اپتیک شاخه ای از فیزیک است که شامل مطالعه نور و برهمکنش آن با ماده است. این شامل رفتار و خواص نور، از جمله برهمکنش آن با مواد و ساخت ابزارهایی است که از آن استفاده می کنند یا آن را تشخیص می دهند. اپتیک برای بسیاری از زمینه ها مانند نجوم، مهندسی، عکاسی و علوم بینایی بنیادی است.
نور نوعی تابش الکترومغناطیسی است که با چشم انسان قابل مشاهده است. هم به صورت موج و هم به عنوان ذره رفتار می کند، مفهومی که به عنوان دوگانگی موج-ذره شناخته می شود. به عنوان یک موج، نور با طول موج ( \(\lambda\) ) و فرکانس ( \(f\) ) مشخص می شود که با سرعت نور ( \(c\) ) از طریق معادله \(c = \lambda \cdot f\) رابطه معکوس دارند. \(c = \lambda \cdot f\) . نور به عنوان ذرات از فوتون ها تشکیل شده است که حامل انرژی هستند.
انعکاس فرآیندی است که طی آن نور از یک سطح منعکس می شود. قانون بازتاب بیان می کند که زاویه تابش ( \(\theta_i\) ) برابر با زاویه بازتاب ( \(\theta_r\) است). این را می توان به صورت \(\theta_i = \theta_r\) بیان کرد.
انکسار عبارت است از خمش نور هنگام عبور نور از یک محیط به محیط دیگر با ضریب شکست متفاوت. قانون اسنل این پدیده را توصیف می کند و با \(n_1 \sin(\theta_1) = n_2 \sin(\theta_2)\) داده می شود، که در آن \(n_1\) و \(n_2\) ضریب شکست رسانه و \(\theta_1\) و \(\theta_2\) به ترتیب زوایای فرود و شکست هستند.
عدسی ها و آینه ها ابزارهای نوری هستند که نور را از طریق بازتاب و انکسار دستکاری می کنند و تصاویر را تشکیل می دهند. لنزها اشیای شفاف با سطوح منحنی هستند که نور را می شکنند. بسته به شکل آنها، آنها می توانند نور را همگرا (تمرکز پرتوهای نور) یا واگرا (گسترش پرتوهای نور) نور ایجاد کنند. فاصله کانونی ( \(f\) ) یک لنز معیاری است از شدت همگرایی یا واگرایی نور و با استفاده از فرمول سازنده لنز \(\frac{1}{f} = (n-1)\left(\frac{1}{R_1} - \frac{1}{R_2}\right)\) محاسبه می‌شود. \(\frac{1}{f} = (n-1)\left(\frac{1}{R_1} - \frac{1}{R_2}\right)\) ، که \(n\) ضریب شکست ماده عدسی است و \(R_1\) و \(R_2\) شعاع انحنای سطوح عدسی هستند.
از طرف دیگر آینه ها سطوح بازتابنده هستند. آنها می توانند مسطح (آینه های صفحه) یا منحنی (آینه های کروی) باشند. آینه های منحنی نیز می توانند همگرا (آینه های مقعر) یا واگرا (آینه های محدب) باشند. فاصله کانونی یک آینه کروی با \(f = \frac{R}{2}\) داده می‌شود، جایی که \(R\) شعاع انحنای آینه است.
پراش خمش نور در گوشه های یک مانع یا دیافراگم است. این ماهیت موجی نور را نشان می دهد و زمانی که اندازه مانع یا دیافراگم با طول موج نور قابل مقایسه باشد بیشتر قابل توجه است. الگوی پراش را می توان با استفاده از فرمول \(\sin(\theta) = \frac{m\lambda}{d}\) محاسبه کرد، که در آن \(m\) ترتیب حداکثر است، \(\lambda\) طول موج است و \(d\) عرض شکاف است.
تداخل پدیده‌ای است که در آن دو یا چند موج روی هم قرار می‌گیرند و موجی با دامنه بزرگ‌تر، پایین‌تر یا یکسان تشکیل می‌دهند. تداخل سازنده زمانی اتفاق می‌افتد که امواج در فاز هستند، که منجر به حداکثر دامنه می‌شود، در حالی که تداخل مخرب زمانی رخ می‌دهد که امواج خارج از فاز هستند و به حداقل می‌رسد. الگوی تداخل از دو شکاف را می توان با \(\Delta y = \frac{\lambda L}{d}\) ، جایی که \(\Delta y\) فاصله بین حاشیه های روشن است، \(L\) برابر است. فاصله تا صفحه و \(d\) فاصله بین دو شکاف است.
طیف الکترومغناطیسی همه انواع تابش های الکترومغناطیسی را در بر می گیرد. نور مرئی فقط بخش کوچکی از طیف است و از یک طرف با نور ماوراء بنفش (UV) و از طرف دیگر نور مادون قرمز (IR) احاطه شده است. طیف از پرتوهای گاما با طول موج های بسیار کوتاه تا امواج رادیویی با طول موج های بسیار بلند متغیر است. هر نوع تابش الکترومغناطیسی کاربردهای خود را دارد، از تصویربرداری پزشکی (اشعه ایکس) تا ارتباطات بی سیم (امواج رادیویی).
اپتیک کاربردهای متعددی در زمینه های مختلف دارد. در پزشکی، ابزارهای نوری مانند میکروسکوپ و آندوسکوپ امکان بررسی دقیق بافت ها را فراهم می کنند. در ارتباطات، فیبرهای نوری از اصل بازتاب داخلی کلی برای انتقال اطلاعات به صورت پالس های نور در فواصل طولانی استفاده می کنند. در زندگی روزمره، دوربین‌ها، عینک‌ها و لنزهای تماسی به ما کمک می‌کنند تا تصاویر را ثبت کنیم، دید را اصلاح کنیم و دنیا را واضح‌تر ببینیم.
در نتیجه، حوزه اپتیک نقش مهمی در درک رفتار نور و تعامل آن با ماده دارد. این مفاهیم بنیادی فیزیک را با کاربردهای عملی ادغام می کند و به طور قابل توجهی بر فناوری، علم و زندگی روزمره ما تأثیر می گذارد.
