Оптика – это раздел физики, занимающийся изучением природы света, законов его распространения и взаимодействия с веществом. Как известно, четыре основных закона геометрической оптики (законы прямолинейного распространения света, независимости световых пучков, отражения света от зеркальных поверхностей и преломления света на границе раздела двух прозрачных сред) были установлены на основе опытных данных еще задолго до выяснения истинной природы света. В связи с этим уместно привести некоторые исторические сведения.

Еще 430 лет до нашей эры школа Платона установила законы прямолинейного распространения и отражения света от зеркальных поверхностей. Закон прямолинейного распространения нашел свое отражение также в трудах Эвклида (300 лет до н.э.), тогда как явление преломления света, можно полагать, был установлено Аристотелем (350 лет до н.э.).

Птоломеем (120 лет до н.э.) были измерены углы падения и преломления света, на основе чего им же была составлена таблица рефракции. Ввиду того, что измерения проводились для малых углов, Птоломей пришел к неверному выводу о пропорциональности угла преломления углу падения. Закон преломления окончательно был установлен Снеллиусом в конце XVI в. Им было найдено, что отношение синусов углов падения и преломления остается постоянным для двух данных сред. В середине XVII в. Декарт дал математическую формулировку закона преломления света:

,

где - угол падения светового луча, - угол преломления, -показатели преломления первой и второй среды.

Первые высказывания о природе света были сделаны древними греками и египтянами. Согласно одной из этих теорий, свет, подобно течению воды из трубы, выходит из глаз человека, благодаря чему мы видим окружающий нас мир.

Согласно Пифагору (450 лет до н.э.), тела становятся видимыми благодаря попаданию в глаз человека частиц, вылетающих из тел. Эти частицы Демокрит (460 – 370 лет до н.э.) назвал атомами. Подобные догадки относительно природы света были опровергнуты Аристотелем. Аристотель считал, что, свет, передаваясь через посредство прозрачной среды, расположенной между объектами и глазом, вызывает зрительное действие. Эта идея Аристотеля как бы положила начало учению о светоносной среде – эфире.

В XVII в. Кеплер высказал предположение относительно природы света. Согласно Кеплеру, свет представляет собой частицы, излучаемые веществом – источником. Он считал распространение света мгновенным процессом.

Последовательная теория о природе света была выдвинута Ньютоном на основе наблюдений и проделанных экспериментов. Ньютон разобрал два противоречивых друг другу случая.

Согласно одной из гипотез, свет представляет собой корпускулы, движущиеся равномерно и прямолинейно в однородной среде. Явление дисперсии света, наблюдаемое впервые Ньютоном в опыте с призмой, было объяснено с помощью корпускулярной теории. По Ньютону, цвета определяются размерами носителей-корпускул: красному цвету соответствуют корпускулы наибольшего, фиолетовому – наименьшего размера. Корпускулярная теория могла объяснить законы отражения и преломления света. Согласно этой теории, отражение света происходит подобно упругому удару шарика о неподвижную стенку, т.е. углы падения и отражения должны быть равны. Далее, корпускула, падающая на границу раздела двух прозрачных сред, при дальнейшем прохождении в более плотной среде приближается (из-за увеличения притяжения) к нормали, опущенной к границе раздела. Это и есть закон преломления света.

Спустя несколько лет после создания Ньютоном корпускулярной теории известный ученый X. Гюйгенс, опираясь на аналогию оптических и акустических явлений, выдвинул волновую теорию света. Согласно Гюйгенсу, свет есть упругие импульсы, распространяющиеся в особой среде – эфире. Он полагал, что не только сами тела, но также пространство между ними заполнены эфиром. Согласно Гюйгенсу, большая скорость распространения света обусловлена особыми свойствами эфира.

В основу волновой теории Гюйгенса положен принцип, носящий его имя. Согласно этому принципу, каждая точка, до которой доходит световая волна, становится, в свою очередь, центром вторичных волн; поверхность, огибающая в произвольный момент времени эти вторичные волны, определяет фронт распространяющейся волны в этот момент времени.

Таким образом, к началу XVIII в. существовали два подхода к объяснению природы света: корпускулярная теория Ньютона и волновая теория Гюйгенса. XVIII век стал веком борьбы этих двух теорий. Значительным шагом в развитии теории света явилась теория, разработанная Максвеллом во второй половине XIX в. на основе работ Кулона, Ампера, Фарадея, Вебера и др. Обобщая известные факты, Максвелл выдвинул электромагнитную теорию света, согласно которой световые волны представляют собой не что иное, как электромагнитные волны высокой частоты. Им была предложена система дифференциальных уравнений, описывающая электромагнитные волны. Согласно электромагнитной теории Максвелла:

,

где с и— соответственно скорости света в вакууме и в среде с диэлектрической проницаемостью e и магнитной проницаемостью m;  n – показатель преломления.

Теория Максвелла установила связь между электрическими, магнитными и оптическими параметрами среды. Однако, поскольку, по Максвеллу e и m – величины, не зависящие от длины волны света, то явление дисперсии (зависимость показателя преломления от длины волны) оставалось необъясненным в рамках электромагнитной теории. Этот пробел был заполнен после того, как Лоренц предложил электронную теорию, согласно которой диэлектрическая проницаемость среды зависит от длины волны падающего света. Электромагнитное излучение с длинами волн в области от 0,4 до 0,76 мкм  воспринимается непосредственно глазом и называется видимым светом.

Как Максвелл, так и Лоренц считали, что носителями световой волны в пространстве является эфир. Существование эфира долгое время не вызывало сомнений, а представления о свойствах эфира развивались параллельно с представлениями о природе света. Согласно Максвеллу, эфир является ответственным за все электромагнитные явления.

По Лоренцу, эфир представляет собой бесконечную среду, характеризующуюся только одним параметром – скоростью распространения света в данной среде.

Опыты Морли – Майкельсона опровергли представления о покоящейся среде – эфире, в результате этого электродинамика Лоренца была заменена электродинамикой теории относительности.

Теория Лоренца, несмотря на определенные успехи, встретила серьезные трудности. В частности, она не могла объяснить распределения энергии по частотам при тепловом излучении абсолютно черного тела. Эти недостатки теории не были устранены и другими учеными (Вин, Рэлей, Джинс). Смелая гипотеза, выдвинутая в 1900 г. Планком, решила проблему спектрального распределения энергии теплового излучения.

Согласно гипотезе Планка, излучение электромагнитного поля происходит не непрерывно, а дискретно, т.е. определенными порциями (квантами), энергия (w) которых определяется частотой (n):

,

где h – постоянная Планка. Позже Эйнштейном была выдвинута идея о том, что не только излучение, но и поглощение, а также распространение света происходит порциями – частицами. Частицы света были названы фотонами. Теория Планка, хотя и противоречила духу классической физики, подтверждалась опытными фактами и смогла решить задачу теплового излучения абсолютно черных тел. Следует отметить, что квантовая теория Планка совершенно не нуждается в понятии «эфирной среды». Таким образом, к началу XX в. наряду с электромагнитной теорией возродилась «корпускулярная» теория света, но, безусловно, отличная от корпускулярной теории Ньютона.

Подводя итоги, приходим к естественному выводу о том, что свет имеет двойственную природу – волновую и корпускулярную, т.е. свет представляет собой единство дискретности и непрерывности, что находится в полном согласии с законами материалистической диалектики.

Слабые и сильные световые поля

Интенсивность света определяется по формуле:

,

где Е – напряженность светового поля, с – скорость света в вакууме. Все известные нам до появления лазеров источники способны создавать световой пучок интенсивности не выше чем 10 Вт/см². Достижимые значения напряженности поля для таких источников света составляют порядок 0,1 – 10 В/см. Это на несколько порядков меньше внутриатомного электрического поля Е_a (Е_a  @ 10⁹ В/см), под действием которого движется валентный электрон.

Лазерные источники с энергией 10³ Дж позволяют получить световой пучок с интенсивностью 10¹⁰ Вт/см² и больше. При такой интенсивности напряженность светового поля достигает значения 10⁹ В/см. С помощью лазеров на стекле с неодимом (l = 1,06 мкм) получают напряженности поля до 10¹¹ В/см.

Внутриатомное поле удерживает оптический электрон (валентный электрон, наиболее слабо связанный с ядром) вокруг ядра. При изучении взаимодействия света с веществом можно принять внутриатомное поле за характерное, и всякие сравнения проводить относительно этого поля. Если условиться так, то поле обычных тепловых световых источников (напряженностью ~ 10 В/см) можно называть слабым, а лазерных с напряженностью поля порядка внутриатомного и больше – сильным.

Опыты, проводимые со слабыми световыми полями, показали, что характер оптических явлений не зависит от интенсивности излучения. Такие явления принято называть линейными оптиче­скими явлениями. Область оптики, рассматривающую такие явления, принято называть линейной оптикой. В основе линейной оптики лежит тот факт, что существует линейная связь между Р и Е (Р = cЕ, где  Р –  дипольный момент, приобретенный 1 см³ среды, c – макроскопическая восприимчивость среды, Е – напряженность действующего на среду светового поля).

При таких предположениях показатель преломления и другие характеристики среды не будут зависеть от интенсивности излучения. Там, где это не будет особо оговорено, будем иметь в виду случай именно линейной оптики.

Многочисленные эксперименты, проведенные со световыми пучками мощностью порядка 10⁸ Вт/см² и больше, убедительно показали, что характер оптических явлений существенно зависит от интенсивности излучения. Область оптики, изучающую оптиче­ские явления, характер которых зависит от интенсивности излучения, принято называть нелинейной оптикой. Это новое направление оптики стало бурно развиваться, начиная с 1962 г., когда впервые была обнаружена генерация второй гармоники (эффект удвоения частоты).