A part el seu interès teòric propi, és important com a instrument de treball de moltes altres branques de la ciència, car són molts els fenòmens òptics que permeten de conèixer millor el món material (per exemple, gairebé tots els aparells de mesura són, en algun grau, aparells òptics).
Història de l'òptica
Històricament, com a ciència, l’òptica començà amb Euclides, que postulà l’existència d’uns raigs de llum que surten de l’ull i van a l’objecte. En la mateixa concepció, Damià i Heró d’Alexandria intuïren el principi de Fermat. La concepció atomística del món, de Leucip i Demòcrit, portà a explicar la visió mitjançant l’emissió, per part dels cossos observats, d’algun principi òptic (είδωλον) que, en arribar a l’ull, reprodueix la forma i el color de l’objecte. Al segle XI ibn al-Haytam explicà el paper de l’ull en la visió —d’acord, per primera vegada, amb les idees modernes—, distingint entre la illuminació de l’objecte per una font lluminosa independent de l’objecte i de l’ull, i la visió d’aquest objecte per part de l’ull, alhora que exposà les primeres idees sobre reflexió i refracció de la llum en superfícies.
La difusió de les lents a l’Occident europeu, de fabricació purament artesana entre els segles XIII i XVI, preparà el terreny a l’aparició de l’òptica moderna, iniciada amb les successives publicacions de Della Porta (Magia Naturalis i De Refractione), Kepler (Paralipomena i Dioptrice), Galileu (que mostrà la manera d’aplicar els avenços de l’òptica a l’observació astronòmica) i Descartes (La Dioptrique). Newton tancà aquesta etapa el 1704 publicant un tractat (Opticks) en el qual, juntament amb els coneixements de l’època sobre els fenòmens de refracció, interferències i difracció, exposà la natura composta de la llum blanca i les seves idees corpusculars sobre la constitució de la llum. Huygens, contemporani de Newton, proposà el principi (principi de Huygens) damunt el qual Fresnel fonamentà més endavant la teoria ondulatòria de la llum (principi de Huygens-Fresnel), però cal esperar fins a la interpretació de Hertz de les ones electromagnètiques de Maxwell per a donar significat a l’òptica dita ondulatòria.
Subbranques de l'òptica
Les modificacions posteriors en les teories sobre la llum han dut a diverses concepcions de l’òptica, concretades en les subbranques següents: òptica geomètrica, òptica física, òptica electromagnètica i òptica quàntica.
L'òptica geomètrica, que estudia la propagació de la llum sota el concepte de raig, es fonamenta en el principi de Fermat del camí òptic mínim, i se subdivideix en catòptrica (estudi dels fenòmens de reflexió), diòptrica (estudi de la refracció) i cromàtica (estudi geomètric de la dispersió de la llum).
L'òptica física considera els fenòmens relacionats amb la interpretació ondulatòria de la llum (interferències, difracció i polarització), i es fonamenta en el principi de Huygens. Hom pot considerar l’òptica geomètrica com el cas límit de l’òptica física quan la longitud d’ona no és considerada perquè és massa petita.
L'òptica electromagnètica interpreta les ones lluminoses com a ones electromagnètiques, i es basa, doncs, en les equacions de Maxwell. Destaca per la integració que aconsegueix dels fenòmens lluminosos dins el més ampli camp de l’espectre electromagnètic, tot permetent un tractament similar de fenòmens tan aparentment diversos com les microones, els raigs infraroigs, la llum i la radiació ultraviolada.
L'òptica quàntica, que estudia la llum tenint en compte la hipòtesi quàntica de Planck i el model lluminós de fotons proposat per Einstein, es basa en la relació entre l’energia E del fotó i la freqüència ν de la llum (E + hν), que permet d’explicar l’efecte fotoelèctric. A més, l’experiment de Compton de xoc entre fotons i electrons ha permès d’associar als fotons un moment lineal com si fossin autèntiques partícules materials.
Entre les parts més especialitzades de l’òptica cal esmentar l'òptica fisiològica, dedicada a l’estudi de la visió i sobre la qual Helmholtz escriví un tractat fonamental (Handbuch der physiologischen Optik); l'òptica cristal·lina, dedicada a l’estudi de la propagació de la llum a través dels cristalls (amb tota la complicació de no-isotropia de les estructures cristal·lines no cúbiques); l'òptica metàl·lica, que tracta de la propagació de la llum en els metalls, en els quals destaca el poder d’absorció de la llum, i per això hom treballa, en aquest camp, amb índexs de refracció donats per nombres complexos; l'òptica meteorològica, que estudia els fenòmens lluminosos de l’atmosfera (on la densitat i, per tant, l’índex de refracció, són variables tant amb l’altura com localment per pertorbacions —humitat, etc. —); i l'òptica de microones i la de raigs X, amb l’ús respectiu de guies d’ones i de xarxes cristal·lines naturals per a la difracció. Per extensió, el terme “òptica” és emprat també per a denominar l'òptica corpuscular, que és aquella part de la física que estudia les trajectòries, les focalitzacions i les desviacions de les partícules atòmiques carregades (òptica electrònica, òptica iònica) o no carregades (òptica neutrònica), que tant d’interès tenen per al correcte funcionament del microscopi electrònic i de l’accelerador de partícules.
Finalment, hom ha desenvolupat tècniques de transmissió òptica que es caracteritzen, d’una o altra manera, per les propietats singulars d’algun tipus de medi. Així, per exemple, l'òptica de fibres estudia la transmissió de senyals electromagnètics per fibres òptiques, tècnica que com més va és més emprada en l’àmbit de les telecomunicacions (teleinformàtica, televisió, telèfon, etc.), atès la seva capacitat de transmissió i d’immunitat a les interferències.
Instrumentació en òptica
Els instruments que hom utilitza en l’òptica són reduïbles a tres d’elementals: miralls, per a fenòmens de reflexió; lents, per a refracció, i prismes, per a aconseguir la dispersió cromàtica; en els fenòmens d’òptica física caldria afegir-hi les xarxes de difracció. La fabricació d’un mirall té lloc, generalment, mitjançant l’aplicació de pel·lícules metàl·liques finíssimes damunt d’una superfície prèviament polida. Les lents, normalment fetes de flint-glas. i de crown-glass (lents flint i lents crown), que hom combina per corregir els efectes de dispersió cromàtica, tenen un procés de fabricació de tres etapes: tallament del vidre brut amb diamant, procés de donar a la superfície la curvatura desitjada (desbast) i poliment final de les superfícies amb pols d’esmeril.
Taula cronològica dels principals avenços de l'òptica
| 1608 | Lippershey inventa el telescopi de refracció |
| 1609 | Galileu construeix la primera ullera astronòmica de refracció |
| 1637 | Descartes publica la Dioptrica |
| 1665 | Grimaldi observa la difracció de la llum (després de L. da Vinci) |
| 1672 | Newton estableix la composició de la llum blanca |
| 1690 | Huygens proposa la teoria ondulatòria de la llum |
| 1704 | Newton suggereix la teoria corpuscular de la llum |
| 1800 | Malus descobreix la polarització de la llum per reflexió |
| 1803 | Young experimenta amb interferències lluminoses |
| 1814 | Fresnel reprèn la teoria ondulatòria de la llum |
| 1819 | Aragó i Fresnel demostren que les vibracions lluminoses són transversals |
| 1829 | Fizeau mesura la velocitat de la llum |
| 1852 | Stokes estudia la fluorescència |
| 1860 | Kirchhoff estableix les bases de la teoria de la radiació |
| 1862 | Foucault estableix amb precisió la velocitat de la llum |
| 1930 | Zernicke inventa el microscopi de contrast de fase |
| 1948 | Gabor proposa el principi de l’holografia, realitzable per làser |
| 1962 | Townes proposa el principi del làser |