Optica heeft alles te maken met licht. Het is het gebied van de natuurkunde dat het gedrag van licht beschrijft en verklaart. Door licht zie je alles om je heen. Je ziet allerlei kleuren, maar wel alleen de kleuren waarvoor je oog gevoelig is – een specifiek deel van het spectrum. Dit zijn de kleuren met een golflengte tussen ongeveer 400 nanometer (violet) en 700 nanometer (rood).
Gevoeligheid ogen
In figuur 1 zie je wat de gevoeligheid van de kegeltjes en staafjes in je ogen is. Hier zie je dat je ogen overdag – als je vooral ziet met de kegeltjes – het meest gevoelig zijn voor licht van 550 nm (groengeel) en in de avond – als je vooral ziet met je staafjes – voor licht van 500 nm (groenblauw). Hoewel staafjes het meest gevoelig zijn voor groenblauw licht, zie je met je staafjes toch alleen grijstinten. Overdag zie je met je kegeltjes wel alle kleuren.
Figuur 1: Lichtgevoeligheid van het menselijk ook voor de kegeltjes (rode curve) en de staafjes in je oog (blauwe curve). Op de x-as zie je de golflengte λ in nanometer en op de y-as de relatieve spectrale gevoeligheid van het oog Vrel (λ). Bron: Wikimedia.
Dieren zien soms ook andere soorten licht. Zo zien bijen ook uv-licht, waardoor ze kunnen zien waar in bloemen de meeste nectar zit. En kunnen muggen die infrarood licht zien heel eenvoudig jouw warme lichaam spotten!
Vanuit natuurkundig perspectief is licht heel bijzonder. Je kunt op verschillende manieren naar licht kijken. Je kunt alleen kijken naar wat lichtstralen doen. Maar je kunt licht ook beschouwen als een golfverschijnsel of zelfs als een stroom lichtdeeltjes – een soort energiepakketjes – fotonen.
Lichtstralen volgen
Kijk je op grote schaal, dan kun je kijken wat licht doet door lichtstralen te volgen. In de geometrische optica is dat precies wat ze doen. Door zo naar licht te kijken, kun je – als je de eigenschappen van een lens weet – bijvoorbeeld uitrekenen hoe een lens het licht afbuigt. Dat noem je lichtbreking. Lichtbreking ontstaat doordat licht in elk medium een andere snelheid heeft. De lichtsnelheid in lucht is bijvoorbeeld anders dan in glas of in water. Dit heeft tot gevolg dat een lichtstraal die eerst door lucht gaat en daarna door water op het grensvlak tussen lucht en water van richting verandert. De wet van Snellius geeft aan wat er dan gebeurt:
$\frac{sin\alpha _{1}}{sin\alpha _{2}}= \frac{n_{2}}{n_{1}}$
Hierin is $\alpha _{1}$ de hoek van inval (hoek tussen lichtstraal in materiaal 1 en de normaal op het grensvlakoppervlak tussen materiaal 1 en 2), n1 is de brekingsindex van materiaal 1, $\alpha _{2}$ is de uittreehoek (hoek tussen lichtstraal in materiaal 2 en de normaal op het grensvlak tussen materiaal 1 en 2) en n2 is de brekingsindex van materiaal 2.
Als je de eigenschappen van een lens weet – het soort materiaal en de bolling van de lens – dan kun je bepalen hoe de lens het licht afbuigt en wat de brandpuntsafstand is. Je kunt dan berekenen waar de lens een voorwerp dat je voor de lens plaatst scherp afbeeldt. Hiervoor gebruik je de lenzenformule:
$\frac{1}{f}= \frac{1}{v}+\frac{1}{b}$
Hierbij is f de brandpuntsafstand van de lens, v de afstand van het voorwerp tot de lens en b de afstand van de lens tot het beeld.
Oogmetingen
Dit principe gebruikt ook de opticien om te kijken of je een bril nodig hebt. De opticien meet wat de afstand is van je ooglens tot je netvlies waarop het beeld geprojecteerd zou moeten worden. Ook meet hij of zij de oogbolling om de brandpuntsafstand van je ooglens te bepalen. Voor een voorwerp dat heel ver weg is – v is dan oneindig, zodat 1/v nul is – weet je dan wat de beeldafstand zou moeten zijn. Als deze afstand overeenkomt met de afstand van je ooglens tot je netvlies, heb je dus geen bril nodig.
Zijn je ogen niet goed, dan buigt je ooglens het licht niet sterk genoeg of juist te sterk om het beeld scherp op je netvlies te krijgen. Om het toch scherp te krijgen, zul je het licht dus wat sterker of juist wat minder sterk moeten afbuigen. Dat doe je door een extra lens voor je oog te plaatsen: een bril of contactlens. Soms kun je zelfs je oogbolling laten aanpassen door je ogen te laten laseren.
Lichtstralen kun je niet alleen afbuigen met lenzen, je kunt ze ook laten reflecteren (weerkaatsen) aan oppervlakken. Het duidelijkste voorbeeld is natuurlijk de spiegel, maar ook een wateroppervlak kan bij windstil weer het licht prachtig spiegelen. Bij lichtinval op een spiegel (of spiegelend oppervlak) is de hoek van inval gelijk aan de hoek van reflectie of weerkaatsing.
Licht als golfverschijnsel
De tweede manier waarop je kunt kijken naar licht is door licht te beschouwen als een golf. Dit gebeurt in de fysische optica. Je kijkt dan naar het golfkarakter van licht, dat deel uitmaakt van het elektromagnetisch spectrum. Begin negentiende eeuw ontdekten Thomas Young en Augustin Jean Fresnel dat licht een golfverschijnsel is. Dat leverde een hoop nieuwe inzichten op en leidde tot het ontwerpen van allerlei handige nieuwe meetinstrumenten die we nu nog steeds veel gebruiken.
Eén van die instrumenten is de interferometer, die gebruikmaakt van interferentie. In de interferometer wordt een lichtbundel (laserlicht) opgesplitst in twee bundels die langs twee afzonderlijke paden lopen. Zijn beide paden even lang en zijn de omstandigheden in elk pad precies hetzelfde? Dan lopen de lichtbundels als je ze samenvoegt netjes in fase en zullen de lichtbundels elkaar versterken. Maar zijn de omstandigheden in beide takken net een beetje anders, dan lopen de twee bundels niet meer in fase en doven ze elkaar gedeeltelijk of helemaal uit – de lichtgolven interfereren. Uit het lichtpatroon dat je meet, kun je daarom informatie halen over wat er in de ene tak is veranderd.
Zwaartekrachtgolven meten
Er zijn veel toepassingen voor de interferometer. Ook de Einstein Telescoop – de nieuw te bouwen zwaartekrachtgolfdetector die wel 10 bij 10 kilometer wordt – is een speciaal soort interferometer. Dit gigantische observatorium dat zwaartekrachtgolven gaat meten, zal misschien zelfs in Zuid-Limburg komen! In deze interferometer laat een langskomende zwaartekrachtgolf de ruimte in de ene tak iets uitrekken of krimpen ten opzichte van de andere tak. Dit verschil kun je dan meten.
Lichtspectra meten
Een ander instrument dat slim gebruikmaakt van het golfkarakter van licht is een spectrometer. Dit is een meetinstrument waarmee je het lichtspectrum van een lichtbundel kunt bepalen. In de spectrometer zit een tralie – een streepjespatroon waarbij streepjes die geen licht doorlaten afgewisseld worden met lichtdoorlatende streepjes – met een patroon dat veel kleiner is dan de golflengte van het licht waaraan je meet. Het is dan als het ware alsof er na de tralie allemaal kleine puntbronnen zijn ontstaan.
Doordat de punten waar de golven elkaar versterken voor elke golflengte anders zijn, wordt het licht voor elke golflengte in een andere richting versterkt. Door de lichtintensiteit in deze verschillende richtingen te meten, kun je de lichtkleuren onderscheiden en hun intensiteit meten.
Dit principe gebruiken onderzoekers bijvoorbeeld bij het Tropomi. Met dit instrument kunnen ze concentraties van allerlei stoffen in de atmosfeer bepalen. Ook gebruiken onderzoekers een spectrometer om het licht afkomstig van sterren te onderzoeken. Door de lichtkleuren te ontrafelen, kunnen sterrenkundigen meer te weten komen over de samenstelling van de ster.
Licht als deeltje: fotonen
Begin twintigste eeuw kwam er door de theorie van de quantummechanica nog een laatste manier bij om licht te omschrijven. Je kunt licht ook beschouwen als deeltjes, fotonen genoemd. De quantumoptica, ook wel fotonica genoemd, maakt hiervan gebruik. De energie van deze deeltjes hangt af van de golflengte van het licht en laat zich beschrijven als:
$E_{foton}= h\cdot \nu$
Hierin is h de constante van Planck met een waarde van 6,626.10-34 J.s en $\nu$ de frequentie van het licht.
Afstand bepalen met LIDAR
Ook deze manier van kijken naar licht wordt gebruikt bij praktische toepassingen. Harm Wichers gebruikt dit ook bij zijn werk als systeemarchitect bij NTS Optel in Nijmegen waar hij allerlei optische meetsystemen ontwerpt. “Een mooi voorbeeld hiervan zijn de sensoren in LIDAR (Light Detection And Ranging) systemen in auto’s."
“LIDAR is een systeem dat de afstand van de auto tot de auto ervoor (of iets anders dat zich voor de auto bevindt) kan meten”, vertelt Wichers. “Aan de voorkant van de auto zendt het systeem een laserstraal uit. Als zich iets binnen een afstand van 150 meter vóór de auto bevindt, zal de laserstraal hierop weerkaatsen. Het laserlicht verstrooit vervolgens naar alle kanten. Een klein deel zal zo ook weer terugkaatsen naar de auto met het LIDAR-systeem. Op deze auto zit een supergevoelige sensor. Deze sensor is zo gevoelig dat deze één of enkele fotonen afkomstig van de terugkaatsende felle laserstraal al kan meten. Het foton maakt in de sensor een elektron los. Dit elektron wordt in de sensor versterkt, zodat er een stroom gemeten wordt. Uit de tijd tussen het versturen van de laserstraal en het detecteren van een foton, kan het LIDAR-systeem zo de afstand uitrekenen.”
“Werken in de optica is ontzettend veelzijdig”, vertelt Wichers enthousiast. “Onze klanten zitten werkelijk overal. Of het nu een fabrikant is uit de chipindustrie, een smartphonefabrikant, een bollenteler of een bedrijf dat instrumenten ontwikkelt voor tandartsen. Voor elke opdrachtgever ontwerpen wij een specifiek optisch systeem. Een meetsysteem dat de klant helpt in het productieproces of bijvoorbeeld een product dat met optica een specifieke taak uitvoert, zoals een instrument voor tandartsen. Juist deze veelzijdigheid maakt het werk erg leuk en afwisselend.”
