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光學(optics)是研究光(電磁波)的行為和性質,以及光和物質相互作用的物理學科。傳統的光學只研究可見光,現代光學已擴展到對全波段電磁波的研究。是物理學的一個分支,解釋了光的現象及特性。

1 光學 -簡介

光學光學

光學真正形成一門科學,應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。

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象。

光的本性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律沿直線飛行,因此光具有直線傳播的性質。19世紀以前,微粒說比較盛行。但是,隨著光學研究的深入,人們發現了許多不能用直進性解釋的現象,例如干射、衍射等,用光的波動性就很容易解釋。於是光學的波動說又佔了上風。兩種學說的爭論構成了光學發展史上的一根紅線。

2 光學 -定義

光是一種電磁波,在物理學中,電磁波由電動力學中的麥克斯韋方程組描述;同時,光具有波粒二象性,需要用量子力學表達。

狹義來說,光學是關於光和視見的科學,optics(光學)這個詞,早期只用於跟眼睛和視見相聯繫的事物。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、X射線直到γ射線的寬廣波段範圍內的,關於電磁輻射的發生、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。

3 光學 -歷史

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。它有八條關於光學的記載,敘述影的定義和生成,光的直線傳播性和針孔成像,並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係。

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佈——光譜。它使人們第一次接觸到光的客觀的和定量的特徵,各單色光在空間上的分離是由光的本性決定的。

4 光學 -發展

光學光的性質

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。

17世紀,望遠鏡和顯微鏡的應用大大促進了幾何光學的發展。

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,後人把這種現象稱牛頓環。藉助這種現象可以用第一暗環的空氣隙的厚度來定量地表徵相應的單色光。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。牛頓用這種觀點對摺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」。並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」和雙狹縫乾涉現象。菲涅耳於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乾涉和衍射現象,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乾涉。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複雜的假設。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。

光學光的性質

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於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係。1860年前後,麥克斯韋的指出,電場和磁場的改變,不能局限於空間的某一部分,而是以等於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。

對於像熾熱的黑體的輻射中能量按波長分佈這樣重要的問題,洛倫茲理論還不能給出令人滿意的解釋。並且,如果認為洛倫茲關於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年邁克耳遜用乾涉儀測「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佈的規律,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「關於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,其應用範圍只限於速度遠遠小於光速的情況,而他的新理論可解釋與很大運動速度有關的過程的特徵,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。

光學光學

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於光的研究中誕生和發展的。

此後,光學開始進入了一個新的時期,以致於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於1916年預言過的原子和分子的受激輻射,並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,最後就可得到單色性極強的輻射,即激光。1960年,梅紅寶石製成第一台可見光的激光器;同年製成氦氖激光器;1962年產生了半導體激光器;1963年產生了可調諧染料激光器。由於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,並依此由蔡司工廠製成相襯顯微鏡,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」。再加上由於激光所提供的相乾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、高解析度光譜和皮秒超短脈衝,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。

5 光學 -中國古代對光學的認識

光學的起源也和力學、熱學一樣,可以追溯到二、三千年前。中國的《墨經》就記載了許多光學現象,例如投影、小孔成像、平面鏡、凸面鏡、凹面鏡等等。西方也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(Al-Hazen,965~1038)寫過一部《光學全書》,討論了許多光學現象。光學真正形成一門科學,應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。光的本性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律沿直線飛行,因此光具有直線傳播的性質。19世紀以前,微粒說比較盛行。但是,隨著光學研究的深入,人們發現了許多不能用直進性解釋的現象,例如干涉、衍射等,用光的波動性就很容易解釋,於是光的波動說又佔了上風。兩種學說的爭論構成了光學發展史中的一根紅線。

取火的方法和對火的認識 

中國古代取火的工具稱為"燧",有金燧、木燧之分。金燧取火於日,木燧取火於木。根據中國古籍的記載,古代常用"夫燧"、"陽燧"(實際上是一種凹面鏡,因用金屬製成成,所以統稱為"金燧")來取火。古代人們在行軍或打獵時,總是隨身帶有取火器,《禮記》中就有"左佩金燧"、"右佩木燧"的記載,表明晴天時用金燧取火,陰天時用木燧取火。陽燧取火是人類利用光學儀器會聚太陽能的一個先驅。講到取火,古代還用自製的古透鏡來取火的。公元前2世紀,就有人用冰作透鏡,會聚太陽光取火。《問經堂叢書》、《淮南萬畢術》中就有這樣的記載:"削冰令圓,舉以向日,以艾承其影,則火生。"我們常說,水火不兼容,但製成冰透鏡來取火,真是一個奇妙的創造。用冰製成透鏡是無法長期保存的,於是便出現用玻璃或玻璃來製造透鏡。 

針孔成像和影的認識 

公元前4世紀,墨家就做過針孔成像的實驗,並給予分析和解釋。《墨經》中明確地寫道:"景到(倒),在午有端,與景長,說在端。"這裡的"午"即小孔所在處。這段文字表明小孔成的是倒像,其原因是在小孔處光線交叉的地方有一點("端"),成像的大小,與這交點的位置無關。從這裡也可以清楚看到,古人已經認識到光是直線行進的,所以常用"射"來描述光線徑直向前。北宋的沈括在《夢溪筆談》中也記述了光的直線傳播和小孔成像的實驗。他首先直接觀察在空中飛動,地面上的影子也跟著移動,移動的方向與飛的方向一致。然後在紙窗上開一小孔,使窗外飛的影子呈現在窒內的紙屏上,沉括用光的直進的道理來解釋所觀察到的結果:"東則影西,西則影東"。墨家利用光的直線傳播這一性質,討論了光源、物體、投影三者的關係。《墨經》中寫道:"景不徙,說在改為。""光至,景亡。若在,盡古息。"說明影是不動的,如果影移,那是光源或物體發生移動,使原影不斷消逝,新影不斷生成的緣故。投影的地方,如果光一照,影子就會消失,如果影子存在,表明物體不動,只要物體不動,影子就始終存在於原處。墨家對本影、半影也作了解釋。《墨經》中有這樣的記載:"景二,說在重。""景二,光夾。一,光一。光者,景也。"意思是一物有兩種投影(本影、半影),說明它同時受到兩個光源重複照射的結果("說在者","光夾")、一種投影,說明它只受一個光源照射,並且強調了光源與投影的聯繫("光者,景也")。與此相連,墨家還根據物和光源相對位置的變化,以及物與光源本身大小的不同來討論影的大小及其變化。 

對面鏡的認識 
墨家對凹面鏡作了深入的觀察和研究,並在《墨經》中作了明確、詳細的記載。"鑒低,景一小而易,一大而正,說在中之外、內。""低"表示深、凹之意;放在"中之內",得到的像是比物體大而正立的。北宋沉括對凹面鏡的焦距作了測定。他用手指置於凹面鏡前,觀察成像情況,發現隨著手指與鏡面距離的遠近變化,像也發生相應的變化。在《夢溪筆談》中作了記載:"陽燧面窪,以一指迫而照之則正,漸遠則無所見,過此遂倒。"說明手指靠近凹面鏡時,像的正立的,漸漸遠移至某一處(在焦點附近),則"無所見",表示沒有像(像成在無窮遠處);移過這段距離,像就倒立了。這一實驗,既表述了凹面鏡成像原理,同時也是測定凹面鏡焦距的一種粗略方法。 

墨家對凸透鏡也進行了研究。《墨經》中寫道:"鑒團,景一。說在刑之大。""鑒團"即燕面鏡,也稱團鏡。"景一"表明凸面鏡成像只有一種。"刑"同形字,指物體,它總比像大。我們的祖先,利用平面鏡能反射光線的特性,將多個平面鏡組合起來,取得了有趣的結果。如《莊子·天下篇》的有關註解《莊子補正》中對此作了記載:"鑒以鑒影,而鑒以有影,兩鑒相鑒,則重影無窮。"這樣的裝置,收到了"照花前後鏡,花花交相映"的效果。《間經堂叢書》、《淮南萬畢術》中記有"取大鏡高懸,置水盆於其下,則見四鄰矣。"表明很早就有人製作了最早的開管式"潛望鏡",能夠隔牆觀望戶外的景物。 

對虹的認識 

虹是一種大氣光學現象,從公元6世紀開始,中國古代對虹就有了比較正確的認識。唐初的孔穎達(574-648)曾概括了虹的成因,他認為"若雲薄漏日,日照雨滴則虹生。"明確指出產生虹的3個條件,即雲、日、"日照雨滴"。沉括對此也作過細緻的研究,並作實地考察。在《夢溪筆談選注》中寫道:"是時新雨霽,見虹下帳前澗中。"予與同職扣澗觀之,虹兩頭皆垂澗中。使人過澗,隔虹對立,相去數丈,中間如隔綃觳,自西望東則見;蓋夕虹也。立澗之東西望,則為日所鑠,都無所睹。"指出虹和太陽的位置正好是相對的,傍晚的虹見於東方,而對著太陽是看不見虹的。地虹有了認識之後,便可以人工造虹。8世紀中葉,唐代曾有過這樣的試驗:"背日噴呼水成虹霓之狀",表示背向太陽噴出小水珠,便能看到類似虹霓的情景。

6 光學 -範圍

光學所討論的範圍,包括紅外線、紫外線及可見光。但因為光具有電磁波的特性,類似現象如X光、微波、電磁輻射及無線電波也有此特性,所以光學被認為是電磁學的附屬。

一些光學現象是與光的量子特性有關係的,而這些特性,包含在光學及量子力學範疇。在實踐中,大部分光學現象,都可以用光的電磁特徵來描述,例如麥克斯韋方程組。

7 光學 -分類

光學用光學原理來實現條形碼解碼器模塊

人們通常把光學分成幾何光學、物理光學和量子光學。

光學領域有它自己的分類特徵,協會以及學術會議。光的純科學領域,通常被稱為光學或光學物理。應用光學通常被稱為光學工程。光學工程中涉及到照明系統的部分,被特別稱為照明工程。每一個分支在應用、技術、焦點以及專業關聯上,都有很大不同。在光學工程中,比較新的發現,通常被歸類為光子學。而區分這些定義的界限並不明顯,經常因在世界的不同地區,以及工業的不同領域而異。

光學的分類解析
1高等物理光學分類:
(1)幾何光學
(2)物理光學
(3)量子光學
2初等物理分類:
(1)初中階段:幾何光學
(2)高中階段:幾何光學、物理光學
(3)說明:一般生活中提高的光學就是高中階段的分類標準。

8 光學 -內容

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係,而側重於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。他認為光能並不像電磁波理論所描述的那樣分佈在波陣面上,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於克服金屬表面對它的吸力即作逸出功,餘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。後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繫的波動的特性。

應用光學

光學是由許多與物理學緊密聯繫的分支學科組成;由於它有廣泛的應用,所以還有一系列應用背景較強的分支學科也屬於光學範圍。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,光學製造和光學測試,干涉量度學、薄膜光學、纖維光學和集成光學等;還有與其他學科交叉的分支,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。

9 光學 -應用

光學在實際中被廣泛應用,光科學和工程光學,在領域上,有很大程度的互相交叉。光學也與電子工程、物理學、心理學、醫學(尤其是眼科學與驗光術)等許多學科密切相關。此外,物理學可以非常完整描述地光學現象,但對大部分問題顯得過於繁複,因此在光學領域中引入了一些特定的簡化模型。這些模型可以很好地描述光學現象,而無需考慮那些不相關及(或)無法觀測到的現象。

光學儀器

相機
眼鏡
望遠鏡
顯微鏡
放大鏡

10 光學 -專業簡介

研究方向:量子光學和量子信息科學、激光物理學和激光光譜學、光電子技術與納米材料光學

●量子光學和量子信息科學----主要研究光與物質相互作用系統的量子效應。具體內容包括光學微器件中自發發射性質的控制、量子糾纏態的製備及非局域性質等。

●激光物理學和激光光譜學----以探索新型激發方式和新型激光源為主要內容。具體內容包括:修飾態布居轉移誘導強場折射率增強、自由基光譜結構特性、動態不可逆性和激光量子雜訊壓縮等。

●光電子技術與納米材料光學----主要研究有關信息光學的新理論、新技術及其應用等,內容涉及光纖通信與感測、近場光學、信息存儲和光顯示、集成光電子學等諸多方面。

11 光學 -著作介紹

古代:《光學》
作者:古希臘—歐幾里德
《光學》(Optics)是希臘文的第一本透視學,從12個假設(公設)出發推出61個命題.假設1是「人看到物體,是光線從眼睛出發射到所看的物體上去」.這是從柏拉圖以來的傳統觀點.其中命題6是「處於平行位置,大小相同但距離不同的物體,在眼中看到的大小並不與遠近成比例」。

《光學原理》Principles of Optics

作者:波恩和沃爾夫 M.Born,E.Wolf

本書是一部經典光學世界名著,全書以麥克斯韋宏觀電磁理論為基礎,系統闡述光在各種媒質中的傳播規律,包括反射、折射、偏振、色散,干涉、衍射、散射以及金屬光學(吸收媒質)和晶體光學(各向異性媒質)等,幾何光學也作為極限情況(波長λ→0)而納入麥克斯韋方程系統,並從衍射觀點討論了光學成家的像差問題。新版增加了計算機層析術、寬頻光干涉、非均勻媒質光散射等內容。
本書引文豐富且所涉廣泛,上溯歷史,下至近代,旁及有關學科和應用,故能於一專著中給讀者以寬闊視野與充分求索之空間、全書共十五章,中譯本分上下冊出版。上冊包括"歷史引言"和前八章,內容多屬基礎;下冊包括后七章和附錄,層次較深。
本書基礎性、系統性和學術性兼備,可供光學教學與研究人員包括高年級本科生、研究生等閱讀和參考。

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