Quang học là một nhánh của vật lý nghiên cứu ánh sáng và sự tương tác của nó với vật chất. Nó bao gồm hành vi và tính chất của ánh sáng, bao gồm cả sự tương tác của nó với vật liệu và việc chế tạo các thiết bị sử dụng hoặc phát hiện ra nó. Quang học là nền tảng cho nhiều lĩnh vực như thiên văn học, kỹ thuật, nhiếp ảnh và khoa học thị giác.
Ánh sáng là một dạng bức xạ điện từ mà mắt người có thể nhìn thấy được. Nó hành xử vừa như sóng vừa như hạt, một khái niệm được gọi là lưỡng tính sóng-hạt. Là một sóng, ánh sáng được đặc trưng bởi bước sóng ( \(\lambda\) ) và tần số ( \(f\) ), chúng tỷ lệ nghịch với tốc độ ánh sáng ( \(c\) ) thông qua phương trình \(c = \lambda \cdot f\) . Là hạt, ánh sáng được tạo thành từ các photon, mang năng lượng.
Phản xạ là quá trình ánh sáng bật ra khỏi bề mặt. Định luật phản xạ phát biểu rằng góc tới ( \(\theta_i\) ) bằng góc phản xạ ( \(\theta_r\) ). Điều này có thể được biểu thị dưới dạng \(\theta_i = \theta_r\) .
Khúc xạ là hiện tượng ánh sáng bị bẻ cong khi truyền từ môi trường này sang môi trường khác có chiết suất khác nhau. Định luật Snell mô tả hiện tượng này và được đưa ra bởi \(n_1 \sin(\theta_1) = n_2 \sin(\theta_2)\) , trong đó \(n_1\) và \(n_2\) là chiết suất của môi trường và \(\theta_1\) và \(\theta_2\) lần lượt là các góc tới và khúc xạ.
Thấu kính và gương là những thiết bị quang học điều khiển ánh sáng thông qua sự phản xạ và khúc xạ để tạo thành hình ảnh. Thấu kính là vật trong suốt có bề mặt cong khúc xạ ánh sáng. Tùy thuộc vào hình dạng của chúng, chúng có thể hội tụ (tập trung các tia sáng) hoặc phân kỳ (tán tia sáng). Tiêu cự ( \(f\) ) của thấu kính là thước đo mức độ hội tụ hoặc phân kỳ ánh sáng của nó và được tính bằng công thức của nhà sản xuất thấu kính \(\frac{1}{f} = (n-1)\left(\frac{1}{R_1} - \frac{1}{R_2}\right)\) , trong đó \(n\) là chiết suất của vật liệu thấu kính và \(R_1\) và \(R_2\) là bán kính cong của các bề mặt thấu kính.
Mặt khác, gương là bề mặt phản chiếu. Chúng có thể phẳng (gương phẳng) hoặc cong (gương cầu). Gương cong cũng có thể là gương hội tụ (gương lõm) hoặc phân kỳ (gương lồi). Tiêu cự của gương cầu được cho bởi \(f = \frac{R}{2}\) , trong đó \(R\) là bán kính cong của gương.
Nhiễu xạ là sự bẻ cong ánh sáng xung quanh các góc của chướng ngại vật hoặc khẩu độ. Nó thể hiện tính chất sóng của ánh sáng và đáng chú ý nhất khi kích thước của vật cản hoặc khẩu độ tương đương với bước sóng ánh sáng. Mẫu nhiễu xạ có thể được tính bằng công thức \(\sin(\theta) = \frac{m\lambda}{d}\) , trong đó \(m\) là bậc tối đa, \(\lambda\) là bước sóng và \(d\) là chiều rộng khe.
Giao thoa là hiện tượng trong đó hai hoặc nhiều sóng chồng lên nhau tạo thành một sóng tổng hợp có biên độ lớn hơn, thấp hơn hoặc cùng biên độ. Giao thoa tăng cường xảy ra khi sóng cùng pha, dẫn đến biên độ cực đại, trong khi giao thoa triệt tiêu xảy ra khi sóng lệch pha, dẫn đến biên độ tối thiểu. Hình ảnh giao thoa từ hai khe có thể được mô tả bằng \(\Delta y = \frac{\lambda L}{d}\) , trong đó \(\Delta y\) là khoảng cách giữa các vân sáng, \(L\) là khoảng cách đến màn ảnh, và \(d\) là khoảng cách giữa hai khe.
Phổ điện từ bao gồm tất cả các loại bức xạ điện từ. Ánh sáng khả kiến chỉ là một phần nhỏ của quang phổ và được bao quanh bởi một bên là tia cực tím (UV) và một bên là ánh sáng hồng ngoại (IR). Quang phổ trải dài từ tia gamma có bước sóng rất ngắn đến sóng vô tuyến có bước sóng rất dài. Mỗi loại bức xạ điện từ đều có công dụng riêng, từ hình ảnh y tế (tia X) đến liên lạc không dây (sóng vô tuyến).
Quang học có nhiều ứng dụng trên nhiều lĩnh vực khác nhau. Trong y học, các dụng cụ quang học như kính hiển vi và máy nội soi cho phép kiểm tra chi tiết các mô. Trong truyền thông, sợi quang sử dụng nguyên lý phản xạ nội toàn phần để truyền thông tin dưới dạng xung ánh sáng trên khoảng cách xa. Trong cuộc sống hàng ngày, máy ảnh, kính cận, kính áp tròng giúp chúng ta ghi lại hình ảnh, điều chỉnh thị lực và nhìn thế giới rõ ràng hơn.
Tóm lại, lĩnh vực quang học đóng một vai trò quan trọng trong việc tìm hiểu hành vi của ánh sáng và sự tương tác của nó với vật chất. Nó kết hợp các khái niệm vật lý cơ bản với các ứng dụng thực tế, tác động đáng kể đến công nghệ, khoa học và cuộc sống hàng ngày của chúng ta.
