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光學
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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(jīng)》中記錄了世界上最早的光學知識。它有8條關(guān)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(guān)系（見中國物理學史）。
光學成像
自《墨經(jīng)》開始，在2000多年的歷史時期中，經(jīng)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(jié)果，歸結(jié)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(yīng)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(zhì)內(nèi)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(luò)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(zhì)（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(zhì)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(zhuǎn)；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(nèi)在關(guān)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(jié)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(dǎo)率為μ的透明介質(zhì)中的速度，則有：
式中
恰為介質(zhì)的折射率，所以有：
然而，這種理論不能說明產(chǎn)生頻率高達光的頻率的電振子的性質(zhì)，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(zhì)吸收光的現(xiàn)象，也解釋了光在物質(zhì)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(zhì)，其唯一特點是，這種介質(zhì)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(guān)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(jié)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(zhì)的分子結(jié)構(gòu)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(zhì)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(yīng)之中，給光子作了十分明確的表示。他特別指出光與物質(zhì)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(guān)于運動介質(zhì)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(yīng)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(guān)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(yīng)、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(fā)現(xiàn)的康普頓效應(yīng)，1928年發(fā)現(xiàn)的拉曼效應(yīng)以及當時已能從實驗上獲得的原子光譜的超精細結(jié)構(gòu)，它們無疑地表明光學的發(fā)展不能獨立于量子物理。
學科內(nèi)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(fù)雜，所以通常根據(jù)問題的性質(zhì)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(shè)計中，多用幾何光學方法來確定系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)要素，但在求得光能分布形式從而評價其成像質(zhì)量時，就必須用波動光學方法。
波動光學的理論基礎(chǔ)就是經(jīng)典電動力學的麥克斯韋方程組。光在介質(zhì)中的宏觀參量介電常數(shù) 和磁導(dǎo)率，麥克斯韋方程組中表現(xiàn)為系數(shù)。它們與透明介質(zhì)的折射率 之間有個簡單的關(guān)系： =( )。波動光學不詳細論述 和 與物質(zhì)結(jié)構(gòu)的關(guān)系，而側(cè)重于解釋光波的傳播規(guī)律。在建立 和 跟分子和晶體結(jié)構(gòu)之間的關(guān)系中，研究這些內(nèi)容有時稱為分子光學。波動光學可解釋光在散射介質(zhì)和各向異性介質(zhì)中傳播時所伴隨產(chǎn)生的過程和在介質(zhì)界面附近的表現(xiàn)；也能解釋色散現(xiàn)象和各種介質(zhì)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(jīng)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(dǎo)出那時他已經(jīng)得到的與實際相符甚好的經(jīng)驗公式，大膽提出了與經(jīng)典概念迥然不同的假設(shè)，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(yīng)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(yīng)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(yù)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(zhuǎn)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(zhì)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(chǔ)。從這種光子的性質(zhì)出發(fā)來研究光的本性以及光與物質(zhì)相互作用的學科即稱為量子光學，它的基礎(chǔ)主要是量子力學或量子電動力學。關(guān)于光在分子、原子中的產(chǎn)生與消失，不僅是光的本質(zhì)問題，還關(guān)系到分子、原子的結(jié)構(gòu)。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。
光的波動和光（量）子的二象性是光的本性。它表現(xiàn)的宏觀世界中連續(xù)的波動和微觀世界中的不連續(xù)的量子，在經(jīng)典物理學簡化的機械概念中是互相排斥的，而客觀實際上，它們是統(tǒng)一的。后來不僅從理論上而且也從實驗上無可爭辯地證明了：但光有這種兩重性，微觀世界的物質(zhì)，包括電子、質(zhì)子、中子和原子，它們雖是顆粒實物，也都有與其本身質(zhì)量和速度相聯(lián)系的波動的特性（見波粒二象性）。
現(xiàn)代光學
由于激光的發(fā)現(xiàn)和發(fā)展，產(chǎn)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(zhì)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(chǎn)生的受激輻射。并預(yù)見到受激輻射可產(chǎn)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(shù)得到迅速的發(fā)展，開辟了一批與激光本身緊密相關(guān)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(jīng)典波動光學中，介質(zhì)參量被認為與光的強度無關(guān)，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(guān)，光束強度改變時兩介質(zhì)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(zhì)后光波的頻率發(fā)生改變，產(chǎn)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(chǎn)生高度指向性、高度單色性、偏振以及頻率可調(diào)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(diào)諧激光技術(shù)等已使經(jīng)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(zhì)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(zhì)微觀結(jié)構(gòu)、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(jié)構(gòu)和動態(tài)過程的研究提供了前所未有的新技術(shù)。
隨著激光科學和激光技術(shù)的發(fā)展以及激光在眾多領(lǐng)域的應(yīng)用開拓，對激光材料和相應(yīng)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(nèi)容，其發(fā)展趨勢是波長的擴展與可調(diào)頻、光脈沖寬度的壓縮，以及器件的小型化和固體化等。
應(yīng)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(shù)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(shù)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(shù)和通信理論與光學結(jié)合起來，給光學引入了頻譜、空間濾波、載波、線性變換及相關(guān)運算等概念，更新了經(jīng)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(nèi)克斯改進了的波陣面再現(xiàn)——全息術(shù)，近幾十年來形成了一個新的學科領(lǐng)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(yīng)用得到突飛猛進的發(fā)展。它不僅為內(nèi)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(yīng)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(shù)。
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(lǐng)域越來越多地為人們所關(guān)注。以激光引發(fā)核聚變在探索實現(xiàn)受控熱核反應(yīng)方面已經(jīng)達到了能產(chǎn)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(diào)諧激光技術(shù)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(zhì)微觀結(jié)構(gòu)、運動規(guī)律及能量轉(zhuǎn)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(shù)。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(guān).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(jié)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(shù)，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(jié)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(jié)構(gòu)，它的周期相應(yīng)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(zhì)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(chǔ)?，F(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(lǐng)域的交叉日漸廣泛和深入，同時也為應(yīng)用發(fā)展研究提供了廣闊的前景，已成為高技術(shù)領(lǐng)域發(fā)展所依托的重要學科基礎(chǔ)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(shù)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(shù)國際年”（以下簡稱國際光年），以紀念千年來人類在光領(lǐng)域的重大發(fā)現(xiàn)。
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尚可名片
這家伙太懶了，什么都沒寫！
作者
