Optik bilimi nedir, neyi inceler? Optik biliminin doğuşu, tarihsel gelişimi, özellikleri nelerdir, hakkında bilgi.
Optik Tarihi
Optik; ışığın oluşmasını ve yayılmasını, etkilerini ve uğradığı değişiklikleri inceleyen fizik dalıdır. 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 Fermât, 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 Hollandalı fizikçi Christiaan Huygens Traité de la lumière (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‘in 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 İngiliz 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.
Modern optiğin temelleri kuvantum kuramının geliştirilmesiyle atıldı. Kuvantum kuramını 1900’de öneren Alman fizikçi Max Planck, ışınım enerjisinin ayrık (kesikli) birimler (kuvantumlar) halinde kaynaktan salındığım 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 Carl Friedrich Gauss geometrik optik konusundaki önemli kitabını 1841’de yayımladı. Gauss bu yapıtında odak uzaklığı kavramını ayrıntılı bir biçimde ortaya koyuyor, bir mercek sisteminin 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’ların 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 1’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.
