光学

光学

光学guangxue

物理学的一个分科。研究光的本性，光的发射、传播和接收的规律，光和其它物质相互作用(如光的吸收、色散和散射，光的机械作用和光的热、电、化学及生理作用)的规律及其应用等。在光学里所讲的光，狭义地说，指可见光；而广义地说，一般指从X射线经紫外线、可见光、红外线，一直延伸到微波，其波长范围约为皮米到分米。通常把光学分为几何光学、物理光学（又称波动光学）和量子光学三部分。最近20多年来，由于激光的出现和发展，产生了一系列现代光学的新分支，如激光科学和技术、非线性光学、激光光谱学、傅里叶光学、光学信息处理和光学全息术等。根据不同的实际需要，人们还建立了许多应用光学的分科，如光度学及辐射度学、色度学、光学系统设计及光学仪器理论、光学制造及光学测试、干涉量度学、薄膜光学、纤维光学、集成光学、天文光学、海洋光学、遥感光学、大气光学、生理光学和兵器光学等。
光学是一门历史悠久的学科。它经历了两千多年的发展历程。约公元前400多年，我国《墨经》中就记载了关于光直线传播、平面镜和球面镜物像关系等世界上最早的光学知识。中外古人在光学方面有不少发现和发明，但这还只是一些孤立的，基本的光学知识。从17世纪初开始，光学方面才有许多重大发现，最主要的有W.斯涅耳对折射定律的叙述；伽利略研制出天文望远镜，并用它观察天体时有了发现；F. M.格里马尔迪对衍射现象的观察；C.惠更斯于1690年在《论光》中对光传播原理的描述；牛顿于1704年在《光学》中，对折射、色散、干涉、衍射和偏振进行了原始而全面的研究。这些给光学这门科学打下了初步基础。在这期间，对光的本性的认识出现了两种截然不同的观点，即以牛顿为代表的微粒说和惠更斯提出的波动说，但这两种学说在当时都很不完整。由于牛顿的威望，微粒说一直占上风，自牛顿以后近100年，在光学方面没有突出的进展。
19世纪初，波动光学初步形成，当时的代表人物是T.杨和A. J.菲涅耳。杨氏圆满地解释了薄膜的彩色和双缝干涉现象；菲涅耳吸收了杨氏干涉原理，把惠更斯原理发展为惠更斯—菲涅耳原理，很好地解释了光的干涉、衍射及直线传播现象，并肯定了光的横波性。1860年前后，麦克斯韦总结了当时的实验事实，经过理论研究，建立了麦克斯韦电磁理论，这为研究光学现象提供了理论基础。在麦克斯韦理论的基础上，洛仑兹于1896年创立了电子论，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时的色散现象及其它一些特点。麦克斯韦和洛仑兹的理论，可以说是经典光学理论的顶峰。
20世纪初，光学处于量子论引起的物理学思想变革的最前列。在热辐射能量按波长分布这一重要问题上，麦克斯韦和洛仑兹的理论不能给出令人满意的解释，而1900年普朗克提出的辐射的量子理论取得了巨大的成功。量子论不仅解释了热辐射的规律，而且对整个光与物质相互作用问题的解决提供了一个全新的理论，量子论成为近代物理学的起点。1905年爱因斯坦将量子论用于光电效应，提出了光子概念，用光的量子性出色地解释了光电效应，许多事实都证明了光的量子性。1905年9月，爱因斯坦提出了狭义相对论的基本原理。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、偏振及运动物体的光学现象，证明了光是电磁波；而另一方面又从热辐射、光电效应、光压及光的化学作用等证明了光的量子性。在现代光学中，光的波动性和光的量子性并不矛盾，近代量子力学和量子电动力学把它们统一起来了。光学发展的历史表明，近代物理学中的量子力学和狭义相对论这两个最重要的基本理论，都是人类在研究光的过程中诞生和发展的。最近30多年来，光学的发展进入了一个新时期，其中最重要的成就是激光器的出现。许多新的成果和多种现代光学分支的建立都起源于激光。

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