Optik

OPTİK

ışığın oluşmasını ve yayılmasını, etkilerini ve uğradığı değişiklikleri inceleyen fizik dalı.

Optiğin iki ana bölümü vardır: Fiziksel optik ve geometrik optik. Fiziksel optiğin konusunu ışığın yapısı ve niteliği oluşturur. Geometrik optik ise yansıma ve kırılmayı; mercek, ayna ve benzeri aygıtlarda görüntü oluşmasına ilişkin ilkeleri konu alır. Optik bilgiişlem, bir başka deyişle eşfazlı optik sistemlerde oluşturulan görüntülerin bilgi içeriğinin işlemlenmesi konusu da geometrik optiğin alanına girer.

Eski Yunanlılar ve Arapların ışığın niteliği ve özelliklerine ilişkin bazı bilgileri vardı. Ama bir bilim dalı olarak optiğin temelleri 17. yüzyılda atıldı. Astronomi gözlemlerinde kullanılmaya uygun ilk teleskop 1600’lerin başlarında Galileo Galilei tarafından gerçekleştirildi. Fransız matematikçi Pierre de Fermat, Eski Yunanlı geometrici İskenderiyeli Heron’a (ü. İS 1. yy) atfedilen ve yansıyan ışığın iki nokta arasındaki (yansıtıcı yüzeyden de geçen) en kısa yolu izleyeceğini ifade eden ilkeye dayanarak, 1650’lerde kırılma yasasını ortaya koydu. Yüzyılın sonlarında HollandalI fizikçi Christiaan Huygens Traite de la lumiere (1690; Işık Üzerine İnceleme) adlı yapıtında yansıma ve kırılma olaylarına mekanik bir açıklama getirdi. Huygens bu yapıtında ışığın bir dalga hareketi olduğuna ilişkin kuramını da ortaya koydu.

Isaac Newton 1704’te yayımladığı Opticks'te (Optik) ışığın kırılma, ayrılım, kırınım ve kutuplanma özelliklerini ayrıntılı bir biçimde inceledi ve ışığın parçacık özellikli olduğu (bir başka deyişle hareketli parçacıklardan oluştuğu) görüşünü ortaya attı. Newton’m görüşleri, özellikle ışığın parçacık kuramı, tüm 18. yüzyıl boyunca bilime egemen oldu ve Huygens’in görüşlerini gölgeledi.

1800’lerin başlarında ışığın girişimini inceleyen İngiliz hekim ve fizikçi Thomas Young, girişim olgusunun ancak ışığın dalga hareketi olduğu görüşüyle açıklanabileceğini ortaya koydu. Young’ın bulgularının Fransız fizikçi A. J. Fresnel tarafından matematiksel çözümleme yoluyla doğrulanması ışığın dalga kuramını yeniden canlandırdı. Dalga kuramı, sonraki birkaç fizikçi kuşağı boyunca egemen oldu. Aynı görüşü paylaşan Ingiliz fizikçi James Clerk Maxwell 1864’te ışığın elektromagnetik kuramını geliştirdi. Klasik optiğin en büyük başarısı olarak kabul edilen bu kurama göre ışık ve öteki ışınım enerjisi türleri elektromagnetik dalgalar biçiminde yayılır. Elektromagnetik dalga ise elektrik yüklerinin titreşimleri sonucunda oluşan ve dalga biçiminde yayılan elektromagnetik tedirginliktir. (elektromagnetik ışınım, ışık).

Modern optiğin temelleri kuvantum kuramının geliştirilmesiyle atıldı. Kuvantum kuramını 1900’de öneren Alman fizikçi Max Planck, ışınım enerjisinin ayrık (kesikli) birimler (kuvantumlar) halinde kaynaktan sahndığım öne sürdü. Albert Einstein bu görüşü geliştirdi ve ışığın fotoelektrik etkide, tüm enerjisi çok küçük parçacıklarda yoğunlaşmış biçimde davrandığını belirledi (bu parçacıklar sonradan foton olarak adlandırılmıştır). Einstein’ın bu buluşu, elektromagnetizma kuramı ile birlikte, günümüzde geçerli olan görüşün temelini oluşturdu: Işık bazı durumlarda dalga hareketi, bazı durumlarda ise parçacık davranışı gösterir. 1925-1935 arasında geliştirilen kuvantum mekaniği, ışığın temel niteliği olan dalga-parçacık ikiliği kavramına sistematik bir açıklama getirmeyi başardı.

Geometrik optikte de fiziksel optikteki gelişmeye paralel bir gelişme gözlendi. Teleskop ve mikroskoplarda kullanılabilecek nitelikteki mercekler 1700’lerin sonlarından beri yapılabiliyordu. Alman matematikçi Cari Friedrich Gauss geometrik optik konusundaki önemli kitabını 1841’de yayımladı. Gauss bu yapıtında odak uzaklığı kavramını ayrıntılı bir biçimde ortaya koyuyor, bir mercek sisteminih asal noktaları kavramını geliştiriyor ve odak uzaklığı bilinen bir merceğin oluşturduğu görüntünün yerini ve büyüklüğünü veren formülleri belirliyordu. Gauss’un kuramsal yöntemlerinden yararlanılarak temel mercek sapınçlarının (küresel sapınç, koma, astigmatlık, Petzval alan bükülmesi ve distorsiyon) hesaplanması olanağı doğdu; böylece mercek tasarımında 1960’lara değin kullanılacak olan yöntemler geliştirildi.

1950’lerde iletişim ve bilişim kuramlarının ortaya çıkması ve 1960’larm başında laserin bulunuşu optikte yeni bir dönemin başlamasına neden oldu. Optik ile iletişim arasında, hem bu iki bilim dalında gözlenen benzerlikler, hem de elektriksel ve optik sistemlerin betimlenmesinde yararlanılan matematiksel yöntemlerin benzerliği nedeniyle daha başlangıçta yakın bir ilişki kurulmuştu. Merceğin görüntü oluşturan bir aygıt olarak bulunuşundan sonra üzerinde en çok durulan konulardan biri görüntüyü oluşturan optik sistemin betimlenmesi sorunu olmuştu. Bu açıdan ele alındığında, bir cisme ilişkin bilgiyi ileten ve görüntü biçiminde ortaya koyan optik sistemin bir iletişim kanalı olarak ele alınması ve çözümlenmesi olanaklıdır.

Görüntü içeriğinin eşfazlı ışıktan (tümüyle aynı frekansta [tekrenkli] ve aynı fazdaki dalgalardan oluşan ışık) yararlanan optik sistemler aracılığıyla işlenmesi konusundaki araştırmalar 1950’lerde başlatıldı. Laser, optik veri işlem ve iletişim alanında çok önemli bir araç olarak ortaya çıktı. Laserin bulunması holografinin gelişmesi açısından da temel önemde bir rol oynadı. Holografinin optik bilgiişlem alanındaki en önemli uygulamalarından biri, ikili (0 ve l’lerden oluşan) verilerin ileride erişilmek üzere saklanmasını olanaklı kılan optik bilgi kaydıdır.

Laser, ses ve resim bilgisinin (örn. telefon konuşmaları ve televizyon programlan) iletilmesinde de önemli bir araç olmuştur. Laserin elektronik vericilere göre birkaç üstünlüğü vardır. Laser ışığının frekansı radyo dalgalarının frekansına göre çok yüksek olduğundan, laser ışınları çok daha fazla bilgi taşıyabilir. Ayrıca laser ışınları belirli bir doğrultuda dağılmadan yol alan çok ince bir demet oluşturduklarından karışıma uğramaksızın çok uzaklara gidebilirler. Uzak mesafe iletişiminde laser ışığı bir noktadan öbürüne cam ya da plastikten yapılmış optik lifler aracılığıyla, hemen hemen hiç enerji kaybı olmaksızın iletilir.
BAKINIZ
Optik Nedir?
Işık Nedir? Işık Yasaları ve Kuramları Hakkında

Optik
Antlkçağ'da, ışık ışınının gözden yayıldığı ve görme olayının ışığın cisimden göze dönüşüyle gerçekleştiği düşünülüyordu. Işık ışınının cisimden yayıldığı ancak Ortaçağ’ın başında Ibnülheysem (965-1040’a doğru) İle anlaşıldı.

Işığın doğrusal yayılma düşüncesine dayanarak, bir geometrik optik kurulması şarttır. Platon okulu yansıma yasalarını daha o zamanlar biliyordu. Ptolemaios Optika adlı yapıtında kırılmayı inceledi ve ışının havadan suya ve cama geçerken uğradığı sapmayı ölçtü, Ama kırılma yasası ancak XVIII. yy.'ın başında Snellius tarafından bulundu. Bu yasa, yanlış olarak, ışığın yoğun bir ortamda havadakinden daha hızlı yayıldığı, yani hızın da kırılma indisiyle orantılı olarak arttığı sonucuna varan Descartes tarafından geniş ölçüde kullanıldı; oysa Fermat’nın da göstereceği gibi, gerçek bunun tersiydi,

Geometrik optik, önceleri özellikle Ibnülheysem tarafından geliştirildi; bu bilginin Kitâb fimenazır adlı kitabı Ortaçağ boyunca Batı Avrupa'da büyük bir yaygınlık kazandı. Gökkuşağının, küresel su damlacıkları içinde, ışığın yansıma ve kırılmalarıyla oluştuğunu açıklayan geometrik optik olmuştur. Ortaçağda başlatılan ve Descartes tarafından önemli ölçüde geliştirilen bu kuram son biçimini ancak günümüzde almıştır.

Geometrik optik incelemeleri, 1550’ye doğru, F. Maurolico ile özellikle prizmaların ve küresel aynaların incelenmesiyle yeniden ele alındı. F. Maurolico 1611 'de yayımlanan bu incelemelerinde, Kepler'inkinden çok daha temel olan konulara değindi, Kepler Ad vitellionem paralipomena (1604) adlı incelemesinde görmenin, Dioptrice’de (1611) ise merceklerin geometrik optik kuramını geliştirdi.

Bununla birlikte, XVII. yy.'ın sonuna kadar, ender rastlanan kimi istisnalar dışında, çok sayıdaki optik düzenek deneysel yoldan bulundu ve gerçekleştirildi: daha önce mısır mezarlarında bulunan, metalden ya da obsidiyenden yapılmış düzlem aynalar (bunlar Ortaçağda sırlanmıştır); Romalılar'ın öteden beri kullandığı içbükey ve dışbükey küresel aynalar; Ortaçağda bulunan ve bir tür kelebek gözlük olan "burun gözlükleri"nin (1317) icadında kullanılan mercekler, ilk kez Roger Bacon (1220'ye doğru1292) tarafından gerçekleştirilen karanlık oda, daha sonra napolili Della Porta (1535-1615) tarafından geliştirildi. P Kircher'in (1602-1680) geliştirdiği büyülü feneri de yine Della Porta tasarladı. Dürbün 1590'a doğru hollandalı gözlükçüler tarafından icat edildi ve 1609'da Galilei tarafından gökbilim gözlemlerinde kullanıldı. 1615'te bulunan mikroskop, Hooke (Micrographia, 1665) ve Van Leeuwenhoek (1632-1723) tarafından gittikçe geliştirildi.

XVII. yy.'ın ortasından başlayarak, ışık olaylarının yeni görünümleri ortaya çıkarıldı: kırınım (F. Grimaldi, 1650); ince lamların renkleri (Böyle ve Hooke); çift kırılma (E. Bartholin, 1669), Jüpiter'in uydularını gözlemleyerek ışık hızının ilk kez ölçülmesi; polarma (Malus, 1810); dönmeli polarma (Arago, Caucfıy, Faraday); ışık hızının kesin olarak ölçümü (Fizeau, 1849; Foucault, 1850); XIX. yy.'ın ortalarından başlayarak özellikle Kirchhoff tarafından sistemli biçimde kullanılan tayf çözümlenesi. Ayrıca ışığın gümüş tuzları üzerindeki indirgeyici etkisine dayanan fotoğraf plakasının keşfi de anılmalıdır (Niepce ve Daguerre, 1833-1839).

Işığın doğası, kaynağı, yayılması ve gözle algılanmasına ilişkin kuramlara Antikçağ'da rastlanır. Bu kuramlar uzun süre bütünüyle matematiksel bir bilim olan geometrik optikten nispeten bağımsız kalmıştır; aynı şekilde, Optik (Opticks) adlı yapıtında, özellikle beyaz ışığın, prizmayla her birinin kendine özgü bir kırılma indisi bulunan, sürekli bir arı renkler dizisi halinde ayrılmasını inceleyen Newton'ın optiği de geometrik optikten görece bağımsızdı.

Yunan Antikçağı’nda ışık, ateş ve alevle bir tutuldu ve yayılması, ışıklı cisimlerin, küçük parçacıklar yayımlamasıyla açıklandı; bu düşünce daha sonra Ortaçağ'da önemli ölçüde geliştirildi. Aristoteles’e göre de, renkler ışığın karanlıkla karışmasının bir sonucuydu. Işığın yayılmasına ilişkin bilimsel kuram ancak XVII. yy.’da, Descartes tarafından gerçekleştirildi. Işık, çok ani bir biçimde dolayısıyla sonsuz bir hızla ve madde taşınması olmaksızın yayılan ağırlıksız taneciklerin bir titreşimi olarak algılanıyordu. Bununla birlikte, ışığın tanecikli bir yapıda olduğuna ilişkin bir görüşe Descartes'ta da rastlanır. Descartes bu görüşten yola çıkarak yukarıda da değinildiği gibi, ışığın suda ve camda, havada olduğundan daha hızlı yayıldığı gibi yanlış bir sava varmıştır.

Descartes’ın görüşleri birbiriyle uzun süre çatışan şu iki kuramla yeniden ele alınıp geliştirildi: dalga kuramı ve tanecik kuramı. Dalgalanma ve titreşim kavramlarını anlaşılır biçimde ortaya atan R Pardies tarafından geliştirilen dalga kuramı gerçek gelişimini ancak Huygens ile gösterdi. Traite de la lumidre (Işık üzerine inceleme) [1690] adlı yapıtında, ışıklı bir yüzeyin her noktasının, maddesel olmayan bir ortam olan esirde, sese benzer bir biçimde sonlu bir hızla yayılan küresel bir dalga yayımladığını ve bir dalganın her noktasının da benzer bir sürece neden olduğunu yazar. Huygens böylece, yansımayı, kırılmayı, çift kırılmayı (olağanüstü ışın artık küresel olmayıp bir elipsoit biçiminde olan bir dalgaya karşılık gelir) açıklar. Bununla birlikte, Huygens'in dalga kuramında ışık titreşimlerinin frekansı ve genliği kavramından söz edilmez, dolayısıyla ne renklerin çeşitliliği ne de girişim olayları açıklanır. Ayrıca, bu kuram, ışığın doğrusal yayılmasının doyurucu bir açıklamasını yapmaktan da uzaktır.

XVIII. yy.'ın başında, yine bir dalga kuramı yanlısı olan Malebranche, esirin ışık titreşimleri ile bu titreşimlerin genliklerinden ayrı tuttuğu frekanslarına ilişkin daha belirgin bir görüşe vardı ve buradan kalkarak renklerin sürekli çeşitliliğini keşfetti. Ama, Huygens gibi Malbranche da titreşimin boyuna olduğunu savunur.

Bununla birlikte Newton'un ışık kuramı, tanecik görüşünün ağır bastığı karma bir kuramdır. Newton bu kuramı ilk kez, 1672'de Royal Society'de sunduğu ünlü bildirisinde açıkladı; bu bildiri, arı dalga kuramının savunucusu Hooke ile sert bir polemiğin kaynağı oldu. Bununla birlikte Nevvton bu kuramı, ancak Optik adlı yapıtında tümüyle geliştirebildi. Daha doğrusu kuram ancak yapıtın sonunda yer alan bir dizi Ouaestiones (Sorular) içinde sergilendi. Newton’a göre ışık, esir içinde sonlu bir hızla yer değiştiren ve burada titreşimler oluşturan taneciklerden meydana gelmekteydi. Malebranche gibi, Newton da renklerle değişen frekans kavramını ortaya attı, bununla birlikte Malebrancte'tan farklı olarak titreşimlerin genliği ile frekans arasındaki ayrımı açıkça ortaya koyamadı. Frekans, taneciklerin izlediği yol süresince davranışlarında görülen değişimle (erişim kuramı), renklerin çeşitliliği ise, taneciklerin büyüklük farklarıyla açıklanır.

Newton'ın tanecik kuramı, ışığın doğrusal yayılmasını inceler; bununla birlikte Newton, beyaz ışık, düzlem-dışbükey bir mercekten geçtiğinde bir cam plak üzerinde gözlemlenen halkaların kırınımını ve renklenmesini pek bilimsel olmayan, düşsel ve mekanik akıl yürütmelerle açıklar. Işık dalgalarının girişimine ilişkin temel ilke ancak XIX. yy.'ın başında, dalga kuramı yanlısı Young tarafından ortaya kondu. Young özellikle, birbirine yaklaştırılma koşut iki ince lamın renklenmesi ile Newton’ın açıklamış olduğunu ileri sürdüğü halkaların renklenmesini inceledi.

Young'ın tam bir açıklığa ulaşamayan dalga kuramını, gerçek anlamıyla geliştiren Fresnel oldu. Fresnel, Hooke'un düşünüp de geliştiremediği boyuna titreşim yerine enine titreşim kavramını getirdi. Böylece, modern bilimsel optik kurulmuş oldu. Bununla birlikte, XIX. yy.’ın birinci yarısında başta Laplace ve Biot olmak üzere çok sayıda bilgin, Newton mekaniği temelinde savundukları tanecik kuramına bağlı kaldı. Ancak, Fizeau (1849) ve Foucault'nun (1850) gerçekleştirdikleri ölçmeler ışığın havada, sudakinden daha hızlı yayıldığını kanıtlayınca, tanecik kuramı terk edildi; çünkü bu kuram bu olayın tersini gösteriyordu.

Oysa bu sonuç, daha önce Fresnel'in dalga optiği kuramında öngörülmüştü. Fotonun Einstein tarafından 1905'te, dalga mekaniğinin de Louis de Broglie tarafından 1924’te bulunuşuyla, tanecik kuramı ile dalga kuramını birleştiren iki kuram, yani ışığın tanecikli ve dalgalı oluş kuramı uzlaştı. 1865’te, Maxwell ışığın elektromanyetik yapısını ortaya koydu; bu görüş XIX. yy. sonunda Lorentz tarafından geliştirildi. Lorentz böylece, ışığın yansıma ve kırılmasının özellikle Maxwell'in elektromanyetik kuramıyla açıklanabileceğini gösterdi.

Doğrusal olmayan optik

Bir E elektrik alanının etkisinde kalan maddesel bir ortam, normal durumda bu alanla orantılı elektriksel bir kutuplanma gösterir: P KE (burada K orantı değişmezi ortamın dielektrik yatkınlığıdır). Elektromanyetik bir ışık dalgasının bu ortamdaki yayılmasına ilişkin hesaplar bu durumda,e, =1+K göreli dielektrik değişmezini göz önüne almayı gerektirdi ve ortamın n = ı/Tr kırılma indisinin varlığı kuramsal olarak doğrulandı.

Ancak, laser'in bulunuşundan bu yana, E elektrik alanı son derece yeğin olan ışık dalgaları üretilebilmektedir; bu durumda, yüksek alan yeğinliği nedeniyle ortamda indüklenen P elektrik kutuplanması, E elektrik alanı genliğinin doğrusal bir fonksiyonu olmaktan çıkar. Bu durumda kırılma indisi kavramı artık bir anlam taşımaz ve dalgaların yayılması, tümüyle özel yasalara bağlanır.

Bu özellikler arasında şunlar sayılabilir: özodaklaşma olayı (bir laserden çıkan koşut bir ışık demeti, ortamın içinde kendi kendine odaklanma eğilimi gösterir ve ince filamanlar halinde toplanır), armonik üretimi (laserden çıkan kırmızı ışık demeti, ortamdan geçtiğinde, frekansı gelen dalganın frekansının iki katına eşit bir dalganın çıktığı görülür), iki foton soğurması (iki düzey arasında her iki foton ayrı ayrı alındıklarında olanaksız olan atom geçişi, bu fotonlar, enerjilerinin toplamı tam anlamıyla iki düzey arasındaki enerji farkına karşılık gelmek koşuluyla birlikte alındıklarında olanaklı olur).

Optik birimler

KANDELA, LÜMEN. LÜKS, DİYOPTRİ.
Optik (Opticks), Newton’ın yapıtı (1. ing. baskı 1704; eklemelerle çıkan 2. lat. baskı, 1704; yeniden gözden geçirilmiş 2. ing. baskı, 1717-18). Newton’ın Optik adlı yapıtı üç kitaptan oluşur. Birinci kitap iki bölüm içerir; ilk bölümde, ışığın yayılması ve yansıması, ikinci bölümde ise ayrışması incelenir, ikinci kitap ince lamların renklenmesini doğadaki cisimlerin renkleri ile lamların renkleri arasındaki benzeşimi, üçüncü kitap kırılma ve renkler üzerine genel gözlemleri kapsar.