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光学(物理学分支)

光学(optics)是物理学的重要分支学科。也是与光学工程技术相关的学科。狭义来说,光学是关于和视见的科学,optics词早期只用于跟眼睛和视见相联系的事物。而今天常说的光学是广义的,是研究从微波、红外线、可见光紫外线直到X射线γ射线的宽广波段范围内的电磁辐射的产生、传播、接收和显示,以及与物质相互作用的科学,着重研究的范围是从红外到紫外波段。它是物理学的一个重要组成部分。

光学是研究光的行为和性质的物理学科。光是一种电磁波,在物理学中,电磁波由电动力学中的麦克斯韦方程组来描述;同时,光具有波粒二象性,光的粒子性则需要用量子力学来描述。

光学的起源在西方很早就有光学知识的记载,古希腊欧几里德(Euclid,约公元前330~260)的《反射光学》(Catoptrica)研究了光的反射;阿拉伯学者阿勒哈增(AI-Hazen,965~1038)写过一部《光学全书》,讨论了许多光学的现象。光学真正形成一门学科,应该从建立反射定律折射定律的时代算起,这两个定律奠定了几何光学的基础。

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)。

自《墨经》开始,在2,000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.笛卡尔光的反射折射的观察结果,归结为今天所惯用的反射定律折射定律
  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反射现象作了解释。惠更斯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。

1846年法拉第发现了光的振动面在磁场中发生旋转;1856年W.韦伯发现光在真空中的速度等于电流强度的电磁单位与静电单位的比值。它们表示光学现象与电磁学现象间有一定的内在关系。

1860年前后麦克斯韦理论研究指出,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ε磁导率μ的透明介质中的速度,则有:

c/v=(εμ)1/2

式中c/v恰为介质的折射率,所以有:

n=(εμ)1/2

上式给出了透明介质的光学常数n电学常数ε和磁学常数μ的关系。在认识光的物理性质方面,麦克斯韦理论较以前各种理论向前迈进了一大步。

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。

1922年发现的康普顿效应,1928年发现的拉曼效应以及当时已能从实验上获得的原子光谱的超精细结构,它们无疑地表明光学的发展不能独立于量子物理

现代光学中光量子概念并不与光的波动概念相排斥,不过需要借助于由海森伯薛定谔狄拉克费因曼施温格朝永振一郎等人创建和发展起来的量子力学量子电动力学,才能把两者统一起来。应用他们的理论可阐明原子光谱分子光谱离子光谱;能解释电场、磁场和声场对光谱的效应;能建立激发条件和光谱特性的关系。光学历史表明,现代物理学中的两个最重要的基础理论量子力学和狭义相对论都是在人类关于光的研究中诞生和发展的。

通常把光学分成几何光学物理光学量子光学

从几个由实验得来的基本原理出发来研究光的传播问题的学科。基于光线的概念和光线的折射反射定律来描述光在介质中传播规律的学科。

从光是一种波动出发,研究光在介质中传播规律的学科,也称为波动光学。可用来研究光的干涉光的衍射光的偏振及其在各向异性介质中传播所呈现出的现象。由于光速和电磁波传播速度相同,从而推测光也是电磁波,这一推测被以后所有实验所证实。而利用几何光学所得的结果,通常总是波动光学在某些条件下的近似或极限

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麦克斯韦方程组。光在介质中的宏观参量介电常数ε磁导率μ,麦克斯韦方程组中表现为系数。它们与透明介质的折射率n之间有个简单的关系:n=(εμ)1/2。波动光学不详细论述εμ物质结构的关系,而侧重于解释光波的传播规律。在建立εμ分子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。

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,即组成黑体振子的能量不能连续变化,只能取一份份的分立值:0,hv,2hv,…,nhv,其中n为正整数,ν为振子频率,h普朗克常数,其值为6.626×1034Js。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ν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

光的波动和光(量)子的二象性是光的本性。它表现的宏观世界中连续的波动和微观世界中的不连续的量子,在经典物理学简化的机械概念中是互相排斥的,而客观实际上,它们是统一的。后来不仅从理论上而且也从实验上无可争辩地证明了:但光有这种两重性,微观世界的物质,包括电子、质子、中子和原子,它们虽是颗粒实物,也都有与其本身质量和速度相联系的波动的特性(见波粒二象性)。

上述光的量子理论促进了近代物理学的发展。此外,在运动媒质的光学现象的研究中,19世纪80年代用迈克耳孙干涉仪测量由同一光束分成相互垂直的两个方向光速的差异,其结果显示光速是不变的(见迈克耳孙-莫雷实验),成为爱因斯坦狭义相对论的实验基础,这一事实也是近代物理中十分重要的成就。因此,光学学科中的研究成果对于量子力学和相对论的建立起了决定性的作用。上述两大学说构成了现代物理学乃至现代科学技术的理论基础。

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光源,高分辨率光谱、皮秒(10-12s)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。
  几十年来的发展表明,激光科学和激光技术极大地促进了物理学、化学、生命科学和环境科学等学科的发展,已形成一批十分活跃的新兴学科和交叉学科,如激光化学、激光生物学、激光医学信息光学等。同时,激光还在精密计量、遥感遥测、通信、全息术、医疗、材料加工、激光制导和激光引发核聚变等方面获得了广泛的应用。

由于光学由许多与物理学紧密联系的分支学科组成,具有广泛的应用,所以还有一系列应用背景较强的分支学科也属于光学范围。如有关电磁辐射物理量测量的光度学辐射度学;以正常平均人眼为接收器来研究电磁辐射所引起的彩色视觉及其心理物理量的测量的色度学;以及众多的技术光学诸如光学系统设计及光学仪器理论,光学制造和光学测试及干涉量度学、薄膜光学、纤维光学集成光学等;还有与其他学科交叉的分支,如天文光学海洋光学、遥感光学、大气光学生理光学及兵器光学等。

近几十年来光学更加迅猛地发展,开始进入了一个新的时期,学科进展成为现代物理学现代科学和技术前沿的重要组成部分。最重要的成就是证实并完善了爱因斯坦于1916年预言过的原子和分子的受激辐射的理论,并创造了许多具体产生受激辐射的技术。爱因斯坦研究辐射时指出,有自发辐射和受激辐射两种。光源的发射一般都属自发辐射,其中受激辐射概率小到可忽略不计。但受激辐射具有产生同方向、同位相、同频率和同偏振辐射的性质。在一定条件下,如果能使受激辐射继续去激发其他粒子,造成连锁反应,雪崩似地获得放大效果,最后给出单色性的辐射,即所谓的激光。第一个实现这种量子放大的辐射的是1954年以C.汤斯完成的微波激射器。随后在1960年T.梅曼红宝石制成第一台可见光的激光器;同年制成氦氖激光器;1962年产生了半导体激光器;1963年产生可调谐染料激光器。近几十年来制成的各种激光器已覆盖由X射线、紫外、可见、红外及至微波的整个波段。由于激光具有极好的单色性、高亮度和良好的方向性,所以自激光器发明以来,激光科学与激光技术得到了迅速发展和广泛应用,引起了整个科学技术的重大变化。

另一个重要的现代光学分支是由成像光学、全息术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。

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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