Ugrás a tartalomhoz

Optika és látórendszerek

Sánta Imre (2012)

EDUTUS Főiskola

1. fejezet - A fény születése

1. fejezet - A fény születése

Az optika története

Az ókori Mezopotámiában már használtak optikai lencsét. Hogy finom vésetek készítésére vagy csillagászati megfigyelésekre használták-e, azt nem tudjuk, de a mai Irak területén az 1800-as években végzett ásatásnál előkerült hegyikristály lencse egyértelmű bizonyíték. Az optikai eszközökről, a fény tulajdonságairól az emberiség első írásos emlékei időszámításunk kezdete előtt 300 körül, Görögországban keletkeztek. Az alexandriai Euklidész a tükrözés geometriáját írta le, és azt, hogy a fény egyenes vonalban terjed. Püthagorasz a látás érzetét a szemből kiinduló letapogató nyalábhoz kapcsolta, de tekintsük át az azóta eltelt évszázadok fontosabb optikai tudományos felfedezéseit és találmányait.[1]

i.e.~300

Euklidész (Alexandria) az „Optika” című művében leírta a fényvisszaverődés törvényét és a fény egyenes vonalú terjedését.

i.e.~ 100

Hérón (Alexandria) a Catoptrica c. munkájában geometriai úton bebizonyította, hogy egy síktükörről visszaverődő fénysugár útja a fényforrás és a megfigyelési pont között a legrövidebb út.

965–1020

Alhazen (Arábia) gömb- és parabolatükröket használt kísérleteihez, és ismerte a szférikus aberráció jelenségét. A lencsék nagyításával és a légkör fénytörésével is tisztában volt. Leírta a camera obscura elvét és a szem működését.

~1267

Grosseteste kísérleteit továbbfejlesztve Roger Bacon (Anglia) megállapította, hogy a fény sebessége véges, és a fény a hanghoz hasonlóan terjed. Magyarázatot adott a szivárvány jelenségére, a konvex lencsék nagyítására és a látás lencsével történő javítására.

~1420

Ulug Bég Szamarkandban obszervatóriumot építtetett.

~1590

Zacharius Jensen (Németalföld) egy konvex és egy konkáv lencséből álló mikroszkópot készített.

1604

Johannes Kepler (Németország) könyvében, az Ad Vitellionem Paralipomena-ban megállapította, hogy a fény intenzitása a távolság négyzetével fordítva arányos. Távcsövet épített, és elméleti magyarázatot adott a működésére, bevezette a fókuszpont fogalmát, és magyarázatot adott a szemlencse szerepére. Leírta a teljes visszaverődés jelenségét.

1608

Hans Lippershey (Hollandia) teleszkópot konstruált gyűjtőlencsés objektív és szórólencsés okulár alkalmazásával.

1609–1610

Galileo Galilei (Olaszország) a Lippershey teleszkóp továbbfejlesztésével épített távcsövet, hogy behatóbban foglalkozhasson az asztronómiával. Felfedezte a Jupiter holdjait, a Vénusz fázisait, és hogy a bolygók a fényüket a Naptól kölcsönzik. Kimérte és kiszámolta a Hold hegyeinek magasságát, és a napfoltok megfigyeléséből következtetett a Nap tengely körüli forgására. Mindezek alapján írta meg híres művét: a Dialogo-t. Ebben cáfolja a geocentrikus világképet, és kiáll a kopernikuszi rendszer mellett. A könyv megjelenését követő perben, az inkvizíció nyomására 1633-ban visszavonta tanítását.

1611

Johannes Kepler (Németország) Dioptrice című művében leírta a kis szögekre érvényes töréstörvényt, a Galilei-távcső és az általa szerkesztett, két gyűjtőlencsét tartalmazó Kepler-távcső elméletét. Felismerte a teljes visszaverődés törvényszerűségét, de a beesési és törési szög közötti összefüggésre nem adott megfelelő magyarázatot.

1621

Willebrord Snell (Snellius) (Leiden) felfedezte a beesési és a törési szög közötti összefüggést, amikor a fény az egyik átlátszó közegből egy másikba megy át.

1647

Bonaventura Cavalieri (Olaszország) meghatározta vékony lencsékre a görbületi sugár és a fókusztávolság közötti összefüggést.

1657

Pierre de Fermat (Franciaország) nevéhez fűződik a „legrövidebb idő elve”, ami kimondja, hogy egy fénysugár egy tetszőleges optikai rendszerben mindig olyan pályát követ, amelyre nézve a kezdő- és végpontok közötti terjedési idő minimális. Ez az elv konzisztens a Snellius–Descartes-féle, a fénytörésre vonatkozó törvénnyel.

1663

James Gregory (Anglia) összetett tükrös távcsövet tervezett, amelynek az objektívje domború helyett ellipszoid alakú, két fókuszponttal rendelkező homorú segédtükörrel van felszerelve. A főtükör fókuszpontja egybeesik a segédtükör első fókuszpontjával, ezért a segédtükör az itt előállított képet áttükrözi a második fókuszpontjába, amely a főtükör közepén levő nyílásban van. Az okulár egyenes állású, oldalhelyes képet állít elő.

1665

Francesco Maria Grimaldi (Olaszország) posztumusz könyvében, a Physico-Mathesis de lumine, coloribus et iride című művében leírta a diffrakció jelenségét. Ha fehér fényt elegendően szűk nyílásra vetített, a túloldalon kilépő fény elhajlott, azaz diffrakció jött létre. Ebből arra következtetett, hogy a fény valamiféle folyadék, ami hullámszerű mozgást végez. Amikor a Nap fényét két egymáshoz közeli tűhegynyi méretű lyukon keresztül vezette be egy camera obscurába, várakozásának ellenére nem tapasztalt interferenciát, mert a Nap, mint fényforrás túlságosan kiterjedt méretű.

1665

Robert Hooke (Anglia) 1665-ben kiadta Micrographia című könyvét, mely több mikroszkópos és távcsöves megfigyelését és néhány eredeti biológiai megfigyelését tartalmazta. Ő alkotta meg a sejt (latinul cellula) fogalmát, mivel a növények sejtjei emlékeztették a szerzetesek celláira. Mikroszkópja igen egyszerű volt, gyűjtőlencsés objektívet és ugyancsak gyűjtőlencsés okulárt tartalmazott. Könyvében leírta a megfigyeléseit a csillámpehely, a szappanbuborék és a vízen szétterülő olajfolt színeinek kialakulásáról, felismerve, hogy a színek a réteg vastagságától függnek, de nem tudta meghatározni az összefüggést az adott szín és a réteg vastagsága között.

1666

Isaac Newton (Anglia) leírta a fehér fény prizmán történő átbocsátásakor bekövetkező színbontás jelenségét.

1668

Isaac Newton a színhibák korrigálására megalkotta az első tükrös távcsövet (reflektort), miután a fénytörés jelenségének vizsgálata során rámutatott arra, hogy a lencsék a prizmához hasonlóan a fehér fényt színeire bontják, azaz a csillagok színes foltok lesznek fehér pontok helyett. Ez az úgynevezett kromatikus aberráció (színhiba) kiküszöbölhető, ha az objektív helyett homorú tükröt használunk.

1669

Erasmus Bartholinus (Dánia) felfedezte a kalcit (izlandi pát) különös tulajdonságát, a kettős törést.

1672

Isaac Newton (1670 és 1672) vizsgálta a fénytörés jelenségét, és rájött, hogy a prizma a fehér fényt a színspektrum különböző színeire tudja bontani, egy másik prizma pedig újra össze tudja állítani fehér fénnyé.

1676

Olaf Rømer (Dánia) a Jupiter-holdak fogyatkozását figyelte meg távcsővel együttállásnál, majd fél évvel később megismételte a mérést. A fél évvel későbbi időpontban a fogyatkozások mintegy negyed órával később következtek be a holdak pályamozgása alapján számított időpontnál. Ennek alapján Rømer ki tudta számítani a fény sebességét. Rømer az eltérésekből 227000 kilométer per másodperc értéket számolt.

1678

Christiaan Huygens (Hollandia) az Academie des Science in Paris közleményében kifejtette a fény hullámtermészetéről szóló elméletét. Ebben a fény terjedését a hang terjedéséhez hasonlóan kezelte, azzal, hogy amíg a hangot továbbító közeg a levegő, a fény hordozója az éter, amely piciny rugalmas részecskékből áll, így mindegyik kiindulópontja egy másodlagos hullámnak. Ennek alapján Huygens meg tudta magyarázni a fény terjedésének ismert tulajdonságait, a kettős törést is beleértve.

1704

Isaac Newton művében, az Optics-ban közzétette elméletét a fény korpuszkuláris természetéről, úgy, hogy a fény részecskéi képesek hullámokat gerjeszteni az éterben.

1727

James Bradley (Anglia) a fény sebességét az aberráció jelenségével már 1% pontossággal határozta meg. A távcső egy csillagról bejövő fénysugárra a föld forgása következtében merőlegesen mozog, így a távcsövet nem pontosan a fénysugár irányába kell beállítani, hanem attól kissé ferdén, amiből a forgás sebességének ismeretében a fénysebesség kiszámítható.

1733

Chester More Hall akromatikus lencserendszert hozott létre különböző törésmutatójú üvegek alkalmazásával.

1801

Thomas Young (Anglia) a fény hullámtermészetét a fényinterferencia bemutatásával igazolta.

1802

William Hyde Wollaston (Anglia) felfedezte, hogy a Nap színképében sötét vonalak találhatók.

1808

Etienne Louis Malus (Franciaország) megfigyelte, hogy a párizsi Luxembourg palota ablakairól egy izlandi pát kristályon keresztül visszaverődő fény a kristály forgatásakor elhalványul, majd felerősödik. A jelenség később a reflexióval létrehozható polarizációt alapozta meg.

1814

Joseph Fraunhofer (Németország) újra felfedezte a Nap spektrumának sötét vonalait, és Wollastonnál nagyobb pontossággal meghatározta a helyzetüket.

1815

David Brewster (Skócia) leírta a fényvisszaverődésen alapuló polarizációt.

1816

Augustin Jean Fresnel (Franciaország) bemutatta a fényelhajlás és interferencia jelenségeinek a fény hullámtermészete alapján történő pontos leírását.

1816–1817

Fresnel és Dominique Francois Arago polarizált fénnyel való kísérletei alapján Thomas Young bebizonyította, hogy a fényhullámok transzverzálisan terjednek, nem pedig longitudinálisan, ahogy korábban azt hitték.

1819

Joseph Fraunhofer (Németország) párhuzamos csavarok köré tekert hajszálvékony huzalból készült optikai rácson végzett diffrakciós vizsgálatait mutatta be.

1821

Augustin Jean Fresnel közzétette a törvényeket, amelyek alapján számolni lehet a visszavert és megtört fény intenzitását és polarizációját.

1823

Joseph Fraunhofer publikálta a fényelhajlás elméletét.

1828

William Nicol (Skócia) feltalálta a két kalcit komponensből álló polarizáló prizmát. (Nicol-prizma).

1834

John Scott Russell (Skócia) megfigyelte a „haladóhullámot”, amit egy vontatott hajó hozott létre a skóciai Union-csatornán, és feljegyezte, hogy a hullám lényeges csillapodás nélkül nagyon nagy távolságot volt képes megtenni. Az ilyen hullámok tanulmányozása, az ebből következtethető analógiák vezettek a szolitonok és az optikai szálak létrehozásához.

1835

George Airy (Anglia) a kör alakú nyíláson létrejött diffrakciós kép számításait végezte el.

1845

Michael Faraday (Anglia) nevéhez fűződik a fény és a mágneses tér közötti kölcsönhatás felismerése. A mágneses térbe helyezett anyagban a térerősséggel párhuzamosan haladó, lineárisan polarizált fény polarizációs síkja elfordul (Faraday-effektus).

1849

Armand Hypolite Louis Fizeau (Franciaország) fénysugarat irányított egy 8,6 kilométerre levő tükörre, és egy fogaskereket helyezett a fény útjába, melyen a fény oda-vissza áthaladt. Ha állt a kerék, akkor a fény ugyanazon a fogközön tért vissza. Növelve a fordulatszámot, a fogközön átmenő fény visszatérve fogra esett, tovább növelve már a következő fogközön tudott áthaladni, vagyis egyenletesen növelve a fordulatszámot a fény felváltva átjutott, illetve nem jutott át. Ha ismerjük a távolságot és a fordulatszámokat, akkor a fény sebessége kiszámítható. 313300 km/s értéket mért.

1850

J. L. Foucault (Franciaország) forgó tükröt használt a fény sebességének a légkörben történő mérésére. 298000 km/s értéket kapott, majd még ugyanebben az évben állóvízben is elvégezte a mérést, és alacsonyabb értéket regisztrált.

1855

David Alter (USA) a hidrogén és más gázok spektrumát írta le.

1860

Robert Wilhelm Bunsen és Gustav Kirchoff alkáli fémek emissziós spektrumát vizsgálták, és a Nap színképében található sötét vonalakhoz hasonló színképet észleltek. További vizsgálatokkal kiderült, hogy ezeknek a fényes vonalaknak a hullámhossza pontosan megegyezik azoknak a fekete vonalaknak a hullámhosszával, amelyeket Fraunhofer a Nap látható spektrumában tanulmányozott. Elkezdték katalogizálni a kémiai elemeket és a hozzájuk tartozó hullámhosszakat, és rájöttek, hogy egy-egy elem mindig ugyanazokat a hullámhosszakat állította elő.

1865

James Clerk Maxwell (Skócia) az elektromos és mágneses terek egyenleteinek vizsgálatakor rájött, hogy az elektromágneses hullám sebessége hibahatáron belül azonos a fény sebességével. Ebből arra a következtetésre jutott, hogy a fény az elektromágneses hullám egy formája.

1869

John Tyndall (Írország) közzétette az aeroszolokon végzett fényszórási kísérleteinek eredményét.

1873

Ernst Abbe (Németország) a mikroszkóp képalkotásának részletes elméletét dolgozta ki.

1879

Thomas Alvin Edison (USA) feltalálta a szénszálas izzólámpát.

1882

Albert Abraham Michelson (USA, Lengyelország) megalkotta a róla elnevezett interferométert.

1887

Albert A. Michelson és Edward W. Morley (USA) nevéhez fűződik a Michelson–Morley-kísérlet, amelynek célja az volt, hogy megmérjék a Földnek az éterhez, illetve az abszolút térhez viszonyított sebességét. A kísérlethez a Michelson által kifejlesztett interferométert használták. Az eredmény cáfolta az éter létezését feltételező hipotézist.

1887

Heinrich Hertz (Németország) felfedezte a fotoelektromos hatást.

1891/92

L. Mach és L. Zehnder egymástól függetlenül publikálták a törésmutató változásának, és így az áramló gázok sűrűségváltozásának vizsgálatára alkalmas eszköz – a később róluk elnevezett Mach–Zehnder-interferométer – leírását.

1899

Marie P. A. C. Fabry és Jean B. G. A. A. Perot (Franciaország) megalkották a róluk elnevezett Fabry–Perot-interferométert, amely két párhuzamos (gyengén áteresztő, erősen visszaverő) tükörből áll. A tükrök között oda-vissza „pattogó” fényben sokszoros interferencia lép fel, egy adott fáziskülönbség többszörösével.

1900

A feketetest-sugárzás problémájának vizsgálata során Planck úgy találta, hogy a sugárzás teljesítményének kísérletileg mért függését a sugárzás frekvenciájától és a test hőmérsékletétől csak úgy lehet értelmezni, hogy feltételezzük: az üreg és az elektromágneses tér közötti energiacsere csak kicsiny, de véges energiaadagok (h.ν nagyságú kvantum) elnyelésével, kibocsátásával mehet végbe. A feketetest-sugárzás spektrumát leíró formulához be kellett vezetnie egy univerzális állandót (h), ez a Planck-állandó.

1905

Albert Einstein (Németország) második tanulmányában vetette fel, hogy a Planck által bevezetett (általa fotonnak nevezett) „fénykvantum” bevezetésével a fényelektromos jelenség megmagyarázható. Ezért kapott később Nobel-díjat.

1916

Albert Einstein megmutatta, hogy az atomok fényelnyelése (abszorpció) és spontán sugárzása (spontán emisszió) mellett létezhet egy harmadik folyamat, a kényszerített kibocsátás (indukált emisszió) is. Ez vezet a MASER és a LASER megalkotásához.

1919

Sir Arthur Eddington (Anglia) Afrika nyugati partjainál Principe szigetén figyelte a napfogyatkozást azzal a céllal, hogy a napkoronghoz közeli csillagok látszólagos helyét meghatározza. Úgy találta, hogy a fény útja a Nap gravitációs terében elgörbül, mint azt az einsteini általános relativitáselmélet megjósolta.

1926

A. A. Michelson (USA) 35 km-es karhosszúságú ún. Michelson-interferométerrel mérte a fény sebességét. A mért érték 299796 km/s volt.

1928

Chandrasekhara Raman (India) a később Raman-szórásnak elnevezett jelenséget fedezte fel. Az anyagon monokromatikus fényt átvezetve egy kisebb és egy nagyobb hullámhosszú szórt fény jelenik meg. A jelenség a fotonok rugalmatlan szóródása az anyag molekuláin. A fény energiát ad át a molekula rezgési módusainak (az „felmelegszik”), vagy – ritkábban – a molekula energiát ad át a fotonnak (az lehűl).

1932

P. Debye és F. W. Sears, valamint R. Lucas és P. Biquard egymástól függetlenül fedezték fel a fény ultrahanghullámok által gerjesztett diffrakcióját.

1941

W. C. Anderson a fénynyalábot Kerr-cellával modulálva, Michelson-interferométerrel végzett fénysebességmérése kapcsán 229776 km/s értéket mért.

1948

Gábor Dénes leírta a hullámfront-rekonstrukció elveit, ami később holográfia néven vált ismerté.

1953

Frits (Frederik) Zernike fizikai Nobel-díjat kap a fáziskontraszt-eljárás és az ez alapján kifejlesztett fáziskontraszt-mikroszkóp megalkotásáért.

1958

Arthur L. Schawlow és Charles H. Townes (USA): Infrared and Optical Masers címmel jelenik meg a cikkük, amelyben a látható tartományra is kiterjeszteni javasolják a „maserek” működési elvét. Később nevezik el az így létrehozható fényforrást lézernek.

1960

Theodore H. Maiman (USA) egy villanócsőből és egy szintetikus rubinkristályból megépítette az első lézert.[2]

1961

Ali Javan, W. R. Bennett és Donald R. Harriott (USA) a Bell Laboratóriumban elkészítették az első gázlézert, amelyben a hélium- és neongázok keveréke volt a gerjeszthető lézeranyag.[3]

1962

Négy kutatócsoport is leírta az indukált emisszió megfigyelését a gallium-arzenid félvezető diódában. [4]

1963

Kumar Patel (USA, India) kifejlesztette az első szén-dioxid-lézert.

1964

William B. Bridges (USA) a Hughes Research Laboratories-ban megépítette az első ionlézert.[5]

1966

Sorokin és J. R. Lankard (USA) megépítették az első festéklézert.

1976

John M. J. Madey (USA) munkatársaival a Stanford Egyetem elektrongyorsítójában bemutatta az első szabad elektronlézert (FEL).

1985

A D. L. Matthews (USA) vezette kutatócsoport a Lawrence Livermore National Laboratory-ban megépítette az első röntgenlézert, amely erősített spontán emisszióval működött, és hullámhossza 20 nm körül volt.

1986

Gerd Binnig (Németország) fizikai Nobel-díjat kapott a pásztázó alagútmikroszkóp feltalálásáért, amivel megalapozta a nanotechnológiát.

1990

A Hubble-űrteleszkópot Föld körüli pályára bocsátották április 25-én.

1990

A Bell Laboratóriumban kifejlesztett optikai szálon 2.5 Gb/s-os jelet továbbítottak 7500 km távolságra, közbenső erősítés nélkül.

1993

A Texas Instruments bemutatta a „DLP Display - Digital Light Processor”-t, egy mikroszkopikus tükrökből álló mátrixot, amely mikroelektronikai technológiával készült.

1997

Fizikai Nobel-díjat kap Steven Chu (USA), Claude Cohen-Tannoudji (Franciaország) és William Daniel Phillips (USA) az atomok lézerfénnyel történő hűtés és csapdázás módszerének kifejlesztéséért.

2000

Zsoresz Ivanovics Alfjorov (Жорес Иванович Алфёров, Oroszország) és Herbert Kroemer (Németország) fizikai Nobel-díjat kapott a félvezető heterostruktúrák kifejlesztéséért a nagysebességű- és optoelektronika számára.

2001

I. Hartl, X.D. Li és C. Chudoba bemutatják az ultranagy felbontású OCT-t, az optikai koherens tomográfot.[6]

2002

A NASAMars Odyssey űrszondája megkezdi a Mars feltérképezését hőemissziós képalkotó rendszerével.

2002

Taktikai nagy energiájú lézert fejlesztenek ki, mellyel lövedékeket hatástalanítanak.

2005

Roy Glauber (USA) az optikai koherenciával kapcsolatos kvantumelmélet továbbfejlesztéséért, illetve John Hall (USA) és Theodor Hänsch (Németország) a lézer alapú precíziós színképelemzés kifejlesztésében való közreműködésükért fizikai Nobel-díjat kapnak.