תחום האופטיקה הוא חלק בלתי נפרד מחיינו: החל במשקפיים, דרך זיהוי תנועה במשחקי וידאו ועד לאמצעי מחקר ותעשייה, כגון לייזרים ועוד. כיצד עוזרים המשקפיים לתקן ראייה לקויה? כיצד מסוגל הטלסקופ לקרב אלינו עצמים רחוקים שנות אור? כיצד אנו רותמים את כוחה של הקרינה בדמות הלייזר?

במשך שנים רבות הייתה ההתייחסות לקרני האור פשטנית והתבססה על  ההנחה שקרני האור מתפשטות בקווים ישרים. מתוך ההנחה הזו נגזר ענף שלם במדעי האופטיקה שמסוגל לתאר תופעות יומיומיות רבות.

ישנם מקרים מתועדים של שימוש מעשי בהנחה שהאור נע בקווים ישרים, עוד מימי יוון העתיקה. ארכימדס (200 לפנה"ס בקירוב) השתמש בתכונות ההחזרה והריכוז של קרני האור כדי לסנוור (ויש הטוענים כדי לשרוף) את ספינות האויב הרומאי במהלך המצור על סירקוסאי [1]. ארכימדס השתמש במראות קעורות, שצורתן מאפשרת מיקוד של קרני השמש העוצמתיות לנקודה אחת כדי לייצר בה חום אדיר. אך אף שתופעות אופטיות ועקרונות אופטיים מסוימים היו ידועים זמן רב, סר אייזיק ניוטון הוא זה שיצר את הבסיס לתיאוריה הפיזיקלית מאחורי התופעות הללו לצורה המוכרת לנו כיום. העקרונות של התיאוריה הבסיסית הם:

1. האור נע בין שתי נקודות במסלול שבו משך התנועה הוא הקצר ביותר (עקרון פרמה [2]).
2. לכל תווך ישנה תכונה פנימית שנקראת מקדם השבירה [4]. מקדם זה הוא מספר שמתאר את היחס בין מהירות האור בתווך לבין מהירות האור בריק. למשל, מקדם השבירה של הריק (ובקירוב מספיק טוב, גם של האוויר) הוא 1. מקדם השבירה של מים הוא 1.33 ושל זכוכית הוא 1.5, כלומר האור מתקדם בזכוכית במהירות שהיא קטנה פי 1.5 ממהירות האור בריק.
3. חוק סנל [5] גורס כי כיוונה של קרן האור משתנה במעבר מתווך לתווך. הזווית שבה הקרן נשברת תלויה ביחס בין מקדמי השבירה השונים. חוק סנל מתאר בצורה מתמטית את התופעה המוכרת, שבה כאשר מניחים כפית בכוס שמלאה בחלקה במים, הכפית נראית "שבורה".
4. עיקרון נוסף הוא החזרת אור [6]. כאשר קרן אור פוגעת בחומר, חלקה יוחזר כך שזווית ההחזרה מהמשטח תהא שווה לזווית הפגיעה בו. ייתכן מצב נוסף, של החזרה מלאה של כל קרן האור ללא מעבר לתווך השני כלל. כאשר קרן האור נעה בתווך בעל מקדם שבירה גבוה ופוגשת בתווך בעל מקדם שבירה נמוך ממנו (למשל במעבר בין מים לאוויר), וזווית הפגיעה של הקרן גדולה מספיק לפי חוק סנל - זווית "השבירה" צפויה להיות זווית ישרה, כלומר אין מעבר כלל לתווך השני (אם כי במציאות ישנו מעבר זניח) [7].

חלק מהכללים הללו נגזרים אחד מתוך השני, אך מקובל להציג את ארבעתם בתור העקרונות הבסיסיים של התיאוריה. יש המוסיפים גם את עקרון הנפיצה, האומר שמהירות ההתקדמות של גל אלקטרומגנטי בתווך כלשהו תלויה באורך הגל.

מתוך העקרונות האלו ניתן לגזור אלפי יישומים שימושיים בחיי היומיום. עדשות משתמשות בעקרון השבירה על מנת למקד שתי קרני אור או יותר לנקודה מסוימת, שנקבעת על ידי תכנון של החומר שממנו עשויה העדשה (כלומר, של מקדם השבירה) ושל צורת העדשה [8]. המרחק בין העדשה לבין נקודת המוקד שלה נקרא אורך המוקד, וההופכי של אורך המוקד (1 חלקי אורך המוקד, כשהוא נמדד במטרים) נותן לנו את יחידת המידה – דיופטר, שמוכרת אולי יותר כשחלקכם הולכים לרופא עיניים כדי לדעת מה "המספר" שלכם.

על אותו בסיס פותחו המיקרוסקופ, הטלסקופ והמשקפת. המצלמות הראשונות, שנקראו "לשכה אפֵלה" [9] פותחו על בסיס ההנחה שהאור נע בקווים ישרים.

יישומים נוספים מהשנים האחרונות כוללים את הסיב האופטי שמבוסס על עקרון ההחזרה הגמורה, המתרחשת כאשר האור נע מתווך עם מקדם שבירה גבוה, לתווך בעל מקדם שבירה נמוך (למשל מעבר מזכוכית לאוויר). עבור זווית שבירה מספיק קטנה, האור מוחזר בצורה מלאה מדופן הסיב ולמעשה "נלכד" בתוכו, כך שהסיב האופטי יכול להוביל אור למרחקים כמעט ללא איבוד אנרגיה.  

דוגמה נוספת ליישום אופטי חשוב היא המצלמות ההיפר-ספקטרליות שעליהן דיברנו בעבר [10], שמבוססות על שילוב של עקרונות האופטיקה הגיאומטרית והאופטיקה הפיזיקלית. כאשר קרן אור שמורכבת ממספר אורכי גל פוגעת במנסרה, כל מרכיב מושפע מעט אחרת מגורם השבירה של התווך ולכן, בהתאם לחוק סנל, יצא מהמנסרה בזווית מעט שונה (זהו בדיוק עקרון הנפיצה שהזכרנו קודם), מה שמאפשר לנו לפרק קרן אור למרכיביה השונים באמצעי פשוט וזול כמו מנסרה.

אם כן, ניתן לראות שאף שהעקרונות שדנו בהם ראשוניים יחסית - ובוודאי אינם מייצגים את מאפייניו הפיזיקליים של האור באופן מושלם - הם היו בסיס מספיק רחב לפיתוח מכשירים ולהתקדמות טכנולוגית עצומה.

מקורות והרחבות:

 [1] Siege of Syracuse

[2] עקרון פרמה

[3] principle of least action

[4] refractive index

[5] חוֹק סְנֶל

[6] Reflection

[7] החזרה גמורה

[8] Lensmaker's equation

[9] קרן אור באפלה

[10] תמונה אחת שווה אלף מילים