什么是光學(xué)
光學(xué)(optics)是研究光(電磁�)的行為和性質(zhì)，以及光和物�(zhì)相互作用的物理學(xué)�。傳�(tǒng)的光�(xué)只研究可見光，現(xiàn)代光�(xué)已擴(kuò)展到�(duì)全波段電磁波的研究�
光是一種電磁波，在物理�(xué)中，電磁波由電動(dòng)力學(xué)中的麥克斯韋方程組描�;同時(shí)，光具有波粒二象�，需要用量子力學(xué)表達(dá)�
光學(xué)的起源在西方很早就有光學(xué)知識(shí)的記�，歐幾里�(Euclid，公元前�330�260)�<反射光學(xué)>(Catoptrica)研究了光的反�;阿拉伯學(xué)者阿�·哈增(AI-Hazen�965�1038)寫過一�<光學(xué)全書>，討論了許多光學(xué)的現(xiàn)��
光學(xué)真正形成一門科學(xué)，應(yīng)該從建立反射定律和折射定律的�(shí)代算�，這兩�(gè)定律奠定了幾何光�(xué)的基�(chǔ)�17世紀(jì)，望�(yuǎn)鏡和顯微鏡的�(yīng)用大大促�(jìn)了幾何光�(xué)的發(fā)��
光的本�(物理光學(xué))也是光學(xué)研究的重要課題。微粒說把光看成是由微粒組成，認(rèn)為這些微粒按力�(xué)�(guī)律沿直線飛行，因此光具有直線傳播的性質(zhì)�19世紀(jì)以前，微粒說比較盛行。但�，隨著光�(xué)研究的深入，人們發(fā)�(xiàn)了許多不能用直�(jìn)性解釋的�(xiàn)�，例如干涉、衍射等，用光的波動(dòng)性就很容易解�。於是光�(xué)的波�(dòng)說又占了上風(fēng)。兩種學(xué)說的爭論�(gòu)成了光學(xué)�(fā)展史上的一根紅��
狹義來說，光�(xué)是關(guān)于光和視見的科學(xué)，optics(光學(xué))這�(gè)�，早期只用于跟眼睛和視見相聯(lián)系的事物。而今�，常說的光學(xué)是廣義的，是研究從微泀紅外線、可見光、紫外線直到 X射線的寬廣波段范圍內(nèi)�，關(guān)于電磁輻射的�(fā)生、傳�、接收和顯示，以及跟物質(zhì)相互作用的科�(xué)。光�(xué)是物理學(xué)的一�(gè)重要組成部分，也是與其他�(yīng)用技�(shù)緊密相關(guān)的學(xué)��
歷史�(fā)�
光學(xué)是一門有悠久歷史的�(xué)科，它的�(fā)展史可追溯到2000多年��
人類�(duì)光的研究，最初主要是試圖回答“人怎么能看見周圍的物體?”之類問題。約在公元前400多年(先秦的代)，中國的《墨�(jīng)》中記錄了世界上最早的光學(xué)知識(shí)。它有八條關(guān)于光�(xué)的記載，敘述影的定義和生�，光的直線傳播性和針孔成像，并且以�(yán)�(jǐn)?shù)奈淖钟懻摿嗽谄矫骁R、凹球面鏡和凸球面鏡中物和像的關(guān)系�
自《墨�(jīng)》開�，公�11世紀(jì)阿拉伯人伊本.海賽木發(fā)明透鏡；公�1590年到17世紀(jì)�，詹森和李普希同�(shí)�(dú)立地�(fā)明顯微鏡;一直到17世紀(jì)上半葉，才由斯涅耳和笛卡兒將光的反射和折射的觀察結(jié)�，歸�(jié)為今天大家所慣用的反射定律和折射定律�
1665�，牛頓�(jìn)行太陽光的實(shí)�(yàn)，它把太陽光分解成簡單的組成部分，這些成分形成一�(gè)顏色按一定順序排列的光分�---光譜。它使人們第一次接觸到光的客觀的和定量的特�，各單色光在空間上的分離是由光的本性決定的�
牛頓還發(fā)�(xiàn)了把曲率半徑很大的凸透鏡放在光學(xué)平玻璃板上，�(dāng)用白光照射時(shí)，則見透鏡與玻璃平板接觸處出現(xiàn)一組彩色的同心�(huán)狀條紋;�(dāng)用某一單色光照射時(shí)，則出現(xiàn)一組明暗相間的同心�(huán)條紋，后人把這種�(xiàn)象稱牛頓�(huán)。借助這種�(xiàn)象可以用第一暗環(huán)的空氣隙的厚度來定量地表征相�(yīng)的單色光�
牛頓在發(fā)�(xiàn)這些重要�(xiàn)象的同時(shí)，根�(jù)光的直線傳播�，認(rèn)為光是一種微粒流。微粒從光源飛出�，在均勻媒質(zhì)�(nèi)遵從力學(xué)定律作等速直線運(yùn)�(dòng)。牛頓用這種觀�(diǎn)�(duì)折射和反射現(xiàn)象作了解��
惠更斯是光的微粒說的反對(duì)者，他創(chuàng)立了光的波動(dòng)�。提�--光同聲一�，是以球形波�?zhèn)鞑サ?-。并且指出光振動(dòng)所�(dá)到的每一�(diǎn)，都可視為次波的振動(dòng)中心、次波的包絡(luò)面為傳播波的波陣�(波前)。在整�(gè)18世紀(jì)�，光的微粒流理論和光的波�(dòng)理論都被粗略地提了出�，但都不很完��
19世紀(jì)初，波動(dòng)光學(xué)初步形成，其中托馬斯·楊圓滿地解釋�“薄膜顏色”和雙狹縫乾涉�(xiàn)�。菲涅耳于1818年以楊氏乾涉原理�(bǔ)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�，用它可圓滿地解釋光的干涉和衍射�(xiàn)�，也能解釋光的直線傳播�
在�(jìn)一步的研究�，觀察到了光的偏振和偏振光的干涉。為了解釋這些�(xiàn)�，菲涅耳假定光是一種在連續(xù)媒質(zhì)(以太)中傳播的橫波。為說明光在各不同媒�(zhì)中的不同速度，又必須假定以太的特性在不同的物�(zhì)中是不同�;在各向異性媒�(zhì)中還需要有更復(fù)雜的假設(shè)。此外，還必須給以太以更特殊的性質(zhì)才能解釋光不是縱�。如此性質(zhì)的以太是難以想象��
1846�，法拉第�(fā)�(xiàn)了光的振�(dòng)面在磁場中發(fā)生旋�(zhuǎn);1856�，韋伯發(fā)�(xiàn)光在真空中的速度等于電流�(qiáng)度的電磁單位與靜電單位的比�。他們的�(fā)�(xiàn)表明光學(xué)�(xiàn)象與磁學(xué)、電�(xué)�(xiàn)象間有一定的�(nèi)在關(guān)��
1860 年前�，麥克斯韋的指出，電場和磁場的改變，不能局限于空間的某一部分，而是以等于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(xiàn)�。這�(gè)�(jié)論在1888年為赫茲的實(shí)�(yàn)證實(shí)。然而，這樣的理論還不能說明能產(chǎn)生象光這樣高的頻率的電振子的性質(zhì)，也不能解釋光的色散�(xiàn)�。到�1896年洛倫茲�(chuàng)立電子論，才解釋了發(fā)光和物質(zhì)吸收光的�(xiàn)�，也解釋了光在物�(zhì)中傳播的各種特點(diǎn)，包括對(duì)色散�(xiàn)象的解釋。在洛倫茲的理論中，以太乃是廣袤無限的不動(dòng)的媒�(zhì)，其唯一特點(diǎn)�，在這種媒質(zhì)中光振動(dòng)具有一定的傳播速度�
�(duì)于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。并�，如果認(rèn)為洛倫茲�(guān)于以太的概念是正確的話，則可將不�(dòng)的以太選作參照系，使人們能區(qū)別出絕對(duì)�(yùn)�(dòng)。而事�(shí)��1887年邁克耳遜用乾涉儀�(cè)-以太�(fēng)-，得到否定的�(jié)果，這表明到了洛倫茲電子論時(shí)�，人們對(duì)光的本性的�(rèn)�(shí)仍然有不少片面��
1900年，普朗克從物質(zhì)的分子結(jié)�(gòu)理論中借用不連續(xù)性的概念，提出了輻射的量子論。他�(rèn)為各種頻率的電磁�，包括光，只能以各自確定分量的能量從振子射出，這種能量微粒稱為量子，光的量子稱為光��
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(guī)�，而且以全新的方式提出了光與物�(zhì)相互作用的整�(gè)問題。量子論不但給光�(xué)，也給整�(gè)物理�(xué)提供了新的概�，所以通常把它的誕生視為近代物理學(xué)的起�(diǎn)�
1905�，愛因斯坦運(yùn)用量子論解釋了光電效�(yīng)。他給光子作了十分明確的表示，特別指出光與物�(zhì)相互作用�(shí)，光也是以光子為最小單位�(jìn)行的�
1905 �9月，德國《物理學(xué)年鑒》發(fā)表了愛因斯坦�"�(guān)于運(yùn)�(dòng)媒質(zhì)的電�(dòng)力學(xué)"一�。第一次提出了狹義相對(duì)論基本原�，文中指�，從伽利略和牛頓�(shí)代以來占�(tǒng)治地位的古典物理�(xué)，其�(yīng)用范圍只限于速度�(yuǎn)�(yuǎn)小于光速的情況，而他的新理論可解釋與很大�(yùn)�(dòng)速度有關(guān)的過程的特征，根本放棄了以太的概�，圓滿地解釋了運(yùn)�(dòng)物體的光�(xué)�(xiàn)��
這樣，在20世紀(jì)�，一方面從光的干涉、衍�、偏振以及運(yùn)�(dòng)物體的光�(xué)�(xiàn)象確證了光是電磁�;而另一方面又從熱輻射、光電效�(yīng)、光壓以及光的化�(xué)作用等無可懷疑地證明了光的量子�--微粒��
1922 年發(fā)�(xiàn)的康普頓效應(yīng)�1928年發(fā)�(xiàn)的喇曼效�(yīng)，以及當(dāng)�(shí)已能從實(shí)�(yàn)上獲得的原子光譜的超精細(xì)�(jié)�(gòu)，它們都表明光學(xué)的發(fā)展是與量子物理緊密相�(guān)�。光�(xué)的發(fā)展歷史表�，現(xiàn)代物理學(xué)中的兩�(gè)最重要的基�(chǔ)理論--量子力學(xué)和狹義相�(duì)論都是在�(guān)于光的研究中誕生和發(fā)展的�
此后，光�(xué)開始�(jìn)入了一�(gè)新的�(shí)期，以致于成為現(xiàn)代物理學(xué)和現(xiàn)代科�(xué)技�(shù)前沿的重要組成部�。其中最重要的成就，就是�(fā)�(xiàn)了愛因斯坦于1916年預(yù)言過的原子和分子的受激輻射，并且創(chuàng)造了許多具體的產(chǎn)生受激輻射的技�(shù)�
愛因斯坦研究輻射�(shí)指出，在一定條件下，如果能使受激輻射繼續(xù)去激�(fā)其他粒子，造成連鎖反應(yīng)，雪崩似地獲得放大效果，最后就可得到單色性極�(qiáng)的輻�，即激��1960年，西奧�--梅曼用紅寶石制成第一�(tái)可見光的激光器;同年制成氦氖激光器;1962年產(chǎn)生了半導(dǎo)體激光器;1963年產(chǎn)生了可調(diào)諧染料激光器。由于激光具有極好的單色�、高亮度和良好的方向�，所以自1958年發(fā)�(xiàn)以來，得到了迅速的�(fā)展和廣泛�(yīng)�，引起了科學(xué)技�(shù)的重大變��
光學(xué)的另一�(gè)重要的分支是由成像光�(xué)、全息術(shù)和光�(xué)信息處理組成的。這一分支最早可追溯�1873年阿貝提出的顯微鏡成像理�，和1906年波特為之完成的�(shí)�(yàn)�(yàn)�;1935年澤爾尼克提出位相反襯觀察法，并依此由蔡司工廠制成相襯顯微鏡，為此他獲得�1953年諾貝爾物理�(xué)�(jiǎng);1948年伽柏提出的�(xiàn)代全息照相術(shù)的前�--波陣面再�(xiàn)原理，為�，伽柏獲得了1971年諾貝爾物理�(xué)�(jiǎng)�
�20世紀(jì)50年代以來，人們開始把�(shù)�(xué)、電子技�(shù)和通信理論與光�(xué)�(jié)合起�，給光學(xué)引入了頻�、空間濾�、載�、線性變換及相關(guān)�(yùn)算等概念，更新了�(jīng)典成像光�(xué)，形成了所�“博里葉光�(xué)”。再加上由于激光所提供的相乾光和由利思及阿帕特內(nèi)克斯改�(jìn)了的全息�(shù)，形成了一�(gè)新的�(xué)科領(lǐng)�---光學(xué)信息處理。光纖通信就是依據(jù)這方面理論的重要成就，它為信息傳輸和處理提供了嶄新的技�(shù)�
在現(xiàn)代光�(xué)本身，由�(qiáng)激光產(chǎn)生的非線性光�(xué)�(xiàn)象正為越來越多的人們所注意。激光光譜學(xué)，包括激光喇曼光譜學(xué)、高分辨率光譜和皮秒超短脈沖，以及可�(diào)諧激光技�(shù)的出�(xiàn)，已使傳�(tǒng)的光譜學(xué)�(fā)生了很大的變�，成為深入研究物�(zhì)微觀�(jié)�(gòu)、運(yùn)�(dòng)�(guī)律及能量�(zhuǎn)換機(jī)制的重要手段。它為凝聚態(tài)物理�(xué)、分子生物學(xué)和化�(xué)的動(dòng)�(tài)過程的研究提供了前所未有的技�(shù)�
光學(xué)的分類解�
1高等物理光學(xué)分類�
(1)幾何光學(xué)
(2)物理光學(xué)
(3)量子光學(xué)
2初等物理分類�
(1)初中階段：幾何光�(xué)
(2)高中階段：幾何光�(xué)、物理光�(xué)
(3)說明：一般生活中提高的光�(xué)就是高中階段的分類標(biāo)�(zhǔn)�
光學(xué)的研究內(nèi)�
我們通常把光�(xué)分成幾何光學(xué)、物理光�(xué)和量子光�(xué)�
幾何光學(xué)是從幾�(gè)由實(shí)�(yàn)得來的基本原理出�(fā)，來研究光的傳播問題的學(xué)�。它利用光線的概�、折射、反射定律來描述光在各種媒質(zhì)中傳播的途徑，它得出的結(jié)果�?？偸遣▌?dòng)光學(xué)在某些條件下的近似或極限�
物理光學(xué)是從光的波動(dòng)性出�(fā)來研究光在傳播過程中所�(fā)生的�(xiàn)象的�(xué)�，所以也稱為波動(dòng)光學(xué)。它可以比較方便的研究光的干�、光的衍射、光的偏�，以及光在各向異性的媒質(zhì)中傳插時(shí)所表現(xiàn)出的�(xiàn)象�
波動(dòng)光學(xué)的基�(chǔ)就是�(jīng)典電�(dòng)力學(xué)的麥克斯韋方程組。波�(dòng)光學(xué)不詳論介電常�(shù)和磁�(dǎo)率與物質(zhì)�(jié)�(gòu)的關(guān)�，而側(cè)重于解釋光波的表�(xiàn)�(guī)律。波�(dòng)光學(xué)可以解釋光在散射媒質(zhì)和各向異性媒�(zhì)中傳播時(shí)�(xiàn)�，以及光在媒�(zhì)界面附近的表�(xiàn);也能解釋色散�(xiàn)象和各種媒質(zhì)中壓�、溫�、聲場、電場和磁場�(duì)光的�(xiàn)象的影響�
量子光學(xué) 英文名稱：quantum optics
量子光學(xué)是以輻射的量子理論研究光的產(chǎn)�、傳�、檢�(cè)及光與物�(zhì)相互作用的學(xué)��1900年普朗克在研究黑體輻射時(shí)，為了從理論上推�(dǎo)出得到的與實(shí)際相符甚好的�(jīng)�(yàn)公式，他大膽地提出了與經(jīng)典概念迥然不同的假設(shè)，即“組成黑體的振子的能量不能連續(xù)變化，只能取一份份的分立值��
1905�，愛因斯坦在研究光電效應(yīng)�(shí)推廣了普朗克的上述量子論，�(jìn)而提出了光子的概念。他�(rèn)為光能并不像電磁波理論所描述的那樣分布在波陣面上，而是集中在所謂光子的微粒�。在光電效應(yīng)中，�(dāng)光子照射到金屬表面時(shí)，一次為金屬中的電子全部吸收，而無需電磁理論所�(yù)�(jì)的那種累積能量的�(shí)�，電子把這能量的一部分用于克服金屬表面�(duì)它的吸力即作逸出�，余下的就變成電子離開金屬表面后的動(dòng)能�
這種從光子的性質(zhì)出發(fā)，來研究光與物質(zhì)相互作用的學(xué)科即為量子光�(xué)。它的基�(chǔ)主要是量子力�(xué)和量子電�(dòng)力學(xué)�
光的這種既表�(xiàn)出波�(dòng)性又具有粒子性的�(xiàn)象既為光的波粒二象性。后來的研究從理論和�(shí)�(yàn)上無可爭辯地證明了：非但光有這種兩重�，世界的所有物�(zhì)，包括電�、質(zhì)�、中子和原子以及所有的宏觀事物，也都有與其本身�(zhì)量和速度相聯(lián)系的波動(dòng)的特��
�(yīng)用光�(xué) 光學(xué)是由許多與物理學(xué)緊密�(lián)系的分支�(xué)科組�;由于它有廣泛的應(yīng)用，所以還有一系列�(yīng)用背景較�(qiáng)的分支學(xué)科也屬于光學(xué)范圍。例�，有�(guān)電磁輻射的物理量的測(cè)量的光度�(xué)、輻射度�(xué);以正常平均人眼為接收�，來研究電磁輻射所引起的彩色視�，及其心理物理量的測(cè)量的色度�(xué);以及眾多的技�(shù)光學(xué)：光�(xué)系統(tǒng)�(shè)�(jì)及光�(xué)儀器理�，光�(xué)制造和光學(xué)�(cè)�，干涉量度學(xué)、薄膜光�(xué)、纖維光�(xué)和集成光�(xué)�;還有與其他學(xué)科交叉的分支，如天文光學(xué)、海洋光�(xué)、遙感光�(xué)、大氣光�(xué)、生理光�(xué)及兵器光�(xué)��