光學

狹義來說，光學是關于光和視見的科學，optics(光學)這個詞，早期只用于跟眼睛和視見相聯系的事物。而今天，常說的光學是廣義的，是研究從微波、紅外線、可見光、紫外線直到 X射線的寬廣波段范圍內的，關于電磁輻射的發生、傳播、接收和顯示，以及跟物質相互作用的科學。

　　光學是物理學的一個重要組成部分，也是與其他應用技術緊密相關的學科。

光學的發展簡史

　　光學是一門有悠久歷史的學科，它的發展史可追溯到2000多年前。

　　人類對光的研究，最初主要是試圖回答“人怎么能看見周圍的物體？”之類問題。約在公元前400多年(先秦的代)，中國的《墨經》中記錄了世界上最早的光學知識。它有八條關于光學的記載，敘述影的定義和生成，光的直線傳播性和針孔成像，并且以嚴謹的文字討論了在平面鏡、凹球面鏡和凸球面鏡中物和像的關系。

　　自《墨經)開始，公元11世紀阿拉伯人伊本·海賽木發明透鏡；公元1590年到17世紀初，詹森和李普希同時獨立地發明顯微鏡；一直到17世紀上半葉，才由斯涅耳和笛卡兒將光的反射和折射的觀察結果，歸結為今天大家所慣用的反射定律和折射定律。

　　1665年，牛頓進行太陽光的實驗，它把太陽光分解成簡單的組成部分，這些成分形成一個顏色按一定順序排列的光分布——光譜。它使人們第一次接觸到光的客觀的和定量的特征，各單色光在空間上的分離是由光的本性決定的。

　　牛頓還發現了把曲率半徑很大的凸透鏡放在光學平玻璃板上，當用白光照射時，則見透鏡與玻璃平板接觸處出現一組彩色的同心環狀條紋；當用某一單色光照射時，則出現一組明暗相間的同心環條紋，后人把這種現象稱牛頓環。借助這種現象可以用第一暗環的空氣隙的厚度來定量地表征相應的單色光。

　　牛頓在發現這些重要現象的同時，根據光的直線傳播性，認為光是一種微粒流。微粒從光源飛出來，在均勻媒質內遵從力學定律作等速直線運動。牛頓用這種觀點對折射和反射現象作了解釋。

　　惠更斯是光的微粒說的反對者，他創立了光的波動說。提出“光同聲一樣，是以球形波面傳播的”。并且指出光振動所達到的每一點，都可視為次波的振動中心、次波的包絡面為傳播波的波陣面(波前)。在整個18世紀中，光的微粒流理論和光的波動理論都被粗略地提了出來，但都不很完整。

　　19世紀初，波動光學初步形成，其中托馬斯·楊圓滿地解釋了“薄膜顏色”和雙狹縫干涉現象。菲涅耳于1818年以楊氏干涉原理補充了惠更斯原理，由此形成了今天為人們所熟知的惠更斯-菲涅耳原理，用它可圓滿地解釋光的干涉和衍射現象，也能解釋光的直線傳播。

　　在進一步的研究中，觀察到了光的偏振和偏振光的干涉。為了解釋這些現象，菲涅耳假定光是一種在連續媒質(以太)中傳播的橫波。為說明光在各不同媒質中的不同速度，又必須假定以太的特性在不同的物質中是不同的；在各向異性媒質中還需要有更復雜的假設。此外，還必須給以太以更特殊的性質才能解釋光不是縱波。如此性質的以太是難以想象的。

　　1846年，法拉第發現了光的振動面在磁場中發生旋轉；1856年，韋伯發現光在真空中的速度等于電流強度的電磁單位與靜電單位的比值。他們的發現表明光學現象與磁學、電學現象間有一定的內在關系。

　　1860年前后，麥克斯韋的指出，電場和磁場的改變，不能局限于空間的某一部分，而是以等于電流的電磁單位與靜電單位的比值的速度傳播著，光就是這樣一種電磁現象。這個結論在1888年為赫茲的實驗證實。

　　然而，這樣的理論還不能說明能產生象光這樣高的頻率的電振子的性質，也不能解釋光的色散現象。到了1896年洛倫茲創立電子論，才解釋了發光和物質吸收光的現象，也解釋了光在物質中傳播的各種特點，包括對色散現象的解釋。在洛倫茲的理論中，以太乃是廣袤無限的不動的媒質，其唯一特點是，在這種媒質中光振動具有一定的傳播速度。

　　對于像熾熱的黑體的輻射中能量按波長分布這樣重要的問題，洛倫茲理論還不能給出令人滿意的解釋。并且，如果認為洛倫茲關于以太的概念是正確的話，則可將不動的以太選作參照系，使人們能區別出絕對運動。而事實上，1887年邁克耳遜用干涉儀測“以太風”，得到否定的結果，這表明到了洛倫茲電子論時期，人們對光的本性的認識仍然有不少片面性。

　　1900年，普朗克從物質的分子結構理論中借用不連續性的概念，提出了輻射的量子論。他認為各種頻率的電磁波，包括光，只能以各自確定分量的能量從振子射出，這種能量微粒稱為量子，光的量子稱為光子。

　　量子論不僅很自然地解釋了灼熱體輻射能量按波長分布的規律，而且以全新的方式提出了光與物質相互作用的整個問題。量子論不但給光學，也給整個物理學提供了新的概念，所以通常把它的誕生視為近代物理學的起點。

　　1905年，愛因斯坦運用量子論解釋了光電效應。他給光子作了十分明確的表示，特別指出光與物質相互作用時，光也是以光子為最小單位進行的。

　　1905年9月，德國《物理學年鑒》發表了愛因斯坦的“關于運動媒質的電動力學”一文。第一次提出了狹義相對論基本原理，文中指出，從伽利略和牛頓時代以來占統治地位的古典物理學，其應用范圍只限于速度遠遠小于光速的情況，而他的新理論可解釋與很大運動速度有關的過程的特征，根本放棄了以太的概念，圓滿地解釋了運動物體的光學現象。

　　這樣，在20世紀初，一方面從光的干涉、衍射、偏振以及運動物體的光學現象確證了光是電磁波；而另一方面又從熱輻射、光電效應、光壓以及光的化學作用等無可懷疑地證明了光的量子性——微粒性。

　　1922年發現的康普頓效應，1928年發現的喇曼效應，以及當時已能從實驗上獲得的原子光譜的超精細結構，它們都表明光學的發展是與量子物理緊密相關的。光學的發展歷史表明，現代物理學中的兩個最重要的基礎理論——量子力學和狹義相對論都是在關于光的研究中誕生和發展的。

　　此后，光學開始進入了一個新的時期，以致于成為現代物理學和現代科學技術前沿的重要組成部分。其中最重要的成就，就是發現了愛因斯坦于1916年預言過的原子和分子的受激輻射，并且創造了許多具體的產生受激輻射的技術。

　　愛因斯坦研究輻射時指出，在一定條件下，如果能使受激輻射繼續去激發其他粒子，造成連鎖反應，雪崩似地獲得放大效果，最后就可得到單色性極強的輻射，即激光。1960年，梅曼用紅寶石制成第一臺可見光的激光器；同年制成氦氖激光器；1962年產生了半導體激光器；1963年產生了可調諧染料激光器。由于激光具有極好的單色性、高亮度和良好的方向性，所以自1958年發現以來，得到了迅速的發展和廣泛應用，引起了科學技術的重大變化。

　　光學的另一個重要的分支是由成像光學、全息術和光學信息處理組成的。這一分支最早可追溯到1873年阿貝提出的顯微鏡成像理論，和1906年波特為之完成的實驗驗證；1935年澤爾尼克提出位相反襯觀察法，并依此由蔡司工廠制成相襯顯微鏡，為此他獲得了1953年諾貝爾物理學獎；1948年伽柏提出的現代全息照相術的前身——波陣面再現原理，為此，伽柏獲得了1971年諾貝爾物理學獎。

　　自20世紀50年代以來，人們開始把數學、電子技術和通信理論與光學結合起來，給光學引入了頻譜、空間濾波、載波、線性變換及相關運算等概念，更新了經典成像光學，形成了所謂“博里葉光學”。再加上由于激光所提供的相干光和由利思及阿帕特內克斯改進了的全息術，形成了一個新的學科領域——光學信息處理。光纖通信就是依據這方面理論的重要成就，它為信息傳輸和處理提供了嶄新的技術。

　　在現代光學本身，由強激光產生的非線性光學現象正為越來越多的人們所注意。激光光譜學，包括激光喇曼光譜學、高分辨率光譜和皮秒超短脈沖，以及可調諧激光技術的出現，已使傳統的光譜學發生了很大的變化，成為深入研究物質微觀結構、運動規律及能量轉換機制的重要手段。它為凝聚態物理學、分子生物學和化學的動態過程的研究提供了前所未有的技術。

光學的研究內容

　　我們通常把光學分成幾何光學、物理光學和量子光學。

　　幾何光學是從幾個由實驗得來的基本原理出發，來研究光的傳播問題的學科。它利用光線的概念、折射、反射定律來描述光在各種媒質中傳播的途徑，它得出的結果通常總是波動光學在某些條件下的近似或極限。

　　物理光學是從光的波動性出發來研究光在傳播過程中所發生的現象的學科，所以也稱為波動光學。它可以比較方便的研究光的干涉、光的衍射、光的偏振，以及光在各向異性的媒質中傳插時所表現出的現象。

　　波動光學的基礎就是經典電動力學的麥克斯韋方程組。波動光學不詳論介電常數和磁導率與物質結構的關系，而側重于解釋光波的表現規律。波動光學可以解釋光在散射媒質和各向異性媒質中傳播時現象，以及光在媒質界面附近的表現；也能解釋色散現象和各種媒質中壓力、溫度、聲場、電場和磁場對光的現象的影響。

　　量子光學  1900年普朗克在研究黑體輻射時，為了從理論上推導出得到的與實際相符甚好的經驗公式，他大膽地提出了與經典概念迥然不同的假設，即“組成黑體的振子的能量不能連續變化，只能取一份份的分立值”。

　　1905年，愛因斯坦在研究光電效應時推廣了普朗克的上述量子論，進而提出了光子的概念。他認為光能并不像電磁波理論所描述的那樣分布在波陣面上，而是集中在所謂光子的微粒上。在光電效應中，當光子照射到金屬表面時，一次為金屬中的電子全部吸收，而無需電磁理論所預計的那種累積能量的時間，電子把這能量的一部分用于克服金屬表面對它的吸力即作逸出功，余下的就變成電子離開金屬表面后的動能。

　　這種從光子的性質出發，來研究光與物質相互作用的學科即為量子光學。它的基礎主要是量子力學和量子電動力學。

　　光的這種既表現出波動性又具有粒子性的現象既為光的波粒二象性。后來的研究從理論和實驗上無可爭辯地證明了：非但光有這種兩重性，世界的所有物質，包括電子、質子、中子和原子以及所有的宏觀事物，也都有與其本身質量和速度相聯系的波動的特性。

　　應用光學  光學是由許多與物理學緊密聯系的分支學科組成；由于它有廣泛的應用，所以還有一系列應用背景較強的分支學科也屬于光學范圍。例如，有關電磁輻射的物理量的測量的光度學、輻射度學；以正常平均人眼為接收器，來研究電磁輻射所引起的彩色視覺，及其心理物理量的測量的色度學；以及眾多的技術光學：光學系統設計及光學儀器理論，光學制造和光學測試，干涉量度學、薄膜光學、纖維光學和集成光學等；還有與其他學科交*的分支，如天文光學、海洋光學、遙感光學、大氣光學、生理光學及兵器光學等