光学

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  光学(optics),研究光的传播及光与物质相互作用的学科。光学不仅是物理学的基础学科之一,也是应用性很强的学科。早期的光学只研究可见光波段,当今已将研究范围扩展到人眼看不见的红外、紫外波段甚至微波和X射线波段,而且在关于光的发射、接收及光与物质相互作用等问题上,光学与微观物理学相衔接并互相渗透。光学的研究内容包括几何光学波动光学,以及现代发展起来的各个新领域。

  早在中国先秦著作《墨经》中就已有了关于光的直进性、影、针孔成像、球面反射镜等最早的光学实验记录。自《墨经》之后的漫长时期,虽已出现了凹面镜凸面镜透镜及透镜的组合等光学器件,而且应用也相当普遍,但人们对光的描述和应用一直停留在相当粗糙和原始的阶段,未能形成系统的光学理论。直到17世纪,光学才真正得到发展。1608年,H.李普希发明了第一架望远镜,1610年G.伽利略创制了两级放大显微镜,接着,各类望远镜和显微镜在短时间内纷纷出现。在理论方面,W.斯涅耳在1621年的一篇文章中首先提出折射定律的余割形式,R.笛卡尔于1637年公布了正弦形式的折射定律。1657年,P.de费马提出了最小时间原理(费马原理)。这样,到17世纪中叶已奠定了几何光学的基础。

  17世纪后半叶,I.牛顿利用三棱镜太阳光分解成彩色光带,并做了颜色混合实验,解开了颜色之谜。牛顿利用光的反射与颜色无关这一现象,于1672年制造出第一台无色差的反射式望远镜。牛顿与同时代的R.胡克C.惠更斯分别提出了光的微粒说和波动说,从此开始了关于光的本性的争论。

  19世纪是光的波动理论的大发展时期。由于T.杨A.-J.菲涅耳等人的不懈努力,确立了波动理论的牢固地位。波动理论在解释光的干涉、衍射和偏振等与光的传播行为有关的光学现象时,均取得了巨大成功。19世纪60年代麦克斯韦电磁场理论的建立和光速的实验测定使人们确信光是一种电磁波,光波与电磁波的统一使古典的波动理论得到了坚实的理论基础。运用光的电磁理论研究光在晶体和金属中的传播规律时,产生了晶体光学金属光学这两个波动光学的分支。光的电磁理论还把几何光学和波动光学都包括在同一理论体系中。19世纪末创立的H.A.洛伦兹电子论对光的色散、散射和吸收作出了经典解释,初步研究了光与物质相互作用的问题。

  20世纪初,为解释黑体辐射光电效应的实验规律,M.普朗克A.爱因斯坦分别提出了能量子假设和光子假设(见普朗克假设光电效应)。爱因斯坦重新提出了光的微粒性概念,光子概念的确立并用来解决光与物质相互作用问题标志着量子光学的诞生。与此同时,对原子分子内部结构的探索和各种光谱仪器的发展导致了光谱学这一光学分支的建立。

  20世纪60年代激光器的问世,使量子光学得到了进一步发展,还使传统的光谱学发生了深刻变化。激光这一新型光源的广泛使用,使传统光学派生出诸如傅里叶光学纤维光学非线性光学等新的研究领域。