光學(物理學分支)

光學（optics）是物理學的重要分支學科。也是與光學工程技術相關的學科。狹義來說，光學是關於光和視見的科學，optics詞早期只用於跟眼睛和視見相聯繫的事物。而今天常說的光學是廣義的，是研究從微波、紅外線、可見光、紫外線直到X射線和γ射線的寬廣波段範圍內的電磁輻射的產生、傳播、接收和顯示，以及與物質相互作用的科學，著重研究的範圍是從紅外到紫外波段。它是物理學的一個重要組成部分。

光學是研究光的行為和性質的物理學科。光是一種電磁波，在物理學中，電磁波由電動力學中的麥克斯韋方程組來描述；同時，光具有波粒二象性，光的粒子性則需要用量子力學來描述。

基本介紹

• 中文名：光學
• 外文名：optics
• 學科性質：物理學的重要分支學科
• 學習內容：幾何光學，物理光學，量子光學

基本簡介

光學的起源在西方很早就有光學知識的記載，古希臘的歐幾里德（Euclid，約公元前330～260）的《反射光學》（Catoptrica）研究了光的反射；阿拉伯學者阿勒·哈增（AI-Hazen，965～1038）寫過一部《光學全書》，討論了許多光學的現象。光學真正形成一門學科，應該從建立反射定律和折射定律的時代算起，這兩個定律奠定了幾何光學的基礎。

發展歷史

光學（optics）是一門有悠久歷史的學科，它的發展史可追溯到2000多年前。人類對光的研究，最初主要是試圖回答“人怎么能看見周圍的物體”等類問題。約在公元前400多年，中國的《墨經》中記錄了世界上最早的光學知識。它有8條關於光學的記載，敘述影的定義和生成，光的直線傳播性和針孔成像，並且以嚴謹的文字討論了在平面鏡、凹球面鏡和凸球面鏡中物和像的關係（見中國物理學史）。

光學

自《墨經》開始，在2,000多年的歷史時期中，經過了11世紀阿拉伯人伊本·海賽姆發明製作了凸透鏡，1590年到17世紀初H.詹森和H.李普希同時相互獨立地發明顯微鏡，直到17世紀上半葉才由W.斯涅耳和R.笛卡爾將光的反射和折射的觀察結果，歸結為今天所慣用的光的反射定律和折射定律。
1665年牛頓進行太陽光的實驗，它能把太陽光分解成簡單的組成部分，形成一個顏色按一定順序排列的光分布——光譜。它使人們第一次接觸到光的客觀的和定量的特徵，各單色光在空間上的分離是由光的本性決定的。牛頓還發現了把曲率半徑很大的凸透鏡放在光學平玻璃板上，當用白光照射時，則見透鏡與玻璃平板接觸處出現一組彩色的同心環狀條紋；當用某一單色光照射時，則出現一組明暗相間的同心環條紋，後人把這種現象稱牛頓環。藉助這種現象可用第一暗環的空氣隙的厚度來定量地表征相應的單色光。

牛頓在發現這些重要現象的同時，根據光的直線傳播性，認為光是一種微粒流，微粒從光源飛出來，在均勻介質內遵從力學定律作等速直線運動，並且用這種觀點對折射和反射現象作了解釋。惠更斯是光的微粒說的反對者，他創立波動說，1690年在《光論》一書中寫道：“光同聲一樣，是以球形波面傳播的。” 並且指出光振動所達到的每一點都可視為次波的振動中心，次波的包絡面為傳播著的波的波陣面（波前）。在整個18世紀中，光的微粒流理論和光的波動理論都被粗略地提了出來，但都不很完整。

19世紀初，波動光學初步形成，其中以T.楊和A.菲涅耳的著作為代表。楊圓滿地解釋了“薄膜的顏色”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介質（以太）中傳播的橫波。但是由此不得不把彈性固體的特性強加於以太，如此性質的以太是難以想像的，並且即使承認以太也沒有能把光學現象同其他物理現象聯繫起來。

1846年法拉第發現了光的振動面在磁場中發生旋轉；1856年W.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。它們表示光學現象與電磁學現象間有一定的內在關係。

1860年前後麥克斯韋的理論研究指出，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。按麥克斯韋的理論，若以c代表光在真空中的速度，v代表光在介電常數為ε和磁導率為μ的透明介質中的速度，則有：

c/v=(εμ)^1/2

式中c/v恰為介質的折射率，所以有：

n=(εμ)^1/2

上式給出了透明介質的光學常數n跟電學常數ε和磁學常數μ的關係。在認識光的物理性質方面，麥克斯韋理論較以前各種理論向前邁進了一大步。

然而，這種理論不能說明產生頻率高達光的頻率的電振子的性質，也不能解釋折射率隨光的頻率而變所引起的光的色散。到了1896年H.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。洛倫茲的理論中以太乃是廣袤無限的不動的介質，其唯一特點是，這種介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，則可將運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A.邁克耳孫等用干涉儀測“以太風”得否定的結果，這表明到了洛倫茲的電子論時期，人們對光本性的認識仍然有不少片面性。

1900年，普朗克從物質的分子結構理論中借用不連續性的概念，提出了輻射的量子論，認為各種頻率的電磁波（包括光），只能以各自確定分立的能量從振子射出，這種能量微粒稱為量子，光的量子稱為光子。量子論不僅很自然地解釋了灼熱體輻射能量按波長分布的規律，而且以全新的概念提出了光與物質相互作用的問題。量子論不但給光學，也給整個物理學提供了新的概念，通常把它的誕生視為近代物理學的起點。

1905年，愛因斯坦運用量子論於光電效應之中，給光子作了十分明確的表示。他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。此外，在19世紀末及20世紀初的許多實驗都很好地證明了光的量子性。1905年9月，德國《物理學年鑑》發表了愛因斯坦的《關於運動介質的電動力學》一文。第一次提出了狹義相對論基本原理。文中闡明了從伽利略和牛頓時代以來占統治地位的古典物理學，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高速運動有關的過程的特徵。他根本上放棄了以太的概念，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。

1922年發現的康普頓效應，1928年發現的拉曼效應以及當時已能從實驗上獲得的原子光譜的超精細結構，它們無疑地表明光學的發展不能獨立於量子物理。

現代光學中光量子概念並不與光的波動概念相排斥，不過需要藉助於由海森伯、薛丁格、狄拉克、費因曼、施溫格和朝永振一郎等人創建和發展起來的量子力學和量子電動力學，才能把兩者統一起來。套用他們的理論可闡明原子光譜、分子光譜和離子光譜；能解釋電場、磁場和聲場對光譜的效應；能建立激發條件和光譜特性的關係。光學歷史表明，現代物理學中的兩個最重要的基礎理論——量子力學和狹義相對論都是在人類關於光的研究中誕生和發展的。

學科內容

通常把光學分成幾何光學、物理光學和量子光學。

幾何光學

從幾個由實驗得來的基本原理出發來研究光的傳播問題的學科。基於光線的概念和光線的折射、反射定律來描述光在介質中傳播規律的學科。

物理光學

從光是一種波動出發，研究光在介質中傳播規律的學科，也稱為波動光學。可用來研究光的干涉、光的衍射、光的偏振及其在各向異性介質中傳播所呈現出的現象。由於光速和電磁波傳播速度相同，從而推測光也是電磁波，這一推測被以後所有實驗所證實。而利用幾何光學所得的結果，通常總是波動光學在某些條件下的近似或極限。

光學

與幾何光學不同，波動光學不僅考察孔徑遠大于波長情況下的光的傳播過程，而且研究任何孔徑情況下的光的傳播過程。波動光學總能得出正確的解，但是有時用波動光學方法較為複雜，所以通常根據問題的性質來決定採用幾何光學還是波動光學，或者兩者兼而用之。例如，在光學儀器的一般光學系統設計中，多用幾何光學方法來確定系統的結構要素，但在求得光能分布形式從而評價其成像質量時，就必須用波動光學方法。

波動光學的理論基礎就是經典電動力學的麥克斯韋方程組。光在介質中的巨觀參量介電常數ε和磁導率μ，麥克斯韋方程組中表現為係數。它們與透明介質的折射率n之間有個簡單的關係：n=(εμ)^1/2。波動光學不詳細論述ε和μ與物質結構的關係，而側重於解釋光波的傳播規律。在建立ε和μ跟分子和晶體結構之間的關係中，研究這些內容有時稱為分子光學。波動光學可解釋光在散射介質和各向異性介質中傳播時所伴隨產生的過程和在介質界面附近的表現；也能解釋色散現象和各種介質中壓力、溫度、聲場、電場和磁場對光學現象的影響。

雖然波動光學能對光的傳播作出滿意的解釋，但一般不能說明光的發射和吸收過程，表現出經典物理的困難。

量子光學

1900年，普朗克在研究黑體輻射時為了從理論上推導出那時他已經得到的與實際相符甚好的經驗公式，大膽提出了與經典概念迥然不同的假設，即組成黑體的振子的能量不能連續變化，只能取一份份的分立值：0，hv，2hv，…，nhv，其中n為正整數，ν為振子頻率，h為普朗克常數，其值為6.626×10^－34J·s。1905年，愛因斯坦在研究光電效應時推廣了普朗克的上述量子論，進而提出了光子的概念。他認為光能並不像電磁波理論所描述的那樣把能量分布在波陣面上，而是集中在所謂光子的微粒上。這種微粒仍保持著頻率的概念，頻率為ν的光子具有能量hν。在光電效應中，當光子照射到金屬表面時，一次為金屬中的電子全部吸收，而無需電磁理論所預計的那種累積能量的時間，電子把這能量的一部分用於克服金屬表面對它的吸力即作逸出功，餘下的就變成電子離開金屬表面後的動能。由此認識到一個原子或一個分子能把它的能量轉變成電磁場輻射或從該場中獲得能量，但只能以光子hν為單位來進行。

光的波動和光（量）子的二象性是光的本性。光子、電子、質子、中子等微觀客體的波粒二象性是形成量子力學的重要基礎。從這種光子的性質出發來研究光的本性以及光與物質相互作用的學科即稱為量子光學，它的基礎主要是量子力學或量子電動力學。關於光在分子、原子中的產生與消失，不僅是光的本質問題，還關係到分子、原子的結構。從實驗上驗證和從理論上論述這類問題，是光學的一個分支，稱光譜學。

光的波動和光（量）子的二象性是光的本性。它表現的巨觀世界中連續的波動和微觀世界中的不連續的量子，在經典物理學簡化的機械概念中是互相排斥的，而客觀實際上，它們是統一的。後來不僅從理論上而且也從實驗上無可爭辯地證明了：但光有這種兩重性，微觀世界的物質，包括電子、質子、中子和原子，它們雖是顆粒實物，也都有與其本身質量和速度相聯繫的波動的特性（見波粒二象性）。

上述光的量子理論促進了近代物理學的發展。此外，在運動媒質的光學現象的研究中，19世紀80年代用邁克耳孫干涉儀測量由同一光束分成相互垂直的兩個方向光速的差異，其結果顯示光速是不變的（見邁克耳孫－莫雷實驗），成為愛因斯坦狹義相對論的實驗基礎，這一事實也是近代物理中十分重要的成就。因此，光學學科中的研究成果對於量子力學和相對論的建立起了決定性的作用。上述兩大學說構成了現代物理學乃至現代科學技術的理論基礎。

現代光學

由於雷射的發現和發展，產生了一系列新的光學分支學科，並得到了迅速的發展。
早在1917年，愛因斯坦在研究原子輻射時曾詳細地論述過物質輻射有兩種形式：其一是自發輻射；其二是受外來光子的誘發激勵所產生的受激輻射。並預見到受激輻射可產生沿一定方向傳播的亮度非常高的單色光。由於這些特點，自1960年T.梅曼首先作成紅寶石雷射器以來，光受激輻射的研究使得雷射科學和雷射技術得到迅速的發展，開闢了一批與雷射本身緊密相關的新興分支學科。除量子光學外，還有如非線性光學、雷射光譜學、超強超快光學、雷射材料和雷射器物理學等。

經典波動光學中，介質參量被認為與光的強度無關，光學過程通常用線性微分方程來表述。但在強雷射通過的情況下發現了許多新現象。如發現折射率跟雷射的場強有關，光束強度改變時兩介質界面處光的折射角隨之發生改變；光束的自聚焦和自散焦；通過某些介質後光波的頻率發生改變，產生倍頻、和頻和差頻等。所有這些現象都歸入非線性光學研究。
雷射器現已能夠產生高度指向性、高度單色性、偏振以及頻率可調諧和可能獲得超短脈衝的光源，高解析度光譜、皮秒（10^－12s）超短脈衝以及可調諧雷射技術等已使經典的光譜學發生了深刻的變化，發展成為雷射光譜學。同時，還能獲得高功率、飛秒超短脈衝的雷射，研究這類雷射與物質相互作用已發展成超強超快光學。以上這些新興學科成為研究物質微觀結構、微觀動力學過程的重要手段，為原子物理、分子物理、凝聚態物理學、分子生物學和化學的結構和動態過程的研究提供了前所未有的新技術。

隨著雷射科學和雷射技術的發展以及雷射在眾多領域的套用開拓，對雷射材料和相應的雷射器件的性能提出了新的要求，新型光源和雷射器發展中所涉及的基本問題成為現代光學的重要內容，其發展趨勢是波長的擴展與可調頻、光脈衝寬度的壓縮，以及器件的小型化和固體化等。
幾十年來的發展表明，雷射科學和雷射技術極大地促進了物理學、化學、生命科學和環境科學等學科的發展，已形成一批十分活躍的新興學科和交叉學科，如雷射化學、雷射生物學、雷射醫學、信息光學等。同時，雷射還在精密計量、遙感和遙測、通信、全息術、醫療、材料加工、雷射制導和雷射引發核聚變等方面獲得了廣泛的套用。

套用光學

由於光學由許多與物理學緊密聯繫的分支學科組成，具有廣泛的套用，所以還有一系列套用背景較強的分支學科也屬於光學範圍。如有關電磁輻射物理量測量的光度學和輻射度學；以正常平均人眼為接收器來研究電磁輻射所引起的彩色視覺及其心理物理量的測量的色度學；以及眾多的技術光學諸如光學系統設計及光學儀器理論，光學製造和光學測試及干涉量度學、薄膜光學、纖維光學和集成光學等；還有與其他學科交叉的分支，如天文光學、海洋光學、遙感光學、大氣光學、生理光學及兵器光學等。

學科進展

近幾十年來光學更加迅猛地發展，開始進入了一個新的時期，學科進展成為現代物理學與現代科學和技術前沿的重要組成部分。最重要的成就是證實並完善了愛因斯坦於1916年預言過的原子和分子的受激輻射的理論，並創造了許多具體產生受激輻射的技術。愛因斯坦研究輻射時指出，有自發輻射和受激輻射兩種。光源的發射一般都屬自發輻射，其中受激輻射機率小到可忽略不計。但受激輻射具有產生同方向、同位相、同頻率和同偏振輻射的性質。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，最後給出單色性的輻射，即所謂的雷射。第一個實現這種量子放大的輻射的是1954年以C.湯斯完成的微波激射器。隨後在1960年T.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年產生可調諧染料雷射器。近幾十年來製成的各種雷射器已覆蓋由X射線、紫外、可見、紅外及至微波的整個波段。由於雷射具有極好的單色性、高亮度和良好的方向性，所以自雷射器發明以來，雷射科學與雷射技術得到了迅速發展和廣泛套用，引起了整個科學技術的重大變化。

光學

另一個重要的現代光學分支是由成像光學、全息術和光學信息處理組成的。這一分支可追溯到1873年E.阿貝提出的顯微鏡成像理論和1906年A.波特為之完成的實驗驗證；1935年F.澤爾尼克提出位相反襯觀察法，而由蔡司（Zeiss）工廠製成相襯顯微鏡，為此他於1953年獲得諾貝爾物理學獎；1948年D.伽柏提出的現代全息照相術前身的波陣面再現原理，為此，伽柏於1971年獲得諾貝爾物理學獎。

20世紀50年代開始把數學、電子技術和通信理論與光學結合起來，給光學引入了頻譜、空間濾波、載波、線性變換及相關運算等概念，更新了經典成像光學，形成了傅立葉光學。再加上由於雷射所提供的相干光和由E.利思及J.阿帕特內克斯改進了的波陣面再現——全息術，近幾十年來形成了一個新的學科領域——光學信息處理。 數十年來，特別是1978年以來由於成功地減小了光纖中光的耗損，纖維光學的套用得到突飛猛進的發展。它不僅為內窺光學系統提供了纖維傳像和傳光，尤其重要的是它成功地套用於通信系統，光纜代替電纜，實現了光纖通信。這是現代光學的另一重要成就，為信息傳輸和處理提供了嶄新的技術。

在現代光學本身，除非線性光學、雷射光譜學、超強超快光學、雷射材料和雷射器物理外，在以下領域越來越多地為人們所關注。以雷射引發核聚變在探索實現受控熱核反應方面已經達到了能產生“發火點”的水平。雷射光譜學，包括雷射喇曼光譜學、高解析度光譜和皮秒超短脈衝以及可調諧雷射技術等已使傳統的光譜學發生了很大的變化，成為深入研究物質微觀結構、運動規律及能量轉換機制的重要手段。它為凝聚態物理學、分子生物學和化學的動態過程的研究提供了前所未有技術。雷射冷卻和玻色－愛因斯坦凝聚的實現以及原子雷射的誕生是20世紀末物理學的重大突破性進展之一。在量子通信與量子計算方面，自從1994年P.舒爾提出量子平行算法以來，量子通信與量子計算發展成物理學與信息科學相結合的新興交叉學科，這方面的理論和實驗均取得了重大進展。 與掃描隧道顯微鏡類似，發展了一系列近場光學掃描顯微鏡技術，解析度已達到光波波長的數十分之一，並形成了一門光學、掃描探針顯微學和光譜學相結合的新型交叉學科——近場光學。光子晶體是一種周期的介電（包括金屬）結構，它的周期相應於光波波長，在光子晶體中光的傳播特性以及光子與原子、分子的相互作用都發生了本質的改變，從而可控制光子的運動。這是一類全新的光子器件的物理基礎。現代光學不僅促進了物理的發展，並與化學、生命科學、信息科學、材料科學等領域的交叉日漸廣泛和深入，同時也為套用發展研究提供了廣闊的前景，已成為高技術領域發展所依託的重要學科基礎之一。

國際光年

2015年距阿拉伯學者伊本·海賽姆的五卷本光學著作誕生恰好一千年。一千年來，光技術帶給人類文明巨大的進步。為此，聯合國宣布2015年為“光和光基技術國際年”（以下簡稱國際光年），以紀念千年來人類在光領域的重大發現。