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光學
本詞條是多義詞，共7個義項
物理學分支
基本簡介
發(fā)展歷史
光學（optics）是一門有悠久歷史的學科，它的發(fā)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”等類問題。約在公元前400多年，中國的《墨經》中記錄了世界上最早的光學知識。它有8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?shù)奈淖钟懻摿嗽谄矫骁R、凹球面鏡和凸球面鏡中物和像的關系（見中國物理學史）。
光學成像
自《墨經》開始，在2000多年的歷史時期中，經過了11世紀阿拉伯人伊本·海賽姆發(fā)明制作了凸透鏡，1590年到17世紀初H. 詹森和H. 李普希同時相互獨立地發(fā)明顯微鏡，直到17世紀上半葉才由W. 斯涅耳和R. 笛卡爾將光的反射和折射的觀察結果，歸結為今天所慣用的光的反射定律和折射定律。
1665年牛頓進行太陽光的實驗，它能把太陽光分解成簡單的組成部分，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(fā)現(xiàn)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(xiàn)一組彩色的同心環(huán)狀條紋；當用某一單色光照射時，則出現(xiàn)一組明暗相間的同心環(huán)條紋，后人把這種現(xiàn)象稱牛頓環(huán)。借助這種現(xiàn)象可用第一暗環(huán)的空氣隙的厚度來定量地表征相應的單色光。
牛頓在發(fā)現(xiàn)這些重要現(xiàn)象的同時，根據(jù)光的直線傳播性，認為光是一種微粒流，微粒從光源飛出來，在均勻介質內遵從力學定律作等速直線運動，并且用這種觀點對折射和反射現(xiàn)象作了解釋。惠更斯是光的微粒說的反對者，他創(chuàng)立波動說，1690年在《光論》一書中寫道：“光同聲一樣，是以球形波面?zhèn)鞑サ摹！辈⑶抑赋龉庹駝铀_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著的波的波陣面（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，其中以T. 楊和A.菲涅耳的著作為代表。楊圓滿地解釋了“薄膜的顏色”和雙狹縫干涉現(xiàn)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，用它可圓滿解釋光的干涉和衍射現(xiàn)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(xiàn)象，菲涅耳假定光是一種在連續(xù)介質（以太）中傳播的橫波。但是由此不得不把彈性固體的特性強加于以太，如此性質的以太是難以想象的，并且即使承認以太也沒有能把光學現(xiàn)象同其他物理現(xiàn)象聯(lián)系起來。
1846年法拉第發(fā)現(xiàn)了光的振動面在磁場中發(fā)生旋轉；1856年W.韋伯發(fā)現(xiàn)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。它們表示光學現(xiàn)象與電磁學現(xiàn)象間有一定的內在關系。
1860年前后麥克斯韋的理論研究指出，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(xiàn)象。這個結論在1888年為赫茲的實驗證實。按麥克斯韋的理論，若以c代表光在真空中的速度，v代表光在介電常數(shù)為ε和磁導率為μ的透明介質中的速度，則有：
式中
恰為介質的折射率，所以有：
然而，這種理論不能說明產生頻率高達光的頻率的電振子的性質，也不能解釋折射率隨光的頻率而變所引起的光的色散。到了1896年，H.洛倫茲創(chuàng)立電子論，才解釋了發(fā)光和物質吸收光的現(xiàn)象，也解釋了光在物質中傳播的各種特點，包括對色散現(xiàn)象的解釋。洛倫茲的理論中以太乃是廣袤無限的不動的介質，其唯一特點是，這種介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，則可將運動的以太選作參照系，使人們能區(qū)別出絕對運動。而事實上，1887年A.邁克耳孫等用干涉儀測“以太風”得否定的結果，這表明到了洛倫茲的電子論時期，人們對光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(xù)性的概念，提出了輻射的量子論，認為各種頻率的電磁波（包括光），只能以各自確定分立的能量從振子射出，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(guī)律，而且以全新的概念提出了光與物質相互作用的問題。量子論不但給光學，也給整個物理學提供了新的概念，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于光電效應之中，給光子作了十分明確的表示。他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。此外，在19世紀末及20世紀初的許多實驗都很好地證明了光的量子性。1905年9月，德國《物理學年鑒》發(fā)表了愛因斯坦的《關于運動介質的電動力學》一文。第一次提出了狹義相對論基本原理。文中闡明了從伽利略和牛頓時代以來占統(tǒng)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高速運動有關的過程的特征。他根本上放棄了以太的概念，圓滿地解釋了運動物體的光學現(xiàn)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(xiàn)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。
學科內容
通常把光學分成幾何光學、物理光學和量子光學。
幾何光學
物理光學
光學
與幾何光學不同，波動光學不僅考察孔徑遠大于波長情況下的光的傳播過程，而且研究任何孔徑情況下的光的傳播過程。波動光學總能得出正確的解，但是有時用波動光學方法較為復雜，所以通常根據(jù)問題的性質來決定采用幾何光學還是波動光學，或者兩者兼而用之。例如，在光學儀器的一般光學系統(tǒng)設計中，多用幾何光學方法來確定系統(tǒng)的結構要素，但在求得光能分布形式從而評價其成像質量時，就必須用波動光學方法。
波動光學的理論基礎就是經典電動力學的麥克斯韋方程組。光在介質中的宏觀參量介電常數(shù) 和磁導率，麥克斯韋方程組中表現(xiàn)為系數(shù)。它們與透明介質的折射率 之間有個簡單的關系： =( )。波動光學不詳細論述 和 與物質結構的關系，而側重于解釋光波的傳播規(guī)律。在建立 和 跟分子和晶體結構之間的關系中，研究這些內容有時稱為分子光學。波動光學可解釋光在散射介質和各向異性介質中傳播時所伴隨產生的過程和在介質界面附近的表現(xiàn)；也能解釋色散現(xiàn)象和各種介質中壓力、溫度、聲場、電場和磁場對光學現(xiàn)象的影響。
雖然波動光學能對光的傳播作出滿意的解釋，但一般不能說明光的發(fā)射和吸收過程，表現(xiàn)出經典物理的困難。
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那時他已經得到的與實際相符甚好的經驗公式，大膽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(xù)變化，只能取一份份的分立值：0， ，2 ，…， ，其中 為正整數(shù)，為振子頻率，為普朗克常數(shù)，其值為6.626×10J·s。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把能量分布在波陣面上，而是集中在所謂光子的微粒上。這種微粒仍保持著頻率的概念，頻率為 的光子具有能量。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。由此認識到一個原子或一個分子能把它的能量轉變成電磁場輻射或從該場中獲得能量，但只能以光子 為單位來進行。
光的波動和光（量）子的二象性是光的本性。光子、電子、質子、中子等微觀客體的波粒二象性是形成量子力學的重要基礎。從這種光子的性質出發(fā)來研究光的本性以及光與物質相互作用的學科即稱為量子光學，它的基礎主要是量子力學或量子電動力學。關于光在分子、原子中的產生與消失，不僅是光的本質問題，還關系到分子、原子的結構。從實驗上驗證和從理論上論述這類問題，是光學的一個分支，稱光譜學。
現(xiàn)代光學
由于激光的發(fā)現(xiàn)和發(fā)展，產生了一系列新的光學分支學科，并得到了迅速的發(fā)展。
早在1917年，愛因斯坦在研究原子輻射時曾詳細地論述過物質輻射有兩種形式：其一是自發(fā)輻射；其二是受外來光子的誘發(fā)激勵所產生的受激輻射。并預見到受激輻射可產生沿一定方向傳播的亮度非常高的單色光。由于這些特點，自1960年T.梅曼首先作成紅寶石激光器以來，光受激輻射的研究使得激光科學和激光技術得到迅速的發(fā)展，開辟了一批與激光本身緊密相關的新興分支學科。除量子光學外，還有如非線性光學、激光光譜學、超強超快光學、激光材料和激光器物理學等。
經典波動光學中，介質參量被認為與光的強度無關，光學過程通常用線性微分方程來表述。但在強激光通過的情況下發(fā)現(xiàn)了許多新現(xiàn)象。如發(fā)現(xiàn)折射率跟激光的場強有關，光束強度改變時兩介質界面處光的折射角隨之發(fā)生改變；光束的自聚焦和自散焦；通過某些介質后光波的頻率發(fā)生改變，產生倍頻、和頻和差頻等。所有這些現(xiàn)象都歸入非線性光學研究。
激光器現(xiàn)已能夠產生高度指向性、高度單色性、偏振以及頻率可調諧和可能獲得超短脈沖的光源，高分辨率光譜、皮秒（10s）超短脈沖以及可調諧激光技術等已使經典的光譜學發(fā)生了深刻的變化，發(fā)展成為激光光譜學。同時，還能獲得高功率、飛秒超短脈沖的激光，研究這類激光與物質相互作用已發(fā)展成超強超快光學。以上這些新興學科成為研究物質微觀結構、微觀動力學過程的重要手段，為原子物理、分子物理、凝聚態(tài)物理學、分子生物學和化學的結構和動態(tài)過程的研究提供了前所未有的新技術。
隨著激光科學和激光技術的發(fā)展以及激光在眾多領域的應用開拓，對激光材料和相應的激光器件的性能提出了新的要求，新型光源和激光器發(fā)展中所涉及的基本問題成為現(xiàn)代光學的重要內容，其發(fā)展趨勢是波長的擴展與可調頻、光脈沖寬度的壓縮，以及器件的小型化和固體化等。
應用光學
學科進展
光學
另一個重要的現(xiàn)代光學分支是由成像光學、全息術和光學信息處理組成的。這一分支可追溯到1873年E.阿貝提出的顯微鏡成像理論和1906年A.波特為之完成的實驗驗證；1935年F.澤爾尼克提出位相反襯觀察法，而由蔡司（Zeiss）工廠制成相襯顯微鏡，為此他于1953年獲得諾貝爾物理學獎；1948年D.伽柏提出的現(xiàn)代全息照相術前身的波陣面再現(xiàn)原理，為此，伽柏于1971年獲得諾貝爾物理學獎。
20世紀50年代開始把數(shù)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，形成了傅里葉光學。再加上由于激光所提供的相干光和由E.利思及J.阿帕特內克斯改進了的波陣面再現(xiàn)——全息術，近幾十年來形成了一個新的學科領域——光學信息處理。數(shù)十年來，特別是1978年以來由于成功地減小了光纖中光的耗損，纖維光學的應用得到突飛猛進的發(fā)展。它不僅為內窺光學系統(tǒng)提供了纖維傳像和傳光，尤其重要的是它成功地應用于通信系統(tǒng)，光纜代替電纜，實現(xiàn)了光纖通信。這是現(xiàn)代光學的另一重要成就，為信息傳輸和處理提供了嶄新的技術。
在現(xiàn)代光學本身，除非線性光學、激光光譜學、超強超快光學、激光材料和激光器物理外，在以下領域越來越多地為人們所關注。以激光引發(fā)核聚變在探索實現(xiàn)受控熱核反應方面已經達到了能產生“發(fā)火點”的水平。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等已使傳統(tǒng)的光譜學發(fā)生了很大的變化，成為深入研究物質微觀結構、運動規(guī)律及能量轉換機制的重要手段。它為凝聚態(tài)物理學、分子生物學和化學的動態(tài)過程的研究提供了前所未有技術。激光冷卻和玻色－愛因斯坦凝聚的實現(xiàn)以及原子激光的誕生是20世紀末物理學的重大突破性進展之一。在量子通信與量子計算方面，自從1994年P.舒爾提出量子平行算法以來，量子通信與量子計算發(fā)展成物理學與信息科學相結合的新興交叉學科，這方面的理論和實驗均取得了重大進展。與掃描隧道顯微鏡類似，發(fā)展了一系列近場光學掃描顯微鏡技術，分辨率已達到光波波長的數(shù)十分之一，并形成了一門光學、掃描探針顯微學和光譜學相結合的新型交叉學科——近場光學。光子晶體是一種周期的介電（包括金屬）結構，它的周期相應于光波波長，在光子晶體中光的傳播特性以及光子與原子、分子的相互作用都發(fā)生了本質的改變，從而可控制光子的運動。這是一類全新的光子器件的物理基礎。現(xiàn)代光學不僅促進了物理的發(fā)展，并與化學、生命科學、信息科學、材料科學等領域的交叉日漸廣泛和深入，同時也為應用發(fā)展研究提供了廣闊的前景，已成為高技術領域發(fā)展所依托的重要學科基礎之一。
國際光年
2015年距阿拉伯學者伊本·海賽姆的五卷本光學著作誕生恰好一千年。一千年來，光技術帶給人類文明巨大的進步。為此，聯(lián)合國宣布2015年為“光和光基技術國際年”（以下簡稱國際光年），以紀念千年來人類在光領域的重大發(fā)現(xiàn)。
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作者
