Lyset fra en stjerne er med stor tilnærmelse plane bølger. Når de plane bølgefronter passerer gennem atmosfæren, bliver de imidlertid forvrænget pga. uro i luften, hvorved billedet bliver uskarpt. Denne uskarphed kan reduceres kraftigt med adaptiv optik. Et astronomisk teleskop samler først et bredt lysbundt til et smallere, som ved en samlelinse gøres parallelt. Lyset passerer derefter to spejle, hvoraf det første har en overflade, hvis form kan justeres ved påtrykning af elektriske spændinger. En del af lyset sendes vha. en stråledeler til en bølgefrontsensor, som ved interferometri måler bølgefrontens afvigelse fra planhed. Afvigelserne omsættes løbende til et elektrisk signal (blå streger), der justerer overfladen på det første spejl, således at der netop bliver kompenseret for afvigelserne, og bølgefronten igen bliver plan. Stjernebilledet optages med et kamera og kan vises på en skærm. De indsatte fotografier viser en dobbeltstjerne dels uden (ubehandlet billede), dels med adaptiv optik (behandlet billede).

.

Optik er læren om lysets natur og anvendelser. Lys er elektromagnetiske bølger, der følger Maxwell-ligningerne for elektriske og magnetiske felter. Lysets kvantisering i fotoner og dets vekselvirkning med stof beskrives ved kvanteelektrodynamikken. Ofte kan man imidlertid se bort fra en række af lysets aspekter og benytte en forenklet beskrivelse.

Faktaboks

Etymologi

Ordet kommer af græsk optike (techne) 'optisk (videnskab)', hvor første led er afledt af opsis 'syn'. Ordets rod er historisk beslægtet med dansk øje.

Geometrisk optik

I den geometriske optik opfattes lys som stråler, der bevæger sig i rette linjer. De grundlæggende lovmæssigheder er spejlloven, der beskriver, hvorledes stråleretningen ændres ved spejling i en flade, og brydningsloven (Snells lov), der udtrykker retningsændringen, når strålen passerer fra et medium til et andet. Anvendelsen af disse love er grundlaget for fremstilling af spejle og linser, der indgår i en lang række optiske instrumenter som brille, kikkert, mikroskop og kamera. Betegnelsen optik benyttes ofte som synonym for disse instrumenters linsesystemer.

I adaptiv optik forsynes et tyndt spejl med et antal elektromekaniske aktuatorer, der gør det muligt at ændre spejlets form med elektriske signaler. Det benyttes fx i forbindelse med astronomiske kikkerter til at kompensere for atmosfærens forvrængninger.

I den geometriske optik kommer lysets bølgekarakter først til udtryk, når man går til grænsen for instrumenternes ydeevne, idet lysets bølgelængde sætter en principiel grænse for opløsningsevnen. Et instrument, der støder ind i denne grænse, kaldes diffraktionsbegrænset.

Bølgeoptik

Forudsætningen for, at den geometriske optik kan give en gyldig beskrivelse af lys, er, at alle indgående dimensioner er meget større end lysets bølgelængde (ca. 0,0005 mm). Når denne forudsætning ikke er opfyldt, udtrykker lyset sig som bølgefænomen gennem effekter som interferens og diffraktion.

En bølge er karakteriseret ved bølgelængde, amplitude og fase, og mens bølgelængde og amplitude i den geometriske optik relaterer til hhv. lysets farve og lysstrålens energi, tilfører fasen et kvalitativt nyt aspekt. Begrebet interferens, der beskriver to lysbølgers evne til at virke sammen eller til at udslukke hinanden afhængigt af, om de er i fase eller i modfase, er grundlaget for den optiske analyseteknik interferometri. Diffraktion, der kan opfattes som samtidig interferens af et stort antal bølger, udnyttes i diffraktiv optik til fremstilling af mønstre, der har samme virkning på lysstråler som linser og andre optiske komponenter. Diffraktion er også basis for lysets anvendelse til holografi.

I Fourieroptik analyseres lysets rumlige intensitetsfordeling ved hjælp af Fourieranalyse, en teknik, der især anvendes i forbindelse med optisk billedbehandling. En rendyrket anvendelse af lysets bølgenatur findes i visse typer af lysledere.

Fysisk optik

Med Maxwells arbejder i 1860'erne blev det klart, at lys er elektromagnetiske bølger, og brydningsforholdet, der tidligere gav en rent fænomenologisk beskrivelse af lysets vekselvirkning med stof, kunne nu forstås som et mål for stoffets bremsende virkning på lysets udbredelse.

Krystaloptikken, der behandler lysets udbredelse i anisotrope medier og giver anledning til effekter som dobbeltbrydning, kunne fortolkes med udgangspunkt i lysets polarisation, og det blev forståeligt, hvorfor statiske elektriske og magnetiske felter gennem elektrooptiske (se elektrooptik) og magnetooptiske effekter (se magneto-optik) kunne påvirke lysets udbredelse.

Den vigtigste konsekvens af Maxwells indsigt knytter sig dog til spektroskopien, der beskæftiger sig med, hvorledes vekselvirkningen mellem stof og lys afhænger af bølgelængden. Atomernes optiske spektre var et af udgangspunkterne for Niels Bohrs atommodel og dermed afgørende for udviklingen af kvantefysikken.

Den klassiske beskrivelse af lys som et kontinuert bølgefelt afløses i kvantefysikken af et dualistisk billede, hvor lyset gennem fotonbegrebet får tillagt et partikelaspekt. Umiddelbart har kvantefysikken imidlertid langt mindre vidtgående konsekvenser for lys end for stof. Elektroner og protoner følger Fermi-Dirac-statistikken, der forbyder mere end én partikel i en given kvantetilstand; det er baggrunden for opbygningen af grundstoffernes periodiske system. I modsætning hertil følger fotoner Bose-Einstein-statistikken, hvor der ikke er nogen begrænsning på antallet af partikler i en bestemt tilstand. Det betyder, at det klassiske elektromagnetiske felt også inden for kvantefysikken forbliver en dækkende beskrivelse af lyset, så længe det gennemsnitlige antal fotoner i en given kvantetilstand er stort. Først ved meget svage lyssignaler giver lysets kvantisering sig til kende, og detektionsgrænsen for de følsomste optiske detektorer bestemmes af den såkaldte haglstøj, der skyldes, at de enkelte fotoner ankommer til detektoren på tilfældige tidspunkter.

Kvanteoptik

Selvom lyset i sig selv beskrives som et klassisk felt, indføres betegnelsen kvanteoptik om de optiske fænomener, der forudsætter en kvantefysisk beskrivelse af lysets vekselvirkning med stof. Med udviklingen af faststoffysikken omkring midten af 1900-tallet blev det muligt at forstå forskellige materialers optiske egenskaber på det mikroskopiske niveau, en forståelse, der for halvledere har ført til udvikling af optoelektroniske komponenter som bl.a. lysemitterende dioder og CCD-detektorer. I integreret optik opbygges lyskilde, optiske bølgeledere, detektor og elektronisk forstærker på det samme halvledersubstrat.

I laseren bringes et stort antal lysgivende atomer til at udsende deres stråling i takt, hvilket resulterer i en lyskilde, hvor alle fotoner er i samme kvantetilstand. Laseren, som i sig selv er et produkt af kvanteoptikken, udsender lys med høj intensitet og med en meget veldefineret frekvens. Når denne stråling vekselvirker med stof, opstår optisk ulineære effekter, der udnyttes til frekvensfordobling, frekvensblanding og andre effekter, der har analogier i elektroniske kredsløb. Dette aspekt udtrykkes ofte gennem betegnelsen kvanteelektronik.

Selvom optikken er født som læren om synligt lys, benyttes den optiske terminologi nu over hele det elektromagnetiske spektrum fra mikrobølgeoptik til røntgenoptik. Den anvendes ligeledes i forbindelse med det bølgeaspekt, der ifølge kvantefysikken må tilskrives materielle partikler og har ført til udvikling af bl.a. neutrondiffraktion, elektronmikroskopi og atominterferometri.

Læs mere i Den Store Danske

  • lys (fysisk begreb)

Kommentarer

Kommentarer til artiklen bliver synlige for alle. Undlad at skrive følsomme oplysninger, for eksempel sundhedsoplysninger. Fagansvarlig eller redaktør svarer, når de kan.

Du skal være logget ind for at kommentere.

eller registrer dig