Optika je grana fizike koja proučava svjetlost i njezine interakcije s materijom. Obuhvaća ponašanje i svojstva svjetla, uključujući njegove interakcije s materijalima i konstrukciju instrumenata koji ga koriste ili detektiraju. Optika je temelj mnogih područja kao što su astronomija, inženjerstvo, fotografija i znanost o vidu.
Svjetlost je oblik elektromagnetskog zračenja koji je vidljiv ljudskom oku. Ponaša se i kao val i kao čestica, koncept poznat kao dualnost val-čestica. Kao val, svjetlost je karakterizirana svojom valnom duljinom ( \(\lambda\) ) i frekvencijom ( \(f\) ), koje su obrnuto proporcionalne brzini svjetlosti ( \(c\) ) kroz jednadžbu \(c = \lambda \cdot f\) . Kao čestice, svjetlost se sastoji od fotona koji prenose energiju.
Refleksija je proces kojim se svjetlost odbija od površine. Zakon refleksije kaže da je upadni kut ( \(\theta_i\) ) jednak kutu refleksije ( \(\theta_r\) ). To se može izraziti kao \(\theta_i = \theta_r\) .
Refrakcija je savijanje svjetlosti pri prelasku iz jednog medija u drugi s različitim indeksom loma. Snellov zakon opisuje ovaj fenomen i dan je izrazom \(n_1 \sin(\theta_1) = n_2 \sin(\theta_2)\) , gdje su \(n_1\) i \(n_2\) indeksi loma medija i \(\theta_1\) i \(\theta_2\) su kutovi upada odnosno loma.
Leće i zrcala su optički uređaji koji manipuliraju svjetlom refleksijom i lomom kako bi oblikovali slike. Leće su prozirni objekti zakrivljenih površina koji lome svjetlost. Ovisno o svom obliku, mogu konvergirati (fokusirati svjetlosne zrake) ili divergirati (širiti svjetlosne zrake) svjetlost. Žarišna duljina ( \(f\) ) leće je mjera koliko jako konvergira ili divergira svjetlost i izračunava se pomoću formule proizvođača leće \(\frac{1}{f} = (n-1)\left(\frac{1}{R_1} - \frac{1}{R_2}\right)\) , gdje je \(n\) indeks loma materijala leće, a \(R_1\) i \(R_2\) su polumjeri zakrivljenosti površina leće.
Ogledala su, s druge strane, reflektirajuće površine. Mogu biti ravna (ravna zrcala), ili zakrivljena (sferna zrcala). Zakrivljena zrcala također mogu biti konvergentna (konkavna zrcala) ili divergentna (konveksna zrcala). Žarišna duljina sfernog zrcala dana je izrazom \(f = \frac{R}{2}\) , gdje je \(R\) polumjer zakrivljenosti zrcala.
Difrakcija je savijanje svjetlosti oko uglova prepreke ili otvora. On pokazuje valnu prirodu svjetlosti i najuočljiviji je kada je veličina prepreke ili otvora blende usporediva s valnom duljinom svjetlosti. Difrakcijski uzorak može se izračunati pomoću formule \(\sin(\theta) = \frac{m\lambda}{d}\) , gdje je \(m\) red maksimuma, \(\lambda\) je valna duljina, a \(d\) je širina proreza.
Interferencija je pojava gdje se dva ili više valova superponiraju kako bi formirali rezultantni val veće, niže ili iste amplitude. Konstruktivna interferencija se događa kada su valovi u fazi, što dovodi do maksimuma amplitude, dok destruktivna interferencija nastaje kada su valovi izvan faze, što dovodi do minimuma. Uzorak interferencije iz dva proreza može se opisati s \(\Delta y = \frac{\lambda L}{d}\) , gdje je \(\Delta y\) udaljenost između svijetlih rubova, \(L\) je udaljenost do ekrana, a \(d\) je udaljenost između dva proreza.
Elektromagnetski spektar obuhvaća sve vrste elektromagnetskog zračenja. Vidljivo svjetlo samo je mali dio spektra i okruženo je ultraljubičastim (UV) svjetlom s jedne strane i infracrvenim (IR) svjetlom s druge strane. Spektar se proteže od gama zraka, s vrlo kratkim valnim duljinama, do radio valova, s vrlo dugim valnim duljinama. Svaka vrsta elektromagnetskog zračenja ima svoje namjene, od medicinskog snimanja (rendgenske zrake) do bežične komunikacije (radiovalovi).
Optika ima brojne primjene u raznim područjima. U medicini optički instrumenti poput mikroskopa i endoskopa omogućuju detaljan pregled tkiva. U komunikaciji, optička vlakna koriste načelo potpune unutarnje refleksije za prijenos informacija u obliku svjetlosnih impulsa na velike udaljenosti. U svakodnevnom životu fotoaparati, naočale i kontaktne leće pomažu nam u snimanju slika, ispravljanju vida i jasnijem viđenju svijeta.
Zaključno, područje optike igra ključnu ulogu u razumijevanju ponašanja svjetlosti i njezine interakcije s materijom. Spaja temeljne koncepte fizike s praktičnim primjenama, značajno utječući na tehnologiju, znanost i naš svakodnevni život.
