òptika (gr. optikē (technē) – regėjimo mokslas), fizikos šaka, nagrinėjanti 10 nm–1 mm ilgių ruožo elektromagnetinių bangų žadinimą, sklidimą, jų sąveiką su medžiagomis, pačių bangų savybes. Optika – plati mokslo šaka, susijusi su kitomis fizikos šakomis, matematika, psichologija, medicina ir kita. Pagal tyrimo metodą optika skirstoma į geometrinę, banginę, Fourier, kvantinę, pagal tyrimo objektą – į atmosferos optiką, netiesinę optiką (nagrinėja įvairius reiškinius, vykstančius dėl intensyvaus šviesos lauko ir terpės sąveikos), šviesolaidžių optiką, nanooptiką ir kita. Geometrinė optika naudojasi geometriniu šviesos spindulių artiniu, jos dėsniai galioja, kai nagrinėjamas šviesos pluoštas, jo kelyje esantys objektai bei sklidimo nuotolis yra daug didesni už šviesos bangos ilgį. Banginė optika grindžiama bangine šviesos prigimtimi, jos matematinis pagrindas – Maxwello lygtys. Nagrinėja optinio spektro elektromagnetinių bangų sklidimą optinėse terpėse, jų sąveiką su medžiaga: šviesos difrakciją, interferenciją, Rayleigh ir Mie sklaidą, koherentiškumą, poliarizaciją ir su ja susijusius reiškiniu – šviesos poliarizacijos plokštumos sukimą, dvejopą šviesos lūžį, dalinį šviesos poliarizavimąsi šviesai atsispindint nuo optiškai tankesnio paviršiaus. Fourier optika grindžiama erdvės ir laiko analogija, harmonine virpesių analize (Fourier analize) ir tiesinių sistemų teorija. Taikoma nagrinėjant įvairius elektromagnetinių bangų sklidimo, optinio informacijos apdorojimo, holografijos, prietaisų skyros klausimus, aprašant difrakcijos reiškinius, kuriant optinius koreliatorius, erdvinius filtrus, hologramas, interferometrus, t. p. optines gaudykles atomo dydžio objektams lokalizuoti (valdyti). Kvantinė optika remiasi šviesos kvantine (daleline) prigimtimi. Išplėtota kvantinė spinduliuotės teorija – kvantinės mechanikos metodais tiriama elektromagnetinės spinduliuotės kvantų (fotonų) spinduliuotė ir sugertis, t. p. koherentinis spinduliavimas, fotonų ir atomų bei molekulių sąveika. Tiriamas kvantinis triukšmas. Per rezonansinės fluorescencijos eksperimentus aptiktas fotonų praretėjimo reiškinys. Kitas svarbus kvantinis reiškinys – kvantinių būsenų sutankėjimas, dėl kurio tam tikromis sąlygomis vykstant įvairiems netiesiniams optiniams reiškiniams pasiekiamas mažesnis triukšmo lygis už kvantinį triukšmą (šis reiškinys gali būti taikomas optiniame ryšyje, optiniuose jutikliuose, interferometrijoje). 21 a. pradžioje plačiai tiriama kvantinė fotonų sietis. Impulso, energijos ar poliarizacijos prasme dviejų susietų fotonų skirtingų būsenų superpozicija interpretuojama kaip būsena, kai kiekvieno jų būsena nėra tiksliai apibrėžta, bet nustačius vieno būseną galima nurodyti, kokios būsenos yra kitas fotonas (taikoma kvantinėje informatikoje, kvantinėje kriptografijoje). Kvantinė optika yra lazerių fizikos teorinis pagrindas; ja remiantis kuriami nauji lazeriai, tobulinami jų optiniai rezonatoriai, tiriami aktyviosios terpės veikimo principai, kaupinimo galimybės ir kita. Tiriamos lazerinio pluošto savybės bei jo sąveika su medžiaga, plėtojamas lazerių taikymas įvairiose mokslo, pramonės, medicinos ir kitose srityse.
Atmosferos optika tiria šviesos sugertį, tampriąją (Rayleigh ir Mie) ir netampriąją (Ramano) sklaidą atmosferoje, aerozolių liuminescenciją, t. p. atmosferos optinius reiškinius: halą, vaivorykštę, švytėjimą, sidabrinius debesis, poliarines pašvaistes, juos analizuojant nustatoma lokali ar globali atmosferos sudėtis (ledo kristalų debesyse dydis ir forma, vandens lašų dydis, aerozolių kiekis atmosferoje) ir kita. Šviesolaidžių optika (atsirado ir pradėjo sparčiai plėtotis sukūrus lazerį) nagrinėja šviesos sklidimą optinėse skaidulose, informacijos perdavimą optinio ryšio sistemose, šviesolaidžių kūrimo ir taikymo technologines problemas; siekiama sukurti kuo mažesnius nuostolius ir didesnį pralaidumą turinčias informacijos perdavimo sistemas. Nanooptika tiria elektromagnetinio lauko artimąją sąveiką su nanodalelėmis, t. p. fotoninius kristalus, valdančius išsklaidytos šviesos interferenciją. Kuria būdus šviesos energijai sutelkti plazmonų (atsiranda dėl stiprios šviesos sąveikos su laisvaisiais elektronais; plazmonika) pavidalu metalo paviršiuje, tobulina didelio lūžio rodiklio silicio strypelių bangolaidžių technologiją, spalvinių centrų lazerius (jų aktyvioji medžiaga yra kristalas, kuriame sukuriami spalviniai centrai – laisvieji arba surištieji eksitonai). Remiantis nanooptikos tyrimų rezultatais sukurtas artimojo lauko optinis mikroskopas, žvalgomasis tunelinis mikroskopas. Elektrooptika ir magnetooptika tiria elektrinio ir magnetinio lauko poveikį optiniams reiškiniams. Regėjimo organus ir regėjimo mechanizmą nagrinėja fiziologinė optika. Optiniai reiškiniai, metodai ir prietaisai (spektrometrai, interferometrai, mikroskopai, teleskopai ir kiti) plačiai taikomi įvairiose mokslo ir technikos srityse bei kitur. Remiantis netiesiniais optiniais reiškiniais sukurta naujų mokslinių prietaisų (regeneracinis lazerinis stiprintuvas su Kerro lęšio modų sinchronizacija, parametrinis Ramano lazeris, optinis parametrinis stiprintuvas), tyrimo metodų (pvz., netiesinė Ramano spektroskopija). Sukurta įvairios galios, įvairaus bangos ilgio (nuo artimojo ultravioleto iki vidurinės infraraudonosios srities bangų) bei aktyviųjų medžiagų (dujiniai, kietojo kūno, puslaidininkiniai, šviesolaidiniai, cheminiai) lazeriai, šviesolaidiniai spektroskopai, stiprintuvai, t. p. šviesolaidiniai temperatūros, slėgio, garso, skysčio lygio jutikliai.
Istorija
Žinių apie šviesos reiškinius ir jų aiškinimą pateikta graikų filosofų raštuose. 6 a. pr. Kr. Pitagoras teigė, kad kūnai spinduliuoja daleles, todėl yra matomi. 4 a. pr. Kr. Aristotelis tvirtino, kad regėjimas (šviesos jutimas) yra substancijos, esančios tarp akies ir regimojo daikto, judėjimo rezultatas. Tame pačiame amžiuje Platono mokykla suformulavo 2 pagrindinius geometrinės optikos dėsnius – šviesos tiesaus sklidimo ir jos kritimo bei atspindžio kampų lygybės. Šiuos dėsnius 3 a. pr. Kr. aprašė Euklidas. Šviesos lūžio dėsnį apie 130 m. bandė nusakyti Klaudijas Ptolemajas. Optika domėjosi R. Baconas. Pirmieji optikos moksliniai tyrimai, sudarantys šiuolaikinio optikos mokslo pagrindą, pradėti 17 amžiuje. J. Kepleris tyrė optinių atvaizdų sudarymą, G. Galilei 1609 sukonstravo teleskopą. Šviesos lūžio dėsnius apie 1620 galutinai suformulavo Willebrordas Snellius (Nyderlandai), R. Descartes’as 1637 pateikė juos savo veikale Dioptrika (Dioptrique), jis t. p. paaiškino fizikinę regėjimo prigimtį. Banginė optikos pradėjo formuotis Francesco Maria Grimaldi 1665 atradus šviesos difrakciją, o 1669 Erasmui Bartholinui (Danija) – dvejopą šviesos lūžį. R. Hooke’as bandė paaiškinti interferencijos reiškinius savo knygoje Mikrografija (Micrographia 1665), Ch. Huygensas 1678 išplėtojo banginę šviesos teoriją, ja paaiškino šviesos atspindį, lūžį, dvejopą šviesos lūžį, atrado poliarizaciją. Visus to meto optinius tyrimus apibendrino ir papildė I. Newtonas savo 1704 išleistame veikale Optika (Optics). I. Newtonas atrado šviesos reiškinių periodiškumą, šviesą laikė dalelių, veikiančių šviesos eterį ir sukeliančių jame virpesius, srautu. Dėl didelio jo mokslinio autoriteto iki 19 a. vyravo korpuskulinė (dalelinė) šviesos teorija. Vėlesni reikšmingi optikos tyrimai buvo atlikti tik 19 a. pradžioje: Th. Youngas ir A. J. Fresnelis atskleidė šviesos banginę prigimtį, tyrė šviesos interferenciją bei poliarizuotos šviesos savybes, 1845 M. Faraday nustatė, kad šviesa yra elektromagnetinės bangos, atrado, kad paveikus medžiagą magnetiniu lauku galima keisti šviesos poliarizaciją. Klasikinę optiką papildė J. C. Maxwello elektromagnetinio lauko teorija, sukurta 1860–65. Remdamasis J. C. Maxwello darbais, H. A. Lorentzas paaiškino dalį magnetooptinių reiškinių (pvz., Zeemano efektą). 20 a. optikos vystymąsi lėmė kvantinės teorijos ir reliatyvumo teorijos atsiradimas. M. Planckas ir A. Einsteinas iškėlė hipotezę, kad šviesa sudaryta iš dalelių – kvantų, vadinamų fotonais. Jie su N. Bohru, L. V. de Broglie, W. K. Heisenbergu, P. A. M. Diracu, E. Schrödingeriu ir kitais kvantinės teorijos kūrėjais paaiškino atomų ir molekulių energijos lygmenis, medžiagų skleidžiamos spinduliuotės spektrus, šviesos kvantinę prigimtį. 1927 P. A. M. Diracas suformulavo kvantinę spinduliuotės teoriją, siejančią dalelinę ir banginę šviesos prigimtį. Tikrasis susidomėjimas kvantine šviesos prigimtimi prasidėjo 1963, kai R. J. Glauberis išplėtojo kvantinę optinio koherentiškumo teoriją. Vienas šios teorijos numatytų efektų yra laiko tarpsnių tarp užfiksuotų fotonų praretėjimas, kurį 1977 eksperimentiškai aptiko H. Jeffas Kimble’is (Jungtinės Amerikos Valstijos). Vienas svarbiausių 20 a. optikos plėtros nulemtų išradimų yra lazeris, sukurtas 1960 metais. Jo sukūrimas lėmė netiesinės optikos, holografijos ir interferometrijos plėtrą, naujų mokslo, elektronikos ir technologijos šakų atsiradimą. Kvantinės optikos plėtra atskleidė naujas optinių reiškinių taikymo galimybes.