基本介紹
簡介,萌芽時期,幾何光學時期,波動光學時期,量子光學時期,現代光學時期,
簡介
光學既是物理學中最古老的一個基礎學科，又是當前科學研究中最活躍的前沿陣地，具有強大的生命力和不可估量的前途。光學的發展過程是人類認識客觀世界的進程中一個重要的組成部分，是不斷揭露矛盾、克服矛盾，從不完全和不確切的認識逐步走向較完善和較確切認識的過程。它的不少規律和理論是直接從生產實踐中總結出來的，有相當多的發現來自長期的系統的科學實驗。因此，生產實踐和科學實驗是光學發展的源泉。光學的發展為生產技術提供了許多精密、快速、生動的實驗手段和重要的理論依據；而生產技術的發展，又反過來不斷向光學提出許多要求解決的新課題，並為進一步深入研究光學準備了物質條件。光學的發展大致可換分為5個時期：一、萌芽時期；二、幾何光學時期；三、波動光學時期；四、量子光學時期；五、現代光學時期。
光的直線傳播
光的直線傳播萌芽時期
中國古代對光的認識是和生產、生活實踐緊密相連的。它起源於火的獲得和光源的利用，以光學器具的發明、製造及套用為前提條件。根據籍記載，中國古代對光的認識大多集中在光的直線傳播、光的反射、大氣光學、成像理論等多個方面。
1、對光的直線傳播的認識 早在春秋戰國時《墨經》已記載了小孔成像的實驗：“景，光之人，煦若射，下者之人也高；高者之人也下，足蔽下光，故成景於上，首蔽上光，故成景於下……”。指出小孔成倒像的根本原因是光的“煦若射”，以“射”來比喻光線徑直向、疾速似箭遠及他處的特徵動而準確。 宋代，沈括在《夢溪筆談》中描寫了他做過的一個實驗，在紙窗上開一個小孔，使窗外的飛鳶和塔的影子成像於室內的紙屏上，他發現：“若鳶飛空中，其影隨鳶而移，或中間為窗所束，則影與鳶遂相違，鳶東則影西，鳶西則影東，又如窗隙中樓塔之影，中間為窗所束，亦皆倒垂”。進一步用物動影移說明因光線的直進“為窗所束”而形成倒像。
中國古代銅鏡
中國古代銅鏡2、對視覺和顏色的認識 對視覺在《墨經》中已有記載：“目以火見”。已明確表示人眼依賴光照才能看見東西。稍後的《呂氏春秋·任數篇》明確地指出：“目之見也借於昭”。《禮記·仲尼燕居》中也記載：“譬如終夜有求於幽室之中，非燭何見?”東漢《潛夫論》中更進一步明確指出：“夫目之視，非能有光也，必因乎日月火炎而後光存焉”。以上記載均明確指出人眼能看到東西的條件必須是光照，尤其值得注意的是認為：光不是從眼睛裡發出來的，而是從日、月、火焰等光源產生的。這種對視覺的認識是樸素、明確、比較深刻的。
顏色問題，在中國古代很少從科學角度加以探索，而著重於文化禮節和套用。早在石器時代的彩陶就已有多種顏色工藝。《詩經》里就出現了數十種不同顏色的記載。周代把顏色分為“正色”和“間色”兩類，其中“正色”是指“青、赤、黃、白、黑五色”。“間色”則由不同的“正色”以不同的比例混合而成。戰國時期《孫子兵法·勢篇》更指出：“色不過五，五色之變不可勝觀也”。可見這“正色”和“間色”的說法，與現代光學中的“三原色”理論很類似，但缺乏實驗基礎。清初博明對顏色提出”五色相宣之理，以相反而相成。如白之與黑，朱之與綠，黃之與藍，乃天地間自然之對，待深則俱深，淺則俱淺。相雜而間，色生矣”(《西齋偶得三種》)。這裡孕育了互補色的初步概念，雖未形成一定的顏色理論，但從半經驗半思辨的角度看也實在是難能可貴的。
3、光的反射和鏡的利用 中國古代由於金屬冶煉技術的發展，銅鏡在公元前2000年夏初的齊家文化時期已經出現。後來隨著技術的發展，古鏡製作技術逐漸提高，套用範圍逐擴大，種類也逐漸增多，出現了各種平面鏡、凹面鏡和凸面鏡，甚至還製造出被國外稱為魔鏡的“透光鏡”。1956～1957年河南陝縣上村嶺1052號虢國墓出土過春秋早期的一面陽燧(凹面鏡)，它直徑7.5厘米，凹面呈銀白色，打磨十分光潔，背面中心還有一高鼻紐以便攜帶，周圍是虎、鳥花紋，圖1是它的鏡背及剖面圖。鏡的利用為光的反射的研究創造了良好的條件，使中國古代對光的反射現象和成像規律有較早的認識。這方面的記載也較多。關於平面鏡反射成像，《墨經》中記載：“景迎日，說在轉”。說明人像投在迎向太陽的一邊，是因為日光經過鏡子的反射而轉變了方向。這是對光的反射現象的一種客觀描寫。關於平面鏡組合成像，《莊子·天下篇》中記載：“鑒以鑒影，而鑒以有影，兩鑒相鑒重影無窮”。生動地描寫了光線在兩鏡之間彼此往復反射，形成許許多多像的情景。《淮南萬畢術》記載：“取大鏡高懸，置水盆於其下，則見四鄰矣”。其原理和現代的潛望鏡很類似。對凸面鏡成像的規律，在《墨經》中有所敘述：“鑒團，景一，說在刑之大”。經說中進一步解釋說：“鑒，鑒者近，則所鑒大，景亦大，其遠，所鑒小，景亦小，而必正”。它說明了凸面鏡只成一種像，物體總成一種縮小而正立的像，對凸面鏡成像規律作了細緻描寫。關於凹面鏡，《墨經》記載：“鑒窪，景一小而易，一大而正，說在中之外、內”。說明當時已認識到凹面鏡有一個“中”(指焦點和球心之間)。物在“中”之外，得到比物體小而倒立的像，物在“中”之內，得到的是比物體大而正立的像，這種觀察是細緻而周密的。《淮南子·天文訓》記載：“陽燧見日則燃而為火'。這說明中國古代已認識到凹面鏡對光線有聚作用。《夢溪筆談》中也有記載：“陽燧，面窪，以一指迫而照之則正，漸遠則無所見，過此遂倒”。此處不僅述了凹面鏡成像的規律，還提出了測凹面鏡的焦距的一種粗略方法，發現成正像和倒像之間有個分界點。《夢溪筆談》又說：“陽燧面窪，向日照之，光皆聚向內，離鏡一、二寸，光聚為一點，大如麻菽，著物則火發，此則腰鼓最細處也”。作者(沈括)把聚光點形容如芝麻和豆粒那么之小，又把它稱作“礙”，用“腰鼓最細處”形容地比喻光束的會聚，十分貼切。
海市蜃樓
海市蜃樓4、對大氣光學現象的探討 大氣光學現象是中國古代光學最有成效的領域之一，早在周代由於占卜的需要，已建立了官方的觀測機構，雖然他們的工作蒙上了一層神秘的色彩，但是對暈、虹、海市蜃樓、北極光等大氣光學現象的觀測與記載是長期、系統而又深入細緻的，世所罕見。《周禮》中記載有“十煇”，指的是括“霾”和“虹”等在內的十種大氣光學現象。到唐代對它的認識更加細緻、深入。《晉書·天文志》中明確指出：“日旁有氣，圓而周布，內赤外青，名日暈”。此處不僅為暈下了定義，而且把暈按其形態冠以各種形象的名稱，如將太陽上的一小段暈弧叫做“冠”；太陽左右側內向的暈弧叫做“抱”等等。另外在《魏書·天象志》中對暈也有記載。除此以外，在宋朝以後的許多地方志中也記載有大氣光象，還出現了關於大氣光象的專著及圖譜，其中《天象災瑞圖解》一直流傳至今。殷商時期，就出現了有關虹的象形文字，對虹的形狀和出現的季節、方位不少書有所記載，如《禮記·月令》指出：“季春之月……虹始見”，“孟冬之月……虹藏不見”。東漢蔡邕(132～192)在《明堂月令》中寫道：“虹見有青赤之色，常依陰雲而晝見於日沖。無雲不見，太陽亦不見，見輒與日相互，率以日西，見於東方……?這些記載雖然是很粗淺的，經驗性的，但它卻是關於虹的確鑿記錄。魏、晉以後，對虹的本質和它的成因逐漸有所探討，南朝江淹說自己對虹“迫而察之”，斷定是因為“雨日陰陽之氣”而成。唐初已認識到虹的成因，”若雲薄漏日，日照雨滴則虹生”，明確指出“日照”和“雨滴”是產生虹的條件。後來，張志和在《玄真子·濤之靈》中明確指出：“背日噴乎水，成虹霓之狀'。第一次用實驗方法得出人工造虹，到南宋時，蔡在《毛詩名物解》中，對這一種更有發展：“今以水噴日，自側視之則暈為虹”。不僅重複了《玄真了》中的實驗方法，而且更進一步指出了觀察者所在的位置。在國外對虹的成因作出解釋的是在13世紀，因此我們對虹成因的正確描述比西方早約600年。
關於海市蜃樓，中國古代也早有記載，如《史記·天官書》：“蜃氣象樓台”。《漢書·天文志》：“海旁蜃氣樓台”。《晉書·天文志》：“凡海旁蜃氣象樓台，廣野氣成宮闕，北夷之氣如牛羊群畜穹廬，南夷之氣類舟船幡旗”。這是對海市蜃樓的如實描寫，但當時並不了解其成因和機理。到宋朝蘇軾對它才有較正確的認識，他在《登州海市》中說：“東方雲海空復空，群山出沒月明中，盪搖浮進生萬象，豈有貝闕藏珠宮”。此處明確地表示海市蜃樓都是幻景，蜃氣並不能成宮殿的思想。到明、清之際，陳霆、方以智等人對海市蜃樓作了進一步探討，陳霆認為海市蜃樓的成因是：“為陽焰和地氣蒸郁，偶爾變幻'。方以智認為“海市或以為蜃氣，“非也”。張瑤星認為蓬萊島上的蜃景是附近廟島群島所成的幻景，後來揭暄和遊藝畫了一幅如圖2所示的“山城海市蜃氣樓台圖”，圖上右方是左方樓台的倒影。文中記載了登州(即蓬菜)海市，並說：“昔曾見海市中城樓，外植一管，乃本府東關所植者。因語以濕氣為陽蒸出水上，豎則對映，橫則反映，氣盛則明，氣微則隱，氣移則物形漸改耳，在山為山城，在海為海市，言蜃氣，非也。”這一氣“氣映”說是對當時海市蜃樓知識的珍貴總結。極光是一種瞬息變幻、絢麗多彩的大氣光象，中國處在北半球，故觀察到的只能是北極光。早在二千年前，中國就對北極光人加以觀察，並有所記載，《竹書紀年》中記載：“周昭王末年，夜清，五色光貫紫微。其年，王南巡不返”。此文雖如實地記錄了北極光出現的時間、方位和顏色，但把王南巡不返(卒於江上)聯繫起來，說明當時對北極光還沒有正確的認識。對北極光的形狀、顏色不少書都有詳細的描述，並繪有彩色極光圖，這些都是研究北極光的極好史料。
5、關於成影現象的認識 日常生活中，在光線照射下，影隨時隨處可以見到，它引起人們的注意，並探究其形成的規律。立竿見影是中國古代最早被注意的問題，後來用此方法測影定向，並套用於確定墓穴和建築物的方位上。這套方法在周代已發展很精密，據《考工記》記載，當時有“土方氏”使用圭表，“典瑞氏”管理土圭，“匠人”則使用土圭辨定方位進行建築，並指出在測表影之先，要使地面保持水平，使表竿保持垂直，這說明當時已認識到投影的長度和光源位置有關，而且也和物體的斜度有關。《墨經》中對成影的討論更加深入，通過實驗明確指出：表稈在地面上投影的粗細長短，是隨木離光源的遠近、木的傾斜度以及光源的大小變化而變化的規律。
中國古代對光的認識除以上所述外，還有其他一些方面，如折射現象；天然晶體的色散；明清時期，光學從西方傳入後，還有了光學儀器的製作等等，但這些認識是零散的，定性的，絕大多數都只停留在對光學現象的描寫和記載上。值得提出的是宋末元初的趙友欽(13世紀中葉至14世紀初葉)，在《革象新書》的“小罅光景”中，描寫了一個大型光學實驗，在地面下挖了兩個圓阱，圓阱上可加放中心開有大小、形狀不同孔的圓板蓋。通過它可進行只有一個條件不同的對比實驗，對小孔(大小和形狀)、光源(形狀和強度)、像(形狀和亮度)、物距、像距之間的關係進行研究。將兩塊圓板上各插1000多支蠟燭，放在阱底或桌面上作為該實驗的光源。通過實驗確認了光直線進行的性質，定性地顯示了像的明亮程度與光源強度之間的關係，並涉及光的照度和成像理論。他所採用的大型實驗方法很有特色，是中國歷史上記載的規模最大的實驗。還有值得提出的元代郭守敬(1231～1316)曾巧妙地利用針孔取像器〔“景(影)符”〕解決了歷來圭表讀數不準的問題。一般圭表因太陽上下邊沿投影在影端生成半影，因此讀數比較模糊。正如《元史卷48》所說：“表短，……所謂分、秒、太、少、半之數，末易分別……表長，……影虛而談，難得實影”。郭守敬在建河南登封觀星台時除用水平溝使圭面保持水平外，在表上加一橫樑，在圭上加一可移動的“景符”)即在約寬2寸和斜銅時上扎一針孔，以“楮(即斜)竿”調其傾度以迎晶光。這樣，太陽針孔像“僅如米許，隱然見橫樑於其中”，細如髮絲，誤差可達0.1毫米。郭守敬的觀測結果之精確令拉普拉斯為驚之嘆。郭守敬的改進是在實際測量、反覆試驗中創造，並且帶有定量意義，可惜這種創造只是鳳毛麟角，很少有人繼承下來。
光電效應
光電效應西方光學萌芽及發展
從墨翟開始後的兩千多年的漫長歲月構成了光學發展的萌芽時期，在此期間光學發展比較緩慢。羅馬帝國的滅亡(公元475年)大體上標誌著黑暗時代的開始，在此之後，歐洲在很長一段時間裡科學發展緩慢，光學亦是如此。除了對光的直線傳播、反射和折射等現象的觀察和實驗外，在生產和社會需要的推動下，在光的反射和透鏡的套用方面，逐漸有了些成果。克萊門德（Clemomedes）和托勒密（C.Ptolemy,90--168）研究了光的折射現象，最先測定了光通過兩個介質面時的入射角和折射角。羅馬哲學家塞涅卡（Seneca,前3--65）指出充滿水的玻璃泡具有強大功能。從阿拉伯的巴斯拉來到埃及的學者阿爾哈雷（Alhazen，965--1038）反對歐幾里德和托勒密關於眼鏡發出光線才能看到物體的學說，認為光線來自所觀察的物體，並且光是以球面形式從光源發出的；反射和入射線共面且入射面垂直與界面，他研究了球面鏡與拋物面鏡，並詳細描述了人眼的構造；她首先發明了凸透鏡，並對凸透鏡進行了實驗研究，所得的結果接近於近代關於凸透鏡的理論。培根（R.Bacon,1214--1294）提出透鏡校正視力和採用透鏡組構成望遠鏡的可能性，並描述了透鏡焦點的位置。阿瑪蒂（Armati）發明了眼鏡。波特（G.B.D.Porta，1535--1615）研究了成像暗箱，並在1589年的論文《自然的魔法》中討論了複合面鏡以及凸透鏡和凸透鏡組的組合。綜上所述，到15世紀末和16世紀初，凹面鏡、凸面鏡、眼鏡、透鏡以及暗箱和幻燈等光學元件已相繼出現。
幾何光學時期
這一時期可以稱為光學發展史上的轉折點。在這個時期建立了光的反射定律和折射定律，奠定了幾何光學的基礎。同時為了提高人眼的觀察能力，人們發明了光學儀器，第一架望遠鏡的誕生促進了天文學和航海事業的發展，顯微鏡的發明給生物學的研究提供了強有力的工具。
荷蘭的李普塞在1608年發明了第一架望遠鏡。克卜勒於1611年發表了他的著作《折光學》，提出照度定律，還設計了幾種新型的望遠鏡，他還發現當光以小角度入射到界面時，入射角和折射角近似地成正比關係。折射定律的精確公式則是斯涅耳和笛卡兒提出的。1621年斯涅耳在他的一篇文章中指出，入射角的餘割和折射角的餘割之比是常數，而笛卡兒約在1630年在《折光學》中給出了用正弦函式表述的折射定律。接著費馬在1657年首先指出光在介質中傳播時所走路程取極值的原理，並根據這個原理推出光的反射定律和折射定律。綜上所述，到十七世紀中葉，基本上已經奠定了幾何光學的基礎。
關於光的本性的概念，是以光的直線傳播觀念為基礎的，但從十七世紀開始，就發現有與光的直線傳播不完全符合的事實。義大利人格里馬第首先觀察到光的衍射現象，接著，胡克也觀察到衍射現象，並且和波意耳獨立地研究了薄膜所產生的彩色干涉條紋，這些都是光的波動理論的萌芽。
十七世紀下半葉，牛頓和惠更斯等把光的研究引向進一步發展的道路。1672年牛頓完成了著名的三稜鏡色散試驗，並發現了牛頓圈（但最早發現牛頓圈的卻是胡克）。在發現這些現象的同時，牛頓於公元1704年出版的《光學》，提出了光是微粒流的理論，他認為這些微粒從光源飛出來。在真空或均勻物質內由於慣性而作勻速直線運動，並以此觀點解釋光的反射和折射定律。然而在解釋牛頓圈時，卻遇到了困難。同時，這種微粒流的假設也難以說明光在繞過障礙物之後所發生的衍射現象。 惠更斯反對光的微粒說，1678年他在《論光》一書中從聲和光的某些現象的相似性出發，認為光是在“以太”中傳播的波．所謂“以太”則是一種假想的彈性媒質，充滿於整個宇宙空間，光的傳播取決於“以太”的彈性和密度．運用他的波動理論中的次波原理，惠更斯不僅成功地解釋了反射和折射定律，還解釋了方解石的雙折射現象．但惠更斯沒有把波動過程的特性給予足夠的說明，他沒有指出光現象的周期性，他沒有提到波長的概念．他的次波包絡面成為新的波面的理論，沒有考慮到它們是由波動按一定的位相疊加造成的．歸根到底仍舊擺脫不了幾何光學的觀念，因此不能由此說明光的干涉和衍射等有關光的波動本性的現象．與此相反，堅持微粒說的牛頓卻從他發現的牛頓圈的現象中確定光是周期性的．
綜上所述，這一時期中，在以牛頓為代表的微粒說占統治地位的同時，由於相繼發現了干涉、衍射和偏振等光的波動現象，以惠更斯為代表的波動說也初步提出來了，因而這個時期也可以說是幾何光學向波動光學過渡的時期，是人們對光的認識逐步深化的時期．
波動光學時期
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”和雙狹縫干涉現象。菲涅耳於1818年以楊氏干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干涉和衍射現象，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干涉。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像的。
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。
光學顯微鏡
光學顯微鏡然而，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布這樣重要的問題，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年邁克耳遜用干涉儀測“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。
在此期間，人們還用多種實驗方法對光速進行了多次測定。1849年斐索（A.H.L.Fizeau，1819--1896）運用了旋轉齒輪的方法及1862年傅科（J.L.Foucault，1819--1868）使用旋轉鏡法測定了光在各種不同介質中的傳播速度。
量子光學時期
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《物理學年鑑》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經典物理學，其套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。
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。光和一切微觀粒子都具有波粒二象性，這個認識促進了原子核和粒子研究的發展，也推動人們去進一步探索光和物質的本質，包括實物和場的本質問題。為了徹底認清光的本性，還要不斷探索，不斷前進。
現代光學時期
從20世紀中葉起，隨著新技術的出現，新的理論也不斷發展，已逐步形成了許多新的分支學科或邊淵學科，光學的套用十分廣泛。幾何光學本來就是為設計各種光學儀器而發展起來的專門學科，隨著科學技術的進步，物理光學也越來越顯示出它的威力，例如光的干涉目前仍是精密測量中無可替代的手段，衍射光柵則是重要的分光儀器，光譜在人類認識物質的微觀結構(如原子結構、分子結構等)方面曾起了關鍵性的作用，人們把數學、資訊理論與光的衍射結合起來，發展起一門新的學科——傅立葉光學，把它套用到信息處理、像質評價、光學計算等技術中去。特別是雷射的發明，可以說是光學發展史上的一個革命性的里程碑，由於雷射具有強度大、單色性好、方向性強等一系列獨特的性能，自從它問世以來，很快被運用到材料加工、精密測量、通訊、測距、全息檢測、醫療、農業等極為廣泛的技術領域，取得了優異的成績。此外，雷射還為同位素分離、儲化，信息處理、受控核聚變、以及軍事上的套用，展現了光輝的前景。
20世紀中葉，特別是雷射問世以後，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，即雷射。1960年，梅曼用紅寶石製成第一台可見光的雷射器；同年製成氦氖雷射器；1962年產生了半導體雷射器；1963年產生了可調諧染料雷射器。由於雷射具有極好的單色性、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套用，引起了科學技術的重大變化。
