光学（物理学分支）
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更新时间：2023-05-22
光学
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物理学分支
基本简介
发展历史
光学（optics）是一门有悠久历史的学科，它的发展史可追溯到2000多年前。人类对光的研究，最初主要是试图回答“人怎么能看见周围的物体”等类问题。约在公元前400多年，中国的《墨经》中记录了世界上最早的光学知识。它有8条关于光学的记载，叙述影的定义和生成，光的直线传播性和针孔成像，并且以严谨的文字讨论了在平面镜、凹球面镜和凸球面镜中物和像的关系（见中国物理学史）。
光学成像
自《墨经》开始，在2000多年的历史时期中，经过了11世纪阿拉伯人伊本·海赛姆发明制作了凸透镜，1590年到17世纪初H. 詹森和H. 李普希同时相互独立地发明显微镜，直到17世纪上半叶才由W. 斯涅耳和R. 笛卡尔将光的反射和折射的观察结果，归结为今天所惯用的光的反射定律和折射定律。
1665年牛顿进行太阳光的实验，它能把太阳光分解成简单的组成部分，形成一个颜色按一定顺序排列的光分布——光谱。它使人们第一次接触到光的客观的和定量的特征，各单色光在空间上的分离是由光的本性决定的。牛顿还发现了把曲率半径很大的凸透镜放在光学平玻璃板上，当用白光照射时，则见透镜与玻璃平板接触处出现一组彩色的同心环状条纹；当用某一单色光照射时，则出现一组明暗相间的同心环条纹，后人把这种现象称牛顿环。借助这种现象可用第一暗环的空气隙的厚度来定量地表征相应的单色光。
牛顿在发现这些重要现象的同时，根据光的直线传播性，认为光是一种微粒流，微粒从光源飞出来，在均匀介质内遵从力学定律作等速直线运动，并且用这种观点对折射和反射现象作了解释。惠更斯是光的微粒说的反对者，他创立波动说，1690年在《光论》一书中写道：“光同声一样，是以球形波面传播的。”并且指出光振动所达到的每一点都可视为次波的振动中心，次波的包络面为传播着的波的波阵面（波前）。在整个18世纪中，光的微粒流理论和光的波动理论都被粗略地提了出来，但都不很完整。
19世纪初，波动光学初步形成，其中以T. 杨和A.菲涅耳的著作为代表。杨圆满地解释了“薄膜的颜色”和双狭缝干涉现象。菲涅耳于1818年以杨氏干涉原理补充了惠更斯原理，由此形成了今天为人们所熟知的惠更斯－菲涅耳原理，用它可圆满解释光的干涉和衍射现象，也能解释光的直线传播。在进一步的研究中，观察到了光的偏 振和偏振光的干涉。为了解释这些现象，菲涅耳假定光是一种在连续介质（以太）中传播的横波。但是由此不得不把弹性固体的特性强加于以太，如此性质的以太是难以想象的，并且即使承认以太也没有能把光学现象同其他物理现象联系起来。
1860年前后麦克斯韦的理论研究指出，电场和磁场的改变，不能局限于空间的某一部分，而是以等于电流的电磁单位与静电单位的比值的速度传播着，光就是这样一种电磁现象。这个结论在1888年为赫兹的实验证实。按麦克斯韦的理论，若以c代表光在真空中的速度，v代表光在介电常数为ε和磁导率为μ的透明介质中的速度，则有：
式中
恰为介质的折射率，所以有：
然而，这种理论不能说明产生频率高达光的频率的电振子的性质，也不能解释折射率随光的频率而变所引起的光的色散。到了1896年，H.洛伦兹创立电子论，才解释了发光和物质吸收光的现象，也解释了光在物质中传播的各种特点，包括对色散现象的解释。洛伦兹的理论中以太乃是广袤无限的不动的介质，其唯一特点是，这种介质中光振动具有一定的传播速度。
对于像炽热的黑体的辐射中能量按波长分布这样重要的问题，洛伦兹理论还不能给出满意的解释。并且，如果认为洛伦兹关于以太的概念是正确的，则可将运动的以太选作参照系，使人们能区别出绝对运动。而事实上，1887年A.迈克耳孙等用干涉仪测“以太风”得否定的结果，这表明到了洛伦兹的电子论时期，人们对光本性的认识仍然有不少片面性。
1900年，普朗克从物质的分子结构理论中借用不连续性的概念，提出了辐射的量子论，认为各种频率的电磁波（包括光），只能以各自确定分立的能量从振子射出，这种能量微粒称为量子，光的量子称为光子。量子论不仅很自然地解释了灼热体辐射能量按波长分布的规律，而且以全新的概念提出了光与物质相互作用的问题。量子论不但给光学，也给整个物理学提供了新的概念，通常把它的诞生视为近代物理学的起点。
1905年，爱因斯坦运用量子论于光电效应之中，给光子作了十分明确的表示。他特别指出光与物质相互作用时，光也是以光子为最小单位进行的。此外，在19世纪末及20世纪初的许多实验都很好地证明了光的量子性。1905年9月，德国《物理学年鉴》发表了爱因斯坦的《关于运动介质的电动力学》一文。第一次提出了狭义相对论基本原理。文中阐明了从伽利略和牛顿时代以来占统治地位的古典物理学，其应用范围只限于速度远远小于光速的情况，而他的新理论可解释与高速运动有关的过程的特征。他根本上放弃了以太的概念，圆满地解释了运动物体的光学现象。
这样在20世纪初，一方面从光的干涉、衍射、偏振以及运动物体的光学现象确证了光是电磁波；而另一方面又从热辐射、光电效应、光压以及光的化学作用等无可怀疑地证明了光的量子性——微粒性。
学科内容
通常把光学分成几何光学、物理光学和量子光学。
几何光学
物理光学
光学
与几何光学不同，波动光学不仅考察孔径远大于波长情况下的光的传播过程，而且研究任何孔径情况下的光的传播过程。波动光学总能得出正确的解，但是有时用波动光学方法较为复杂，所以通常根据问题的性质来决定采用几何光学还是波动光学，或者两者兼而用之。例如，在光学仪器的一般光学系统设计中，多用几何光学方法来确定系统的结构要素，但在求得光能分布形式从而评价其成像质量时，就必须用波动光学方法。
波动光学的理论基础就是经典电动力学的麦克斯韦方程组。光在介质中的宏观参量介电常数 和磁导率，麦克斯韦方程组中表现为系数。它们与透明介质的折射率 之间有个简单的关系： =( )。波动光学不详细论述 和 与物质结构的关系，而侧重于解释光波的传播规律。在建立 和 跟分子和晶体结构之间的关系中，研究这些内容有时称为分子光学。波动光学可解释光在散射介质和各向异性介质中传播时所伴随产生的过程和在介质界面附近的表现；也能解释色散现象和各种介质中压力、温度、声场、电场和磁场对光学现象的影响。
虽然波动光学能对光的传播作出满意的解释，但一般不能说明光的发射和吸收过程，表现出经典物理的困难。
量子光学
1900年，普朗克在研究黑体辐射时为了从理论上推导出那时他已经得到的与实际相符甚好的经验公式，大胆提出了与经典概念迥然不同的假设，即组成黑体的振子的能量不能连续变化，只能取一份份的分立值：0， ，2 ，…， ，其中 为正整数，为振子频率，为普朗克常数，其值为6.626×10J·s。1905年，爱因斯坦在研究光电效应时推广了普朗克的上述量子论，进而提出了光子的概念。他认为光能并不像电磁波理论所描述的那样把能量分布在波阵面上，而是集中在所谓光子的微粒上。这种微粒仍保持着频率的概念，频率为 的光子具有能量。在光电效应中，当光子照射到金属表面时，一次为金属中的电子全部吸收，而无需电磁理论所预计的那种累积能量的时间，电子把这能量的一部分用于克服金属表面对它的吸力即作逸出功，余下的就变成电子离开金属表面后的动能。由此认识到一个原子或一个分子能把它的能量转变成电磁场辐射或从该场中获得能量，但只能以光子 为单位来进行。
光的波动和光（量）子的二象性是光的本性。光子、电子、质子、中子等微观客体的波粒二象性是形成量子力学的重要基础。从这种光子的性质出发来研究光的本性以及光与物质相互作用的学科即称为量子光学，它的基础主要是量子力学或量子电动力学。关于光在分子、原子中的产生与消失，不仅是光的本质问题，还关系到分子、原子的结构。从实验上验证和从理论上论述这类问题，是光学的一个分支，称光谱学。
现代光学
由于激光的发现和发展，产生了一系列新的光学分支学科，并得到了迅速的发展。
早在1917年，爱因斯坦在研究原子辐射时曾详细地论述过物质辐射有两种形式：其一是自发辐射；其二是受外来光子的诱发激励所产生的受激辐射。并预见到受激辐射可产生沿一定方向传播的亮度非常高的单色光。由于这些特点，自1960年T.梅曼首先作成红宝石激光器以来，光受激辐射的研究使得激光科学和激光技术得到迅速的发展，开辟了一批与激光本身紧密相关的新兴分支学科。除量子光学外，还有如非线性光学、激光光谱学、超强超快光学、激光材料和激光器物理学等。
经典波动光学中，介质参量被认为与光的强度无关，光学过程通常用线性微分方程来表述。但在强激光通过的情况下发现了许多新现象。如发现折射率跟激光的场强有关，光束强度改变时两介质界面处光的折射角随之发生改变；光束的自聚焦和自散焦；通过某些介质后光波的频率发生改变，产生倍频、和频和差频等。所有这些现象都归入非线性光学研究。
激光器现已能够产生高度指向性、高度单色性、偏振以及频率可调谐和可能获得超短脉冲的光源，高分辨率光谱、皮秒（10s）超短脉冲以及可调谐激光技术等已使经典的光谱学发生了深刻的变化，发展成为激光光谱学。同时，还能获得高功率、飞秒超短脉冲的激光，研究这类激光与物质相互作用已发展成超强超快光学。以上这些新兴学科成为研究物质微观结构、微观动力学过程的重要手段，为原子物理、分子物理、凝聚态物理学、分子生物学和化学的结构和动态过程的研究提供了前所未有的新技术。
随着激光科学和激光技术的发展以及激光在众多领域的应用开拓，对激光材料和相应的激光器件的性能提出了新的要求，新型光源和激光器发展中所涉及的基本问题成为现代光学的重要内容，其发展趋势是波长的扩展与可调频、光脉冲宽度的压缩，以及器件的小型化和固体化等。
应用光学
学科进展
光学
另一个重要的现代光学分支是由成像光学、全息术和光学信息处理组成的。这一分支可追溯到1873年E.阿贝提出的显微镜成像理论和1906年A.波特为之完成的实验验证；1935年F.泽尔尼克提出位相反衬观察法，而由蔡司（Zeiss）工厂制成相衬显微镜，为此他于1953年获得诺贝尔物理学奖；1948年D.伽柏提出的现代全息照相术前身的波阵面再现原理，为此，伽柏于1971年获得诺贝尔物理学奖。
20世纪50年代开始把数学、电子技术和通信理论与光学结合起来，给光学引入了频谱、空间滤波、载波、线性变换及相关运算等概念，更新了经典成像光学，形成了傅里叶光学。再加上由于激光所提供的相干光和由E.利思及J.阿帕特内克斯改进了的波阵面再现——全息术，近几十年来形成了一个新的学科领域——光学信息处理。数十年来，特别是1978年以来由于成功地减小了光纤中光的耗损，纤维光学的应用得到突飞猛进的发展。它不仅为内窥光学系统提供了纤维传像和传光，尤其重要的是它成功地应用于通信系统，光缆代替电缆，实现了光纤通信。这是现代光学的另一重要成就，为信息传输和处理提供了崭新的技术。
在现代光学本身，除非线性光学、激光光谱学、超强超快光学、激光材料和激光器物理外，在以下领域越来越多地为人们所关注。以激光引发核聚变在探索实现受控热核反应方面已经达到了能产生“发火点”的水平。激光光谱学，包括激光喇曼光谱学、高分辨率光谱和皮秒超短脉冲以及可调谐激光技术等已使传统的光谱学发生了很大的变化，成为深入研究物质微观结构、运动规律及能量转换机制的重要手段。它为凝聚态物理学、分子生物学和化学的动态过程的研究提供了前所未有技术。激光冷却和玻色－爱因斯坦凝聚的实现以及原子激光的诞生是20世纪末物理学的重大突破性进展之一。在量子通信与量子计算方面，自从1994年P.舒尔提出量子平行算法以来，量子通信与量子计算发展成物理学与信息科学相结合的新兴交叉学科，这方面的理论和实验均取得了重大进展。与扫描隧道显微镜类似，发展了一系列近场光学扫描显微镜技术，分辨率已达到光波波长的数十分之一，并形成了一门光学、扫描探针显微学和光谱学相结合的新型交叉学科——近场光学。光子晶体是一种周期的介电（包括金属）结构，它的周期相应于光波波长，在光子晶体中光的传播特性以及光子与原子、分子的相互作用都发生了本质的改变，从而可控制光子的运动。这是一类全新的光子器件的物理基础。现代光学不仅促进了物理的发展，并与化学、生命科学、信息科学、材料科学等领域的交叉日渐广泛和深入，同时也为应用发展研究提供了广阔的前景，已成为高技术领域发展所依托的重要学科基础之一。
国际光年
2015年距阿拉伯学者伊本·海赛姆的五卷本光学著作诞生恰好一千年。一千年来，光技术带给人类文明巨大的进步。为此，联合国宣布2015年为“光和光基技术国际年”（以下简称国际光年），以纪念千年来人类在光领域的重大发现。
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