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òttica

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Lessico

sf. [sec. XVI; dall'agg. ottico].

1) Scienza che studia i fenomeni connessi all'emissione, alla propagazione e alla rivelazione della luce. Intendendo quest'ultima come l'insieme delle radiazioni elettromagnetiche in grado di produrre stimoli sulla retina dell'occhio umano, l'ottica è un settore della fisica: quello che studia un particolare intervallo di radiazioni elettromagnetiche. In questo ambito, il campo dell'ottica è spesso allargato alle radiazioni contigue a quelle del cosiddetto spettro visibile e cioè allo studio dell'infrarosso e dell'ultravioletto (vedi luce). Talvolta l'estensione del termine giunge a coprire addirittura tutto lo spettro elettromagnetico: si parla infatti di ottica delle onde radio,ottica dei raggi X,ottica dei raggi gamma. Poiché il termine luce indica anche l'oggetto delle sensazioni visive, si parla anche di ottica come scienza della visione. È questo, a rigore, un settore della psicologia e ci si dovrebbe riferire a esso indicandolo con il termine di ottica psicologica. La misurazione delle grandezze connesse alla luce intesa come sensazione è oggetto di un settore interdisciplinare che si avvale di metodi della fisica e della psicologia (vedi fotometria). Lo studio del funzionamento dell'occhio, inteso come particolare strumento ottico che rivela le radiazioni luminose e le codifica in impulsi inviati al cervello, è oggetto dell'ottica fisiologica.

2) In elettronica, settore che studia il comportamento di elettroni e ioni all'interno di campi elettrici e magnetici. Poiché agli elettroni e agli ioni in moto possono essere associate ben definite lunghezze d'onda, l'ottica elettronica si avvale di formule analoghe a quelle dell'ottica delle radiazioni. In questo campo hanno particolare interesse pratico i microscopi elettronici e i dispositivi di focalizzazione e di contenimento di fasci di particelle cariche all'interno di acceleratori di particelle e di macchine a plasma.

3) Tecnologia di fabbricazione di elementi di strumenti ottici (lenti, prismi, specchi, ecc.) e degli strumenti ottici stessi, per esempio quelli ausiliari dell'occhio (microscopio, cannocchiale, ecc.) e quelli atti a correggere difetti della vista: laboratorio di ottica.

4) L'insieme degli elementi rifrangenti, riflettenti, disperdenti di uno strumento ottico: l'ottica di una macchina fotografica.

Fisica: generalità

Lo studio dei fenomeni connessi alla propagazione della luce può essere fatto in modo indipendente da qualsiasi ipotesi sulla natura della radiazione luminosa. Tale studio, che permette di descrivere in termini geometrici la formazione dell'immagine degli oggetti fornita da opportuni strumenti ottici (lenti, specchi, microscopi, cannocchiali, ecc.), è oggetto appunto della cosiddetta ottica geometrica. Essa si basa, da una parte, sulla considerazione di enti astratti come i raggi luminosi, dall'altra sul principio di propagazione rettilinea della luce, sul principio di indipendenza dei raggi luminosi (per cui questi, pur incrociandosi, non esercitano alcuna interazione reciproca) e sul principio di Fermat, dal quale è possibile dedurre le leggi della riflessione e della rifrazione. Le formule dell'ottica geometrica risultano molto semplificate se vengono considerati solo raggi con piccola inclinazione sull'asse ottico (approssimazione di Gauss). Gran parte dei progressi nella produzione di strumenti ottici di altissima qualità è basata appunto sull'utilizzo di queste formule semplificate (ottica di Gauss). La presenza di aberrazioni di entità prevedibile è una diretta conseguenza del fatto che l'ottica di Gauss dà solo una descrizione approssimata del vero comportamento dei raggi luminosi. Un gran numero di fenomeni ottici non può però essere spiegato senza introdurre teorie sulla natura della luce. Tali fenomeni sono studiati nell'ambito della cosiddetta ottica fisica, basata sull'assunzione di un carattere ondulatorio delle radiazioni luminose. Il modello ondulatorio della luce interpreta esaurientemente, oltre alla riflessione e alla rifrazione, anche l'interferenza, la diffrazione, la polarizzazione, la doppia rifrazione e tutta una serie di taluni fenomeni. Essa non è però in grado di spiegarne altri come l'emissione di spettri atomici e l'effetto fotoelettronico. L'ottica quantistica, basata sull'assunzione che la luce ha anche una natura corpuscolare, è la teoria che riesce a inquadrare meglio tutti i fenomeni noti connessi alla radiazione luminosa. Su essa sono basate, in particolare, le tecniche laser .

Fisica: ottica elettronica

Questo settore della fisica teorica e applicata è nato a partire da una serie di esperienze in cui un fascio di elettroni produceva gli stessi fenomeni di diffrazione di un fascio di raggi luminosi. Veniva così mostrata inequivocabilmente la natura ondulatoria dell'elettrone (e quindi anche degli altri corpuscoli materiali). L'ottica elettronica può quindi avvalersi degli stessi metodi usati in ottica fisica, con il vantaggio (che in certe applicazioni risulta determinante) che la lunghezza d'onda delle onde associate agli elettroni può essere anche molto minore di quella delle radiazioni luminose. In molti casi, però, sono sufficienti le approssimazioni dell'ottica geometrica: ciò avviene quando l'aspetto ondulatorio dell'elettrone può essere trascurato. Gli elettroni possono quindi essere considerati come particelle puntiformi, dotate di massa e di carica, descriventi traiettorie curve, in particolare rettilinee. Lo scostamento dalla propagazione rettilinea è provocato dalla presenza di campi elettrici e magnetici; il fenomeno è analogo alla curvatura della traiettoria dei raggi luminosi che si ha quando questi attraversano un mezzo il cui indice di rifrazione varia con continuità. Le leggi del moto di un elettrone all'interno di campi elettrici e magnetici sono quelle della meccanica e dell'elettromagnetismo. In particolare, la forza esercitata su un elettrone (ma le stesse considerazioni valgono anche per gli ioni) in un campo elettrostatico è proporzionale alla carica della particella e all'intensità del campo ed è diretta secondo le linee di flusso del campo stesso. La forza esercitata da un campo magnetico su una carica elettrica in moto al suo interno è invece la forza di Lorentz. Se un elettrone si muove in un campo elettrico non uniforme, le leggi del suo moto possono essere espresse in forma analoga alla legge di Snell, valida per la rifrazione dei raggi luminosi. Nel caso poi in cui l'elettrone si muova in un campo magnetico la grandezza corrispondente all'indice di rifrazione non dipende solo dalle caratteristiche del campo, ma anche (per la forma stessa della legge di Lorentz) dalla sua velocità. Sulla base di queste considerazioni, si costruiscono lenti elettrostatiche e lenti magnetiche. La lente elettrostatica è costituita da due elettrodi coassiali cilindrici posti uno dietro l'altro. Le linee di forza del campo elettrico deviano gli elettroni del fascio in modo da ottenere un effetto di focalizzazione analogo a quello prodotto da una lente convergente di vetro su un fascio di raggi luminosi paralleli al suo asse. La lente magnetica è invece costituita da un solenoide percorso da una corrente elettrica che produce un campo magnetico uniforme diretto secondo l'asse. Un fascio di elettroni che entrino nel solenoide in direzione parallela all'asse non viene deviato, in quanto la componente della velocità in direzione normale all'asse è nulla e la forza di Lorentz è proporzionale a questa componente. Se però essi entrano in direzione inclinata rispetto all'asse del solenoide, allora sono sottoposti a una forza perpendicolare all'asse tanto maggiore quanto maggiore è la componente della velocità in questa direzione. Questa forza li costringe a descrivere traiettorie che sono la risultante di un moto rettilineo uniforme e di un moto circolare uniforme, cioè delle spirali. Se gli elettroni del fascio hanno differenti componenti normali delle velocità, essi descrivono spirali di raggio differente: l'effetto complessivo del campo generato dal solenoide è però quello di farli convergere tutti in unico punto dell'asse. Si ha quindi anche in questo caso un effetto di focalizzazione analogo a quello di una lente convergente. Sia le lenti elettrostatiche, sia le lenti magnetiche presentano aberrazioni analoghe a quelle che si hanno nel caso delle ottiche di vetro.

Fisica: ottica integrata

Tra le applicazioni più recenti dell'ottica quantistica hanno un posto di rilievo le tecniche di miniaturizzazione di circuiti in cui su uno stesso substrato sono inseriti elementi ottici. Sono stati prodotti in via sperimentale computer completi in cui i segnali viaggianti nei circuiti aritmetici, logici e di memoria non sono segnali elettrici, bensì segnali luminosi. A questo scopo sono stati prodotti laser a semiconduttore, diodi emettitori di luce (LED), modulatori di luce e fotorivelatori di dimensioni microscopiche. I componenti miniaturizzati per ottica integrata sono costruiti in materiali diversi. Le funzioni di guida dei raggi luminosi di modulazione e rivelazione sono integrabili su uno stesso elemento mediante le tecnologie ibride a film sottile usate per la produzione di circuiti integrati ibridi. Il futuro di questo settore interdisciplinare dell'ottica, dell'elettronica e dell'informatica risiede però nello sviluppo di circuiti ottici in cui tutte le funzioni possano essere realizzate su uno stesso materiale, quale per esempio l'arseniuro di gallio; in modo analogo si producono circuiti integrati monolitici.

Bibliografia

L. de Broglie, Optique électronique et corpuscolaire, Parigi, 1950; A. E. Conrady, Applied Optics and Optical Design, New York, 1960; V. Ronchi, Storia della tecnica ottica, Firenze, 1972; M. H. Pirenne, La percezione visiva, Padova, 1991; J. Hillier, A. W. Vance, Electron Optics and the Electron Microscope, New York, 1945; V. E. Coslett, Introduction to Electron Optics, Oxford, 1950; E. B. Brown, Modern Optics, New York, 1965; S. Malatesta, Elettronica e Radiotecnica, Pisa, 1967; C. Scala, G. Pasquinelli, Microscopia elettronica a scansione, Bologna, 1987.