Vis kilden til Optikk

{{Omhandler|en gren av fysikken|boken av Isaac Newton|Opticks}}

[[File:Light dispersion of a mercury-vapor lamp with a flint glass prism IPNr°0125.jpg|thumb| Optikk omfatter blant annet studiet av [[lysbrytning]].]]

'''Optikk''', eller '''lyslære''', er den grenen av [[fysikk]]en som beskriver oppførselen og egenskapene til [[lys]], herunder lysets interaksjon med [[materie]] og bygging av optiske instrumenter som bruker lys eller detekterer lys, samt menneskets syn. Optikk beskriver vanligvis oppførselen av [[lys|synlig-]], [[Ultrafiolett stråling|ultrafiolett-]] og [[Infrarød stråling|infrarødt]] lys. Fordi lys er en type [[elektromagnetisk stråling]], vil andre former for elektromagnetisk stråling som [[røntgenstråling]], [[mikrobølge]]er og [[radiobølger]] utvise lignende egenskaper.

De fleste optiske fenomener kan forklares ved hjelp av den [[Elektromagnetisme|klassisk elektromagnetismes]] beskrivelse av lys. Komplette elektromagnetiske beskrivelser av lys er imidlertid ofte vanskelig å anvende i praksis. Praktisk optikk gjør derfor vanligvis bruk av forenklede modeller. Den vanligste av disse er [[geometrisk optikk]] som behandler lys som en samling av [[stråling|stråle]]r som forplanter seg i rette linjer, blir avbøyd når de passerer gjennom eller reflekteres i overflater. Fysisk optikk innebærer en mer omfattende modell av lyset, som inkluderer [[bølge]]effekter som [[diffraksjon]], som innebærer at lys som sendes gjennom spalter spres i mønstre og [[interferens]], der forskjellige lysbølger kan forsterke eller svekke hverandre, noe som ikke blir gjort rede for i geometriske optikk. Historisk sett ble den strålebaserte modellen av lyset utviklet først, etterfulgt av bølgemodellen. Fremgang i utviklingen av teorien for elektromagnetisme på 1800-tallet førte til oppdagelsen av at lysbølger faktisk er elektromagnetisk stråling.

Noen fenomener med lyset har både [[bølge–partikkel-dualitet|bølge og partikkel-lignende egenskaper]]. Forklaring på disse effektene krever anvendelse av [[kvantemekanikk]]. Når man vurderer lysets partikkel-lignende egenskaper, blir lyset modellert som en samling av partikler, kalt [[foton]]er. [[Kvanteoptikk]] omhandler anvendelsen av kvantemekanikk på optiske systemer.

Optisk vitenskap er relevant for og blir studert i mange beslektede disipliner av den rene optikk, som [[astronomi]], flere [[ingeniørvitenskap]]er, [[fotografi]] og [[medisin]] (spesielt [[oftalmologi]] og [[optiker|optometri]]). Praktiske anvendelser av optikk finnes i en rekke teknologier. Utnyttelse av optiske fenomener gjøres i en rekke vanlige hjelpemidler som [[speil]], [[linse]], [[Optisk teleskop|teleskop]], [[mikroskop]], [[laser]] og [[fiberoptikk]].

== Historie ==
De aller tidligste optiske hjelpemidler var [[Optisk linse|linser]] som ble utviklet i høykulturene i oldtidens Egypt og Mesopotamia. De greske filosofene på sin side var opptatt av teorier for lysets natur, da spesielt synserfaringer. [[Platon]] mente at syn har sin årsak i stråler som blir sendt ut av øynene. Andre igjen hadde motsatt oppfatning, nemlig at det menneskelige synet skyldes stråler fra objektene og inn på øynene. Sammenhengen mellom øyet og hvordan et objekt oppfattes som syn har vært et vanskelig tema helt opp til moderne tid. Utover på 1600-tallet ble man i stand til å fremstille briller, uten at man egentlig hadde så mye kunnskap om optikk. Flere av [[opplysningstiden]]s mest kjente fysikere har gitt viktige bidrag til optikken, spesielt [[Isaac Newton]] (1643 – 1727) brakte kunnskapen om lys et langt steg fremover på begynnelsen av 1700-tallet. Stadig mer avanserte oppdagelser ble gjort etter dette, og mange av dagens optiske instrumenter og teorier om lys ble utviklet på 1800-tallet.

=== Oldtidens linser og filosofiske betraktninger om lysets natur ===
[[File:Nimrud lens British Museum.jpg|thumb|Nimrud-linsen.]]

Optikk begynte med utviklingen av linser i [[oldtidens Egypt]] og [[Mesopotamia]]. De tidligste kjente linser, laget av polert krystall, ofte [[kvarts]], dateres fra så tidlig som 700 før Kristi fødsel for [[Assyria|assyriske]] linser som Layard-/Nimrudlinsen.<ref>{{Cite news|url=http://news.bbc.co.uk/1/hi/sci/tech/380186.stm |title=World's oldest telescope? |publisher=BBC News |date=1. juli 1999 |accessdate=3. januar 2010}}</ref> De gamle [[Romerriket|romerne]] og [[Antikkens Hellas|grekerne]] fylte glasskuler med vann for å lage objektiver. Disse praktiske innretningene ble fulgt av utviklingen av teorier for lys og syn av de gamle [[Antikkens greske filosofi|greske]] og [[indisk filosofi|indiske]] filosofene. Dette førte videre til utviklingen av [[geometrisk optikk]] i den [[Antikken|antikke verden]]. Ordet ''optikk'' kommer fra [[gammelgresk]]e ordet {{Lang|grc|ὀπτική}}, som betyr «utseende, se».<ref>{{Cite book|title=The Concise Oxford Dictionary of English Etymology|year=1996|author=T. F. Hoad|isbn=0-19-283098-8}}</ref>

Gresk filosofi om optikk delte seg i to motstridene teorier om hvordan syn skjer, nemlig teorien om «visuell [[persepsjon]]» og «emisjonsteorien».<ref>[http://www.stanford.edu/class/history13/earlysciencelab/body/eyespages/eye.html A History Of The Eye]. stanford.edu. Retrieved 2012-06-10.</ref> Teorien om visuell persepsjon forklarte synet ved at gjenstander sender ut kopier av seg selv (kalt ''eidola'') som blir fanget opp av øyet. Tilhengere av denne oppfatningen var filosofer som [[Demokrit]], [[Epikur]], [[Aristoteles]] og deres tilhengere igjen. Denne teorien har en viss relasjon til moderne teorier om hva syn egentlig er, men for de greske filosofene forble dette bare spekulasjoner uten noe eksperimentelt grunnlag.

Platon var den første som formulerte emisjonsteorien, idéen går ut på at visuell persepsjon oppstår ved at stråler sendes ut av øynene. Han kommenterte også fenomenet med speilvending i ''Timaios''<ref>{{Cite book|title=A manual of greek mathematics|author=T. L. Heath|publisher=Courier Dover Publications|isbn=0-486-43231-9|pages=181–182|year=2003}}</ref> Noen hundre år senere skrev [[Euklid]] en avhandling med tittelen ''Optikken'' der han knyttet syn til [[geometri]], dermed skapte han en gren innenfor optikken kalt ''geometrisk optikk''.<ref>{{Cite book|author=William R. Uttal |title=Visual Form Detection in 3-Dimensional Space |url= |year=1983 |publisher=Psychology Press | isbn=978-0-89859-289-4 | pages=25–}}</ref> Han baserte sitt arbeid på Platons emisjonsteori, hvor han beskrev de matematiske reglene for [[Sentralperspektiv|perspektiv]]. Han beskrev også effektene av [[lysbrytning]] kvalitativt, men han stilte også spørsmål ved at en lysstråle fra øyet umiddelbart skulle kunne lyse opp stjernene hver gang noen blunket.<ref>{{Cite book|author=Euclid|title=The Arabic version of Euclid's optics = Kitāb Uqlīdis fī ikhtilāf al-manāẓir|url=https://archive.org/details/arabicversionofe0000eucl|editor=Elaheh Kheirandish|publisher=New York: Springer|year=1999|isbn=0-387-98523-9}}</ref> [[Klaudios Ptolemaios]] beskrev i sin avhandling ''Optikk'' en egen emisjonsteori for syn: En stråle (eller fluks) fra øyet danner en kjegle, toppunktet er inne i øyet, og basen definerer det visuelle feltet. Strålene mente han var følsomme, dermed formidlet de informasjon tilbake til observatøren mentalt om avstanden og retningen på overflater. Han oppsummerte mye av Euklid, og fortsatte med å beskrive en måte å måle [[Snells brytningslov|brytningsvinkelen]] det som skjer med lys som går gjennom et medium. Imidlertid la han ikke merke til den empiriske sammenhengen mellom lysstrålene og innfallsvinkelen.<ref name="Ptolemy">{{Cite book|title=Ptolemy's theory of visual perception: an English translation of the Optics with introduction and commentary|author=Ptolemy|editor=A. Mark Smith|publisher=DIANE Publishing|year=1996|isbn=0-87169-862-5}}</ref>

[[File:Alhazen, the Persian.gif|thumb|Alhazen (Ibn [[al-Haitham]]) som holdes for å være "optikkens far".<ref>{{Citation| first = RL | last = Verma | year = 1969 | title = Al-Hazen: father of modern optics}}</ref>]]
[[File:Ibn Sahl manuscript.jpg|thumb|Gjengivelse av en side av [[Abu Sad al-Ala ibn Sahl|Ibn Sahl]]s manuskript viser hans kjennskap til loven om brytning av lys, nå kjent som [[Snells brytningslov]].]]

=== Videre utvikling av optikk i middelalderen ===
I [[middelalderen]] ble de greske idéene om optikk gjenopptatt og utvidet av forfattere i [[den muslimske verden]]. En av de tidligste av disse var [[Al-Kindi]] (801 – 73) som arbeidet videre med aristoteliske og euklidske ideer om optikk. Han vektlegger emisjonsteorien siden den bedre kan kvantifisere optiske fenomener.<ref>Adamson, Peter (2006). "Al-Kindi¯ and the reception of Greek philosophy". In Adamson, Peter; Taylor, R.. The Cambridge companion to Arabic philosophy. Cambridge University Press. p. 45. ISBN 978-0-521-52069-0.</ref> I 984 skrev den [[Iran|persiske]] matematikeren [[Abu Sad al-Ala ibn Sahl]] avhandlingen ''Om brennende speil og linser''. Her blir en riktig lov om lysbryting tilsvarende Snells brytningslov formulert.<ref name="j1">{{Cite journal|doi=10.1086/355456 |last=Rashed |first=Roshdi |title=A pioneer in anaclastics: Ibn Sahl on burning mirrors and lenses |journal=Isis |volume=81 |issue = 3 |year=1990 |pages=464–491 |jstor=233423}}</ref> Han anvender denne loven for å beregne optimale former for linser og [[sfæriske speil]]. På begynnelsen av 1000-tallet skrev [[Al-Haitham]] ''Boken om optikk'' (''Kitab al-manazir'') hvor han utforsket refleksjon og brytning. I tillegg foreslår han et nytt konsept for å forklare syn og lys basert på observasjon og eksperimenter.<ref>{{Cite book|editor1-last=Hogendijk |editor1-first=Jan P. |editor2-last=Sabra |editor2-first=Abdelhamid I. |year=2003|title=The Enterprise of Science in Islam: New Perspectives |url=https://archive.org/details/enterprisescienc00hoge |pages=[https://archive.org/details/enterprisescienc00hoge/page/85 85]–118 |publisher=MIT Press |isbn=0-262-19482-1 |oclc=50252039}}</ref><ref>{{Cite book|author=G. Hatfield |contribution=Was the Scientific Revolution Really a Revolution in Science?|url= |isbn=9004101195 |editor =F. J. Ragep, P. Sally, S. J. Livesey |year=1996 |title=Tradition, Transmission, Transformation: Proceedings of Two Conferences on Pre-modern Science held at the University of Oklahoma |page=500|publisher=Brill Publishers}}</ref><ref>{{Cite journal|author=Nader El-Bizri|title=A Philosophical Perspective on Alhazen's Optics|url=https://archive.org/details/sim_arabic-sciences-and-philosophy_2005-09_15_2/page/189|journal= Arabic Sciences and Philosophy |volume=15 |issue=2|year=2005|pages=189–218|doi=10.1017/S0957423905000172}}</ref><ref>{{Cite journal|author=Nader El-Bizri|title=In Defence of the Sovereignty of Philosophy: al-Baghdadi's Critique of Ibn al-Haytham's Geometrisation of Place|url=https://archive.org/details/sim_arabic-sciences-and-philosophy_2007-03_17_1/page/57|doi=10.1017/S0957423907000367|journal=Arabic Sciences and Philosophy |volume=17 |year=2007|pages=57–80}}</ref><ref>{{Cite journal|journal=The Medieval History Journal|volume=9|page=89|year=2006|doi=10.1177/097194580500900105|title=The Gaze in Ibn al-Haytham|author=G. Simon}}</ref> Han avviste emisjonsteorien der stråler slippes ut av øyet. I stedet legger han frem ideen om at lyset spres i alle retninger i rette linjer fra alle steder der objektene blir observert og deretter inn i øyet. Dette uten at han selv riktig var i stand til å forklare hvordan øyet fanget lysstråler.<ref>{{Cite book| author1=Ian P. Howard |author2=Brian J. Rogers | title=Binocular Vision and Stereopsis | url=https://archive.org/details/binocularvisions00howa| year=1995 |publisher=Oxford University Press | isbn=978-0-19-508476-4 | page=[https://archive.org/details/binocularvisions00howa/page/7 7]}}</ref> Al-Haithams arbeidet ble i stor grad ignorert i den arabiske verden, men det ble oversatt anonymt til latin rundt år 1200. Dermed ble verket videre oppsummert og utvidet av den polske munken [[Vitelo]].<ref>{{Cite book|author1=Elena Agazzi |author2=Enrico Giannetto |author3=Franco Giudice |title=Representing Light Across Arts and Sciences: Theories and Practices |url= |year=2010 |publisher=V&R unipress GmbH |isbn=978-3-89971-735-8 |page=42}}</ref> På grunn av dette blir verket en  standardtekst innenfor optikk i Europa i de neste 400 år.<ref>[[Nader El-Bizri]], 'Classical Optics and the Perspectiva Traditions Leading to the Renaissance', in Renaissance Theories of Vision, eds. Charles Carman and John Hendrix (Aldershot: Ashgate, 2010), 11–30; [[Nader El-Bizri]], 'Seeing Reality in Perspective: "The Art of Optics" and the "Science of Painting"', in The Art of Science: From Perspective Drawing to Quantum Randomness, eds. Rossella Lupacchini and Annarita Angelini (Doredrecht: Springer, 2014), pp. 25–47.</ref>

På 1200-tallet skrev den engelske biskopen [[Robert Grosseteste]] tekster innenfor et bredt spekter av vitenskapelige temaer. Han diskuterer lys fra fire forskjellige perspektiver, som en [[erkjennelsesteori]] om lys, en [[metafysikk|metafysisk]] eller [[kosmogoni]]sk, en [[etiologi]]sk eller [[Fysikk|fysisk]], og en [[teologi]]sk,<ref>D. C. Lindberg, ''Theories of Vision from al-Kindi to Kepler'', (Chicago: Univ. of Chicago Pr., 1976), pp. 94–99.</ref> dette basert på verkene til Aristoteles og platonismen. Grossetestes mest berømte disippel [[Roger Bacon]], skrev verker som siterer et bredt spekter av nylig oversatte optiske og filosofiske verker, inkludert de av [[Al-Haitham|Alhazen]], Aristoteles, [[Avicenna]], [[Averroës]], Euclid al-Kindi, Ptolemaios, Tideus, og Konstantin den afrikanske. Bacon var i stand til å bruke deler av glasskuler som [[lupe]]r for å vise at lyset reflekteres fra objekter heller enn å sendes ut fra dem.

De første bærbare linser for permanent bruk ble oppfunnet i Italia rundt 1286.<ref>{{Cite book|first=Ilardi |last=Vincent |year=2007 |title= Renaissance Vision from Spectacles to Telescopes |url=https://archive.org/details/bub_gb_peIL7hVQUmwC |location=Philadelphia, PA |publisher=American Philosophical Society |isbn=9780871692597 |pages=[https://archive.org/details/bub_gb_peIL7hVQUmwC/page/n87 4]–5}}</ref> Dette var starten på den optiske industrien for sliping og polering av objektiver for briller som utviklet seg i Venezia og Firenze på 1200-tallet.<ref>[http://galileo.rice.edu/sci/instruments/telescope.html '&#39;'The Galileo Project > Science > The Telescope'&#39;' by Al Van Helden '&#39;]. Galileo.rice.edu. Retrieved 2012-06-10.</ref> Senere oppstod denne produksjonen i både Nederland og Tyskland.<ref>{{Cite book|author=Henry C. King |title=The History of the Telescope |url=https://books.google.com/books?id=KAWwzHlDVksC&pg=PR1 |year=2003 |publisher=Courier Dover Publications |isbn=978-0-486-43265-6 |page=27}}</ref> Brillemakere laget forbedrede linsetyper for korreksjon av syn basert mer på empirisk kunnskap fra observasjoner av effekten av linsene. De benyttet seg ikke av  datidens uferdige optiske teori. Teorien på denne tiden kunne knapt nok forklare hvordan briller egentlig fungerte.<ref>{{Cite book|author1=Paul S. Agutter |author2=Denys N. Wheatley |title=Thinking about Life: The History and Philosophy of Biology and Other Sciences |url=https://archive.org/details/thinkingaboutlif00agut_532|year=2008 |publisher=Springer |isbn=978-1-4020-8865-0 |page=[https://archive.org/details/thinkingaboutlif00agut_532/page/n30 17]}}</ref><ref>{{Cite book|first=Vincent|last=Ilardi|title=Renaissance Vision from Spectacles to Telescopes|url=https://archive.org/details/bub_gb_peIL7hVQUmwC|year=2007 |publisher=American Philosophical Society|isbn=978-0-87169-259-7|page=[https://archive.org/details/bub_gb_peIL7hVQUmwC/page/n221 210]}}</ref> Den senere  utviklingen av praktisk tilnærming og eksperimentering med linser førte til oppfinnelsen av  [[mikroskop]]et rundt 1595. Senere i 1608 ble [[refraktor]]teleskoper oppfunnet. Begge disse oppfinnelsene oppstod i brillemakerverkstedene i Nederland.<ref>[http://nobelprize.org/educational_games/physics/microscopes/timeline/index.html Microscopes: Time Line], Nobel Foundation. Retrieved April 3, 2009</ref><ref name="LZZginzib4C page 55">{{Cite book|first=Fred|last=Watson |title=Stargazer: The Life and Times of the Telescope |url= |year=2007 |publisher=Allen & Unwin |isbn=978-1-74175-383-7 |page=55}}</ref>

=== Utvikling av geometrisk optikk ===
I begynnelsen av 1600-tallet utviklet [[Johannes Kepler]] den geometriske optikken videre i sine skrifter. Kepler dekket temaer som linser, refleksjon på flater og buede speil, prinsippene for [[camera obscura]], samt den inverse kvadratlov. Denne loven forklarer hvordan intensiteten av lys reduseres med [[kvadrattall|kvadratet]] av avstanden, gir optiske forklaringer på astronomiske fenomener som [[Måneformørkelse|måne]]- og [[solformørkelse]], samt astronomisk [[parallakse]]. Han var også i stand til å utlede rollen som [[netthinne]]n har som selve organ som skaper synet. Endelig kunne man vitenskapelig kvantifisere effektene av ulike typer linser som brillemakerne hadde observert over de foregående 300 årene.<ref>{{Cite book|first=Vincent |last=Ilardi | title=Renaissance Vision from Spectacles to Telescopes | url=https://archive.org/details/bub_gb_peIL7hVQUmwC| year=2007 |publisher=American Philosophical Society | isbn=978-0-87169-259-7 | page=[https://archive.org/details/bub_gb_peIL7hVQUmwC/page/n255 244]}}</ref> Etter oppfinnelsen av teleskopet kunne Kepler formulere det teoretiske grunnlaget for hvordan teleskopet virker. Han kunne også beskrive en forbedret versjon, kjent som ''Keplers teleskop'', som består av to konvekse linser for å produsere høyere forstørrelse.<ref>Caspar, ''Kepler'', pp. 198–202, Courier Dover Publications, 1993, ISBN 0486676056.</ref>

[[Fil:Opticks.jpg|thumb|Omslaget av den første utgaven av [[Isaac Newton]]s bok ''[[Opticks]]''.]]

Teorien for optikk fikk stor fremgang på midten av 1600-tallet med ''Avhandling om lys'' skrevet av filosofen [[René Descartes]]. Her forklares en rekke optiske fenomener som refleksjon og brytning  ved en antagelse om at lys er noe som slippes ut av gjenstander som produser det.<ref name="Sabra">{{Cite book|title=Theories of light, from Descartes to Newton|url=https://archive.org/details/theoriesoflightf0000sabr|author=A. I. Sabra|publisher=CUP Archive|year=1981|isbn=0-521-28436-8}}</ref> Dette skilte seg i hovedsak fra den gamle greske emisjonsteorien. På slutten av 1660-årene og begynnelsen av 1670-tallet utvidet  Newton Descartes' ideer med [[emanasjonsteorien for lys]]. Denne er kjent for å hevde at lys i sin natur består av små partikler som han kalte ''korpuskler''. Dessuten hevdet han at hvitt lys var en blanding av farger som kan deles inn i komponenter ved hjelp av et [[Prisme (geometri)|prisme]]. I 1690 foreslo [[Christiaan Huygens]] en [[bølge]]teori for lys basert på idéer fra [[Robert Hooke]] i 1664. Hooke kritiserte offentlig Newtons teorier om lys og feiden mellom de to varte til Hooke døde. I 1704 publiserte Newton ''[[Opticks]]''; blant annet på grunn av sin suksess i andre områder av [[fysikk]]en, ble han generelt ansett for å være seierherren i debatten om lysets natur.<ref name="Sabra" />

Newtons optikk ble generelt akseptert før begynnelsen av 1800-tallet da [[Thomas Young (forsker)|Thomas Young]] og [[Augustin Fresnel]] utført eksperimenter på interferens med lys som forklarte lysets [[bølge]]natur. Youngs kjente [[dobbeltspalteeksperiment]] viste at lys kan overlagres. Dette har sammenheng med lysets bølgelignende egenskaper som Newtons teori ikke kunne forutsi. Arbeidet førte til en teori om diffraksjon for lys og åpnet et helt nytt område av studiet i fysisk optikk.<ref>{{Cite book| author=W. F. Magie | title=A Source Book in Physics | url=https://archive.org/details/in.ernet.dli.2015.449479 | publisher=Harvard University Press | year=1935 | page=[https://archive.org/details/in.ernet.dli.2015.449479/page/n323 309]}}</ref> Bølgeoptikk ble vellykket forent med [[James Clerk Maxwell]]s [[Maxwells likninger|elektromagnetisk teori]] i 1860.<ref>{{Cite journal| author=J. C. Maxwell | title=A Dynamical Theory of the Electromagnetic Field | journal=Philosophical Transactions of the Royal Society of London | volume=155 | page=459 | year=1865 | bibcode = 1865RSPT..155..459C | doi=10.1098/rstl.1865.0008}}</ref>

=== Utviklingen av kvanteoptikk ===
Den neste utviklingen i optisk teori kom i 1899 da [[Max Planck]] korrekt greide å lage en modell for [[varmestråling]]. Her gjør han den viktige antagelsen om at utvekslingen av energi mellom lys og materie bare skjer i diskrete mengder som han kalte ''[[kvant]]er''. I 1905 publisert [[Albert Einstein]] teorien om [[fotoelektrisk effekt]] som sier at lyset selv kan kvantiseres.<ref>{{Cite book|last1=Einstein |first1=A. |authorlink1=Albert Einstein |editor1-first=D. |editor1-last=Ter Haar |title=The Old Quantum Theory |url=https://en.wikisource.org/wiki/On_a_Heuristic_Point_of_View_about_the_Creation_and_Conversion_of_Light |accessdate=18. mars 2010 |year=1967 |publisher=Pergamon |pages=91–107 |chapter=On a heuristic viewpoint concerning the production and transformation of light}} The chapter is an English translation of Einstein's 1905 paper on the photoelectric effect.</ref><ref name="AnnPhysik322132">{{Cite journal|first=A. |last=Einstein |year=1905 |title=Über einen die Erzeugung und Verwandlung des Lichtes betreffenden heuristischen Gesichtspunkt |language=tysk |trans_title=On a heuristic viewpoint concerning the production and transformation of light |journal=Annalen der Physik |volume=322 |issue=6 |pages=132–148 |doi=10.1002/andp.19053220607|bibcode = 1905AnP...322..132E}}</ref> I 1913 viste [[Niels Bohr]] at atomene bare kunne avgi diskrete mengder energi, dermed kunne de diskrete linjer sett i [[Emisjonsspekter|emisjons]]- og [[absorpsjonsspekter]]et forklares.<ref>{{Cite journal
 |url         = http://dbhs.wvusd.k12.ca.us/webdocs/Chem-History/Bohr/Bohr-1913a.html
 |year        = 1913
 |title       = On the Constitution of Atoms and Molecules
 |journal     = Philosophical Magazine
 |volume      = 26, Series 6
 |pages       = 1–25
 |url-status  = bot: unknown
 |archiveurl  = https://web.archive.org/web/20070704225134/http://dbhs.wvusd.k12.ca.us/webdocs/Chem-History/Bohr/Bohr-1913a.html
 |archivedate = 2007-07-04
 |tittel      = Arkivert kopi
 |besøksdato = 2007-07-04
 |arkivurl    = https://web.archive.org/web/20070704225134/http://dbhs.wvusd.k12.ca.us/webdocs/Chem-History/Bohr/Bohr-1913a.html
 |arkivdato   = 2007-07-04
 |url-status = død
}} {{Kilde www |url=http://dbhs.wvusd.k12.ca.us/webdocs/Chem-History/Bohr/Bohr-1913a.html |tittel=Arkivert kopi |besøksdato=2016-03-05 |arkiv-dato=2007-07-04 |arkiv-url=https://web.archive.org/web/20070704225134/http://dbhs.wvusd.k12.ca.us/webdocs/Chem-History/Bohr/Bohr-1913a.html |url-status=unfit }}.</ref> Forståelse av samspillet mellom lys og materie som fulgte av denne utviklingen dannet ikke bare grunnlaget for kvanteoptikk, men var også avgjørende for utvikling av [[kvantemekanikk]]en som helhet. Den ultimate høydepunktet kom med teorien om [[kvanteelektrodynamikk]], som forklarer alle optiske- og elektromagnetiske prosesser generelt som følge av utveksling av reelle og virtuell [[foton]]er.<ref>{{Cite book|author=R. Feynman|authorlink=Richard Feynman|year=1985|title=QED: The Strange Theory of Light and Matter|url=https://archive.org/details/qedstrangetheory00feyn_202|chapter=Chapter 1|page=[https://archive.org/details/qedstrangetheory00feyn_202/page/n10 6]|publisher=Princeton University Press|isbn=0-691-08388-6}}</ref>

Kvanteoptikk fikk praktisk betydning med oppfinnelser av [[maser]]en i 1953 og av laseren i 1960.<ref>{{Cite book|author=N. Taylor|title=LASER: The inventor, the Nobel laureate, and the thirty-year patent war|url=https://archive.org/details/laser00nick|year=2000|publisher=Simon & Schuster|location=New York|isbn=0-684-83515-0}}</ref> Ved å følge arbeidet til [[Paul Dirac]] i [[kvantefeltteori]], kunne [[George Sudarshan]], [[Roy J. Glauber]] og [[Leonard Mandel]] anvende kvanteteori for elektromagnetiske felter i 1950 og 1960. Dette førte til en mer detaljert forståelse av lys, samt [[statistisk fysikk|statistikk]] for lys.

== Klassisk optikk ==
Klassisk optikk er delt inn i to hovedgrener: geometrisk optikk og fysisk optikk. I geometrisk, eller stråleoptikk, betraktes lyset som om det forplanter seg i rette linjer, mens i fysisk- eller bølgeoptikk, betraktes lyset for å være en elektromagnetisk bølge.

Geometrisk optikk kan ses på som en tilnærming av den fysikalske optikken. Denne kan anvendes når bølgelengden til lyset som anvendes er mye mindre enn størrelsen av de optiske elementer eller systemet som skal modelleres.

=== Geometrisk optikk ===
[[Fil:Reflection and refraction.svg|thumb|Geometri for refleksjon og brytning av lysstråler.]]

''Geometrisk optikk'' eller ''stråleoptikk'', beskriver bølgeforplantning av lys i form av «stråler» som går i rette linjer, hvis baner er underlagt lovene om refleksjon og brytning i grensesnittet mellom ulike medier.<ref>{{Cite book|author1=Ariel Lipson|author2=Stephen G. Lipson|author3=Henry Lipson|title=Optical Physics|url=https://books.google.com/books?id=aow3o0dhyjYC&pg=PA48|accessdate=12. juli 2012|date=28. oktober 2010|publisher=Cambridge University Press|isbn=978-0-521-49345-1|page=48}}</ref> Disse lovene ble oppdaget empirisk så langt tilbake som 984 etter Kristus.<ref name="j1" /> De har blitt brukt i utformingen av optiske komponenter og instrumenter fra da av, og frem til i dag. Lovene kan oppsummeres slik:

* Når en lysstråle treffer grensen mellom to gjennomsiktige materialer, blir den oppdelt i en reflektert og avbøyd stråle (også kalt ''refraksjon'').
* Loven om refleksjon sier at den reflekterte stråle ligger i innfallsplanet, og at refleksjonsvinkelen er lik innfallsvinkelen.
* Loven om refraksjon sier at den brutte stråle ligger i innfallsplanet, og sinus til vinkelen til brytningsstrålen dividert på sinus til innfallsvinkelen er konstant. Dette skrives matematisk slik:

::<math>\frac {\sin {\theta_1}}{\sin {\theta_2}} = n</math>

der ''n'' er konstant for hvilke som helst to materialer og en gitt lysfarge. Denne konstanten er kjent som [[brytningsindeks]]en og loven omtales som [[Snells brytningslov]].

Lovene om refleksjon og refraksjon kan utledes fra [[Fermats prinsipp]] som sier at «en lysstråle som beveger seg fra et punkt til et annet, velger den veien som leder raskest frem til målet».<ref>{{Cite book|author=Sir Arthur Schuster|title=An Introduction to the Theory of Optics|url=https://archive.org/details/anintroductiont01schugoog|year=1904|publisher=E. Arnold|page=[https://archive.org/details/anintroductiont01schugoog/page/n66 41]}}</ref>

==== Approksimasjoner ====
Geometrisk optikk er ofte forenklet ved at paraksial tilnærming. Matematiske betyr dette lineær oppførsel, slik at optiske komponenter og systemer kan beskrives ved hjelp av enkle [[matrise]]r. Dette fører til teknikker for Gaussisk-optikk og ''paraksial strålesporing'', som brukes til å finne grunnleggende egenskaper for optiske systemer, slik som omtrent bilde- og objektposisjoner og forstørrelser.<ref>{{Cite book|author=J. E. Greivenkamp|year=2004|title=Field Guide to Geometrical Optics. SPIE Field Guides vol. '''FG01'''|url=https://archive.org/details/fieldguidetogeom0000grei|publisher=SPIE|isbn=0-8194-5294-7|pages=[https://archive.org/details/fieldguidetogeom0000grei/page/19 19]–20}}</ref>

==== Refleksjoner ====
{{Hoved|Refleksjon (fysikk)}}

[[Fil:Reflection angles.svg|thumb|Diagram som viser speilende refleksjon.]]

Refleksjoner kan deles inn i to typer: [[speilende refleksjon]] og [[diffus refleksjon]]. Speilende refleksjon beskriver glansen av overflater slik som speil, som reflekterer lys i en enkel og forutsigbar måte. Dette gir et reflekterte bilder som kan være forbundet med faktiske ([[reelt bilde|reelt]]) eller ekstrapolert ([[Virtuelt bilde|virtuell]]) objekter plassert i rommet. Diffus refleksjon beskriver ugjennomsiktig materialer, som for eksempel papir eller mineraler. Refleksjonene fra slike flater kan bare beskrives statistisk, men den nøyaktige fordeling av det reflekterte lys avhenger av den mikroskopiske strukturen av materialet. Mange diffuse reflektorer kan beskrives eller tilnærmes av [[Lamberts lov|Lamberts cosinuslov]], som beskriver flater som har lik [[luminans]] sett fra alle vinkler. Blanke overflater kan gi både speil- og diffus refleksjon.

Ved speilende refleksjon blir retningen av den reflekterte stråle bestemt av vinkelen som innfallende stråle danner med [[Normal (geometri)|overflatenormalen]]. Overflatenormalen er en linje vinkelrett på overflaten til det punktet hvor stråle treffer. Den innfallende- og reflekterte strålen, samt normalen, ligger i et enkelt plan, og vinkelen mellom den reflekterte stråle og overflatenormalen, er den samme som mellom den innfallende stråle og overflatenormalen.<ref name="Geoptics">{{Cite book|title=University Physics 8e|author=H. D. Young|publisher=Addison-Wesley|year=1992|isbn=0-201-52981-5|chapter =35}}</ref> Dette er kjent som [[refleksjonsloven]].

For [[plane speil]] innebærer loven om refleksjon at [[Speilende refleksjon|speilbilder]] av objekter er oppreist og har samme avstand bak speilet som objektene har foran speilet. Bildestørrelsen er den samme som objektets størrelse. Loven innebærer også at speilbildet er [[Paritet|paritets invertert]], som en observatør vil oppfatte som en venstre-høyre inversjon. Bilder dannet av refleksjoner i to (eller likt antall) speil er ikke paritets invertert. En spesiell type reflektor er [[hjørnereflektor]]en<ref name="Geoptics" /> som [[retroreflektor|retroreflekterer]] lys, det vil si at de reflekterte strålene kastes tilbake i samme retning som de kom fra.

[[Sfærisk speil]] kan modelleres i henhold til bølge-sporings fysikk og anvendelse av loven om refleksjon på ethvert punkt på overflaten. I [[Parabolsk speil|parabolske speil]] vil parallelle lysstråler mot speilet reflekteres med stråler som konvergerer til et felles [[Fokus (optikk)|fokus]]punkt. Andre buede overflater kan også fokusere lys, men på grunn av divergerende form vil fokus bli sprett ut i rommet. Ordet divergere brukes også for å beskrive linjer som løper fra hverandre. Spesielt sfæriske speil oppviser såkalt ''[[sfærisk aberrasjon]]''. Krumme speil kan danne bilder med forstørrelse med større enn, eller mindre enn én, og forstørrelsen kan også være negative, noe som indikerer at bildet er invertert. Et oppreist bilde dannet av refleksjon i et speil er alltid virtuelle, mens et invertert bilde er ekte og kan projiseres på en skjerm.<ref name="Geoptics" />

==== Refraksjon ====
{{Hoved|Lysbryting}}

[[Fil:Snells law.svg|thumb|Illustrasjon [[Snells brytningslov]] for tilfellet ''n<sub>1</sub> <n <sub> 2 </sub>'', som er tilfelle for grensesnittet luft/vann.]]

Lysbrytning oppstår når lyset går gjennom et område av rommet som gir en endring av brytningsindeksen: Dette prinsippet forklarer virkemåten til linser og fokusering av lyset. Den enkleste tilfellet med lysbrytning oppstår på en flate mellom et uniformt medium med brytningsindeks <math>n_1</math> og et annet medium med brytningsindeks <math>n_2</math>. I slike tilfeller beskriver [[Snells brytningslov]] den resulterende avbøyning av lysstrålen slik:

:<math>n_1\sin\theta_1 = n_2\sin\theta_2\ </math>

der <math> \theta_1 </math> og <math> \theta_2 </math> er vinklene til normalen (i grensesnittet) og mellom henholdsvis det innkommende og brutte lyset, se illustrasjonen til høyre. Dette fenomenet er også forbundet med en endring av hastigheten til lys sett fra definisjonen av brytningsindeksen gitt ovenfor som innebærer:

:<math>v_1\sin\theta_2\ = v_2\sin\theta_1</math>

der <math> v_1 </math> og <math> v_2 </math> er bølgehastighetene gjennom de respektive mediene.<ref name="Geoptics" />

En konsekvens av Snells brytningslov er at lysstråler som spres fra et materiale med en høy brytningsindeks til et materiale med lav brytningsindeks, er at interaksjon med grensesnittet kan resulterer i null transmisjon. Dette fenomenet kalles [[totalrefleksjon]] og er forklaringen bak teknologien kjent som ''[[fiberoptikk]]''. Lyssignaler som går gjennom en fiberoptisk kabel gjennomgår total indre refleksjon, slik at praktisk talt ikke noe lys går tapt over kabelens lengde. Det er også mulig å fremstille [[Polarisering (elektromagnetisme)|polariserte]] lysstråler med en kombinasjon av refleksjon og refraksjon: Når en brutt stråle og dens reflekterte stråle danner en rett vinkel mellom seg er den reflekterte strålen «polarisert». Innfallsvinkelen som kreves for en slikt refleksjon er kjent som [[Brewsters vinkel]].<ref name="Geoptics" />

Snells brytningslov kan brukes til å forutsi graden av avbøyning som skjer med lysstråler som  passerer gjennom «lineære media» så lenge brytningsindeks og geometriske forhold til mediet er kjent. For eksempel vil lys gjennom et prisme resulterer i at lysstrålen avbøyes avhengig av formen og orienteringen av prismet. I tillegg vil forskjellige frekvenser av lys ha litt forskjellig brytningsindeks i de fleste materialer, dermed kan brytning anvendes for å fremstille dispersjonsspektra som vises med regnbuens farger. Oppdagelsen av dette fenomenet tilskrives Isaac Newton.<ref name="Geoptics" />

Noen medier har en brytningsindeks som varierer gradvis med posisjonen til lysstrålen. Dette resulterer i at lysstråler beskriver en kurve gjennom mediet i stedet for rette linjer. Denne effekten er forårsaker [[luftspeiling]] på varme dager, hvor den endrede brytningsindeksen for luft fører til at lysstrålene blir avbøyd. Dette skaper inntrykk av speilende refleksjoner på avstand, som for eksempel kan sees på overflaten av havet sett fra lang avstand. Materiale som har en varierende brytningsindeks kalles et gradient-indeksmateriale (GRIN) og har mange nyttige egenskaper som brukes i moderne optiske teknologier som [[kopimaskin]]er og [[skanner]]e. Dette fagfeltet kalles [[gradient-indeksen optikk]].<ref>E. W. Marchand, Gradient Index Optikk, New York, NY, Academic Press, 1978.</ref>

[[File:Lens1.svg|thumb|Et diagram som viser forstørrelse gjennom en konvergerende linse.]]

En linse frembringer konvergerende eller divergerende lysstråler som følge av lysbrytning. Linser skaper knutepunkter på hver side som kan beregnes ved hjelp av ''linsemakerlikningen''.<ref name="Hecht">{{Cite book|author=E. Hecht|year=1987|title=Optics|url=https://archive.org/details/optics0000hech|edition=2nd|publisher=Addison Wesley|isbn=0-201-11609-X}} Chapters 5 & 6.</ref> Denne forteller at avstanden til fokus fra en linse i luft er gitt av:<ref>{{Cite book| first=Eugene|last=Hecht|year=1987|title=Optics| url=https://archive.org/details/optics0000hech|edition=2nd|side=14|publisher=Addison Wesley|isbn=0-201-11609-X |ref=harv}} Chapters 5 & 6.</ref>

:<math> \frac{1}{f} = (n-1) \left[ \frac{1}{R_1} - \frac{1}{R_2} + \frac{(n-1)d}{n R_1 R_2} \right],</math>

der
:<math>f</math> er avstanden fra linsen til fokus,
:<math>n</math> er brytningsindeksen for materialet til linsen,
:<math>R_1</math> er radius til linsens kurvatur til overflaten nærmest lyskilden,
:<math>R_2</math> er radius til linsens kurvatur til overflaten vekk fra lyskilden, og
:<math>d</math> er tykkelsen til linsen. Denne er definert som distansen mellom overflatens toppunkter. Overflatepunktene er punktene hvor hver optisk overflate krysser den optiske akse.

Se illustrasjonen til høyre som viser disse størrelsen.

[[File:lens3b.svg|thumb|Et diagram som viser lysstrålenes vei for en [[konveks linse]].]]

Generelt finnes det to typer linser: [[Konveks linse]]r som får parallelle lysstråler til å konvergere og [[konkav linse|konkave linser]] som får parallelle lysstråler å divergere. I likhet med buede speil, vil lysbryting i linser beskrives av en enkel ligning, denne bestemmer plasseringen av bildene som gis en bestemt brennvidde (<math> f </math>) og objektavstand (<math>S_1</math>):

:<math> \frac{1}{S_1} + \frac{1}{S_2} = \frac{1} {f}</math>

der <math>S_2</math> er avstanden forbundet med bildet, se illustrasjon til høyre. Ut fra konvensjonen er fortegnet negativ hvis det virtuelle bildet er på samme side av linsen som objektet som betraktes og positiv hvis det er på motsatt side av objektivet.<ref name="Hecht" /> Brennvidden <math> f </math> anses som negativ for konkave linser.

Innkommende parallelle stråler blir fokusert av en konveks linse i et såkalt ''invertert ekte bilde'' en brennviddes avstand fra linsen, og på den andre siden av linsen. Stråler fra et objekt med gitt avstand blir fokusert lengre fra linsen enn brennvidde: Jo nærmere objektet er linsen jo lengre blir bildet fra linsen. Med konkave linser vil innkommende parallelle stråler divergere etter å ha gått gjennom linsen. Dette skjer slik at de synes å ha sin opprinnelse i et oppreist virtuelt bilde én brennvidde fra linsen og på samme side av den som strålene kom fra. Stråler fra et objekt i endelig avstand er forbundet med et virtuelt bilde som er nærmere linsen enn brennvidden, og på samme side av linsen som objektet. Jo nærmere objektet er linsen, jo nærmere kommer det virtuelle bildet av linsen.

Forstørrelsen som en linse gir gitt av formelen:

:<math> M = - \frac {s_2} {S_1} = \frac {f} {f - S_1} </math>

der det negative fortegnet etter konvensjonen indikere et oppreist objekt for positive verdier og et snudd objekt for negative verdier. I likhet med speil vil oppreiste bilder produsert av enkeltlinser være virtuelle, mens inverterte bilder er ekte.<ref name="Geoptics" />

Linser har en type feil som kalles ''[[Aberrasjon (optikk)|aberrasjon]]'' som forvrenger bilder og brennpunkter. Dette skyldes både geometriske feil, samt endret brytningsindeks for ulike bølgelengder av lys, noe som kalles ''kromatisk aberrasjon''.<ref name="Geoptics" />

[[File:Thin lens images.svg|thumb|Bilder av sorte bokstaver dannes gjennom en [[konveks linse]] med  brennvidde ''f''&nbsp;er vist i rødt. Valgte stråler er vist for bokstavene '''E''', '''I''' og '''K''' i henholdsvis blått, grønt og oransje. Merk at '''E''' (dividert på 2''f '') har lik størrelse, real og inverterte bildet; '''I''' (delt på ''f'') har sitt bilde ved uendelig; og '''K''' (delt på ''f''/2) har et bilde med dobbel størrelse, som er virtuelle og oppreist.]]

=== Fysisk optikk ===
I fysisk optikk anses lyset å forplante som en [[bølge]]. Denne modell kan forutsi fenomener som interferens og [[diffraksjon]], som ikke kan forklares med geometrisk optikk. [[Lyshastigheten]] til bølger i [[luft]] er cirka 3,0×10<sup>8</sup>&nbsp;m/s (mer nøyaktig er denne hastigheten  299&nbsp;792&nbsp;458&nbsp;m/s i [[vakuum]]). [[Bølgelengde]]n til synlige lysbølger varierer mellom 400 og 700&nbsp;nm, men begrepet «lys» er også ofte brukt om de usynlige kategoriene [[Infrarød stråling|infrarød]]- (0,7-300&nbsp;μm) og [[Ultrafiolett stråling|ultrafiolett lys]] (10-400&nbsp;nm).

Bølgemodellen kan brukes til å forutsi hvordan et optisk system vil oppføre seg uten at det kreves en forklaring på hva som egentlig er «bølgen» som forplanter seg i mediumet. Frem til midten av 1800-tallet snakket de fleste fysikere om ''eteren'', et medium der lyset kunne spre seg.<ref>MV Klein & TE Furtak, 1986, Optics, John Wiley & Sons, New York ISBN 0471872970.</ref> Eksistensen av elektromagnetiske bølger ble forutsakt i 1865 på grunnlag av [[Maxwells likninger]]. Disse bølgene forplanter seg med [[lyshastigheten]] og har varierende elektrisk- og magnetiske felt som står normalt på hverandre, og normalt på forplantningsretningen for bølgene.<ref>{{Cite journal|last=Maxwell |first=James Clerk |authorlink=James Clerk Maxwell |title=A dynamical theory of the electromagnetic field|url=http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/1/19/A_Dynamical_Theory_of_the_Electromagnetic_Field.pdf|doi = 10.1098/rstl.1865.0008 |format=PDF |journal=Philosophical Transactions of the Royal Society of London |volume=155 |page=499 |year=1865}} Denne artikkelen ledsaget presentasjon som Maxwell hold hos [[Royal Society]] den 8. desember 1864. Se også «A dynamic theory about electromagnetic fields]»</ref> Lysbølger blir nå generelt behandlet som elektromagnetiske bølger, unntatt når kvantemekaniske effekter skal vurderes.

==== Modellering og design av optiske systemer ved hjelp av fysisk optikk ====
Mange forenklede tilnærmelser er utviklet for å analysere og utforme optiske systemer. De fleste av disse bruker et eneste [[skalar]]t [[felt (fysikk)|felt]] til å representere det elektriske feltet i lysbølgen, heller enn å bruke en [[vektorfelt]] med ortogonale elektriske- og magnetiske vektorer.<ref name="Born and Wolf">M. Born and E. Wolf (1999). Principle of Optics. Cambridge: Cambridge University Press. ISBN 0-521-64222-1.</ref> [[Huygens-Fresnels prinsipp]] er basert på en slik modell. Denne ble utledet empirisk av [[Augustin Fresnel]] (1788-1827) i 1815 ved å benytte Huygens hypotese om at hvert punkt på en bølgefront genererer en ny bølgefront, som oppstår ved [[Superposisjonsprinsippet|superposisjon]] av elementære kulebølger. [[Kirchhoffs diffraksjonsteori|Kirchhoffs diffraksjonformel]] som er utledet ved hjelp av [[Helmholtz-ligning]]en, setter Huygens-Fresnel-prinsippet på en mer solid teoretisk fundament.

Mer rigorøse modeller som omfatter modellering av både elektriske og magnetiske felt i lysbølgen, er nødvendig ved håndtering av den detaljerte interaksjonen av lys med materialer der interaksjonen er avhengig av både elektriske og magnetiske egenskaper. For eksempel er oppførselen til en lysbølge som samvirker med en overflate av metall ganske forskjellig fra det som skjer ved vekselvirkning med et ''dielektrisk materiale''. Dielektrisk materiale er for øvrig stoffer der transport av elektroner, elektronhull eller ioner normalt ikke skjer, men som allikevel kan bli polarisert av [[elektrisk felt|elektriske felter]]. En vektormodell må brukes til å modellere polarisert lys.

Teknikker for [[Datasimulering|numerisk modellering]] som for eksempel ''[[elementmetoden]]'', ''Boundary element method'' og ''transmission-line matrix method'' kan anvendes for å modellere forplantningen av lyset i systemer der dette matematisk ikke kan løses analytisk. Slike modeller er beregningsmessig krevende og blir normalt bare brukes til å løse småskalaproblemer som krever nøyaktighet utover det som kan oppnås med analytiske løsninger.<ref>{{Cite book|author=J. Goodman|year=2005|title=Introduction to Fourier Optics|edition=3rd ed,|publisher=Roberts & Co Publishers|isbn=0-9747077-2-4|url=https://archive.org/details/introductiontofo0000good_u8t0}}</ref>

Alle resultatene fra geometrisk optikk kan også anvendes ved hjelp av teknikker fra såkalt  ''Fourieroptikk''. Fourieroptikk anvender mange av de samme matematiske og analytiske teknikker som brukes i [[akustisk]] og [[signalbehandling]].

[[Gaussisk stråle]]forplantning (spredning av lysstrålen følger [[normalfordeling]]) er en enkel modell fra paraksial fysikalsk optikk for spredning av koherent stråling, for eksempel laserstråler. Denne teknikken tar delvis hensyn til diffraksjon, slik at nøyaktige beregninger av den hastighet en laserstråle ekspanderer med over avstand, og den minimale størrelse som strålen kan fokuseres. Gaussisk stråleforplantning bygger en bro mellom den geometriske og fysiske optikk.<ref>{{Cite book|author=A. E. Siegman|year=1986|title=Lasers|url=https://archive.org/details/lasers0000sieg|publisher=University Science Books|isbn=0-935702-11-3}} Chapter 16.</ref>

==== Superposisjon og interferens ====

{{Hoved|Interferens}}

{|align="right"
|-
|'''Kombinert<br> bølgeform'''
|colspan="2" rowspan="3"|[[File:Interference of two waves.svg]]
|-
|'''Bølge 1'''
|-
|'''Bølge 2'''
|-
|<br>
|'''To bølger i fase'''
|'''To bølger 180° ute <br>av fase'''
|}

Forskjellige lysbølger kan samvirke slik at det oppstår spesielle fenomener som det menneskelige øye oppfatter som mønstre. Denne interaksjonen mellom bølger er generelt betegnet interferens.  Hvis to bølger med samme bølgelengde og frekvens er ''i [[Bølgefase|fase]]'', vil både bølgetoppene og bølgedalene være sammenfallende, se illustrasjon til høyre. Dette resulterer i ''[[Interferens|konstruktiv interferens]]'' og en økning i amplituden til bølgene, som for lys er forbundet med sterkere lys i området. Motsatt fenomen oppstår hvis de to bølgene med samme bølgelengde og frekvens er ute av fase, da vil bølgetoppene være på linje med bølgedalene og vice versa. Dette resulterer i ''destruktiv interferens'' og en reduksjon i amplituden til bølgene. For lys er dette forbundet med en dimming av bølgeformen på det stedet.<ref name="interference">{{Cite book|title=University Physics 8e|author=H. D. Young|publisher=Addison-Wesley|year=1992|isbn=0-201-52981-5}}Chapter 37</ref>

[[Fil:Dieselrainbow.jpg|thumb|Søl av olje eller bensin gir fargerikt mønstre på grunn av tynnfilmforstyrrelser.]]

Siden Huygens-Fresnel-prinsippet forutsetter at et hvert punkt av en bølgefront er knyttet til produksjon av en ny forstyrrelse, er det mulig for en bølgefront å interferere med seg selv enten konstruktivt eller destruktivt på forskjellige steder. Noe som betyr at det oppstår lyse og mørke mønstre i regulære og forutsigbare mønstre.<ref name="interference" /> [[Interferometri]] er vitenskapen om måling av disse mønstrene. Vanligvis studeres slike fenomener for å gjøre presise forutsigelser om avstander eller [[optisk oppløsning]]er.<ref name="interferometry">{{Cite book|author=P. Hariharan|title=Optical Interferometry|edition=2nd|publisher=Academic Press|place=San Diego, USA|year=2003|url=http://www.astro.lsa.umich.edu/~monnier/Publications/ROP2003_final.pdf|isbn=0-12-325220-2}}</ref> [[Michelsons interferometer]] er et kjent instrument som brukte interferenseffekter til å måle lysets hastighet nøyaktig.<ref>{{Cite book|author=E. R. Hoover|title=Cradle of Greatness: National and World Achievements of Ohio's Western Reserve|place=Cleveland|publisher=Shaker Savings Association|year=1977}}</ref>

Utseendet til tynne filmer og belegg er direkte berørt av interferens effekter. [[Antirefleksbelegg]]  bruker destruktiv interferens for å redusere refleksjon på overflater, og kan brukes til å redusere gjenskinn og uønskede refleksjoner. I det enkleste tilfelle er det snakk om et enkelt lag med tykkelse på en fjerdedel av bølgelengden av det innfallende lyset. Den reflekterte bølge fra toppen av filmen og den reflekterte bølge fra film/material-grensesnittet er da nøyaktig 180° ute av fase, noe som forårsaker destruktiv interferens. Bølgene er bare akkurat ute av fase for en bølgelengde, som typisk ville bli valgt til å være i nærheten av sentrum av det synlige spektrum, cirka 550&nbsp;nm. Mer komplekse design med flere lag kan brukes for å oppnå lav refleksjon over et bredt bånd, eller ekstremt lav refleksjon på en enkelt bølgelengde.

Konstruktiv interferens i tynnfilmer kan skape sterke refleksjoner av lys i et intervall av bølgelengder som kan være smal eller bred, avhengig av utformingen av belegget. Disse filmene  brukes til å lage ''dielektriske speil'', ''interferensfilter'', [[varmereflektor]]er, og filtre for fargeseparasjon i kameraer for [[fargefjernsyn]]. Denne interferenseffekten forårsaker også de fargerike regnbuemønstre som kan sees i oljesøl.<ref name="interference" />

==== Diffraksjon og optisk oppløsning ====
{{Hoved|Diffraksjon}}

[[Fil:Diffraction through Pinhole.svg|thumb|Bølger som går mot en hindring der bare et lite hull slipper disse gjennom. Hvis hullets diameter er vesentlig mindre enn bølgelengden, oppstår det sfæriske bølger bak hindringen.]]

[[Fil:Diffraction through Slit.svg|thumb|Bølger som går mot en hindring der bare en liten spalte slipper disse gjennom. Hvis spaltebredden er vesentlig mindre enn bølgelengden, oppstår sylindriske bølger bak hindringen.]]

[[Fil:Double slit diffraction.svg|thumb|Diffraksjon mellom to spalter atskilt med en avstand <math>d</math> sett ovenfra. Det lyse mønstret oppstår langs linjene der de svarte linjene krysser med svarte linjer og de hvite linjene krysser hverandre med hvite linjer. Disse mønstrene er atskilt med vinkelen <math>\theta</math> og er nummerert som for <math>m</math>.]]

Diffraksjon er et fenomen der interferens med lys kan observeres. Effekten ble først beskrevet i 1665 av [[Francesco Maria Grimaldi]], som også innførte begrepet fra det latinske ''diffringere'', «å bryte i stykker».<ref>{{Cite book|title=Memoires pour l'histoire des sciences et des beaux arts|author=J. L. Aubert|publisher=Impr. de S. A. S.; Chez E. Ganeau|place=Paris|year=1760|page=149|url=}}</ref><ref>{{Cite book|title=A Treatise on Optics|author=D. Brewster|year=1831|publisher=Longman, Rees, Orme, Brown & Green and John Taylor|place=London|page = [https://archive.org/details/atreatiseonopti00brewgoog/page/n113 95]|url =https://archive.org/details/atreatiseonopti00brewgoog}}</ref> Senere i samme århundre beskrev Robert Hooke og Isaac Newton også andre fenomener som nå omtales for å være diffraksjon, nemlig [[Newtons ringer]],<ref>{{Cite book|author=R. Hooke|title=Micrographia: or, Some physiological descriptions of minute bodies made by magnifying glasses|url=https://archive.org/details/b30326370|place=London|publisher=J. Martyn and J. Allestry|year=1665|isbn=0-486-49564-7}}</ref> mens [[James Gregory (matematiker)|James Gregory]] dokumenterte sine observasjoner av diffraksjonsmønstre på fuglefjær.<ref>{{Cite journal|author=H. W. Turnbull|title=Early Scottish Relations with the Royal Society: I. James Gregory, F.R.S. (1638–1675)|journal = Notes and Records of the Royal Society of London|volume=3|page=22|doi=10.1098/rsnr.1940.0003|jstor = 531136|date=1940–1941}}</ref>

Diffraksjon er bøyning av lys rundt hjørnene av en hindring eller åpning, og skjer i området med «geometrisk skygge» bak hinderet. De to figurene til høyre viser hvordan bølger brer seg ut ved passering av et hull (øverst) og en spalte (nederst). Fenomenet opptrer for lys og andre bølger, som for eksempel bølger i vann. Det oppstår i neste omgang interferens mellom bølgene som gir seg utslag i forskjellige mønstre som kan observeres, for eksempel fargespill i fuglefjær. For enkle kontrollerte forsøk kan fenomenet observeres i et basseng der bølger sendes mot hindringer med for eksempel en eller flere spalter.

Den første fysiske optiske modell av diffraksjon som støttet seg på [[Huygens-Fresnels prinsipp]], ble utviklet i 1803 av [[Thomas Young (forsker)|Thomas Young]] i hans  [[dobbeltspalteeksperiment]] der  interferensmønstre mellom to spalter med tett avstand ble demonstrert. Young viste at hans resultater bare kan forklares hvis de to spaltene fungert som to unike kilder til bølger heller enn en enkeltkilde.<ref>{{Cite book|author=T. Rothman|authorlink =Tony Rothman|title=Everything's Relative and Other Fables in Science and Technology|url=https://archive.org/details/everythingsrelat0000roth|publisher=Wiley|place=New Jersey|year=2003|isbn=0-471-20257-6}}</ref> I 1815 og 1818 etablert Fresnel en god matematisk redegjørelse for hvordan bølgeforstyrrelser kan forklare diffraksjon.<ref name="Hecht" />

De enkleste fysiske modeller for diffraksjon bruker ligningene som beskriver [[Vinkelavstand|vinkelseparering]] av lyse og mørke mønstre på grunn av lys av en bestemt bølgelengde (''λ''). Generelt tar ligningen formen:

:<math>m \lambda = d \sin \theta</math>

hvor <math>d</math> er avstanden mellom to kilder til bølgefronter (i tilfelle med Youngs eksperimenter var det to spalter som var kilden), <math>\theta</math> er vinkelforskjellen mellom det sentrale mønsteret og <math>m</math> er det m'te ordens mønster hvor det sentrale maksimum er <math>m=0</math>. Se illustrasjonen nedenfor til høyre.<ref name="Young38">{{Cite book|title=University Physics 8e|author=H. D. Young|publisher=Addison-Wesley|year=1992|isbn=0-201-52981-5}}Chapter 38</ref> Denne ligningen er modifisert noe for å ta hensyn til en rekke situasjoner for diffraksjon gjennom en enkelt spalte, diffraksjon gjennom flere spalter, eller diffraksjon gjennom et gitter som inneholder et stort antall spalter med lik innbyrdes avstand.<ref name="Young38" /> Mer kompliserte modeller av diffraksjon krever anvendelse av matematikk som gjelder for Fresnel- eller [[Fraunhofer-diffraksjon]].<ref name="phyoptics">{{Cite book|author=R. S. Longhurst|title=Geometrical and Physical Optics, 2nd Edition|year=1968|publisher=Longmans|location=London}}</ref>

[[Røntgendiffraksjon]] forklares med det faktum at atomene i et [[krystall]] har lik avstand mellom hverandre og er i størrelsesorden av én [[angstrom]]. For å se diffraksjonsmønstre blir det send røntgenstråler med denne bølgelengden gjennom en krystall. Fordi krystallene er tredimensjonale objekter, i motsetning til et to-dimensjonale gitter, varierer de tilhørende diffraksjonsmønstere i to retninger i henhold til Bragg-refleksjon, med tilhørende lyse flekker som forekommer i unike mønstre og <math>d</math> er to ganger avstanden mellom atomene.<ref name="Young38" />

Diffraksjonseffekter begrenser muligheten for en optisk detektor til å kunne oppløse lys fra separate lyskilder. Generelt vil lys som passerer gjennom en [[apertur]] (blenderåpning) gjennomgå diffraksjon, og de beste bildene som kan opprettes fremstår som et sentralt sted med rundt lyse ringer, adskilt av mørke nullverdier: Dette mønsteret er kjent som et såkalt ''Airy-mønster'' og den sentrale lyse området som en ''Airy-disk'', begge oppkalt etter den engelske astronom [[George Biddell Airy]].<ref name="Hecht" /> Størrelsen på en slik skive er gitt ved:

:<math> \sin \theta = 1.22 \frac{\lambda}{D}</math>

hvor ''q'' er [[vinkeloppløsning]]en, ''λ'' er bølgelengde av lyset, og ''D'' er diameter til blenderåpningen. Hvis vinkelseparasjonen av de to punktene er betydelig mindre enn den luftig skivens vinkelradius, kan ikke de to punktene løses opp i bildet. Hvis derimot deres vinkelseparasjon er mye større enn dette, dannes tydelige bilder av de to punktene og de kan derfor løses opp. [[John William Strutt]] definert noe vilkårlige ''Rayleigh-kriteriet'' om at to punkter med vinkelseparasjon som er lik den luftig skivens radius (målt til første null, det vil si til det første stedet hvor intet lys kan sees) kan anses å være oppløst. Det kan observeres at jo større diameteren av linsen eller dens åpning er, jo finere oppløsning oppstår.<ref name="Young38" /> Et astronomisk interferometer med sin evne til å etterligne meget store utgangsåpninger, tillater størst mulig vinkeloppløsning.<ref name="interferometry" />

For bildebehandling innenfor astronomien er det et problem at atmosfæren hindrer at optimal oppløsning blir oppnådd i det synlige spekteret på grunn av atmosfæriske [[spredning]]. Dette forårsaker at stjerner [[Scintillasjon|tindrer]]. Astronomer refererer til denne effekten som ''[[seeing]]''. Teknikker kjent som [[adaptiv optikk]] blir brukt for å eliminere den atmosfæriske forstyrrelser av bilder og for å oppnå resultater som nærmer seg diffraksjonsgrensen.<ref>[http://www.mrao.cam.ac.uk/projects/OAS/publications/fulltext/rnt_thesis.pdf Lucky Exposures: Diffraction limited astronomical imaging through the atmosphere]'' by Robert Nigel Tubbs</ref>

==== Spredning ====
{{Hoved|Spredning}}

[[Fil:Light dispersion conceptual waves.gif|thumb|right|Konseptuell animasjon som viser  [[lysbrytning]] gjennom et prisme. Lys med høy frekvens (blått) avbøyes mest, mens lys med lav frekvens (rød) avbøyes minst.]]

Refraktive fenomener kan observeres i grense mellom to stoffer med forskjellige optiske egenskaper, som en form for [[spredning]]. Den enkleste form for spredning er [[Thomson-spredning]] som oppstår når elektromagnetiske bølger avbøyes av enkeltpartikler. I yttergrensen for Thompson-spredning hvor den bølgelignende karakter til lyset er tydelig, blir lys brutt uavhengig av frekvensen, i motsetning til [[Compton-spredning]], som er frekvensavhengig og en rent [[kvantemekanikk|kvantemekanisk prosess]]. I statistisk forstand er elastisk spredning av lys på grunn av en stor mengde partikler mye mindre enn bølgelengden til lyset, en prosess som kalles [[Rayleigh-spredning]]. Motsatt er den tilsvarende prosessen for spredning av partikler som har lik eller større bølgelengde enn partiklene som forårsaker spredningen, kjent som [[Mie-teorien|Mie-spredning]] med [[Tyndall-effekt]]en som et vanlig observert resultat. En liten andel av lysspredning fra atomer eller molekyler kan gjennomgå [[Ramanspredning|Raman-spredning]], karakterisert ved  frekvensendringer som skyldes [[Eksitasjon|eksitering]] av atomer og molekyler. [[Brillouin-spredning]] oppstår når frekvensen av lyset endres på grunn av lokale endringer med tid og bevegelser av et optisk tett materiale.<ref>{{Cite book|author=C. F. Bohren and D. R. Huffman|title=Absorption and Scattering of Light by Small Particles|publisher=Wiley|year=1983|isbn=0-471-29340-7}}</ref>

====Dipersjon====
{{Hoved#Dispersjon (optikk)|Dispersjon}}
Dispersjon oppstår når forskjellige frekvenser av lys har forskjellig [[fasefart]], enten på grunn av materialegenskapene (''materialdispersjon'') eller på grunn av geometrien i en [[optisk bølgeleder]] (''bølgeleder''). Den mest kjente formen for dispersjon er en reduksjon i brytningsindeks med økende bølgelengde, noe som kan sees i de fleste transparente materialer. Dette kalles «normal dispersjon». Det forekommer i alle [[Dielektrisk materiale|dielektriske materialer]], i bølgelengdeområder der materialet absorberer ikke lys.<ref name="J286">{{Cite book|author=J. D. Jackson|title=Classical Electrodynamics|url=https://archive.org/details/classicalelectro00jack_0|edition=2nd|publisher=Wiley|year=1975|isbn=0-471-43132-X|page=[https://archive.org/details/classicalelectro00jack_0/page/286 286]}}</ref> I bølgelengdeområder hvor et medium har betydelig absorpsjon, kan brytningsindeksen øke med bølgelengden. Dette kalles ''anomal'' eller «unormal dispersjon».<ref name="Geoptics" /><ref name="J286" />

Separasjonen av farger i et prisme (lysbryting) er et eksempel på normal dispersjon. Mot overflatene på prismet  forutsier Snells lov at innfallende lys i en vinkel ''θ'' til normalen vil bli brutt i en vinkel ''arcsin(sin (θ)/n''). Således vil blått lys med høyere brytningsindeks, bli avbøyd sterkere enn rødt lys, noe som resulterer i det velkjente [[regnbue]]mønsteret.<ref name="Geoptics" />

[[Fil:Wave group.gif|frame|Dispersion: to sinusformede lysbølger forplanter seg med forskjellige hastigheter noe som skaper et bevegende interferensmønster. Den røde prikken beveger seg med [[fasefart]], og de grønne prikkene forplante med [[gruppefart]]. I dette tilfelle er fasefart den dobbelte av gruppefart. Den røde prikken kjører forbi to grønne prikker når den flytter seg fra venstre til høyre i figuren. Effekten av dette er at de enkelte bølgene (som forplanter seg med fasefart) unnslipper fra bølgepakken (som beveger seg med gruppefart).]]

Materialdispersjon blir ofte beskrevet av [[Abbetall]]et, som gir et enkelt mål for spredning basert på brytningsindeksen ved tre bestemte bølgelengder. Bølgelederspredning er avhengig av [[forplantningskonstanten]].<ref name="Hecht" /> Begge typer spredning føre til endringer i gruppekarakteristikken til bølgen, egenskapene i bølgepakken som endres med samme frekvens som amplitude av den elektromagnetiske bølgen. ''Gruppfartdispersjon'' manifesterer seg som en spredning av signalets (bølgens) "omhyllingskurve", den kan kvantifiseres med ''forsinkelsesparameteren for gruppedispersjonen'':

:<math>D = \frac{1}{v_g^2} \frac{dv_g}{d\lambda}</math>

der <math>v_g</math> er gruppefarten.<ref name="optnet">{{Cite book|author1=R. Ramaswami |author2=K. N. Sivarajan |title=Optical Networks: A Practical Perspective | url= | isbn=0-12-374092-4 | publisher=Academic Press |l ocation=London | year=1998}}</ref> For et uniform medium er gruppehastigheten:

:<math>v_g = c \left( n - \lambda \frac{dn}{d\lambda} \right)^{-1}</math>

hvor ''n'' er brytningsindeksen og ''c'' er lysets hastighet i vakuum.<ref>Brillouin, Léon. ''Wave Propagation and Group Velocity''. Academic Press Inc., New York (1960)</ref> Dette gir en enklere form for forsinkelsesparameter for gruppedispersjon:

:<math>D = - \frac{\lambda}{c} \, \frac{d^2 n}{d \lambda^2}.</math>

Dersom ''D'' er mindre enn null, sies mediet å ha ''positive dispersjon'' eller ''normal dispersjon''. Dersom ''D'' er større enn null, har det medium ''negativ dispersjon''. Hvis en lyspuls forplanter seg gjennom en normalt dispergerende medium, blir resultatet at de høyere frekvenskomponentene avtar mer enn de lavere frekvenskomponentene. Pulsen blir derfor ''positivt [[chirp]]et'' eller '' up-chirpet'', det vil si at frekvensen øker med tiden. Dette fører til at spekteret som kommer ut av et prisme dukker opp med rødt lys der det brytes minst, og som blått/fiolett lys der det brytes mest. Hvis en bølge derimot går gjennom et unormalt (negativt) dispersivt medium, vil høye frekvenskomponenter bevege seg raskere enn de lavere, og pulsen blir ''negativt chirpet'' eller ''down-chirpet'', noe som gjør at lyset minker i frekvens med tiden.<ref>{{Cite book| author=M. Born and E. Wolf | authorlink = Max Born | title=Principle of Optics | publisher=Cambridge University Press | year=1999 | location=Cambridge | pages=14–24 | isbn=0-521-64222-1}}</ref>

Resultatet av gruppefartdispersjon, enten den er negativt eller positivt, er i siste instans tidsavhengig spredning av pulsen. Dette gjør styring av dispersjon svært viktig i optiske kommunikasjonssystemer basert på fiberoptiske kabler. Ellers vil dispersjon, om den blir for stor, føre til at grupper av lyspulser med informasjon bli spredd over tid og slå seg sammen, noe som gjør det umulig å trekke ut signalene.<ref name="optnet" />

==== Polarisasjon====
{{Hoved|Elektromagnetisk polarisasjon}}

[[Fil:Animation polariseur.gif|miniatyr|Animasjon som demonstrerer at en polarisator som dreies endrer lyset som slipper gjennom.]]

Polarisasjon er en generell egenskap ved bølger som beskriver svingningenes orienteringen i rommet til. Mange elektromagnetiske bølger er transversalbølger der polarisering beskriver orienteringen av svingningene i planet vinkelrett på bølgeretningen. Svingningene kan være orientert i en enkelt retning og omtales som [[Polarisert lys#Lineær polarisasjon|lineær polarisasjon]], eller svingningens retning kan dreie seg når bølgen forplanter seg og kalles generelt for [[elliptisk polarisasjon]]. Et viktig spesialtilfelle er [[Polarisert lys#Sirkulær polarisasjon|sirkulær polarisasjon]] der feltvektoren roterer mot høyre eller mot venstre i fartsretningen. Hvilke av disse to rotasjonene som er til stede i en bølge, kalles for  dens [[kiralitet]].<ref name="light">{{Cite book|title=University Physics 8e|author=H. D. Young|publisher=Addison-Wesley|year=1992|isbn=0-201-52981-5}}Chapter 34</ref>

Den typiske måten å vurdere polarisering på er å holde rede på orienteringen av det elektriske feltets [[Vektor (matematikk)|vektor]] når den elektromagnetiske bølgen forplanter seg, se illustrasjon nedenfor. Den elektriske feltvektoren i en plan bølge kan oppdeles vilkårlig i to vinkelrette vektorkomponenter merket ''x'' og ''y'' (med ''z'' som angir hastighetens retning). Formen som skapes i xy-planet av den elektriske feltvektoren er en [[ellipse]] som beskriver ''polarisasjonstilstanden'' til bølgen.<ref name="Hecht" /> Figurene nedenfor viser noen eksempler på utbredelsen av den elektriske feltvektoren (sort), med tiden (vertikale akser, z-akse), ved et spesielt punkt i rommet, sammen med dens ''x-'' og ''y-'' komponenter (rød/venstre og blå/høyre), og projeksjonen til vektoren i planet (lyseblå): Samme utbredelse ville oppstått om en ser kun på det elektriske felt på et bestemt tidspunkt, mens det utbrer seg i rommet med motsatt retning av forplantningsretningen.

I figuren lengst til venstre er x- og y-komponentene av lysbølgen i fase. I dette tilfelle er forholdet mellom deres styrke konstant, slik at retningen av den elektriske vektoren (vektorsummen av de to komponentene) er konstant. Ettersom vektoren beskriver en enkelt linje i planet (nederst), kalles dette spesielt tilfelle ''lineær polarisasjon''. Retningen av linjen er avhengig av de relative amplitudene til de to komponentene.<ref name="light" />

I figuren i midten er det to ortogonale komponenter som har samme amplituder og er 90° ute av fase med hverandre. I dette tilfellet er en komponent null når den andre komponent har maksimal eller minimal amplitude. Det er to mulige faseforhold som tilfredsstiller denne tilstanden; nemlig at ''x''-komponent kan være 90° foran'' y''-komponenten, eller den kan være 90° bak ''y''-komponenten. I dette spesielle tilfellet beskriver den elektriske vektoren en sirkel i planet, kalles derfor ''sirkulær polarisasjon''. Rotasjonsretningen i sirkelen er avhengig av hvilket faseforhold som eksisterer og benevnes ''høyrevridd'' eller ''venstrevridd'' sirkulærpolarisasjon.<ref name="Hecht" />

I det tredje tilfellet hvor de to komponentene enten ikke har samme amplituder og/eller deres faseforskjell hverken er null eller et multiplum av 90°, oppstår en polarisasjon som kalles [[elliptisk polarisasjon]]. Årsaken til navnet er at den elektriske vektoren beskriver en [[ellipse]] i planet (en ''polarisasjonsellipse''). Dette er vist i figuren over helt til høyre. Detaljerte matematisk beskrivelse  av polarisasjon blir gjort ved hjelp av såkalt [[Jones-kalkulus]] eller eventuelt ved såkalte [[Stokes-parameter]] når lyset bare er delvis polarisert.<ref name="Hecht" />
<div style="float:right">
[[File:Polarisation (Elliptical).svg|right|Elliptisk polariseringsdiagram.]]
<div style="text-align:center">''Elliptisk polarisasjon''</div>
</div>
<div style="float:right">
[[File:Polarisation (Circular).svg|right|Sirkulær polariseringsdiagram.]]
<div style="text-align:center">''Sirkulær polarisasjon ''</div>
</div>
<div style="float:right">
[[File:Polarisation (Linear).svg|right|Linear polariseringsdiagram.]]
<div style="text-align:center">''Lineær polarisasjon''</div>
</div>
{{Clear}}

===== Endring av polarisasjon=====
[[Fil:Calcite.jpg|thumb|Eksempel på dobbelbrytning gjennom en tynn gjennomsiktig plate av minneralet [[kalsitt]].]]

Medier som har ulike brytningsindekser for ulike polarisasjons-moduser kalles ''[[Dobbeltbrytning|dobbeltbrytende]]''.<ref name="light" /> Velkjente sammenhenger der denne effekten skjer er i en [[Faseforsinker|optisk kompensator]] og ved [[Faraday-effekt]]en.<ref name="Hecht" /> Dersom lengden av det dobbeltbrytende mediumet er tilstrekkelig, vil plane bølger gå ut av materialet med en signifikant annerledes forplantningsretning enn inn, dette på grunn av lysbrytning. For eksempel er dette tilfelle med makroskopiske krystaller av [[kalsitt]], som gir observatøren to offset, det vil si ortogonalt polariserte bilder av det som sees gjennom det, se figur til høyre. Det var denne virkningen som førte til den første oppdagelse av polarisering av [[Rasmus Bartholin]] i 1669. I tillegg er faseforskyvningen, og således endringen i polarisasjonstilstanden, vanligvis frekvensavhengig noe som sammen med ''[[dikroisme]]'' ofte gir opphav til lyse farger og regnbuelignende effekter. I [[mineralogi]] er slike egenskaper kjent som ''[[pleokroisme]]'', noe som ofte utnyttes for å identifisere mineraler ved hjelp av ''polariseringsmikroskoper''. I tillegg er det mange plastmaterialer som normalt ikke er dobbeltbrytende, men som blir det når de utsettes for mekaniske påkjenninger, et fenomen som er grunnlaget for ''[[fotoelastisitet]]''.<ref name="light" /> ''Ikke-dobbeltbrytende metoder'' for å rotere lineær polarisering av lysstråler omfatter bruk av prismatiske ''polarisasjonsrotorer'' som anvender [[totalrefleksjon]] i et prismesett som er utformet for effektiv ''kolineære overføringer''.<ref>{{Cite book|author=F. J. Duarte |authorlink = F. J. Duarte |title=Tunable Laser Optics |edition= 2nd |publisher=CRC |year=2015 |location=New York |pages=117–120 |isbn=978-1-4822-4529-5 |url=http://www.tunablelaseroptics.com}}</ref>

[[File:Malus law.svg|right|thumb|Et polariserende element endre retningen til lineært polarisert lys.  På dette bildet er ''q''<sub>1</sub> -''q<sub>0</sub>'' = ''q<sub>i </sub>'']]

Mediumer som reduserer amplituden til visse polarisasjonsmodi kalles ''[[Dikroisme|dikroiske]]''. Enheter som blokkerer nesten alle bølger i en modus kalles ''polarisasjonsfiltre'' eller bare ''[[polarisator]]er''. Malus' lov som er oppkalt etter [[Étienne-Louis Malus]], sier at når en perfekt polarisator er plassert i en lineært polarisert lysstråle vil intensiteten ''I'' av lyset som passerer gjennom være gitt av:

:<math> I = I_0 \cos^2 \theta_i \,</math>

der ''I<sub>0</sub>'' er den opprinnelige intensiteten og ''θ<sub>i</sub>'' er vinkelen mellom lysets opprinnelige polarisasjonsretning og aksen til polarisatoren.<ref name="light" />

En stråle av upolarisert lys kan betraktes som å inneholdende en ensartet blanding av lineære polarisasjoner i alle mulige vinkler. Siden den gjennomsnittlige verdien av <math>\cos^2 \theta</math> er 1/2, blir transmisjonskoeffisienten:

:<math> \frac {I}{I_0} = \frac {1}{2}\quad</math>

I praksis vil noe lys gå tapt i polarisatoren og selve overføringen av upolarisert lys vil bli noe lavere enn dette, rundt 38&nbsp;% for Polaroid-type polarisator, men betydelig høyere (>&nbsp;49,9&nbsp;%) for noen dobbeltbrytende prismetyper.<ref name="Hecht" />

I tillegg til dobbeltbrytning og dikroisme i media med en viss utstrekning, kan polariseringseffekter også forekomme på (reflekterende) grensesnitt mellom to materialer med forskjellig brytningsindeks. Disse effektene kan beskrives ved [[Fresnels formler]]. En del av bølgen blir overført, og en del reflekteres, idet forholdet avhenger av innfallsvinkelen og brytningsvinkelen. På denne måten gjenopptar den fysikalske optikken [[Brewsters vinkel]].<ref name="Hecht" /> Når lyset reflekteres fra en tynnfilm på en overflate, kan interferens mellom refleksjonene fra filmens overflater produsere polarisering i det reflekterte og overførte lyset.

===== Naturlig lys =====
[[Fil:CircularPolarizer.jpg|thumb|Virkningene av et polariserende filter på himmelen i et fotografi. Bildet til venstre er tatt uten polariseringsfilter. For bildet til høyre ble filteret justert for å eliminere visse polarisasjoner i det spredte blå lyset fra himmelen.]]

[[Fil:Wire-grid-polarizer.svg|thumb|Polarisasjonsfiltre tillater elektromagnetisk stråling å passere nesten uhindret om polarisasjonen sammenfaller med filterets polariseringsretning og demper  stråling sterkt om polariseringen er vinkelrett på filterets polarisasjon.]]

De fleste kilder til elektromagnetisk stråling inneholder et stort antall atomer eller molekyler som sender ut lys. Orienteringen av de elektriske feltene produsert av disse emitterne kan ikke være [[Korrelasjon|korrelert]], i slike tilfeller sies lyset å være ''upolarisert''. Hvis det er delvis korrelasjon mellom emitterne er lyset ''delvis polarisert''. Hvis polariseringen er konsistent over hele spekteret til kilden, kan delvis polarisert lys beskrives som en superposisjon av en helt upolarisert komponent og en annen fullstendig polarisert komponent. En kan da beskrive lyset i form av ''graden av polarisering'', og parametrene til polarisasjonens ellipse.<ref name="Hecht" />

Lys som reflekteres av glinsende transparente materialer er delvis eller fullstendig polarisert, bortsett fra når lyset er normalt (vinkelrett) på overflaten. Det var denne effekten som fikk matematikeren [[Étienne-Louis Malus]] (1775-1812) til å gjøre målinger for å kunne utvikle de første matematiske modeller for polarisert lys. Polarisering oppstår når lyset blir spredt i [[Jordens atmosfære|atmosfære]]. Det spredte lyset produserer lysstyrken og fargen på den klare [[Atmosfære|himmelen]]. Delvis polarisering av spredt lys kan bli utnyttet ved å bruke polarisasjonsfiltre for å mørkne himmelen på bilder. Optisk polarisering er prinsipielt viktig i [[kjemi]]en på grunn av ''[[sirkulærdikroisme]]'' og ''[[optisk rotasjon]]'' (''sirkulær dobbeltbrytning'') forårsaket ved optisk aktive [[molekyler]] (Kiralitet).<ref name="Hecht" />

== Moderne optikk ==
''Moderne optikk'' omfatter fagområder innenfor optisk- og ingeniørvitenskap som ble populære på 1900-tallet. Disse områdene av optisk vitenskap relatere seg typisk til de elektromagnetiske eller kvantemekaniske egenskapene til lys, men tar også med andre emner. Et stor delfelt av moderne optikk er [[kvanteoptikk]] der det legges spesielt vekt på de kvantemekaniske egenskapene til lys. Kvanteoptikk er ikke bare teoretisk; noen moderne apparater som for eksempel laseren bygger på  prinsipper som er avhengige av kvantemekanikk. Lysdetektorer som for eksempel [[fotomultiplikator]]er og [[elektronmultiplikator]]er er så følsomme at de er i stand til å reagere selv på bare enkelt fotoner. Elektroniske [[bildesensor]]er, som for eksempel [[CCD]]-er, gir en type støy som korresponderer med statistikk for hendelser relatert til enkeltfotoner. [[Lysdiode]]er og [[solcelle]]er kan heller ikke forstås uten kvantemekanikk. I studiet av disse enhetene kan kvanteoptikk ofte overlapper med ''[[kvanteelektronikk]]''.<ref>[[Daniel Frank Walls|D. F. Walls]] and G. J. Milburn ''Quantum Optics'' (Springer 1994)</ref>

Spesialområder innenfor forskning på optikk omfatter studiet av hvordan lys samvirker med spesifikke materialer som i [[krystalloptikk]] og [[metamateriale]]r. Annen forskning fokuserer på fenomenologien i tilknytning til elektromagnetiske bølger som i ''singulære optikk'', ''non-avbildningsoptikk'', ''ikke-lineær optikk'', ''statistisk optikk'' og [[radiometri]]. I tillegg har datateknologien hatt interesse for forskning på ''integrert optikk'', ''maskinsyn'' og databehandling basert på lys som mulige komponenter i "neste generasjons datamaskiner''.<ref>{{Cite book|author=Alastair D. McAulay|title=Optical computer architectures: the application of optical concepts to next generation computers|url=https://archive.org/details/opticalcomputera0000mcau|accessdate=12. juli 2012|date=16. januar 1991|publisher=Wiley|isbn=978-0-471-63242-9}}</ref>

I dag er den rene vitenskapen om optikk kalt ''optisk vitenskap'' eller ''optisk fysikk'' for å skille den fra anvendte optiske fagfelt, som ofte kalles optiske ingeniørfag. Viktige fagfelter under de optiske ingeniørfagene inkluderer [[belysning]], fotonikk og [[optoelektronikk]] med praktiske anvendelsesområder som konstruksjon av objektiver, andre optiske komponenter og bildebehandling. Noen av disse feltene overlapper, noe som betyr at fagfeltene betyr litt forskjellige ting i ulike deler av verden og i ulike deler av industrien. En profesjonelt fellesskap av forskere i lineære optikk har utviklet seg de siste tiårene på grunn av fremskritt innenfor laserteknologi.<ref>{{Cite book|title=The principles of nonlinear optics|author=Y. R. Shen|publisher=New York, Wiley-Interscience|year=1984|isbn=0-471-88998-9}}</ref>

=== Lasere ===
{{Hoved|Laser}}

[[Fil:Military laser experiment.jpg|thumb|Eksperimenter som dette med [[Laser|høyeffektlasere]] er en del av den moderne forskning innenfor optikk. {{Byline|US Air Force}}]]

[[Fil:The VLT’s Artificial Star.jpg|thumb|[[Very Large Telescope]] som benytter laser guidet.<ref>{{Cite news|title=The VLT’s Artificial Star|url=http://www.eso.org/public/images/potw1425a/|accessdate=25. juni 2014|work=ESO Picture of the Week}}</ref> {{Byline|G. Lombardi}}]]

En laser er en enhet som emitterer lys (elektromagnetisk stråling) gjennom en prosess som kalles ''[[stimulert emisjon]]''. Begrepet ''laser'' er en [[akronym]] for «Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation».<ref>{{Cite web|accessdate=2008-05-15|url=http://dictionary.reference.com/browse/laser|title=laser|publisher=[[Reference.com]]}}</ref>  Laserlys er vanligvis ''romlig [[Koherens|koherent]]'', noe som betyr at lyset enten slippes ut i en smal, lavt-divergerende stråle, eller kan omdannes til en slik ved hjelp av optiske komponenter som linser. Enheter som avgir mikrobølger og [[Radiofrekvens|radio]] kalles for ''masere''.<ref>[http://nobelprize.org/physics/laureates/1964/townes-lecture.pdf Charles H. Townes – Nobel Lecture]. nobelprize.org</ref>

Den første brukbare laser ble demonstrert den [[16. mai]] [[1960]] av [[Theodore Maiman]] (1927-2007) ved Hughes Research Laboratories.<ref>{{Cite web|accessdate=2008-05-15|url=http://www.press.uchicago.edu/Misc/Chicago/284158_townes.html|title=The first laser|publisher=University of Chicago|author=C. H. Townes}}</ref> Etter at den ble oppfunnet ble laseren kalt «en løsning på jakt etter et problem.»<ref>{{Cite book|title=A Century of Nature: Twenty-One Discoveries that Changed Science and the World|author=C. H. Townes|authorlink=Charles Hard Townes|chapter=The first laser|chapterurl=http://www.press.uchicago.edu/Misc/Chicago/284158_townes.html|editor= Laura Garwin and Tim Lincoln|publisher=University of Chicago Press|year=2003|pages=107–12|isbn=0-226-28413-1}}</ref> Siden da har laserteknologi blitt storindustri, der disse nå finnes i tusenvis av svært forskjellige apparater og systemer. Den første bruken av lasere i dagliglivet var [[strekkode|strekkode-skannerne]] brukt i dagligvarebutikker som ble introdusert i 1974.<ref>[http://www.denso-wave.com/en/adcd/fundamental/barcode/index.html What is a bar code?] denso-wave.com</ref> [[LaserDisc]]-spillerne som kom på markedet i 1978 var den første vellykkede forbrukerproduktene som inkluderte en laser, men [[CD]]-spilleren var den første laser-enhet fikk stor utbredelse blant vanlige forbrukere, noe som startet i 1982.<ref name="BBC6950933">{{Cite news|url=http://news.bbc.co.uk/2/hi/technology/6950933.stm|title=How the CD was developed
|publisher=BBC News|date=2007-08-17|accessdate=2007-08-17}}</ref> Disse optiske lagringsenhetene bruker en ''[[halvleder laser]]'', som er mindre enn én millimeter bred til å skanne overflaten av platen for registrering av lagringsdata. [[Fiberoptikk|Fiberoptisk kommunikasjon]] er avhengig av lasere for å overføre store mengder informasjon med lysets hastighet. Andre vanlige anvendelser for lasere er [[laserskriver]]en og [[laser penn]]en. Lasere brukes innenfor medisin i felter som ''ublodige operasjoner'', laseroperasjoner for synskorigering og ''laser capture mikrodisseksjon''. Militære applikasjoner er systemer for rakettforsvar, direktivt infrarødt mottiltak (DIRCM) og [[LIDAR]]. Lasere brukes også i [[hologrammer]], bubblegramer, laserlys-show og hårfjerning.<ref>{{Cite book|author=J. Wilson and J.F.B. Hawkes|year=1987|title=Lasers: Principles and Applications, Prentice Hall International Series in Optoelectronics|publisher=Prentice Hall|isbn=0-13-523697-5}}</ref>

=== Kapitsa-Dirac effekt ===
[[Kapitsa Dirac-effekt]]en bevirker at partikler diffraktere som et resultat av å utsettes for en stående bølge av lys. Oppfinnelsen av laseren muliggjorde produksjon av koherent lys, derfor kunne en få til å konstruere de stående bølger av lys, noe som er nødvendig for å observere effekten eksperimentelt.

=== Tregt lys ===
[[File:Professor Lene Hau in her laboratory at Harvard.jpg|thumb|[[Lene Hau]] er pioner innenfor forskning på tregt lys. I 1999 ledet hun et forskningsteam som greide å få lys til å redusere hastigheten til 17 m/s.]]

Når lyset forplanter seg gjennom et materiale beveger det seg med lavere fart enn i vakuum, [[Lysets hastighet|''c'']]. Dette er en endring i fasehastigheten til lyset og kan sees som fysikalske effekter som for eksempel lysbrytning. Denne reduksjonen i hastigheten er kvantifisert ved forholdet mellom ''c'' og fasehastigheten, dette forholdet kalles som før nevnt brytningsindeksen for materialet. Tregt lys er et fysikt fenomen der gruppehastigheten til lyset er dramatisk redusert, ikke fasehastigheten. Trege lyseffekter oppstår imidlertid ikke på grunn av unormalt store brytningsindekser.

Den enkleste bilde av lys er gitt av bølgemodellen i klassisk fysikk, der lys er en bølge eller forstyrrelse av det elektromagnetiske feltet. I en [[vakuum]] forutsier Maxwells ligninger at disse forstyrrelsene vil bevege seg med en bestemt hastighet, altså (''c''). Postulatet om lysets konstante hastighet i alle referansesystemer er basalt i [[den spesielle relativitetsteorien]], dette har gitt opphav til en populær forestilling om at lysets hastighet alltid er den samme. Men i mange tilfeller er lys mer enn en forstyrrelse i det elektromagnetiske feltet, og lyshastigheten kan variere.

Lysets bevegelse innenfor et medium er ikke lenger en forstyrrelse utelukkende av det elektromagnetiske feltet, men snarere en forstyrrelse av feltet, samt posisjonene og hastighetene av de ladede partikler (altså [[elektron]]ene) i materialet. Bevegelsen til elektronene bestemmes av feltet som beskrives av [[Lorentz-kraft]]en, men samtidig bestemmes feltet også av posisjonene og hastighetene av elektronene (gitt av [[Gauss' lov]] og Ampères lov). Oppførselen til en forstyrrelse gitt av denne kombinerte elektromagnetiske feltet og ladnignstettheten er fremdeles bestemt av Maxwells ligninger, men løsningene er kompliserte på grunn av den komplekse sammenheng mellom mediet og feltet.

I 1998 ledet den danske fysikeren [[Lene Hau]] (1959-) forskere fra [[Harvard University]] og Rowland Institute for Science som lyktes i å bremse en lysstråle til rundt 17 meter per sekund.<ref>{{Cite news| last = Cromie | first = William J. | title = Physicists Slow Speed of Light | publisher = The Harvard University Gazette | date = 1999-02-18 | url = http://news.harvard.edu/gazette/1999/02.18/light.html | accessdate = 3. mars 2016 }}</ref> Hau har senere lyktes med å stoppe lyset helt, og utviklet metoder som kan stoppe lys, for derretter å starte det igjen senere.<ref>{{Cite web|url=http://www.photonics.com/Article.aspx?AID=28520|title=Light Changed to Matter, Then Stopped and Moved|publisher=Photonics.com|accessdate=3. mars 2016}}</ref> Dette har blant annet sammenheng med forskning for å utvikle datanettverk med større hastighet og kapasitet.<ref>{{Cite news|last=Kanellos |first=Michael |title=Slowing the speed of light to improve networking |publisher=[[ZDNet|ZDNet News]] |date=2004-09-28 |url=http://news.zdnet.com/2100-9592_22-5387842.html |accessdate=3. mars 2016 |archiveurl=https://web.archive.org/web/20080228023436/http://news.zdnet.com/2100-9592_22-5387842.html |archivedate=2008-02-28 |url-status=bot: unknown }}</ref>

== Fysiologisk optikk og anvendelser ==
Svært mange biologiske skapninger har [[syn]] eller andre visuelle systemer, noe som viser den sentrale rollen optikk spiller som en av de [[Sansesystem|fem sanser]]. Fysiologisk optikk omfatter teoriene for syn, bildedannelse i øyet, etterbildedannelse, samt optiske illusjoner og andre effekter med det menneskelige syn. Den ligger i grenseområdet mellom fysikk, [[fysiologi]], og [[psykologi]]. Mange mennesker dra nytte av [[briller]] eller [[kontaktlinser]], og optikk er en integrert funksjon i mange forbruksvarer som for eksempel [[kamera]]er eller [[kikkert]]er. Regnbue og [[speil]]ing er eksempler på optiske fenomener i atmosfæren. [[Optisk kommunikasjon]] er selve ryggraden for både [[Internett]] og moderne [[telefoni]].

=== Det menneskelige øyet ===
[[Fil:Eye-diagram no circles border.svg|thumb|Tegning av et menneskelig øye. Funksjonene som er nevnt i denne artikkelen er 3 – [[ciliærmuskelen]], 6 – [[pupill]]en, 8 – [[hornhinne]]en,  10 – linsen, 22 – [[Nervus opticus|synsnerven]], 26 – [[Fovea centralis|fovea]], 30 – [[Netthinne]]]]

Det menneskelige øyet fungerer ved å fokusere lys på et lag med ''fotoreseptorceller'' kalt [[netthinne]]n (''Retina''). Fokusering oppnås ved hjelp av en rekke transparente deler. Lyset inn i øyet passerer først gjennom [[hornhinnen]] (''cornea''), som bevirker mye av øyets optiske effekt. Lyset fortsetter gjennom et [[fluid]] like bak hornhinnen [[fremre øyekammer]] (''Camera anterior bulbi oculi''), deretter passerer det gjennom [[pupill]]en (''Pupilla''). Lyset passerer så gjennom øyelinsen (''lens crystallin'') som fokuserer lyset videre og foretar justering av fokus. Lyset passerer videre gjennom hoveddelen av fluidet i øye, det såkalte [[glasslegeme]]t (''humor vitreus''), og treffer til slutt netthinnen. Cellene i netthinnen utgjør bakre overflate i øyet og er lysfølsom over det hele, bortsett fra der [[Nervus opticus|synsnerven]] (''Nervus opticus'') har sin utgang: Dette resulterer i en [[den blinde flekk|blind flekk]]. Aller mest lysfølsom er [[Macula lutea|den gule flekk]] (''Macula lutea'') der øyets [[Visus (synsskarphet)|synsskarphet]] ivaretas.

Det finnes to typer fotoreseptorceller som kalles ''tapper'' og ''staver''. Disse er følsomme for ulike aspekter av lyset.<ref name="eyeoptics">{{Cite book|author=D. Atchison and G. Smith|title=Optics of the Human Eye|url=https://archive.org/details/opticsofhumaneye0000atch|year=2000|isbn=0-7506-3775-7|publisher=Elsevier}}</ref> Stavene er følsomme for intensiteten av lys over et bredt frekvensområde, og dermed er ansvarlig for svart/hvitt-synet. Stavceller er ikke tilstede på ''[[Fovea centralis|fovea]]'', området av netthinnen som er ansvarlig for det sentrale synet, og er ikke så responsivt som tappcellene for romlige og tidsmessige endringer i synsinntrykket. Det er imidlertid tjue ganger flere stavceller enn tappceller i retina, men stavcellene på den andre siden er tilstede over et større område. På grunn av bredere utstrekning er stavene ansvarlig for sidesynet.<ref name="Kandel">{{Cite book|author=E. R. Kandel, J. H. Schwartz, T. M. Jessell|title=Principles of Neural Science|url=https://archive.org/details/isbn_9780838577011|edition= 4th|year=2000|publisher=McGraw-Hill|place=New York|isbn=0-8385-7701-6| pages=[https://archive.org/details/isbn_9780838577011/page/507 507]–513}}</ref>

I motsetning til stavene er tappcellene mindre følsom for den totale intensiteten av lyset, men finnes  i tre varianter som er følsomme for forskjellige frekvensområder, dermed anvendes disse for oppfatningen av [[farge]] og fotopisk syn (høylys-syn). Tappene er sterkt konsentrert i fovea og har en høy synsskarphet, noe som betyr at de er bedre til romlig oppløsning enn stavcellene. Siden tappene ikke er så følsom for svakt lys som stavcellene, er [[nattsyn]] for en stor del begrenset til stavcellene. Siden tappcellene er i fovea er det disse som tar seg av sentralsynet, altså det som brukes for å gjøre det mest av lesning, studere fine detaljer som ved sying, eller nøye undersøkelse av objekter.<ref name="Kandel" />

''Ciliærmuskelen'' rundt øyelinsen sørger for at øyets fokus justeres fortløpende, noe som kalles ''[[Akkommodasjon (øyet)|akkommodasjon]]''. ''Nærfokus'' og ''fjernfokus'' definerer den nærmeste og fjerneste avstand fra øye som et objekt kan bringes i skarpt fokus. For en person med normalt syn, er fjernfokus uendelig langt unna. Posisjonen for nærfokus avhenger av hvor mye musklene er i stand til å øke krumningen på linsen, og hvor lite fleksibel linsen har blitt med alderen. Øyeleger og optikere vil vanligvis vurdere en hensiktsmessig nærfokus å være nærmere enn normal leseavstand, omtrent 25&nbsp;cm<ref name="eyeoptics" />

Defekter på synet kan forklares ved hjelp av optiske prinsipper. Som menneskets alder øker blir linsen mindre fleksibel og området for nærfokus trekker seg fra øyet, en tilstand som kalles ''[[presbyopi]]''. Mennesker som lider av ''[[hypermetropi]]'' kan ikke redusere brennvidden til øyets linse nok til at nærliggende objekter blir avbildet på deres netthinnen. Omvendt, personer som ikke kan øke brennvidden på øyelinsene nok til at fjerntliggende objekter å avbildes på netthinnen, sies å lide av [[nærsynthet]] (''myopi''). I dette tilfellet har personen fjernfokus som er betydelig nærmere enn uendelig. En tilstand som kalles [[astigmatisme]] resulterer i at hornhinnen ikke er sfærisk, men mer buet i én retning. Dette fører til at objekter med horisontalt utstrekning blir fokusert på ulike deler av netthinnen enn vertikalt utstrakte objekter, noe som resulterer i forvrengt syn.<ref name="eyeoptics" />

Alle disse forholdene kan rettes opp ved hjelp av korrigerende linser. For presbyopi og hyperopia  vil en konvergerende linse gi den ekstra krumning som er nødvendig for å bringe nærfokus nærmere øyet. En [[divergerende linse]] brukes for nærsynthet og gir den kurvaturen som er nødvendig for å sende fjernfokus til uendelig avstand. Astigmatisme korrigeres med en sylindrisk linse som kurver sterkere i en retning enn i den andre for å kompensere for ulik form på hornhinnen.<ref name="lensdesign">{{Cite web|url=http://www.opticampus.com/cecourse.php?url=lens_design/&OPTICAMP=f1e4252df70c63961503c46d0c8d8b60|title=Ophthalmic Lens Design|author=D. Meister|publisher=OptiCampus.com|accessdate=12. november 2008}}</ref>

Den optiske effekten av korrigerende linser måles med enheten [[Dioptri|diopter]], en verdi lik den [[resiprok]]e av brennvidden målt i meter. En positiv brennvidde svarende til en konvergerende linse, og en negativ verdi for brennvidde svarende til en divergerende linse. For linser som korrigerer for astigmatisme i tillegg, må tre tall angis: Et tall for henholdsvis sfærisk og sylindrisk forsterkning, samt et for vinkelorientering av astigmatisme.<ref name="lensdesign" />

=== Visuelle effekter ===
{{Hoved|Optisk illusjon|Sentralperspektiv}}

[[File:Ponzo illusion.gif|thumb|Ponzo-Illusionen bygger på det faktum at parallelle linjer synes å konvergere når de nærmer seg uendelig.]]

Optiske illusjoner (også kalt optiske bedrag) er et fenomen der [[visuell persepsjon|visuelt persiperte]] bilder skiller seg fra hvordan de er i virkeligheten. Informasjonen som samles inn med øyet blir behandlet i hjernen der en feilaktig [[persepsjon]] oppstår, altså noe som avviker fra objektet som synet egentlig registrerer. Optiske illusjoner kan være et resultat av en rekke fenomener inkludert fysiske effekter som skaper bilder som er forskjellig fra de objektene som i utgangspunktet skaper bildene en person ser. De fysiologiske virkningene på øynene og hjernen av overdreven stimulering (for eksempel lysstyrke, skråstilling, farge, bevegelse), og kognitive illusjoner hvor øyet og hjernen skaper såkalt ''bevisstløs inferens''.<ref>{{Cite web|url=http://www.livescience.com/strangenews/080602-foresee-future.html|title=Key to All Optical Illusions Discovered|author=J. Bryner|publisher=LiveScience.com|date=2008-06-02}}</ref>

Kognitive illusjoner består blant annet av noen effekter som har å gjøre med ubevisste feilbruk av visse optiske prinsipper. For eksempel [[Ames-rom]], [[Herings illusion|Hering-]], [[Müller-Lyer-illusionen|Müller-Lyer-]], [[Orbisons illusion|Orbisons-]], [[Ponzos illusion|Ponzos-]], [[Sander illusion|Sanders-]] og [[Wundts illusjon]] er alle avhengige av oppfatningen av avstand ved hjelp av konvergerende og divergerende linjer. Dette på samme måte som parallelle lysstråler, eller hvilke som helst parallell linjer, ser ut til å samles i et [[forsvinningspunkt]] uendelig langt borte i et to-dimensjonalt [[Sentralperspektiv|bilde med perspektiv]].<ref>[http://www.math.utah.edu/~treiberg/Perspect/Perspect.htm#UsingVP Geometry of the Vanishing Point]</ref> Denne oppfatningen av avstand er også bakgrunnen for [[måneillusjonen]] hvor månen, til tross for at den i hovedsak har den samme størrelse, oppfattes som mye større i nærheten av [[horisont]]en enn det gjør i [[senit]] (rett opp).<ref>[http://facstaff.uww.edu/mccreadd/ "The Moon Illusion Explained"]  {{Wayback|url=http://facstaff.uww.edu/mccreadd/ |date=20151204212728 }}, Don McCready, University of Wisconsin-Whitewater</ref> Denne illusjonen forvirret [[Klaudios Ptolemaios]] (90-168) så mye at han feilaktig tilskrev den til å være forårsaket av atmosfærisk brytning, noe han beskrev i sin avhandling ''Optikk''.<ref name="Ptolemy" />

En annen type optisk illusjon utnytter «ødelagte mønstre» til å lure hjernen til å oppfatte symmetrier eller asymmetrier som ikke er til stede. Noen eksempler på slike er [[Café vegg illusjon|Café vegg-]], [[Ehrenstein illusjon|Ehrenstein-]], [[Fraser spiral illusjon|Fraser spiral-]], [[Poggendorffs illusion|Poggendorffs-]] og [[Zöllner illusjon]]er. Relaterte, men ikke strengt tatt illusjoner, er mønstre som oppstår på grunn av overlagring av periodiske strukturer. For eksempel [[Transparens|transparente]] vevede stoffer med rutenettstruktur som produserer figurer kjent som ''[[moarémønster]]''. Overlagring av periodiske gjennomsiktige mønstre oppfattes som parallelle ugjennomsiktig linjer eller kurver som produserer ''[[Line moiré]]-mønstre''.<ref>{{Cite book|title=Energy Minimization Methods in Computer Vision and Pattern Recognition|author=A. K. Jain, M. Figueiredo, J. Zerubia|publisher=Springer | year=2001|url =https://archive.org/details/springer_10.1007-3-540-44745-8|isbn=978-3-540-42523-6}}</ref>

=== Optiske instrumenter ===
[[File:Table of Opticks, Cyclopaedia, Volume 2.jpg|thumb|Illustrasjoner av forskjellige optiske instrumenter hentet fra ''[[Cyclopaedia]]'' utgitt i 1728.]]

En enkelt linse alene benyttes i en rekke forskjellige apparater som objektiver i kameraer, synskorrigerende linser og [[Lupe|forstørrelsesglass]], mens ett enkelt speil brukes i parabolske speil og vanlige speil. En kombinasjon av en rekke speil, prismer og linser gir sammensatte optiske instrumenter som har mange praktiske anvendelsesområder. For eksempel har et [[periskop]] (til bruk på undervannsbåter) bare to plane speil innrettet for å muliggjøre syn over hindringer. De mest kjente sammensatte optiske instrumenter er [[mikroskop]] og [[Optisk teleskop|teleskop]]. Disse ble begge oppfunnet i Nederland på sent 1500-tall.<ref name="instrument">{{Cite book|title=University Physics 8e|author=H. D. Young|publisher=Addison-Wesley|year=1992|isbn=0-201-52981-5|chapter =36}}</ref>

Mikroskopet ble først utviklet med bare to objektiver: objektivet og [[okular]]et. Objektivlinsen er i det vesentlige et forstørrelsesglass med meget liten brennvidde, mens okularet generelt har en lengre brennvidde. Effekten av dette blir et forstørret bilde av nære objekter. Vanligvis er en ekstern lyskilde nødvendig siden forstørrede bilder er svakere, dette kan forklares med [[energiprinsippet]] og spredning av lysstrålene over et større overflateareal. Moderne mikroskoper, også kjent som ''sammensatte mikroskop'' har mange objektiver (vanligvis fire) for å optimalisere funksjonalitet og forbedre bildestabiliteten.<ref name="instrument" /> En litt annen type mikroskop er ''sammenligningsmikroskopet'' som benyttes for å se på like objekter plassert side ved side for å skape en stereoskopisk forstørrelse. For det menneskelige syn vises dermed et tredimensjonal bilde.<ref>{{Cite web|url=http://www.microscopyu.com/articles/stereomicroscopy/stereointro.html|title=Introduction to Stereomicroscopy|author=P. E. Nothnagle, W. Chambers, M. W. Davidson|publisher=Nikon MicroscopyU}}</ref>

De første teleskoper ble kalt refraktorer, og ble også utviklet med et enkelt objektiv og okular. I motsetning til mikroskopet, ble objektivlinsen på teleskopet utformet med stor brennvidde for å unngå optiske aberrasjoner. Objektivet fokuserer et bilde av en fjern gjenstand på sitt fokuspunkt som er justert for å være midtpunktet i et okular med en mye mindre brennvidde. Hovedmålet med et teleskop er ikke nødvendigvis forstørrelse, men i stedet å samle mest mulig lys, noe som er  bestemt av den fysiske størrelsen av objektivlinsen. Dermed beskrives teleskoper vanligvis med diameteren av objektivet i stedet for sin forstørrelse. Forstørrelsen kan uansett endres ved å bytte okularer. På grunn av at forstørrelsen et teleskop gir er lik brennvidden til objektivet dividert med brennvidden til okularet, vil okularer med mindre brennlengde føre til større forstørrelse.<ref name="instrument" />

Siden produksjon av store linser er mye vanskeligere enn å lage store speil, er de fleste moderne teleskoper ''[[speilteleskop]]er'', det vil si at de bruker et primærspeil i stedet for et objektiv. De samme generelle optiske betraktninger gjelder for speilteleskoper som for refraktorer. Nemlig at jo  større hovedspeil, jo mer lys blir samlet, og forstørrelsen er fremdeles lik brennvidden av det primære speilet dividert med brennvidden til okularet. Generelt har ikke profesjonelle teleskoper okular, i stedet plasseres en sensor (ofte en CCD) i fokus slik at en kan se bildet på en skjerm.<ref name="instrument" />

=== Fotografering ===
[[Fil:Jonquil flowers at f32.jpg|thumb|Foto tatt med blender {{F/}} 32]]
[[File:Jonquil flowers at f5.jpg|thumb|Foto tatt med blender {{F/}} 5]]

[[Fotografi]] involverer optikk både når det gjelder objektivet og mediet der den elektromagnetiske lyset blir registrert, enten det er snakk om en [[fotografisk film]] eller [[CCD]]. Ved fotografering må en vurdere gjensidighet mellom kameraet og eksponering som er oppsummert av forholdet:<ref>{{Cite book|title=Investigations on the Theory of the Photographic Process|author=Samuel Edward Sheppard and Charles Edward Kenneth Mees|publisher=Longmans, Green and Co|year=1907|page = [https://archive.org/details/investigationson00shep/page/214 214]|url=https://archive.org/details/investigationson00shep}}</ref>

:[[Eksponering]] ∝ [[Irisblender|Aperturets areal]] &times; [[Lukker|eksponeringstid]] &times; motivets [[luminans]]

der ∝ bety [[proporsjonal]] med. Med andre ord betyr dette at jo mindre blenderåpning, som også gir større dybdefokus, se bildene til høyre, jo mindre lys kommer inn. Dette betyr at for eksponering av et bilde må tidslengden økes, noe som fører til fare for uklarhet hvis motivet er i bevegelse. Et eksempel på bruk av loven om gjensidighet er ''f16-regelen'' som gir et grovt overslag for innstillingene som kreves for å estimere riktig [[eksponering]] i dagslys.<ref>{{Cite book|title=Mastering Black-and-White Photography|author=B. J. Suess|publisher=Allworth Communications|year=2003|isbn=1-58115-306-6|url=https://archive.org/details/masteringblackwh0000sues}}</ref> Enkelt forklart går denne regelen ut på at eksponeringstiden stilles inn slik at den tilsvarer filmens ISO-tall, altså filmens lysfølsomhet. Er ISO-tallet 100 settes lukkertiden til 1/100 sekunder, ISO-tall 200 gir lukkertid 1/200 sekunder, og så videre. Neste trinn er å sette blenderåpningen i samsvar med lysforholdene: Sterkt solskin – 16, lett overskyet vær – 11, overskyet – 8, lite dagslys – 5,6 og ved solnedgang – 4. Regelen heter ''Sunny 16'' på engelsk for at en lett skal huske at solskinn gir blenderåpning 16.

Kameraets blenderåpning angis med det dimensjonsløse [[Brennvidde|blendertallet]] eller ''f-nr'', ''f/#'', ofte skrevet bare som et tall <math>N</math> gitt ved:

:<math>f/\# = N = \frac fD \ </math>

der <math> f </math> er [[brennvidde]] og <math>D</math> er diameteren til blenderåpningen. Etter konvensjonen blir "f /#" behandlet som et enkelt symbol og bestemte verdier av ''f/#'' blir skrevet ved å erstatte [[nummertegn]]et med verdien. Det er to måter å øke f-nr på; enten ved å redusere diameteren på blenderåpningen eller endre til en lengre brennvidde (med en zoomlinse kan dette enkelt gjøres ved å justere objektivet). Høyere f-nr gir også en større [[dybdeskarphet]] som kan forklares med at objektivet nærmer seg å være et hullkamera (et kammer med et meget lite hull istedenfor linse). Et hullkamera er i stand til å fokusere alle bilder perfekt, uavhengig av avstand, men krever svært lange eksponeringstider.<ref>{{Cite book|title=Basic Photography|url=https://archive.org/details/Langfords_Basic_Photography|author=M. J. Langford|isbn=0-240-51592-7|year=2000|publisher=Focal Press}}</ref>

Synsfeltet til linsen vil forandres avhengig av brennvidden til den. Det er tre klassifikasjoner som er basert på forholdet mellom den diagonale størrelse på filmen (ofte 35&nbsp;mm for amatørkameraer), eller sensorstørrelsen til kameraet, dividert på objektivets brennvidde:<ref name="Bruce Warren, Photography, page 71">{{Cite book|first=Bruce|last=Warren |title=Photography |url=https://books.google.com/books?id=sbdGeFem1zwC&pg=PA71 |year=2001 |publisher=Cengage Learning |isbn=978-0-7668-1777-7 |page=71}}</ref>

* Normalobjektiv: synsvinkel på cirka 50° (kalt ''normal'' fordi denne vinkelen regnes omtrent å  tilsvare menneskelig syn<ref name="Bruce Warren, Photography, page 71" />) og en brennvidde  omtrent lik diagonalen av filmen eller sensoren.<ref>{{Cite book|title=View Camera Technique|author=Leslie D. Stroebel|publisher=Focal Press|year=1999|isbn=0-240-80345-0|url=}}</ref> <!-- It's generally accepted that 50 mm is a bit longer than "normal" for 35mm film; I've based this on 75 mm with 6×4 cm. Maybe the angle of width, rather than diagonal, is better? -->
* Vidvinkelobjektiv: synsvinkel bredere enn 60° og brennvidde kortere enn en vanlig linse.<ref>{{Cite book|title=Using the View Camera|url=https://archive.org/details/usingviewcamera00simm_893|author=S. Simmons|publisher=Amphoto Books|year=1992|isbn=0-8174-6353-4|page=[https://archive.org/details/usingviewcamera00simm_893/page/35 35]}}</ref>
* Lang fokuslinse: synsvinkel smalere enn vanlig linse. Et hvert objektiv med en brennvidde lengre enn diagonalen av filmen eller sensoren.<ref>{{Cite book|author=Sidney F. Ray |title=Applied Photographic Optics: Lenses and Optical Systems for Photography, Film, Video, Electronic and Digital Imaging |url=https://archive.org/details/appliedphotograp0000rays|year=2002 |publisher=Focal Press |isbn=978-0-240-51540-3 |page=[https://archive.org/details/appliedphotograp0000rays/page/294 294]}}</ref> Den vanligste typen lang fokuslinse er [[telelinse]]en med konstruksjon basert på en spesiell ''tele gruppe'' slik at den blir fysisk kortere enn brennvidden.<ref>{{Cite book|url =https://archive.org/details/newyorktimesgui00newy|title=The New York Times Guide to Essential Knowledge|author=New York Times Staff|isbn=978-0-312-31367-8|year=2004|publisher=Macmillan}}</ref>
[[Fil:Firesunset2edit.jpg|thumb|En fargerik himmel har ofte sin årsak i spredning av lyset på grunn av partikler og forurensning. Bilde av en solnedgang under [[Skogbrannene i California i oktober 2007]].]]
[[Fil:Rainbow1.svg|thumb|Refleksjon og lysbrytning i en regndråpe resulterer i dannelse av [[regnbue]] når det er mange nok dråper i atmosfæren er solskinnsdag.]]
Moderne [[zoomobjektiv]]er kan ha noen eller alle av disse egenskapene.

Den absolutte verdien for eksponeringstiden som kreves avhenger av hvor stor følsomhet filmen eller sensoren som brukes har. Dette måles ved hjelp av [[filmhastighet]] eller for digitale kameraer med [[kvanteutbyttet]].<ref>{{Cite book|title=Principles of Radiographic Imaging: An Art and a Science|author=R. R. Carlton, A. McKenna Adler|publisher=Thomson Delmar Learning|year=2000|isbn=0-7668-1300-2|url =https://archive.org/details/principlesofradi00carl}}</ref> I  fotograferingens barndom ble det brukt film som hadde svært lav lysfølsomhet, dermed måtte eksponeringstidene være lange, selv for svært lyse bilder. Etterhvert som teknologien har blitt bedre har følsomheten til filmkameraer og digitale kameraer blitt betydelig større.<ref>{{Cite book|author=W. Crawford|title=The Keepers of Light: A History and Working Guide to Early Photographic Processes|url=https://archive.org/details/keepersoflighthi0000craw_t6q9|year=1979|publisher=Morgan & Morgan|location=Dobbs Ferry, New York|isbn=0-87100-158-6|page=[https://archive.org/details/keepersoflighthi0000craw_t6q9/page/20 20]}}</ref>

Andre resultater overført fra fysisk og geometrisk optikk har å gjøre med kameraoptikk. For eksempel er den maksimale oppløsningsevnen til et bestemt kameraoppsett bestemt av diffraksjonsgrensen som er assosiert med størrelse av blenderåpningen og grovt angitt med ''[[Optisk oppløsning|Rayleigh-kriteriet]]''.<ref>{{Cite book|author=J. M. Cowley|year=1975|title=Diffraction physics|url=https://archive.org/details/isbn_0720403111|location=Amsterdam|publisher=North-Holland|isbn=0-444-10791-6}}</ref>

== Atmosfæreoptikk ==
De unike optiske egenskapene til atmosfæren forårsaker et bredt spekter av spektakulære optiske fenomener. Den blå fargen på himmelen er et direkte resultat av Rayleigh-spredning, noe som forårsaker omdirigering av sollys med høyere frekvenser (blått lys) tilbake til synsfeltet til observatøren på bakken. Fordi blått lys spres lettere enn rødt lys, får solen en rødaktig fargetone når den observeres gjennom en tykk atmosfære, for eksempel under en [[soloppgang]] eller [[solnedgang]]. Andre partikler i luften kan spre forskjellige farger i ulike vinkler og skape en fargerik glødende himmel ved skumring og daggry. Spredning av iskrystaller og andre partikler i atmosfæren kan forårsake [[Halo (optisk fenomen)|halo]], [[aftenrøde]], [[Korona (meteorologi)|korona]], tussmørkestråler og [[bisol]]. Disse fenomenene har variasjoner på grunn av ulike partikkelstørrelser og geometri.<ref name="autogenerated1">{{Cite book|author=C. D. Ahrens|year=1994|title=Meteorology Today: an introduction to weather, climate, and the environment|url=https://archive.org/details/meteorologytoday00ahre|edition = 5th|pages=[https://archive.org/details/meteorologytoday00ahre/page/88 88]–89|publisher=West Publishing Company|isbn=0-314-02779-3}}</ref>

Luftspeiling er et optiske fenomener der lysstråler blir avbøyd på grunn av termiske variasjoner i brytningsindeksen for luft. Dette gir forskjøvne eller sterkt forvrengte bilder av fjerne objekter. Andre mer dramatiske optiske fenomener knyttet til dette er blant annet ''Novaja Semlja-effekt'' hvor solen ser ut til å stige tidligere enn normal og med en forvrengt form. En spektakulær form for brytning oppstår ved ''[[temperaturinversjon]]'', nemlig [[Fata morgana]] hvor objektene i horisonten eller bortenfor horisonten, for eksempel øyer, klipper, skip eller isfjell, virker strukket og forhøyet, som «eventyrslott»<ref>{{Cite web|url=http://mintaka.sdsu.edu/GF/mirages/mirintro.html|title=An Introduction to Mirages|author=A. Young}}</ref>

[[Regnbue]] er et resultat av en kombinasjon av intern refleksjon og spredt brytning av lyset i regndråper. En enkelt refleksjon på baksiden av regndråper gir en regnbue med en vinkelstørrelse på himmelen som varierer fra 40° til 42° med rødt på utsiden, se figuren til høyre. Doble regnbuer oppstår med to interne refleksjoner mellom regndråper med vinkelstørrelse på 50,5° til 54° med fiolett på utsiden. Fordi regnbuer oppstår med solen 180° fra sentrum av regnbuen, er fenomenet mer fremtredende jo nærmere solen er horisonten.<ref name="light" />

== Se også ==
* [[Polarisert lys]]
* [[Optisk kommunikasjon]]
* [[Dobbeltbrytning]]
* [[Optisk tykkelse]]

== Referanser ==
<references />

== Litteratur ==
* {{Cite book| isbn = 1139643401 | title = Principles of Optics | last1 = Born | first1 = Max | year = 2002 | publisher = Cambridge University Press | last2 = Wolf | first2 = Emil | sider =}}
* {{Cite book| isbn = 0805385665 | title = Optics | last1 = Hecht | first1 = Eugene | year = 2002 | publisher = Addison-Wesley Longman | edition = 4 | sider =}}
* {{Cite book| isbn = 0534408427 | title = Physics for scientists and engineers | url = https://archive.org/details/physicssciengv2p00serw | last1 = Serway | first1 = Raymond A. | year = 2004 | publisher = Thomson-Brooks / Cole | plassering = Belmont, CA | last2 = Jewett | first2 = John W. | edition = 6, illustrert | sider =}}
* {{Cite book| isbn = 9780716708100 | title = Physics for Scientists and Engineers: Electricity, Magnetism, Light, and Elementary Modern Physics | url = https://archive.org/details/physicsforscient0002tipl | last1 = Tipler | first1 = Paul A. | year = 2004 | publisher = W. H. Freeman | last2 = Mosca | first2 = Gene | volum = 2 | sider =}}
* {{Cite book| isbn = 0521436311 | title = Optical Physics | url = https://archive.org/details/opticalphysics0000lips_c5t9 | last1 = Lipson | first1 = Stephen G. | year = 1995 | publisher = Cambridge University Press | last2 = Lipson | first2 = Henry | last3 = Tannhauser | first3 = David Stefan | sider =}}
* {{Cite book| isbn = 0486659577 | title = Introduction to Modern Optics | last1 = Fowles | first1 = Grant R. | year = 1975 | publisher = Courier Dover Publications | sider =}}

== Eksterne lenker ==
* {{Offisielle lenker}}
* [https://web.archive.org/web/20141110224226/http://marketplace.idexop.com/store/SupportDocuments/Fundamental_Optics_OverviewWEB.pdf Fundamental Optics] – Melles Griot Technical Guide
* [http://optics.byu.edu/textbook.aspx Physics of Light and Optikk] - [[Brigham Young University]] Undergraduate 
* [http://www.iop.org/publications/iop/2009/page_38205.html Optikk og fotonikk: fysikk endrer våre liv] etter *[http://www.iop.org/publications/iop/index.html Institute av fysikk publikasjoner]
* [http://www.myeos.org European Optical Society]
* [http://www.osa.org The Optical Society]
* [http://www.spie.org SPIE]

{{Fysikk}}

{{Autoritetsdata}}

[[Kategori:Optikk]]
[[Kategori:Elektromagnetisk stråling]]