光學的歷史發(fā)展

學科發(fā)現(xiàn)：
　　光學的起源在西方很早就有光學知識的記載，歐幾里得(Euclid，公元前約330～260)的<反射光學>(Catoptrica)研究了光的反射；阿拉伯學者阿勒·哈增(AI-Hazen，965～1038)寫過一部<光學全書>，討論了許多光學的現(xiàn)象。

　　光學真正形成一門科學，應(yīng)該從建立反射定律和折射定律的時代算起，這兩個定律奠定了幾何光學的基礎(chǔ)。17世紀，望遠鏡和顯微鏡的應(yīng)用大大促進了幾何光學的發(fā)展。

　　光的本性（物理光學）也是光學研究的重要課題。微粒說把光看成是由微粒組成，認為這些微粒按力學規(guī)律沿直線飛行，因此光具有直線傳播的性質(zhì)。19世紀以前，微粒說比較盛行。但是，隨著光學研究的深入，人們發(fā)現(xiàn)了許多不能用直進性解釋的現(xiàn)象，例如干涉、衍射等，用光的波動性就很容易解釋。於是光學的波動說又占了上風。兩種學說的爭論構(gòu)成了光學發(fā)展史上的一根紅線。

　　狹義來說，光學是關(guān)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(lián)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(nèi)的，關(guān)于電磁輻射的發(fā)生、傳播、接收和顯示，以及跟物質(zhì)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(yīng)用技術(shù)緊密相關(guān)的學科。

歷史發(fā)展：
　　光學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？”之類問題。約在公元前400多年(先秦的代)，中國的《墨經(jīng)》中記錄了世界上最早的光學知識。它有八條關(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?/span>平面鏡、凹球面鏡和凸球面鏡中物和像的關(guān)系。

自《墨經(jīng)》開始，公元11世紀阿拉伯人伊本·海賽木發(fā)明透鏡；公元1590年到17世紀初，詹森和李普希同時獨立地發(fā)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(jié)果，歸結(jié)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(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)象可以用第一暗環(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，在均勻媒質(zhì)內(nèi)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(xiàn)象作了解釋。

　　惠更斯是光的微粒說的反對者，他創(chuàng)立了光的波動說。提出“光同聲一樣，是以球形波面?zhèn)鞑サ摹薄２⑶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”和雙狹縫乾涉現(xiàn)象。菲涅耳于1818年以楊氏乾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(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)媒質(zhì)(以太)中傳播的橫波。為說明光在各不同媒質(zhì)中的不同速度，又必須假定以太的特性在不同的物質(zhì)中是不同的；在各向異性媒質(zhì)中還需要有更復(fù)雜的假設(shè)。此外，還必須給以太以更特殊的性質(zhì)才能解釋光不是縱波。如此性質(zhì)的以太是難以想象的。

光學

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，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。他們的發(fā)現(xiàn)表明光學現(xiàn)象與磁學、電學現(xiàn)象間有一定的內(nèi)在關(guān)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(xiàn)象。這個結(jié)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(chǎn)生象光這樣高的頻率的電振子的性質(zhì)，也不能解釋光的色散現(xiàn)象。到了1896年洛倫茲創(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。在洛倫茲的理論中，以太乃是廣袤無限的不動的媒質(zhì)，其唯一特點是，在這種媒質(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令人滿意的解釋。并且，如果認為洛倫茲關(guān)于以太的概念是正確的話，則可將不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年邁克耳遜用乾涉儀測“以太風”，得到否定的結(jié)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(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。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(guī)律，而且以全新的方式提出了光與物質(zhì)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(yīng)。他給光子作了十分明確的表示，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。

　　1905年9月，德國《物理學年鑒》發(fā)表了愛因斯坦的“關(guān)于運動媒質(zhì)的電動力學”一文。第一次提出了狹義相對論基本原理，文中指出，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很大運動速度有關(guān)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(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)的喇曼效應(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)，它們都表明光學的發(fā)展是與量子物理緊密相關(guān)的。光學的發(fā)展歷史表明，現(xiàn)代物理學中的兩個最重要的基礎(chǔ)理論——量子力學和狹義相對論都是在關(guān)于光的研究中誕生和發(fā)展的。

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

　　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(xù)去激發(fā)其他粒子，造成連鎖反應(yīng)，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，西奧多·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(chǎn)生了半導體激光器；1963年產(chǎn)生了可調(diào)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(fā)現(xiàn)以來，得到了迅速的發(fā)展和廣泛應(yīng)用，引起了科學技術(shù)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(shù)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(xiàn)代全息照相術(shù)的前身——波陣面再現(xiàn)原理，為此，伽柏獲得了1971年諾貝爾物理學獎。

光學

自20世紀50年代以來，人們開始把數(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，形成了所謂“博里葉光學”。再加上由于激光所提供的相乾光和由利思及阿帕特內(nèi)克斯改進了的全息術(shù)，形成了一個新的學科領(lǐng)域——光學信息處理。光纖通信就是依據(jù)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(shù)。

　　在現(xiàn)代光學本身，由強激光產(chǎn)生的非線性光學現(xiàn)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(diào)諧激光技術(shù)的出現(xiàn)，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的技術(shù)。

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