Светлост, као појава која чини саму оптичку слику, је основни предмет оптике као науке. Својства светлости одређују особине њеног кретања и начин на који се њена енергија сакупља у оптичкој слици. Такође, познавање својстава светлости неопходно је за смишљање и израду оптичких склопова за посебне сврхе, као што су они за проучавање узорака светлости, тестирање, и друге.
Светлост као појава је пре свега предмет физичке или таласне оптике, како у општем оквиру електромагнетног поља, тако и у ужем оквиру везаном за рад оптичких склопова.
Особине светлости битне за стварање слике, или за проучавање својстава узорка светлости у оптичким инструментима су:
одбијање (рефлексија) преламање (рефракција) разилажење (дисперзија) пренос (трансмисија) таласни састав фазна уједначеност (кохерентност) поларизација укрштање (интерференција) одвајање (дифракција)
У начелу, прва четири својства проистичу из међудејства светлости и материјала, док су осталих пет одлике самог светлосног таласа.
Пошто је сврха оптичке слике често њено посматрање путем чула вида, предмет оптике је такође и дејство светлости на људско око. Такође, светлост којом око ствара оптичку слику је услов мождане слике, као коначног производа чула вида.
Историја
Много пре него што је оптика постала наука, људи су покушавали да одгонетну шта је светлост, и на који начин је повезана са оним што видимо. У трећем веку пре нове ере, грчки математичар Еуклид Александријски је дошао до идеје зрака: сматрао је да је светлост сачињена од зрака које око производи и усмерава на предмете, од којих се они одбијају и враћају у око, стварајући у њему слику предмета. Почетком 11-ог века, арапски математичар, астроном и физичар Ал-Хајтам (Абу Али Хасан Ибн ал-Хајтам, или ал-Хајсам, такође познат под латиничним именом Alhazen), често зван први научник модерног доба, установљава да светлост настаје ван ока. Он поставља основе оптике као науке установљавајући у процесу прве научне појмове и својства светлости као оптичке појаве: појам оптичког зрака, промену брзине кретања у различитим срединама, одбијање и преламање, најранији облик Фермаовог принципа (Pierre de Fermat, 1607-1665), и друге.
У 17-ом веку (1638) Галилеј први покушава да измери брзину простирања светлости, неуспешно. Декарт, као и већина научника тог доба, веровао је да се светлост простире тренутно, тј. да је брзина светлости безгранична. У 1676-ој, дански астроном Ремер (Ole Rømer, 1644–1710) посматрањем Јупитерових месеца са Земљине највеће и најмање удаљености, процењује да је брзина светлости око 220.000 километара у секунди, што је исправљено на близу тачне вредности Брадлијевим (James Bradley, 1693-1762) открићем астрономске аберације.
О самој природи светлости се, крајем 17. и почетком 18. века јављају две теорије: једна која сматра да је она честичне природе, чији је најпознатији поборник Ајзак Њутн, и друга, чији је најпознатији заступник био Кристијан Хајгенс, која сматра да је светлост таласне природе. Јангово (Тhomas Young, 1773 – 1829) откриће укрштања светлости (интерференције, ) у 1801-ој, праћено открићем поларизације светлости од стране Малуса (Étienne-Louis Malus, 1775 –1812) у 1809-тој, Френеловом математичком обрадом одвајања (дифракције) светлости и, најзад, Максвелова теорија електромагнетног таласа 1865-те, поставили су чврсте темеље схватању да је светлост таласне природе. Међутим, таласном природом светлости није се могао објаснити фотоелектрични ефекат који је открио Херц 1885-те. Објашњење је, полазећи од Планкове претпоставке да светлост може да се понаша као да је састављена од честица (фотона), 1905-те дао Ајнштајн. Од тада је прихваћено да је природа светлости двострука: таласна и честична.
У оптици, и посебно у физичкој оптици, светлост се у начелу посматра као електромагнетни талас. Сагласно томе, примењује се општа теорија електромагнетног поља, на којој се заснива теорија одвајања (дифракције) светлости, сама по себи разрада општег принципа преклапања (енг. superposition principle) светлости. Уобичајен рачунски начин који се примењује у оквиру теорија дифракције светлости је Фуријеов поступак, по чему се ова област оптике назива Фуријеова оптика.
Светлост: општи оквир
thumb|Видљива светлост као део спектра целокупног електромагнетног зрачења. Светлост се дефинише као део лепезе електромагнетног зрачења видљив оком. Пошто се граница видљивости мења од једне до друге особе, а такође битно зависи и од других чинилаца, као што су јачина светлости, или стање осетљивости ока, границе распона видљивости електромагнетног зрачења су само приближне. Често се наводи да је овај распон од око 0.00037мм до око 0.00073мм таласне дужине, где људско око најкраће таласне дужине види као љубичасту, а најдуже као црвену светлост. Слика десно приказује место светлости у пуном распону електромагнетног зрачења, и њену основну поделу на боје.
Као електромагнетно зрачење, светлост је таласне природе, што значи да су њена основна физичка својства - кретање, дифракција, расипање и међудејство у општем смислу - дефинисана Максвеловим једначинама електромагнетног поља.
Дводимензионални талас
Таласно кретање је представљено општим обликом диференцијалне једначине попречног таласа (енг. transverse wave) за једну просторну променљиву:
........ (1)
која је основа за општи израз којим се обично описује дводимензионални талас у произвољном делу простора/времена:
thumb|Таласна функција ........ (2)
где је ψ(x,t) таласна функција, са просторном променљивом x и временском променљивом t.
Негативан знак означава позитивно кретање (у основном, Декартовом координатном систему, слева надесно), и обрнуто, јер се талас прати у два координатна система, један непокретан и други који се креће с таласом; овај други представља оквир који одређује како ће се талас појавити у датом делу простора/времена, и према њему се одређује знак промене просторне променљиве x (слика).
Пошто електромагнетни талас, у начелу, има синусоидан облик (слика), представљен је општим изразом:
........ (3)
thumb|Синусоида|левогде A представља распон таласне осцилације (енг. wave amplitude), тј. највеће одступање од средишње, нулте тачке, а k=2π/λ је позитивна непроменљива звана периодни број (енг. propagation number). Просторна дужина пуне осцилације, тј. просторни период је λ, где је пуна осцилација једнака просторном размаку две најближе тачке у истој фази.
Угаона дужина пуне осцилација је 2π радијана, што се представља пуним кругом од 360° (мада се ништа стварно не окреће у круг). Пошто се осцилација понавља после сваке таласне дужине λ, периодни број мора бити k=2π/λ, тј. једна осцилација по таласној дужини.
На сличан начин одређени су и временски (енг. temporal) период υ=λ/c који, са брзином светлости c у секунди, изражава број секунди по таласном периоду, тј. време таласног периода. Обрнута вредност 1/υ=c/λ=ν је учесталост таласа, који представља број осцилација у јединици времена.
Из тог произилази да је брзина светлости c=νλ, тј. дата производом учесталости и таласне дужине.
Угаона таласна учесталост је дата са ω=2π/ν, дакле, за брзину светлости у секунди, дата је у радијанима по секунди.
Фаза таласа - један од кључних појмова таласне физике - је, уопштено говорећи, представљена вредношћу независно променљиве (енг. argument), тј. угла синусне функције. Графички, таласна фаза је представљена тачком на синусоиду који га представља, или углом у кружници која представља пуну осцилацију од 2π радијана.
У облику фазе, независно променљива у једначини (3) се обично изражава у угаоним јединицама, као φ=kx±ωт, где је ω угаона учесталост у јединици времена, с чим је општи израз дводимензионалног синусоида:
........ (4)
Уколико његова почетна фаза није 0, него произвољан угао ε, израз је:
........ (4.1)
Талас представљен горњим изразима је математичка апстракција монохроматског (једнобојног, или, тачније, са једном таласном дужином) синусоидног таласа са сталним периодом од до у времену и простору, какав не постоји у природи.
Тродимензионални талас
Стваран електромагнетни талас постоји у три димензије, који је у Декартовом координатном систему описан диференцијалном једначином:
........ (5)
Два најважнија решења ове једначине су:
(1) за раван покретни талас,
= ........ (6)
у обичном и комплексном (десно) облику, где је просторни вектор који одређује удаљеност равни (тј. равног таласног фронта) од извора, а је вектор кретања, у односу на који је раван нормална, и
(2) за сферни покретни талас,
= ........ (6.1)
где су r и k скаларне величине, а А је непроменљива звана снага извора (енг. source strength). Величина А/r представља распон таласа, чији квадрат даје енергију, тј. јачину таласа, из чега следи да је она обрнуто сразмерна квадрату удаљености таласа од извора.
У првом случају, за било који тренутак у времену t израз описује раван у простору са којом се таласна функција синусоидно мења. У другом случају уместо равни израз описује концентричне сфере. И у једном и у другом случају описана површина садржи тачке таласа у истој фази, дакле, представља таласни фронт.
У оба случаја друга једначина је израз који описује талас као комплексан број.
Комплексна таласна функција
Често су прорачуни везани за таласне појаве једноставнији ако се таласна функција изрази у комплексном облику. Овај облик се заснива на употреби имагинарног броја i=(-1)1/2, који има посебна својства. Слика десно је графички приказ таласне функције за један синусоидан талас на тзв. Аргоновом дијаграму (фран. Argand, Jean-Robert).
thumb|Комплексан талас|252x252п Лево су дате основе приказивања таласног кретања, у овом случају једноставног синусоида, као комплексног броја, у тзв. Аргоновом дијаграму (). У средини су, сликовно и изразима, дате неке од основних рачунских операција с комплексним бројевима. Десно је приказана тродимензионална функција синусоида као комплексна функција, са реалним делом, тј. косинусном функцијом пројектованом на водоравну, и имагинарном, синусном функцијом пројектованом на усправну раван. Испрекиданим линијама означен је синусоид чија је почетна фаза померена за 3π/2.
Физички талас
thumb|Електромагнетни талас|лево|250x250п Тродимензионални израз таласа још увек описује само просторна својства таласног кретања у три димензије. Стварни електромагнетни талас се састоји од електричног и магнетног поља која се у наизменичним осцилацијама крећу кроз простор. Ово поље силе је описано Максвеловим једначинама у општем облику:
........ (7)
где је општа ознака за електромагнетну (ЕМ) силу, која обухвата појединачне векторске величине за електричну јачину поља Еx, Еy и Еz, и за магнетну силу поља Bx, By и Bz - што значи да је талас описан са шест оваквих једначина за сваку од ових променљивих - ε0 је пермитивност (енг. permittivity, електрична пропусност средине или материјала), а μ0 је пермеабилност (енг. permeability, магнетна пропусност) вакуума. Из тога, брзина светлости у вакууму је дата са , на основу чега је Максвел дошао до вредности c~3x10^8 m/s.
Пошто се физички талас састоји од два наизменично осцилујућа поља, електричног и магнетног, она су изражена са:
........ (8),
и
........ (8.1)
Израз за раван ЕМ талас изведен из овог општег облика је:
........ (9)
за електрично, и
........ (9.1)
за магнетно поље. Други израз је у оба случаја у комплексном облику, тј. као реални део комплексне таласне функције (реални део се обично подразумева, и назнака Re се изоставља).
Просторни распоред два поља у односу на правац кретања, као и векторске величине поља и таласног кретања дате су изразом који проистиче из Максвелових једначина:
........ (10)
где су периодни број k и учесталост ω у однvосу k=ω(με)1/2 (тј. производ учесталости и реципрочне вредности брзине кретања светлости). Израз говори да су вектор правца кретања и два поља узајамно нормални, и да су електрично и магнетно поље у фази.
Распон електричног и магнетног поља, дати апсолутном вредношћу, тј. дужином вектора поља, се односе као:
........ (11)