大学物理 光学综述论文

从学科层面审视光学概貌

——我对光学的思考

李明†

（**大学*学院*系*班 ***学号*** 西安710049）

中文摘要

本文将对光学进行学科层面上的讨论和思考：首先我将简要回顾光学的发展历史，然后简要介绍近现代的光学分支和激光的重要作用。最后以理论应用结合的角度来对光学的发展历史提出个人的一些想法：诸如解决科学争论的折中办法；如何把握专攻与通识的关系；科学研究要重视学科交叉和有用工具和材料的研究和运用；科学是为社会服务的而不单单是满足科学家的工具。

关键字光学发展史,激光,光学分支,交叉学科

PACC：0165 4290

正文

光学发展史*

人类对光学最初的研究，主要是试图回答“人怎么能看见周围的物体？”之类问题。约在公元前400多年，中国的《墨经》中记录了世界上最早的光学知识。公元1590年到17世纪初，詹森和李普希同时独立地发明显微镜；一直到17世纪上半叶，才由斯涅耳和笛卡儿将一些观察结果，归结为今天大家所惯用的反射定律和折射定律。由此便发展起了应用性很强的几何光学。

1665年，牛顿进行了太阳光的分光实验并发现了牛顿环，同时，他根据光的直线传播性，认为光是一种微粒流，并在均匀媒质内遵从力学定律作等速直线运动，从而对折射和反射现象作了解释。惠更斯是光的微粒说的反对者，认为光像声一样以球面波的形式传播。但两种理论都被粗略地提了出来，因而当初两种学说在第一次交锋中谁也没有完全胜利。

但在19世纪初，“薄膜颜色”和双狭缝干涉现象的发现并被波动说完美解释后，菲涅耳和托马斯杨初步建立了波动光学；在进一步的研究中，观察到了光的偏振和旋光现象。为了解释这些现象，不得不承认光是纵波。1856年，韦伯发现光在真空中的速度等于电流强度的电磁单位与静电单位的比值。从而启示了一个伟大的论断：光是一种电磁波。这个结论在1888年为赫兹的实验证实，到此波动论才告以结束。然而，这样的理论还不能解释光的色散现象。到

†联系人地址：******@*****.***

*参考了/view/47271.htm并根据本文论题做了取舍

了1896年洛伦兹创立电子论，才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的各种特点，包括对色散现象的解释。在洛伦兹的理论中，有以太这种广袤无限的不动的 媒质，其唯一特点是，在这种媒质中光振动具有一定的传播速度。而事实上，1887年迈克耳逊用干涉仪测“以太风”，得到否定的结果，这表明人们对光的本性的认识仍然有不少片面性。1900年，普朗克从物质的分子结构理论中借用不连续性的概念，提出了辐射的量子论。1905年，爱因斯坦又运用普朗克量子论的思想解释了光电效应。他给光子作了十分明确的表示，特别指出光与物质相互作用时，光也是以光子为最小单位进行的，继而提出的狭义相对论也使人们抛弃了以太的定义。

这样，在20世纪初，一方面从光的干涉、衍射、偏振以及运动物体的光学现象确证了光是电磁波；而另一方面又从热辐射、光电效应、康普顿效应、光压以及光的化学作用等无可怀疑地证明了光的量子性——微粒性。总结起来就是有关光本质的波粒二象性（似乎只有这样才能令人满意）。

而后从实验上获得的原子光谱的超精细结构，它们都表明光学的发展是与量子物理紧密相关的，量子光学应运而生。此后在理论的研究上就只是对以前理论的融合及细节的补充了，而在基础之上的应用却在20世纪蓬勃发展，由此产生了光学的很多分支。

光学分支概论

将光学各分支画一个结构图如下【1】：

上面的结构图需注意一点，各分支并不是就真正成为孤立分支了，而是对光学研究的角度不同罢了，他们的联系还是基础层面的，例如经典光学的几何光学和波动光学就有这样的联系：几何光学是波动光学的短波近似【2】。再者光学的各种应用分支是从各种理论综合演变而来，为避免将结构图画成网状，故单列其由应用光学衍生。

有关光的基础性的研究中最热衷话题莫非两个【3】，就是“光与物质的相互作用”和“光的本性”，前者是根据对光与已知物质的相互作用的结果，再以光作为探针探求未知物质的微观结构，而后者则涉及到对客观世界的认识的基本问题，但同时也很可能是永远也不可能完美解决的问题，因为如果我们可以精确的了解关灯本质，那么一切有关光学的现象应用将不再成为问题。

光学

经典光学 几何光学 波动光学 近现代光

学

量子光学 光子学 应用光学 全息光学 信息光学 集成光学 生理光学 大气光学 空间光学 ……

非线性光学

以下我将以各种分支的关系为线索对这些分支进行简要概括：

全息光学

全息光学是以利用光波动理论中干涉和衍射原理记录再现的全息技术为核心，再配以全息光学元件组合气的分支。其主要应用于全息测量、全景展示、与信息学交叉实现全息信息存储。近来的裸眼3D电影技术也应用了全息术，在以后的发展中很可能在电视、展览、显微术、投影光刻、军事侦察监视、水下探测、金属内部探测、遥感，研究和记录物理状态变化极快的瞬时现象、瞬时过程（如爆炸和燃烧）等各个方面获得广泛应用

信息光学

也称傅里叶光学或者变换光学，这是一个把光的衍射、数学、信息论充分结合的分支【4】，偏重于对光学信号的处理，因为一般仪器接受的多是原始光信号，有许多干扰、噪声、偶然异常需要进一步处理变换。因而可以应用于图像识别、光学滤波和频谱分析，是目前光学很活跃的一分支。这个可有家下来的统计表中看出。

集成光学

集成光学是研究媒质薄膜中的光学现象以及光学元件集成化的一门学科。它是在激光技术发展过程中，由于光通信、光学信息处理等的需要，而逐步形成和发展起来的。于是与信息光学有密切的关系，该分支重要的成果就属光纤了，如今对光纤的研究与应用已几乎成为又一分支学科了，其他的就是大型仪器、加工工艺、元件集成上的研究。

生理光学

生理光学是研究眼睛和视觉，是生理学与光学相结合的边缘交叉学科，涉及解剖学、生物化学、物理学和心理学。研究内容包括眼屈光系统、亮度感觉、空间和时间分辨、色觉及立体视觉等。所以由此也可以由此来研究怎样用最少的资源来实现视觉上的立体感受，就是实现立体影视的普及问题。

大气光学

我们小时候经常对早晨傍晚的壮观景象所震撼，大气光学可以告诉你这是为什么，当然它研究的远不止这些，这个分支是光学与气象学、地理学的交叉学科。早期大气光学的理论是光波传播规律，随着红外和激光技术的迅速发展，大气气体分子高分辨率吸收光谱的研究、大气气溶胶光学特性的研究、强湍流效应的研究、云雾粒子的不同形状对散射特性的影响及其多次散射的研究、激光和红外大气遥测的研究等方面将成为大气光学的主要研究方向，在大气辐射学环境科学、天气预报、天文、航空、遥感等许多方面，得到广泛的应用。