Optika

Schéma mikroskopu

Optika je vědecký obor fyziky zabývající se viditelným světlem, ultrafialovým a infračerveným zářením a jeho šířením v různých prostředích. Studuje tedy elektromagnetické záření o vlnové délce 10 nm – 1 mm (má společné vlastnosti). Zabývá se světelnými jevy, jejich zákonitostmi a ději vzájemného působení světla se světlem (elektromagnetickým zářením) nebo hmotou. Zkoumá i detekci světla.

Dělení optiky

Paprsková optika je někdy též nazývaná geometrická, na světlo pohlíží jako na svazek paprsků, zanedbává jeho vlnovou povahu. Zkoumané jevy: odraz světla, lom světla.

Vlnová optika vychází z vlnové povahy světla jako elektromagnetického záření. Zkoumané jevy: interference, difrakce (ohyb), polarizace

Kvantová optika, též nazývaná fotonová, zkoumá děje, při kterých se projevuje kvantový charakter světla - to se nešíří spojitě, ale jako proud částic s určitou energií = fotonů. Vysvětluje např. fotoelektrický jev a Comptonův rozptyl.

Fotometrie zkoumá světlo a jeho vliv na zrakový orgán, tedy oko.

Pojmy v optice

• Elektromagnetické spektrum - škála zahrnující vlnění všech vlnových délek.
• Disperse světla - rozložení bílého světla na jeho základní barvy, např. optický hranol.
• Absorpce světla - jev, kdy dochází k zeslabování intenzity záření (pohlcení) při šíření se prostorem.
• Optické soustavy
  • Optická mřížka – pravidelný optický prvek, rozptylující světlo do barevného spektra.
  • Zvětšení lupy
  • Mikroskop - přístroj umožňující rozeznat struktury, které nejsou viditelné pouhým okem.
• Oko
• Vady optických soustav - nebo-li optické aberace jsou nesprávná zobrazení optické soustavy (např. oka) z různých důvodů. Důsledkem může být například změna barvy, změna kontrastu či rozostření obrazu. Aberace dělíme na analytické a syntetické.

Zákony optiky

Zákony optiky jsou využívané všude v živote, jako zpětným zdrádli tak i pri návrhu různých optických zařízení, jako jsou lasery a optické senzory.

• Zákon odrazu: Odraz světla je jedním z nejzákladnějších jevů optiky, který je základem všech zrcadel. Úhel odrazu je dle zákona odrazu vždy roven úhlu dopadu.
• Snellův zákon (zákon lomu): Tento zákon popisuje, jak se světlo láme při přechoduu mezi dvěma různými prostředími (např. ze vzduchu do vody). Snellův zákon je základem pro všechny optické soustavy, včetně čoček, brýlí a mikroskopů. V praxi je tento zákon klíčový při navrhování optických přístrojů, které využívají lomu světla pro zaostření obrazu.
• Huygensův princip: Tento princip je užitečný pro pochopení vlnového chování světla. Podle Huygensa se každý bod vlny chová jako zdroj nových vln, což pomáhá vysvětlit jevy jako je difrakce (ohyb světla) a interference.

Optické jevy a jejich aplikace

Interference světla

Interference světla na mýdlových bublinách

Když se dvě nebo více světelných vln setkají a vzájemně se zesílí nebo zeslabí v závislosti na jejich fázi, nastává interference světla. Interference je základem pro mnoho optických zařízení, včetně interferometru. Ten slouží k měření jemných změn v prostředí, jako je změna tlaku nebo teploty. Tento jev je také klíčový pro zpracování světelných vln v různých optických technologiích.

Difrakce světla

Při difrakci se světlo ohýbá kolem překážek nebo prochází úzkými štěrbinami. Tento jev je základem pro konstrukci optických mřížek, které se používají k rozkladu světla na jeho spektrální složky, což má široké uplatnění v spektroskopii a analýze chemických látek.

Polarizave světla

Polarizace světla popisuje orientaci oscilací světelných vln. Polarizované světlo má mnoho praktických aplikací, například v polarizačních brýlích (které blokují oscilace světla v určitém směru, což pomáhá eliminovat odlesky) nebo v televizních a LCD obrazovkách, kde je polarizace klíčová pro vytváření obrazů.

Optické přístroje a metody

Lupa

Lupa je z fyzikálního hlediska spojka s ohniskovou vzdáleností 1-10 cm, vytvářející zdánlivý, zvětšený, přímý obraz.

Optický mikroskop

Optický mikroskop zjednodušeně funguje na základě usměrněného světelného svazku, který prochází soustavou čoček (objektiv) a okulárem umožňujícím pozorování zvětšeného obrazu v rozmezí 0,2 mm až 0,2 μm. Pro menší předměty je potřeba užití elektronového mikroskopu.

Elektronový mikroskop

Elektronový mikroskop je složitější typ mikroskopu, který od sebe může rozlišit až atomy. K tomu je používáno elektromagnetické záření, respektive proud elektronů. Na rozdíl od světelného mikroskopu, který využívá světelné elektromagnetické záření, elektronový mikroskop pracuje s proudem elektronů, jejichž vlnová délka je mnohem kratší než vlnová délka viditelného světla. To umožňuje dosáhnout výrazně vyššího rozlišení. Elektronový mikroskop je rozdělen do dvou hlavních typů: transmisní elektronový mikroskop (TEM), který zobrazuje vnitřní struktury vzorku, a rastrovací elektronový mikroskop (SEM), jenž vytváří obraz povrchových detailů.

Endoskopie

Endoskopie je metoda vyšetření tělních dutin a orgánů, která umožňuje jak "nahlédnutí", tak odběry vzorků tkáně (biopsie). Moderní endoskop je tvořen optickými vlákny, které fungují na principu úplného odrazu.

Fotometrie

Fotometrie využívá jevu absorpce světla. Absorpční fotometrii používáme k určení koncentrace roztoku na základě hodnoty absorbance, tedy míry pohlcení světla různými materiály. Spektrální fotometrie je podobná absorpční fotometrii, rozdílem je však použití monochromatického světla.

Spektrální analýza

Díky odlišné interakci látek s různými vlnovými délkami elektromagnetického záření jsme schopni provést spektrální analýzu. Tak můžeme zjistit například typ chemické látky, koncentraci látky či měření struktury látky. Rozděluje se na emisní (vysílané světlo) a absorpční (pohlcené světlo).

Refraktometrie

Refraktometrie je metoda měření indexu lomu látek, která zkoumá změny směru světla při průchodu látkou a umožňuje určit koncentraci nebo kvalitu roztoku.

Polarimetrie

Polarimetrie nám umožňuje zjistit typ, koncentraci látek či optické vlastnosti materiálu na základě opticky aktivních látek, které stáčejí rovinu polarizovaného světla (v biochemii např. cukry, aminokyseliny).

V oblasti optických přístrojů a metod je možné zmínit také různé techniky, které umožňují pokročilé analýzy materiálů a biologických vzorků. Kromě běžně používaných mikroskopů a endoskopů se významně vyvinula i oblast optických vláken a jejich využití v komunikacích a medicíně. Optická vlákna umožňují přenos světla na velké vzdálenosti, přičemž ztráty signálu jsou minimální. V lékařství je toto využití zásadní pro různé diagnostické a léčebné přístroje, jako jsou optické tomografy, které dokážou vytvářet trojrozměrné obrazy vnitřních orgánů.

Ramanova spektroskopie

Další metodou je Ramanova spektroskopie, která využívá rozptyl světla k získání informací o molekulárních vibracích materiálu. Tento nástroj je cenný při analýze chemických sloučenin a detekci různých látek v biomedicínských aplikacích.

Odkazy

Použitá literatura

• BENEŠ, Jiří a Daniel JIRÁK. Základy lékařské fyziky. 4. vydání. Praha : Karolinum, 2015. ISBN 978-80-246-2645-1.

• REICHL, Jaroslav. Optika a její dělení [online] [online]. [cit. 2024-01-24]. <http://fyzika.jreichl.com/main.article/view/433-optika-a-jeji-deleni>.

• VEJRAŽKA, Martin. Optické metody a jejich využití [online] [online]. [cit. 2024-01-24]. <http://fu.mff.cuni.cz/biomolecules/media/files/courses/Uvod_BCM113.pdf>.