подтверждением представлений о том, что излучение и поглощение света определяется 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 эффекта). В полном согласии с теорией Максвелла оказалась и величина давления света, мысль о котором впервые высказал в 1619 Кеплер для объяснения отклонения хвостов комет в сторону от Солнца. В земных условиях величина этого давления была впервые измерена П. Н. Лебедевым в 1899. Построение электромагнитной теории света и дополнение ее электронной теорией взаимодействия света и вещества явилось следующим (после победы волновой теории в начале 19 века) существенным шагом в развитии оптики. Электромагнитная теория света стала отправным пунктом при создании относительности теории. Экспериментальными основаниями для этого были данные оптических опытов с движущимися средами и движением наблюдателя относительно источника излучения, противоречившие теоретическим представлениям. Юнг в 1804 показал, что волновая теория требует для объяснения явления аберрации света неподвижного, не увлекаемого Землей эфира. Напротив, Френель в 1818 нашел, что для независимости показателя преломления тел от их движения (наблюдения Араго, 1810) необходимо, чтобы тела частично увлекали эфир. Этот вывод был подкреплен Физо опытом. Электродинамика движущихся сред, развитая Лоренцем (1896) в рамках электронной теории, также приводила к частичному увлечению эфира. Однако классический Майкелъсона опыт, впервые выполненный в 1881 и неоднократно повторявшийся со все большей точностью, не обнаружил такого увлечения ("эфирного ветра"). Этот и ряд других опытов, противоречивших представлениям о среде - переносчике электромагнитных колебаний, нашли свое объяснение в созданной А. Эйнштейном специальной (частной) теории относительности (1905), приведшей к кардинальному пересмотру многих положений классической физики и, в частности, окончательно устранившей необходимость в эфире - гипотетической среде-переносчике света.

Плодотворность классической электродинамической теории света Максвелла - Лоренца неоднократно подтверждалась и в дальнейшем, например, в истолковании И. Е. Таммом и И. М. Франком (1937) эффекта Черенкова - Вавилова излучения (открытого в 1934), в выдвижении Д. Габором (1948) идеи голографии (с записью волнового поля в одной плоскости), в разработке оригинального направления трехмерных голограмм, начало которому положили работы Ю. Н. Денисюка (1962) и т. д.

Несмотря на успехи электродинамической теории, выяснилось, что она явно недостаточна для описания процессов поглощения и испускания света. Особенно отчетливо это проявилось в парадоксальности выводов теории (противоречащих закону сохранения энергии) из анализа распределения по длинам волн теплового излучения (излучения абсолютно черного тела). Рассматривая эту принципиальную проблему, М. Планк пришел к заключению (1900), что элементарная колебательная система (атом, молекула) отдает энергию электромагнитному полю или получает ее от него не непрерывно, а порциями, пропорциональными частоте колебаний, - квантами. Утверждение Планка противоречило классическим представлениям и перенесло идею прерывности (дискретности) на процессы испускания и поглощения света. Развитие идеи Планка не только дало удовлетворительное решение проблемы теплового излучения, но и заложило основы всей современной квантовой физики. Работы Планка и Эйнштейна (1905), который приписал квантам света - фотонам, кроме энергии, также импульс и массу, вернули оптике многие черты корпускулярных представлений. Электромагнитное поле (его интенсивность) 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 в актах испускания света и существующие, только двигаясь со скоростью света, приобрели черты материальных частиц. При поглощении фотона он перестает существовать, а поглотившая его система получает его энергию и импульс. Если же фотон не поглощается, взаимодействуя с частицей (например, свободным электроном), или он отражается от макроскопического тела (например, неподвижного или движущегося зеркала), он изменяет свою энергию и импульс (сохраняя абсолютную величину скорости) в соответствии с законами соударения двух материальных тел. Фотонные представления позволили Эйнштейну объяснить основные законы фотоэффекта, впервые исследованные А. Г. Столетовым в 1888- 1890, и дать ясную трактовку фотохимических превращений. Они позволяют наглядно истолковать существование коротковолновой границы в тормозном излучении электронов (макс, энергия фотона равна энергии электрона), Комптона эффект (открытый в 1922), стоксовский сдвиг частоты излучения фотолюминесценции по отношению к частоте возбуждающего света, комбинационное рассеяние света (открытое в 1928 Л. И. Мандельштамом и Г. С. Ландсбергом и независимо Ч. В. Романом) и огромное число др. явлений взаимодействия света с веществом, известных ко времени формирования квантовой теории и открытых в последующие годы. Поэтому переход к квантовым представлениям был след, существ, шагом в оптику, которую в ее дальнейшем развитии нельзя рассматривать изолированно от квантовой физики вообще. В современной оптике квантовые представления не противополагаются волновым, а органически сочетаются в квантовой механике и квантовой электродинамике. Исключительное значение квантовая механика имеет для спектроскопии, позволившей получить обширные сведения о строении атомов, молекул и конденсированных сред, а также о протекающих в них процессах. Это стало возможным благодаря развитию квантовой теории в трудах Н. Бора, М. Борна, Э. Шредингера, В. Гейзенберга, В. Паули, П. Дирака, Э. Ферми, Л. Д. Ландау, В. А. Фока и многих других физиков. Квантовая теория позволила дать интерпретацию спектрам 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 самой квантовой теории может служить вызванное необходимостью объяснения спектральных закономерностей открытие собственного момента количества движения - спина - и связанного с ним собственного магнитного момента у электрона (С. Гаудсмит, Дж. Уленбек, 1925) и др. частиц и ядер атомов, повлекшее за собой установление Паули принципа (1925) и, в свою очередь, истолкование сверхтонкой структуры спектров (Паули, 1928). Т. о., построение двух из наиболее фундаментальных теорий совр. физики - квантовой механики и специальной теории относительности - было стимулировано в первую очередь проблемами, возникшими при развитии оптики, и основывалось на наблюдении и анализе оптических явлений.

Примером успехов новой оптики является оптическая ориентация (ориентация магнитных моментов) атомов фотонами, отдающими им свой спин при поглощении (А. Кастлер, 1953). Наиболее важное событие современной оптики - экспериментальное обнаружение и создание методов генерации вынужденного излучения атомов и молекул, предсказанного Эйнштейном в 1916 (см. также Излучение). Вынужденно испущенный фотон дублирует фотон, вызвавший переход, и, если имеется запас возбужденных систем, превышающий число поглощающих (т. н. активная среда с инверсией населенностей энергетических состояний атомов или молекул), этот процесс может многократно повторяться, т. е. происходит усиление исходного светового потока (оптического сигнала). Добавление к такому квантовому усилителю оптической обратной связи (например, путем возвращения части излучения с помощью системы зеркал) превращает его в оптический квантовый генератор (лазер). Первые квантовые генераторы (в сантиметровом диапазоне длин волн - мазеры) были созданы А. М. Прохоровым, Н. Г. Басовым и Ч. Таунсом в 1954. В 1960 был построен первый лазер на рубине, вскоре в том же году - первый газоразрядный лазер на смеси гелия и неона, а в 1962 - полупроводниковые лазеры. Важность этих основополагающих работ была немедленно оценена и за ними последовали многочисленные исследования свойств вынужденного излучения и возможностей его генерации. Было установлено, что, используя различные методы получения инверсной населенности, можно строить лазеры на твердых, жидких, газообразных и плазменных средах. Их появление стимулировало развитие таких традиционных областей оптики, как спектроскопия, люминесценция, фотохимия, привело к возникновению совершенно новых научных и технических направлений (нелинейная и параметрическая оптика, силовая оптика, оптическая обработка материалов) и к модификации уже развивавшихся направлений (например, оптической связи и оптической локации), сделало возможным практическую реализацию и широкое применение ранее высказанных идей (голография), позволило распространить методы оптики на решение задач, не свойственных ей раньше (например, проблема управляемого термоядерного синтеза), и тем самым подтвердило динамичность оптики, свойственную наукам, находящимся на переднем крае знаний.