Zakoni geometrijske optike

Geometrijska optika je dio optike u kojoj se za opis svjetlosnih pojava služimo svjetlosnom zrakom.

Svjetlosna zraka je zamišljena putanja duž koje se energija svjetlosti prenosi od jedne točke do druge. Zrake svjetlosti u stvarnosti ne postoje već su samo hipotetički koncept koji nam pomaže da što jednostavnije objasnimo neke optičke pojave. Podrazumjeva da se svjetlost širi po pravcima ili zrakama.

Osnovni zakoni geometrijske optike:

1. Zakon o pravocrtnom širenju svjetlosti

• U optički homogenom i prozirnom sredstvu zamišljamo da se svjetlost širi u zrakama koje su pravci
• Primjenjiv je samo kada je valna duljina svjetlosti mala prema dimenzijama optičke naprave, tj kad su pojave poput ogiba ili difrakcije zanemarive
• Samo je djelomično točan, npr. zraka svjetlosti od neke zvijezde kad prolazi uz Sunce, nije pravac, već je savinuta prema Suncu. Zašto se ta zraka ne širi pravocrtno u blizini Sunca objašnjava nam teorija relativnosti.
  

2. Zakon o nezavisnosti snopova svjetlost

• Ovaj zakon govori da se dva snopa svjetlosti u postoru prostiru potpuno neovisno. Ako jedan snop zraka svjetlosti prolazi kroz drugi snop, jedan na drugi ne utječu (ako ne dolaze iz jednakih izvora), poput reflektorskih snopova koji jedan kroz drugog prolaze bez utjecaja.
• 
  
• Snop svjetlosti je skup svjetlosnih zraka.

3. Zakon refleksije (odbijanja) svjetlosti

Zakon refleksije je kada svjetlost, zraka svjetlosti, svjetlosni val, dolazi do granice dvaju prozirnih sredstava, ona se djelimično reflektira, a djelimično prolazi u drugo sredstvo. Za dio svjetlosti koji se reflektira vrijedi zakon refleksije svjetlosti.
Reflektirana ili odbijena zraka nalazi se uvijek u upadnoj ravnini,(upadna ravnina je ona koju određuje upadna zraka i okomica na upadnu plohu u točki upadanja upadne zrake.).
Kut upadanja jednak je kutu refleksije (odbijanja).




4. Zakon loma

• Kada svjetlost, zraka svjetlosti, svjetlosni val, prelazi iz jednog sredstva u drugo, ono se lomi, odnosno skreće s prvobitnog smjera. Do loma svjetlosti na granici dvaju sredstava dolazi zbog toga što je svjetlost u nekom sredstvu sporije od brzine svjetlosti u vakuumu. Za opis različitih brzina svjetlosti uvodimo veličinu koju nazivamo indeks loma n.

Za lomljenu zraku vrijedi:

• Lomljena zraka nalazi se u upadnoj ravnini.
• Omjer sinusa kuta upadanja i sinusa kuta loma je konstantan za dva određena optička sredstva i za danu valnu duljinu svjetlosti
  

• Taj konstantan omjer naziva se relativni indeks loma između dva sredstva. On je jednak omjeru brzina svjetlosti u ta dva optička sredstva:

Apsolutni index loma

• Najčešće se mjeri indeks loma nekog sredstva prema vakuumu. Takav indeks loma naziva se apsolutni indeks loma i bilježi se sa "n".
• Brzina svjetlosti je najveća u vakuumu, pa je apsolutni indeks loma uvijek veći od 1.
  

c - brzina svjetlosti u vakuumu , c"- brzina svjetlosti u nekom sredstvu, n - apsolutni indeks loma

Totalna refleksija

Zanimljiva situacija nastaje kada zraka pod različitim kutovima izlazi iz optički gušćeg sredstva u optički rjeđe sredstvo. Za određeni kut koji ovisi o indeksu loma sredstava, zraka se potpuno reflektira, dakle, bez dijela svjetlosti koji se uvijek lomi i prelazi u optički rjeđe sredstvo indeksa loma. U tom slučaju govorimo o totalnoj refleksiji a kut nazivamo graničnim kutom. Lomljena zraka je paralelna s granicom sredstava.



Uvjeti za nastanak totalne refleksije

• Zraka svjetlosti mora prelaziti iz optički gušćeg u optički rjeđe sredstvo
• Upadni kut mora biti veći od graničnog kuta (ug), (sin ug =1/n)
  

Primjer korisnosti totalne refleksije:

Svjetlosni vodiči jedan su primjer primjene totalne refleksije. Najčešće su sastavljeni su od tankih prozirnih vlakana skupljenih u svežanj. Svako vlakno je presvučeno tankim slojem sredstva indeksa loma manjeg od indeksa loma samog vlakna. Optička vlakna malog su promjera i fleksibilni vodiči svjetlosti (primjenjuju se u endoskopiji). Svjetlost koja uđe na početku vlakna putuje njime, totalno se reflektirajući na površini plašta vlakna.


Autor:
Prof. Emil Šatalić