Historie optiky

Názory na světlo se začínají formovat již v dávných dobách, kdy lidé začali používat zrcadel z vyleštěné mědi či bronzu. Velcí řečtí filozofové jako Pythagoras, Demokritos, Platón a Aristoteles již v té době rozvíjeli několik teorií o původu světla. Zákon lomu světelných paprsků (v empirické podobě) byl již znám Eukleidovi (300 let před Kristem). Lomem světla se dále zabýval Ptolemaios (roku 150), jež tabuloval mnoho poměrně přesných měření úhlů dopadu a lomu pro rozličná prostředí. První čočky v podobě "zapalovacích sklíček" jsou v různých souvislostech zmiňovány ve starém Řecku i Římě.

V raném středověku, po pádu západořímské říše, se postupně centrum vzdělanosti přesouvalo do arabského světa. Tak např. kolem roku 1000 se Alhazen zabýval sférickými a parabolickými zrcadly, a také popsal detailně lidské oko. Jeho práce byly postupně překládány do latiny, a tak se dostaly do povědomí jednomu z prvních vědců v našem, moderním smyslu slova, Francisu Baconovi (1215-1294). Zdá se, že to byl právě on, kdo přišel na myšlenku využití čoček pro zlepšení vidění, a také poprvé přemýšlel o možnosti kombinovat čočky za účelem sestavení teleskopu. Po jeho smrti však opět nastala mnohaletá stagnace. Až všeuměl Leonardo da Vinci (1452-1519) přichází s myšlenkou skryté kamery.

V dalším vývoji nám již pomáhají záznamy, jako v případě vynálezce teleskopu, holadského optika Lippersheyho a později Galileiho (1564-1642). První mikroskop byl sestaven Holanďanem Janssenem (1588-1632). Johanes Kepler (1571-1630) se také zabýval teleskopy a objevil jev úplného vnitřního odrazu. V roce 1621 objevuje Leydenský profesor Willebrord Snell zákon lomu, ale až teprve René Descartes (1596-1650) tento zákon zapisuje v dnešní známé podobě pomocí sinů. Pierre de Fermat poté zobecňuje tento zákon na princip nejmenšího času (1657), dnes známý jako Fermatův princip.

Počátky spektroskopie, odvětví optiky zabývající se spektrální analýzou, spadají díky českému badateli a profesoru Karlovy univerzity Janu Markovi Marků z Kronlandu (1595-1671) již do počátku 17 století. Na tehdejší dobu to byl jeden z nejvzdělanějších učenců, zajímal se o matematiku a přírodovědu, získal doktorát filosofie a lékařství. Učinil řadu objevů také např. v mechanice. V optice se poprvé zabýval disperzí světla (vydáno v roce 1648 v Praze), tedy mnoho let před mnohem známějšími experimenty Newtonovými.

Difrakce neboli ohybu světla si poprvé povšiml boloňský profesor Grimaldi (1618-1663), když pozoroval světlé proužky ve stínu tyčinky osvětlené malinkým zdrojem. Interferenční obrazce generované na tenkých vrstvách poprvé pozoroval anglický učenec Hooke (1635-1703). On také přišel s myšlenkou, že světlo je rychlý vibrační ''pohyb'', šířící se vysokou rychlostí, a že každý zdroj takovýchto vibrací generuje kulovou vlnu. Toto byly počátky vlnové teorie světla. Isaac Newton (1642-1727) začal ve věku 23 let provádět své slavné experimenty s disperzí světla na skleněném hranolu. Zjistil tak, podobně jako již před ním Jan Marků, že světlo se skládá z mnoha nezávislých barev, které dohromady skládají barvu bílou. Nejdelší vibrace přitom odpovídají barvě červené, a nejkratší barvě fialové. Newton vycházel z částicové - korpuskulární teorie světla a jeho všeobecná autorita způsobila, že současně se formulující teorie vlnová byla přijímána s menší důvěrou. Tuto vlnovou teorii prosazoval přibližně ve stejné době Christiaan Huygens (1629-1695), který pochopil, že světlo se zpomaluje při vstupu do opticky hustšího prostředí. Pomocí své vlnové teorie také vysvětlil dvojlom vápence. Přitom objevil jev polarizace světla. V této době se předpokládalo, že se světlo šíří okamžitě. Konečnou rychlost šíření světla poprvé určil Dán Romer (1644-1710) z pozorování oběžné dráhy Jupiterova měsíce Io. V následujícím období se velmi rozvíjí geometrická a přístrojová optika: podařilo se vytvořit první achromatickou čočku, tedy čočku nevykazující barevnou optickou vadu (rozdílnou schopnost fokuzace pro jednotlivé barevné složky viditelného světelného spektra), a to v roce 1758 londýnskému optikovi Dollondovi, který spojil dva prvky z různých materiálů: korunového a flintového skla. Tento objev měl obrovský význam pro praktická aplikace. F. W. Herschel, který porovnával tepelná a viditelná spektra elektromagnetického záření, došel kolem roku 1800 k objevu infračervených paprsků (tepelného záření). O rok později se podařilo Ritterovi objevit ultrafialové paprsky (''studené světlo'').

Znovuzrození vlnové teorie přichází s Thomasem Youngem (1773-1829). K vlnové teorii přidává nový jev interference (1801). Za další rozvinutí vlnové teorie se zejména zasoužili: Augustin Jean Fresnel (1788-1827), který důsledně rozvinul a precizoval Huygensovu teorii, dále Joseph von Fraunhofer (1787-1862), Jean-Baptiste Joseph Fourier (1768-1830), posléze pak Gustav Robert Kirchhoff (1824-1887), kteří dali vlnové optice pevný matematický základ a podstatným způsobem přispěli k exaktní formulaci difrakce.

První pozemské určení rychlosti světla prováděl Fizeau (1819-1896) spolu s Foucaltem (1819-1868) v roce 1849 s výsledkem 315 300 km/s. Foucalt také zjistil, že rychlost šíření světla ve vodě je menší než ve vzduchu. Nezávisle od optiky byly intenzivně studovány jevy elektřiny a magnetizmu. V roce 1845 se podařilo Faradayovi (1791-1867) ukázat vzájemný vztah mezi elektromagnetismem a světlem, když zjistil možnost změny polarizace světla přiložením magnetického pole. James Clerk Maxwell (1831-1879) potom, na základě všech předchozích empirických znalostí, sestavil a rozšířil rovnice popisující elektromagnetické pole (Maxwellovy rovnice). Jejich řešením zjistil souvislost mezi šířením světla a elektrickými a magnetickými vlastnostmi látky, a tak se mu také podařilo předpovědět doposud pouze experimentálně zjišťovanou rychlost světla. Jeho závěrem bylo, že světlo je elektromagnetický rozruch ve formě vln, šířící se éterem. V roce 1888 Heinrich Hertz (1857-1894) vskutku demonstroval existenci elektromagnetických vln.

Nakonec došlo ale k odmítnutí éteru experimentálně (Michelsonem (1852-1931)) i teoreticky Albertem Einsteinem (1879-1955) v jeho speciální teorii relativity, v níž postuloval konstantní rychlost světla, nezávisle na stavu pohybu zářiče. Fyzikové tak byli nuceni přijmout, že elektromagnetické vlny, a tedy i světlo, se šíří i ve zcela prázdném prostoru (vakuu). V roce 1900 přichází Max Planck (1858-1947) s myšlenkou kvantování, jež stála na počátku kvantové teorie, kterou pak rozvíjeli fyzikové 20. století. Zde vzpomeňme alespoň jména Nielse Henrika Davida Bohra (1885-1962), který dává atomům energetické kvantové představy a předpovídá vazbu emise a vlnové délky. Tyto myšlenky byly později důkladněji rozvinuty Einsteinem. Přesto, že se na jedné straně upevňuje kvantový pohled na světlo, který v jisté analogii vrací naše pohledy do korpuskulárních představ Newtona, na druhé straně se (podle příkladu foton: vlna-částice), formulují i opačné tendence - přisoudit všem dosud evidentním částicím (elektron, a další elementární částice) dualistickou podstatu, a tedy i vlnovou povahu jakýchsi hypotetických vln. Tuto představu, vycházejíce z energie částice a její hybnosti, formuloval Louis Viktor, Prince de Broglie (nar. 1891). Skutečně, pomocí této teorie je možné vysvětlit řadu experimentálně pozorovatelných procesů, jako difrakce elektronů na otvoru, průchod jedné částice dvojicí otvorů, apod. Můžeme tedy s jistotou definitivně uzavřít, že víme co je světlo?

 Ve druhé polovině 20. století nastává především obrovský rozvoj aplikované optiky. Velká řada aplikací zejména vznikla objevem laseru. První laser byl sestrojen v roce 1960, a během následujících desetiletí byly postupně k dispozici lasery s vlnovými délkami v celém rozsahu od infračervené do ultrafialové. Dostupnost vysoce výkonných zdrojů koherentního záření umožnila objevení mnoha v optice zcela nových efektů, zejména v oblasti nelineární optiky (generace harmonických, frekvenční směšování), holografie, difraktivní optiky a optického zpracování informace, rozvíjí se nové oblasti - integrovaná optika, optoelektronika, problematika optických počítačů. Významná je zejména spojení integrované optiky a vláknové optiky v oblast optiky vedených vln (vláknová a planární optika), využívané dnes zejména v optických komunikacích pro přenos signálů a při zpracování optické informace. V souvislosti s problematikou přenosu optické informace a s využitím počítačů je v současnosti možno navrhovat složité optické systémy, využívající zcela nových materiálů. Masové využití těchto moderních poznatků v komunikacích - přenosu a zpracování informací - vede k výrazně se zlepšující technologii přípravy optických a optoelektronických prvků, vláknové a planární optiky a integrované optiky.

Integrovaná optika vznikla jako samostatný obor koncem 60 let díky stále se zvyšujícím požadavkům na spolehlivost, odolnost, malé rozměry a hmotnost optických a optoelektronických obvodů. Podobně jako integrovaná elektronika, i integrovaná optika směřuje k miniaturizaci, integraci funkcí a propojování optických a optoelektronických součástek (většinou na bázi vedených vln: vlnovody, čočky, zdroje - polovodičové lasery, zesilovače, detektory, přepínače a propojovače, modulátory, aj.) do integrovaných optických obvodů. Základem dalšího rozvoje jsou zejména nové technologie, které vyžadují hlubší pochopení základních mechanismů a procesů a integrují nové poznatky nejenom z optiky a tradičních optických technologií, ale i z dalších disciplin, zejména z fyziky pevných látek (polovodiče, nové aktivní materiály, syntetické krystaly) a chemie (organické optické materiály, molekulární elektronika).

Zpět: Světlo jakožto vlnění O úroveň výše: Světlo jakožto vlnění Pokračovat: Základní pojmy