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光学(物理学分支)详细信息全集

光学是物理学的一个重要分支。也是光学工程技术相关的学科。狭义的光学是关于光和视觉的科学。在早期，光学一词仅用于与眼睛和视觉有关的事物。今天，光学是一门广义的科学，研究从微波、红外、可见光、紫外到X射线、射线等广泛范围内电磁辐射的产生、传输、接收和显示，以及与物质的相互作用，重点研究范围从红外到紫外。它是物理学的重要组成部分。

光学是一门研究光的行为和性质的物理学科。光是一种电磁波。在物理学中，电磁波是用电动力学中的麦克斯韦方程组来描述的。同时，光具有波粒二象性，光的粒子性需要用量子力学来描述。

基本中文名介绍：光学mbth:光学的性质：物理学的一个重要分支。学习内容：几何光学，物理光学，量子光学基础介绍，发展历史，学科内容，几何光学，物理光学，量子光学，近代光学，应用光学，学科进展，国际光年，基础介绍。光学的起源在西方有很长时间的记载。古希腊的欧几里得(约公元前3年)阿拉伯学者艾-哈森(965 ~ 1038)写了一本书《反射光学》，书中讨论了很多光学现象。光学作为一门学科的真正形成，应该是从反射定律和折射定律建立的时候开始的，这些定律奠定了几何光学的基础。历史光学是一门历史悠久的学科，可以追溯到2000多年前。起初，对光的研究主要是试图回答“人如何能看到周围的物体”这样的问题。大约公元前400年，世界上最早的光学知识记录在中国的《光学全书》年。它有八篇关于光学的记载，描述了阴影的定义和产生，光的线性传播和针孔成像，用严谨的文字讨论了平面镜、凹球面镜和凸球面镜中的物像关系(见《中国物理学史》)。从公元0755年到79000年，两千多年的历史中，凸透镜是阿拉伯人伊本海萨姆在11世纪发明的。从1590年到17世纪初，詹森和利普斯基同时独立发明了显微镜。直到17世纪上半叶，w斯奈尔和r笛卡尔才把光的反射和折射的观测结果，归结为今天通常的光。1665年，牛顿进行了太阳光实验，可以将太阳光分解成简单的成分，形成——的光分布光谱，颜色按照一定的顺序排列。它使人们第一次接触到了光的客观定量特性，每一种单色光的空间分离都是由光的性质决定的。牛顿还发现，将曲率半径较大的凸透镜放在光学平板玻璃上，用白光照射时，在透镜与玻璃板的接触处出现一组彩色的同心环形条纹。当被一种单色光照射时，出现一组明暗同心的环形条纹，被后人称为牛顿环。利用这一现象，可以用第一暗环的空气隙厚度来定量表征相应的单色光。牛顿发现这些重要现象时，根据光的线性传播，认为光是一种粒子流。粒子从光源中飞出，按照力学定律在均匀介质中作匀速直线运动，并用这个观点解释了折射和反射现象。惠更斯是轻粒子理论的反对者。他创立了波动理论。1690年，他在《墨经》一书中写道：“光就像同一个声音，在球面波面上传播。”指出光振动所到达的每一点都可以看作二次波的振动中心，二次波的包络面就是传播波的波前。整个18世纪，光粒子流理论和光波理论被粗略提出，但并不完整。19世纪初，波动光学初步形成，其中以T. Young和A. Fresnel的著作为代表。杨成功地解释了“胶片色”和双缝干涉现象。1818年，菲涅耳用杨氏干涉原理补充了惠更斯原理，从而形成了今天广为人知的惠更斯-菲涅耳原理。有了它，光的干涉和衍射现象可以得到满意的解释，光的线性传播也可以得到解释。在进一步的研究中，观察到了光的部分振动和偏振光的干涉。为了解释这些现象，菲涅耳假设光是在连续介质(以太)中传播的横波。而弹性固体的特性却要强加在以太上，这是不可想象的，甚至承认以太也不能把光学现象和其他物理现象联系起来。1846年，法拉第发现光的振动面在磁场中旋转；1856年，W. Weber发现真空中的光速等于电流强度的电磁单位与静电单位之比。它们表明存在着某种

麦克斯韦在1860年前后的理论研究指出，电场和磁场的变化不能局限在空间的某一部分，而是以等于电流的电磁单位与静电单位之比的速度传播。光就是这样一种电磁现象。1888年赫兹的实验证实了这个结论。根据麦克斯韦理论，如果C代表真空中的光速，V代表介电常数为，磁导率为的透明介质中的光速，则有：c/v=( ) 1/2其中c/v正好是介质的折射率，所以有：n=( ) 1/2。上式给出了透明介质的光学常数n与电常数和磁常数的关系。在理解光的物理性质方面，麦克斯韦的理论比以前的理论前进了一大步。但是这个理论不能解释频率和光一样高的电振子的性质，也不能解释折射率随光的频率变化而引起的光的色散。直到1896年H. Lorenz创立了电子理论，才解释了物质对光的发射和吸收现象，以及光在物质中传播的各种特性，包括对色散的解释。在洛仑兹的理论中，以太是一种巨大无限的介质，它唯一的特点就是光在这种介质中的振动具有一定的传播速度。对于热黑体辐射中能量按波长分布这样重要的问题，洛伦兹理论无法给出满意的解释。而且，如果洛伦兹的以太概念是正确的，可以选择运动的以太作为参照系，这样人们就可以区分绝对运动。事实上，1887年a .迈克尔逊等人用干涉仪测得“以太风”的结果是否定的，这说明即使在洛伦兹的电子理论时期，人们对光的本质的认识仍然是片面的。1900年，普朗克从物质的分子结构理论中借用了不连续性的概念，提出了辐射的量子理论。他认为，各种频率的电磁波(包括光)只能从具有它们自己确定的离散能量的振荡器中发射出来。这种能量粒子叫做量子，光的量子叫做光子。量子理论不仅自然地解释了热物体辐射能按波长的分布规律，而且以一种全新的概念提出了光与物质相互作用的问题。量子理论不仅给光学，而且给整个物理学提供了新概念，它的诞生通常被视为现代物理学的起点。1905年，爱因斯坦将量子理论应用于光电效应，对光子做了非常清晰的表示。他特别指出，当光与物质相互作用时，光也以光子为最小单位。此外，19世纪末20世纪初的许多实验证明了光的量子性。1905年9月，《墨经》在德国发表了爱因斯坦的文章《光论》。第一次提出了狭义相对论的基本原理。本文阐述了自伽利略和牛顿时代以来一直占主导地位的经典物理学只能在速度远小于光速时适用，而他的新理论可以解释与高速运动有关的过程的特征。他从根本上放弃了以太的概念，满意地解释了运动物体的光学现象。这样，20世纪初，一方面，光的干涉、衍射、偏振和运动物体的光学现象证实了光是电磁波；另一方面，从热辐射、光电效应、光压、光的化学作用等方面来看，光的量子性质是——粒子是毫无疑问的。1922年发现的康普顿效应，1928年发现的拉曼效应，以及当时已经通过实验获得的原子光谱的超精细结构，无疑表明光学的发展不可能独立于量子物理。现代光学中的光量子概念与光波概念并不相互排斥，而是需要借助海森堡、薛定谔、狄拉克、费曼、施温格和浅长宗一郎等人创立和发展的量子力学和量子电动力学。把两者统一起来。他们的理论可以用来阐明原子光谱、分子光谱和离子光谱；解释能量电场、磁场、声场对光谱的影响；关系I

该学科通常将光学分为几何光学、物理光学和量子光学。几何是从实验得到的几个基本原理来研究光的传播的学科。它基于光的概念和光的折射和反射定律，描述了光在介质中的传播规律。物理学是从光是波这一点来研究光在介质中的传播规律的学科，也称为波动光学。它可以用来研究光干涉、光衍射、光偏振及其在各向异性介质中的传播等现象。由于光速与电磁波的传播速度相同，因此推测光也是电磁波。这个推测已经被以后所有的实验所证实。而利用几何光学得到的结果通常是波动光学在一定条件下的近似或极限。与几何光学不同，波动光学不仅研究孔径远大于波长的光的传播过程，还研究任意孔径的光的传播过程。波动光学总是能得到正确的解，但有时波动光学方法更复杂，所以通常根据问题的性质决定使用几何光学或波动光学或两者都用。例如，在光学仪器的一般光学系统设计中，往往采用几何光学方法来确定系统的结构要素，但当获得光能分布形式来评价成像质量时，就必须采用波动光学方法。波动光学的理论基础是经典电动力学的麦克斯韦方程组。光学介质中的宏观参数，介电常数和磁导率，在麦克斯韦方程组中表示为系数。它们与透明介质的折射率n有一个简单的关系：n=( ) 1/2。波动光学不详细讨论和与物质结构的关系，而是着重解释光波的传播规律。在建立和与分子和晶体结构的关系时，研究这些内容有时被称为分子光学。波动光学可以解释光在散射介质和各向异性介质中传播的伴随过程及其在介质界面附近的表现。还可以解释色散现象以及各种介质中的压力、温度、声场、电场、磁场对光学现象的影响。波动光学虽然能令人满意地解释光的传播，但一般不能解释光的发射和吸收过程，可见经典物理的困难。量子光学1900年，普朗克在研究黑体辐射时，为了从理论上推导出他当时得到的与现实很符合的经验公式，他大胆提出了一个与经典概念完全不同的假设，即组成黑体的振子的能量不能连续变化，只能取一个离散值：0，hv，2 hv，…，nhv，其中n为正整数，为振子频率，h为普朗克常数，及其值。1905年，爱因斯坦在研究光电效应时推广了普朗克的量子理论，进而提出了光子的概念。他认为光能并不是像电磁波理论描述的那样分布在波前上，而是集中在所谓光子的粒子上。这种粒子仍然保持频率的概念，频率为的光子具有能量h。在光电效应中，当一个光子照射到金属表面时，金属中的所有电子都被一次性吸收，没有电磁理论预测的积累能量的时间。电子利用这部分能量克服金属表面的引力，即功函数，剩下的成为电子离开金属表面后的动能。因此，公认一个原子或分子可以将其能量转化为电磁辐射或从该场获得能量，但仅以光子h而言。光的波动性和光的双重性(量子性)是光的本质。光子、电子、质子、中子等微观物体的波粒二象性是量子力学形成的重要基础。从这种光子的本质来研究光的本质和光与物质的相互作用的学科叫做量子光学，其基础主要是量子力学或量子电动力学。光在分子和原子中的产生和消失不仅是光的本质，也是分子的结构

宏观世界的连续涨落和微观世界的不连续量子在经典物理的简化力学概念中是互斥的，但客观上是统一的。后来，不仅从理论上而且从实验上无可争议地证明了：但是光具有这种双重性。微观世界中的物质，包括电子、质子、中子、原子，虽然都是物理粒子，但都具有与自身质量和速度相关的波动特性(见波粒二象性)。上述光的量子理论促进了现代物理学的发展。此外，在运动介质的光学现象研究中，上世纪80年代，迈克尔逊干涉仪被用来测量同一光束在相互垂直的两个方向上的光速之差，结果表明光速是恒定的(见迈克尔逊-莫雷实验)，这成为爱因斯坦狭义相对论的实验基础。这个事实也是现代物理学非常重要的成就。因此，光学方面的研究成果对量子力学和相对论的建立起着决定性的作用。以上两种理论构成了现代物理学乃至现代科学技术的理论基础。现代光学，由于激光的发现和发展，产生了一系列新的光学分支，并得到迅速发展。早在1917年，爱因斯坦研究原子辐射时，就详细论述过物质辐射有两种形式：一种是自发辐射；另一种是外部光子诱发的受激辐射。据预测，受激辐射可以产生沿某一方向传播的亮度非常高的单色光。由于这些特点，自1960年T. Mayman首次制成红宝石激光器以来，受激光辐射的研究使激光科学和激光技术迅速发展，开辟了许多与激光本身密切相关的新分支。除了量子光学，还有非线性光学，激光光谱学，超快光学，激光材料，激光物理。在经典波动光学中，介质参数被认为与光强无关，光学过程通常用线性微分方程表示。然而，当强激光穿过时，人们发现了许多新现象。如果发现折射率与激光的场强有关，当光束强度变化时，光在两种介质界面的折射角也会发生变化。光束的自聚焦和自散焦；光波通过某种介质后，频率发生变化，产生倍频、和频、差频。所有这些现象都属于非线性光学研究。激光已经能够产生高方向性、高单色性、偏振和频率可调的光源，可以获得超短脉冲。高分辨率光谱、皮秒(10 -12s)超短脉冲和可调谐激光技术使经典光谱学发生了深刻的变化，发展成为激光光谱学。同时可以获得高功率飞秒超短脉冲激光，这类激光与物质相互作用的研究已经发展到超强超快光学。这些新学科成为研究物质微观结构和微观动力学过程的重要手段，为原子物理、分子物理、凝聚态物理、分子生物学和化学的结构和动力学过程研究提供了前所未有的新技术。随着激光科学和激光技术的发展以及激光在许多领域的应用和发展，对激光材料和相应的激光器件的性能提出了新的要求。发展新光源和激光器所涉及的基本问题已成为现代光学的重要内容，其发展趋势是波长扩展和频率调制、脉宽压缩、器件小型化和固化等。近几十年的发展表明，激光科学和激光技术极大地促进了物理、化学、生命科学和环境科学的发展，形成了一批非常活跃的新学科和交叉学科，如激光化学、激光生物学、激光医学和信息光学等。同时，激光在精密计量、遥感遥测、通信、全息照相、医疗、材料加工、激光制导和激光诱导核聚变等领域得到了广泛的应用。应用光学是由许多与物理学密切相关的分支组成的，它们有着广泛的应用

例如与电磁辐射的物理量的测量相关的光度学和辐射度学；以正常的普通人眼为接收器，研究电磁辐射引起色觉的色度学及其心理物理量的测量。以及光学系统设计和光学仪器理论、光学制造和光学测试与干涉测量、薄膜光学、光纤光学和集成光学等许多技术光学。还有交叉其他学科的分支，如天文光学、海洋光学、遥感光学、大气光学、生理光学、武器光学等。学科进展近几十年来，光学发展更加迅速，进入了一个新的时期。学科进步已经成为现代物理学和现代科学技术前沿的重要组成部分。最重要的成就是证实和完善了爱因斯坦在1916年预言的原子和分子受激辐射理论，创造了许多产生受激辐射的具体技术。爱因斯坦指出有两种辐射：自发辐射和受激辐射。光源的发射一般是自发的，受激辐射的概率可以忽略不计。然而，受激辐射具有产生具有相同方向、相位、频率和偏振的辐射的特性。在一定条件下，如果受激辐射能够继续激发其他粒子，引起连锁反应，就会获得雪崩放大效应，最终给出单色辐射，也就是所谓的激光。第一个实现这种量子放大辐射的是C. Towns在1954年完成的微波激射器。然后在1960年，T. Meman用红宝石做出了第一个可见光激光器；同年制成氦氖激光器；半导体激光器产生于1962年；1963年，可调谐染料激光器问世。近几十年来，各种激光已经覆盖了从X射线、紫外、可见光、红外到微波的整个波段。由于激光具有优良的单色性、高亮度和良好的方向性，自激光发明以来，激光科学和激光技术得到了迅速发展和广泛应用，引起了整个科学技术的巨大变革。现代光学的另一个重要分支是成像光学、全息摄影和光学信息处理。这个分支可以追溯到1873年E阿贝提出的显微成像理论和1906年一个波特完成的实验验证；1935年，F. Zelnik提出了相衬观察法，相衬显微镜由蔡司工厂制造，为此他获得了1953年诺贝尔物理学奖；1948年，d .丹尼斯加博尔(D. dennis gabor)提出了现代全息术的前身波前重建原理，为此丹尼斯加博尔获得了1971年的诺贝尔物理学奖。20世纪50年代以来，数学、电子技术和通信理论与光学相结合，将频谱、空间滤波、载波、线性变换及相关运算等概念引入光学，更新了经典的成像光学，形成了傅里叶光学。此外，由于激光提供的相干光和E. Lees和J. Pattner改进的波前重建3354全息术，近几十年形成了一个新的学科领域，——光学信息处理。几十年来，特别是自1978年以来，由于成功地减少了光纤中的光损耗，光纤的应用得到了突飞猛进的发展。不仅为内窥光学系统提供光纤传像和传光，而且成功应用于通信系统，光缆代替电缆实现光纤通信。这是现代光学的又一重要成果，为信息传输和处理提供了一种全新的技术。现代光学本身，除了非线性光学、激光光谱学、超快光学、激光材料、激光物理，人们越来越关注以下领域。激光诱导核聚变在探索和实现可控热核反应方面已经达到了“燃点”的水平。激光光谱学，包括激光拉曼光谱、高分辨率光谱、皮秒超短脉冲和可调谐激光技术，使传统光谱学发生了巨大变化，成为深入研究物质微观结构、运动规律和能量转换机制的重要手段。它为凝聚态物理、分子生物学和化学的动态过程研究提供了前所未有的技术。

激光冷却和玻色-爱因斯坦凝聚的实现以及原子激光的诞生是20世纪末物理学的重大突破之一。关于量子通信和量子计算，自1994年P. Schur提出量子并行算法以来，量子通信和量子计算已经发展成为物理学和信息科学相结合的新兴交叉学科，在理论和实验上都取得了重大进展。与扫描隧道显微镜类似，发展了一系列近场光学扫描显微镜技术，分辨率达到了光波波长的十分之一，形成了集光学、扫描探针显微镜和光谱学为一体的新型交叉学科3354近场光学。光子晶体是周期性的电介质(包括金属)结构，其周期对应光波的波长。在光子晶体中，光的传播特性和光子与原子、分子的相互作用发生了本质的变化，从而可以控制光子的运动。它是一种新型光子器件的物理基础。现代光学不仅推动了物理学的发展，而且与化学、生命科学、信息科学、材料科学等领域的交叉日益广泛和深入。同时为应用开发研究提供了广阔的前景，成为高技术领域发展所依赖的重要学科基础之一。2015国际光年恰逢阿拉伯学者伊本海萨姆五卷本光学作品的诞生。一千年来，光学技术给人类文明带来了巨大的进步。正因如此，联合国宣布2015年为国际光学和光基技术年(以下简称国际光年)，以纪念人类在千禧年光学领域取得的重大发现。

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