浅谈光学的研究及发展

浅谈光学的研究及发展

摘要：光学是一门既古老又年轻的学科，是物理学中一个重要的分支。光学是一门研究光（电磁波）的行为和性质，以及光和物质相互作用的物理学科。光学是物理学中最古老的一门基础学科，传统内容十分丰富。本文介绍了光学的发展简史，系统地概述了光学发展的萌芽时期、几何光学时期、波动光学时期、量子光学时期、现代光学时期等五大历史时期，试图为广大读者提供一套关于光学发展历史的理论参考。

关键词：光学光学的研究发展量子

前言：光学是一门研究光（电磁波）的行为和性质，以及光和物质相互作用的物理学科。光学是物理学中最古老的一门基础学科，传统内容十分丰富，如光的产生、传播、本性等等：光学又是当今科学领域中最活跃的前沿阵地之一，激光的问世使得光学焕发青春，如光子学、信息光学、光通信等等。光学的发展是一个漫长而曲折的历史过程，主要经历了萌芽时期、几何光学时期、波动光学时期、量子光学时期、现代光学时期等五大历史时期。

1.光学的萌芽时期

光学的起源和力学、热学一样，可以追溯到两三千年以前。春秋战国时期墨子（公元前468—376年）及其弟子所著《墨经》中记载：直线传播、光在镜面上的反射等现象，并提出了一系列的实验规律。这是有关光学知识的最早纪录。西方也很早就有光学知识的记载，欧几里德（Euclid，公元前330～275）的《反射光学》研究了光的反射，提出了反射定律和光类似触须的投射学说。

大约公元100年克莱门德和托勒密研究了光的折射现象，最早测定了光在两介质界面的入射角和折射角。阿拉伯学者阿勒·哈增（AI-Hazen，965 1038）写过一部《光学全书》，讨论了许多光学现象。公元1 1世纪阿拉伯人伊本·海赛木发明了透镜，到16世纪初，凹面镜、凸面镜、眼镜、透镜以及暗箱和幻灯等光学元件也已相继出现。这些光学元件的发明推动了光学进一步向前发展。

2.几何光学时期

1608年荷兰人李普塞发明第一架望远镜，17世纪初延森和冯特纳（Fontana）发明了第一架显微镜。1610年伽利略制作了望远镜，并用望远镜观察星体运动。1611年开普勒发表《折光学》，设计了开普勒天文望远镜。1630年斯涅尔（Snel1）和笛卡尔（Descartes）总结出光的折射定律。这些发明和发现是光学由萌芽时期发展到几何光学时期的重要标志。

直到1657年费马（Fermat）得出著名的费马原理，并从原理出发推出了光的反射和折射定律。这两个定律奠定了几何光学的基础，光学开始真正形成一门科学。牛顿在1666年提出光的微粒理论：光是高速运动的细小微粒。能够解释

光的直线传播和反射折射定律，但不能解释牛顿圈和光的衍射现象。惠更斯在1678年提出光的波动理论：光是在“以太”传播的波。成功的解释了光的反射和折射定律，方解石的双折射现象，但他的理论没有指出光的周期性和波长的概念，没有脱离几何光学的束缚。此后100多年时间里两种理论不断争斗，18世纪以前微粒理论占上风，这种优势在19世纪初被打破。

3.量子光学时期

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。他认为各种频率的电磁波，包括光，只能以各自确定分量的能量从振子射出，这种能量微粒称为量子，光的量子称为光子。量子论很自然地解释了

灼热体辐射能量按波长分布的规律，以全新的方式提出了光与物质相互作用的整个问题。量子论不但给光学，也给整个物理学提供了新的概念，所以通常把它的诞生视为近代物理学的起点。

1905年爱因斯坦发展了光的量子理论，成功地解释了光电效应，提出了光的波粒二象性。至此，光到底是“粒子”还是“波动”的争论得到解决：在某些方面，光表现的象经典的“波动”，在另一些方面表现的象经典的“粒子”，光有“波粒二象性”。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、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。

1916年爱因斯坦预言原子和分子可以产生受激辐射。他在研究辐射时指出，在一定条件下，如果能使受激辐射继续去激发其他粒子，造成连锁反应，雪崩似地获得放大效果，最后就可得到单色性极强的辐射，即激光。这为现代光学的发展奠定了理论基础。

4.现代光学时期

1960年，梅曼用红宝石制成第一台激光器；同年制成氦氖激光器；1962年产生了半导体激光器；1963年产生了可调谐染料激光器此后，光学开始进入了一个新的发展时期，以致于成为现代物理学和现代科学技术前沿的重要组成部分。激光具有极好的单色性、高亮度和良好的方向性，所以自发现以来得到迅速的发展和广泛应用，引起了光学领域和科学技术的重大变革。由于激光技术的发展突飞猛进，目前激光已经广泛应用于打孔、切割、导向、测距、医疗、通讯等方面，在核聚变等方面也有广阔的应用前景。同时光学也被相应地划分成不同的分支学科，组成一张庞大的现代光学学科网络。

此外，20世纪60年代以来，特别是激光问世之后，光学还与其他科学技术紧密结合，相互渗透。如：全息技术已经在显微技术、信息存储、信息编码、红外全息等方面得到了广泛应用；在集成电路的启示下，材料科学、电子技术和光学融合发展，形成了集成光学这一边缘学科，在光通讯、信息处理等方面起到了很大的作用；光子晶体以及量子信息的研究和发展将给信息技术开辟一个崭新的

天地。随着激光技术的发展，飞秒激光器的出现为超快过程、高阶非线性效应的研究提供了有效的研究手段。

结语：综上所述，自19世纪以来，光学在相干性、量子性和非线性等方面都有很大的进展。关于光的相干性和量子性的研究已取得了丰硕的成果。而关于非线性的研究已有了很好的基础和研究手段，正处于快速发展的阶段。我们有理由相信，一个辉煌的、集中反映非线性研究成果的时期将会到来。

参考文献

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[2] 吴景彦.物理学史上的科学家[M]，北京：劳动人事出版社.1988.

[3] 祁关泉，龚叉明.物理学史.上海：上海教育出版社，1986.