光学

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[拼音]：guangxue

[外文]：optics

狭义来说，光学是关于光和视见的科学，optics（光学）这个词，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射线的宽广波段范围内的电磁辐射的有关发生、传播、接收和显示，以及跟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，也是与其他应用技术紧密相关的学科。

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

是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。它利用光线的概念和折射、反射定律来描写光在各种媒质中传播的途径；它的结果通常总是波动光学在某些条件下的近似或极限。

物理光学

是从光是一种波动出发来研究光在传播过程中所发生的现象的学科，所以也称为波动光学。可以用来研究光的干涉、光的衍射、光的偏振以及其在各向异性媒质中传播所表现出的现象。由于光速和电磁波传播速度相同，从而推测光也是电磁波，这一推测为以后所有实验所证实。

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，但是有时嫌所用波动光学方法太复杂，于是，多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。

波动光学的基础就是经典电动力学的麦克斯韦方程组。光在媒质中的宏观参量──介电常数ε和磁导率 μ──在麦克斯韦方程组中表现为系数，它们与媒质的折射率n之间有个简单的关系:。波动光学不详论ε和μ 与物质结构的关系而侧重于解释光波的表现规律。在建立ε和μ 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。波动光学可以解释光在散射媒质和各向异性媒质中传播时所伴随产生的过程和在媒质界面附近的表现；也能解释色散现象和各种媒质中压力、温度、声场、电场和磁场对光的现象的影响。

虽然波动光学能对光的传播作出满意的解释，但是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，M.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，他大胆地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，hv，2hv，…，nhv”，其中n为正整数，v为振子频率，h为普朗克常数，其值为6.626×10-27尔格秒。1905年，A.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。但这种微粒仍保持着频率的概念，频率为 v的光子具有能量hv。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。

至此认识到一个原子或一个分子能把它的能量分给电磁场或从该场中获得能量，但只能以光子hv为单位来进行。从这种光子的性质出发来研究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:非但光有这种两重性，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，测以太风实验所得的否定结果是对爱因斯坦狭义相对论的强有力支持，这一事实也是近代物理中十分重要的成就。

现代光学

最近20多年来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达到了新的高度。

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。并预见到由受激辐射可以产生沿一定方向传播的、亮度可以非常高的单色光。由于这些特点，所以自1960年T.H.梅曼首先作成红宝石激光器以来，光受激辐射的研究──激光科学和技术──得到了异常迅速的发展，不妨说，它为光学开辟了新纪元。20年来的发展表明，激光科学和技术有力地促进了物理学、化学和生物学的发展。激光在精密计量、遥感和遥测、通信、全息术、医疗以及材料加工等方面获得了广泛的应用。在同位素分离、催化和光学信息处理方面有着广阔的发展前景，以激光引发核聚变是探索受控热核聚变和有关技术的重要途径之一。

在经典波动光学中，媒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。然而，在强激光通过的情况下发现了许多新现象，例如，发现折射率跟激光的场强有关，光束的强度改变时两媒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；通过某些媒质后光波的频率跃变以及光束之间有相互作用等。所有这些现象都归入非线性光学研究。

由于激光器现在已经能够作为高功率、高度指向性、高度单色性、偏振以及频率可控和可能获得超短脉冲的光源，高分辨率光谱、皮(10-12)秒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。它成为研究物质微观结构、微观动力学过程以及能量转换机制的重要手段，为原子分子物理、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的新技术。

应用光学

光学，一方面如前所述，它由许多与物理学紧密联系的分支学科组成；另一方面由于它有广泛的应用，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。例如，有关电磁辐射的物理量的测量的光度学和辐射度学；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:光学系统设计及光学仪器理论，光学制造和光学测试，干涉量度学、薄膜光学、纤维光学和集成光学等；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。

发展简史

光学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(先秦时代)，中国的《墨经》中记录了世界上最早的光学知识。它有八条关于光学的记载，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《墨经》中的物理知识）。

自《墨经》开始，在2000多年的历史时期中，经过了公元11世纪阿拉伯人伊本·海赛木发明透镜，公元1590年到17世纪初Z.詹森和H.李普希同时相互独立地发明显微镜；一直到17世纪上半叶才由W.斯涅耳和R.笛卡儿将对于光的反射和折射的观察结果，归结为今天大家所惯用的反射定律和折射定律。

1665年I.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，这些成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。借助这种现象可以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，他认为光是一种微粒流，微粒从光源飞出来，在均匀媒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。C.惠更斯是光的微粒说的反对者，他创立波动说，在1690年，于《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.-J.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，用它可圆满地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媒质（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。弹性横波在无限大的固体中的传播速度v同固体的切变模量G和密度ρ有下列关系：

(1)

因为以太不应妨碍各种物体的运动，所以以太的ρ应是非常小的，同时为说明光的巨大的传播速度，又必须给G以适当大小的数值。为说明光在各不同媒质中的不同速度，又必须认为以太的特性在不同的物质中是不同的；在各向异性媒质中还需要有更复杂的假设。此外，还必须给以太以更特殊的性质才能解释光不是纵波。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（见以太论）。

1846年M.法拉第发现了光的振动面在磁场中发生旋转；1856年W.E.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磁学、电学现象间有一定的内在关系。

1860年前后J.C.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H.R.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的媒质中的速度，则有

， (2)

式中с/v 恰为媒质的折射率，所以有

。 (3)

这个式子给出了媒质的光学常数 n跟电学常数ε和磁学常数μ 的关系。在认识光的物理性质方面，麦克斯韦理论较之以前各种理论向前迈进了一大步。

然而，这样的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.A.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。在洛伦兹的理论中，以太乃是广袤无限的不动的媒质，其唯一特点是，在这种媒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令人满意的解释。并且，如果认为洛伦兹关于以太的概念是正确的话，则可将不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.A.迈克耳孙用干涉仪测“以太风”，得到否定的结果，这表明到了洛伦兹电子论时期，人们对光的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。他认为各种频率的电磁波，包括光，只能以各自确定分量的能量从振子射出，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，而且以全新的方式提出了光与物质相互作用的整个问题。量子论不但给光学，也给整个物理学提供了新的概念，故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，他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雄辩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“关于运动媒质的电动力学”一文。第一次提出了狭义相对论基本原理，文中指出，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很大运动速度有关的过程的特征，根本放弃了以太的概念，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年发现的喇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都不能独立于量子物理。

在现代光学中，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N.玻尔、M.玻恩、E.薛定谔、W.K.海森伯、W.泡利、P.A.M.狄喇克、E.费密以及Л.Д.朗道等人创建和发展起来的量子力学和量子电动力学，才能把两者统一起来。应用他们的理论可以阐明原子光谱、分子光谱和离子光谱；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。

不仅如此，近20多年来，光学更加迅猛进展开始进入了一个新的时期，以致于成为现代物理学和现代科学技术前沿的重要组成部分。其中最重要的成就，就是发现了爱因斯坦于1916年预言过的原子和分子的受激辐射并且创造了许多具体的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。一般情况下光源的发射都属自发辐射，其中受激辐射几率之小到可忽略。但是受激辐射具有和去激发它的辐射同方向、同位相、同频率和同偏振。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，最后给出单色性极强的辐射（laser）即今天所谓的激光。第一个实现这种量子放大的辐射的是1954年C.H.汤斯完成的微波激射器(maser)。随后在1960年T.H.梅曼用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年产生了可调谐染料激光器。近20年来制成的各种激光器已充满由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1958年发现以来，得到迅速发展和广泛应用，引起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、全息术和光学信息处理组成的。这一分支最早可追溯到1873年E.阿贝提出的显微镜成像理论和1906年A.B.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。

自20世纪50年代以来，人们开始把数学、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，形成了所谓“傅里叶光学”。再加上由于激光所提供的相干光和由E.N.利思及J.阿帕特内克斯改进了的波阵面再现──全息术，近20年来形成了一个新的学科领域──光学信息处理。

近十多年来，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，而尤其重要的，是它已成功地应用于通信系统，光缆代替了电缆，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，由强激光产生的非线性光学现象正为越来越多的人们所注意。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。

参考书目
  1. M.玻恩、E.沃耳夫著，杨葭荪等译：《光学原理》，上册，黄乐天等译：《光学原理》，下册，科学出版社，北京，1978、1981。(M.Born and E.Wolf， Principles of Optics，5th ed.，Pergamon Press， Oxford， 1975.)
  2. 顾德门著，詹达三等译：《傅里叶光学导论》，科学出版社，北京，1976。(J.W. Goodman， Introduction to Fourier Optics， McGraw-Hill， New York，1968.)
  3. A.Yariv，Quantum Electronics，John Wiley & Sons，New York， 1967.

参考文章

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