光学论文

浅谈光学概论
【简介】光学已成为为现代科研的重要内容，传统的光学只研究可见光，现代光学已扩展到对全波段电磁波的研究。

光是一种电磁波，在物理学中，电磁波由电动力学中的麦克斯韦方程组描述；同时，光具有波粒二象性，需要用量子力学表达。

光学将成为今后光学工程学科的重要发展方向。

【英文译文】Optical has become the important contents for the modern scientific research, the traditional optical only research visible light, and modern optical already expanded to whole wavelength electromagnetic wave of research. Light is an electromagnetic wave, in physics, electromagnetic wave by electrodynamics of maxwell's equations describing, At the same time, the light has wave-particle duality, need to use the quantum mechanics expression. Optical will become future optical engineering discipline of important devel
opment direction.
【关键词】光学、现代科技、应用、研究、历史、前景
【正文】
一、光学简介
在早期，主要是基于几何光学和波动光学拓宽人的视觉能力，建立了以望远镜、显微镜、照相机、光谱仪和干涉仪等为典型产品的光学仪器工业。

这些技术和工业至今仍然发挥着重要作用。

本世纪中叶，产生了全息术和以傅里叶光学为基础的光学信息处理的理论和技术。

特别是六十年代初第一台激光器的问世，实现了高亮度和高时一空相干度的光源，使光子不仅成为了信息的相干载体而且成为了能量的有效载体，随着激光技，本和光电子技术的崛起，光学工程已发展为光学为主的，并与信息科学、能源科学、材料科学。

生命科学、空间科学、精密机械与制造、计算机科学及微电子技术等学科紧密交叉和相互渗透的学科。

它包含了许多重要的新兴学科分支，如激光技术、光通信、光存储与记录、光学信息处理、光电显示、全息和三维成像薄膜和集成光学、光电子和光子技术、激光材料处理和加工、弱光与红外热成像技术、光电测量、光纤光学、现代光学和光电子仪器及器件、光学遥感技术以及综合光学工程技术等。

这些分支不仅使光学工程产生了质上的跃变，而且推动建立了一个规模迅速扩大的前所未有的现代光学产业和光电子产业。

近些年来，在一些重要的领域，信息载体正在由电磁波段扩展到光波段，从而使现代光学产业的主体集中在光信息获取、传输、处理、记录、存储、显示和传感等的光电信息产业上。

这些产业一般具有数字化、集成化和微结构化等技术特征。

在传统的光学系统经不断地智能化和自动化，从而仍然能够发挥重要作用的同时，对集传感、处理和执行功能于一体的微光学系统的研究和开拓光子在信息科学中作用的研究，将成为今后光学工程学科的重要发展方向。

二、光学的发现
光学的起源在西方很早就有光学知识的记载，欧几里得的《反射光学》研究了光的反射；阿拉伯学者阿勒·哈增写过一部《光学全书》，讨论了许多光学的现象。

光学真正形成一门科学，应该从建立反射定律和折射定律的时代算起，这两个定律奠定了几何光学的基础。

17世纪，望远镜和显微镜的应用大大促进了几何光学的发展。

光的本性（物理光学）也是光学研究的重要课题。

微粒说把光看成是由微粒组成，认为这些微粒按力学规律沿直线飞行，因此光具有直线传播的性质。

19世纪以前，微粒说比较盛行。

但是，随着光学研究的深入，人们发现了许多不能用直进性解释的现象，例如干涉、衍射等，用光的波动性就很容易解释。

於是光学的波动说又占了上风。

两种学说的争论构成了光学发展史上的一根红线。

狭义来说，光学是关于光和视见的科学，光学这个词，早期只用于跟眼睛和视见相联系的事物。

而今天，常说的光学是广义的，是研究从微波、红外线、可见光、紫外线直到X射线的宽广波段范围内的，关于电磁辐射的发生、传播、接收和显示，以及跟物质相互作用的科学。

光学是物理学的一个重要组成部分，也是与其他应用技术紧密相关的学科。

三、光学的历史发展
人类对光的研究，最初主要是试图回答“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。

它有八条关于光
学的记载，叙述影的定义和生成，光的直线传播性和针孔成像，并且以严谨的文字讨论了在平面镜、凹球面镜和凸球面镜中物和像的关系。

自《墨经》开始，公元11世纪阿拉伯人伊本·海赛木发明透镜；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光的反射和折射的观察结果，归结为今天大家所惯用的反射定律和折射定律。

1665年，牛顿进行太阳光的实验，它把太阳光分解成简单的组成部分，这些成分形成一个颜色按一定顺序排列的光分布——光谱。

它使人们第一次接触到光的客观的和定量的特征，各单色光在空间上的分离是由光的本性决定的。

牛顿还发现了把曲率半径很大的凸透镜放在光学平玻璃板上，当用白光照射时，则见透镜与玻璃平板接触处出现一组彩色的同心环状条纹；当用某一单色光照射时，则出现一组明暗相间的同心环条纹，后人把这种现象称牛顿环。

借助这种现象可以用第一暗环的空气隙的厚度来定量地表征相应的单色光。

19世纪初，波动光学初步形成，其中托马斯·杨圆满地解释了“薄膜颜色”和双狭缝乾涉现象。

菲涅耳于1818年以杨氏乾涉原理补充了惠更斯原理，由此形成了今天为人们所熟知的惠更斯-菲涅耳原理，用它可圆满地解释光的干涉和衍射现象，也能解释光的直线传播。

在进一步的研究中，观察到了光的偏振和偏振光的干涉。

为了解释这些现象，菲涅耳假定光是一种在连续媒质中传播的横波。

为说明光在各不同媒质中的不同
速度，又必须假定以太的特性在不同的物质中是不同的；在各向异性媒质中还需要有更复杂的假设。

此外，还必须给以太以更特殊的性质才能解释光不是纵波。

如此性质的以太是难以想象的。

1846年，法拉第发现了光的振动面在磁场中发生旋转；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。

他们的发现表明光学现象与磁学、电学现象间有一定的内在关系。

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，以太乃是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。

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。

量子论不仅很自然地解释了灼热体辐射能量按波长分布的规律，而且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。

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。

1922年发现的康普顿效应，1928年发现的喇曼效应，以及当时已能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。

光学的发展历史表明，现代物理学中的两个最重要的基础理论——量子力学和狭义相对论都是在关于光的研究中诞生和发展的。

自20世纪50年代以来，人们开始把数学、电子技术和通信理论与光学结合起来，给光学引入了频谱、空间滤波、载波、线性变换及相关运算等概念，更新了经典成像光学，形成了所谓“博里叶光学”。

再加上由于激光所提供的相乾光和由利思及阿帕特内克斯改进了的全息术，形成了一个新的学科领域——光学信息处理。

光纤通信就是依据这方面理论的重要成就，它为信息传输和处理提供了崭新的技术。

在现代光学本身，由强激光产生的非线性光学现象正为越来越多的人们所注意。

激光光谱学，包括激光喇曼光谱学、高分辨率光谱和皮秒超短脉冲，以及可调谐激光技术的出现，已使传统的光谱学发生了很大的变化，成为深入研究物质微观结构、运动规律及能量转换机制的重要手段。

它为凝聚态物理学、分子生物学和化学的动态过程的研究提供了前所未有的技术。

四、光学的研究内容
我们通常把光学分成几何光学、应用光学、物理光学和量子光学。

1、几何光学
是从几个由实验得来的基本原理出发，来研究光的传播问题的学科。

它利用光线的概念、折射、反射定律来描述光在各种媒质中传播的途径，它得出的结果通常总是波动光学在某些条件下的近似或极限。

物理光学
是从光的波动性出发来研究光在传播过程中所发生的现象的学科，所以也称为波动光学。

它可以比较方便的研究光的干涉、光的衍射、光的偏振，以及光在
各向异性的媒质中传插时所表现出的现象。

2、量子光学
量子光学是以辐射的量子理论研究光的产生、传输、检测及光与物质相互作用的学科。

1900年普朗克在研究黑体辐射时，为了从理论上推导出得到的与实际相符甚好的经验公式，他大胆地提出了与经典概念迥然不同的假设，即“组成黑体的振子的能量不能连续变化，只能取一份份的分立值”。

1905年，爱因斯坦在研究光电效应时推广了普朗克的上述量子论，进而提出了光子的概念。

他认为光能并不像电磁波理论所描述的那样分布在波阵面上，而是集中在所谓光子的微粒上。

在光电效应中，当光子照射到金属表面时，一次为金属中的电子全部吸收，而无需电磁理论所预计的那种累积能量的时间，电子把这能量的一部分用于克服金属表面对它的吸力即作逸出功，余下的就变成电子离开金属表面后的动能。

这种从光子的性质出发，来研究光与物质相互作用的学科即为量子光学。

它的基础主要是量子力学和量子电动力学。

光的这种既表现出波动性又具有粒子性的现象既为光的波粒二象性。

后来的研究从理论和实验上无可争辩地证明了：非但光有这种两重性，世界的所有物质，包括电子、质子、中子和原子以及所有的宏观事物，也都有与其本身质量和速度相联系的波动的特性。

3、物理光学
的基础就是经典电动力学的麦克斯韦方程组。

波动光学不详论介电常数和磁导率与物质结构的关系，而侧重于解释光波的表现规律。

波动光学可以解释光在散射媒质和各向异性媒质中传播时现象，以及光在媒质界面附近的表现；也能解释色散现象和各种媒质中压力、温度、声场、电场和磁场对光的现象的影响。

4、应用光学
光学是由许多与物理学紧密联系的分支学科组成；由于它有广泛的应用，所以还有一系列应用背景较强的分支学科也属于光学范围。

例如，有关电磁辐射的物理量的测量的光度学、辐射度学；以正常平均人眼为接收器，来研究电磁辐射所引起的彩色视觉，及其心理物理量的测量的色度学；以及众多的技术光学：光学系统设计及光学仪器理论，光学制造和光学测试，干涉量度学、薄膜光学、纤维光学和集成光学等；还有与其他学科交叉的分支，如天文光学、海洋光学、遥感光学、大气光学、生理光学及兵器光学等。

【参考文献】
1、苏显渝等，《信息光学》，科学出版社，2006
2、扬震寰著，母国光等译，《光学信息处理》南开大学出版社，2007
3、清华大学光学仪器教研组，《信息光学基础》，机械工业出版社，
4、华家宁，《现代光学技术及应用》，江苏科学与技术出版社2007，
5、朱自强，《现代光学教程》，四川大学出版社，2007
6 、谢建平，《近代光学基础》，中国科学技术出版社，2003
7、陈家壁，《光信息科学技术原理及应用》，高等教育出版社，2004
8、百度等相关网站
如果用照相机来比喻眼睛，巩膜就相当于照相机的主体（机身）；瞳孔是光圈，光圈的大小由虹膜的扩大或缩小所控制；角膜和晶状体像一组镜头；视网膜相当于菲林底片。

如果要将远和近的景物摄下来，那么就必须调校焦距，才能让景象清晰地投射在菲林底片上。

在真正的照相机里，机制是调整镜片与菲林之间的距离。

在眼睛，这个步骤是由睫状肌所控制。

睫状肌是围绕晶状体的一组不随意肌。

当看近物时，这组肌肉令晶状体的弧度变得较弯，厚度增大，使屈光度增加，这样影像就清楚地投射在视网膜上。

相反地，看远景时，睫状肌令晶状体的弯曲度减低，前后表面都变得较为扁平，屈光度数亦相应减低，最后影像仍然是清晰地投影在视网膜上。

睫状肌控制晶状体屈光度的功能，称为调节。

当眼睛看着无限远的物体时，如果无需调节而影像能清楚地投射到视网膜上，这种屈光状态称为“正视”。

反之，如果无限远的景物，在没有调节的情况下，不能清楚地投射在视网膜上，那就称为“屈光不正”，或称为“屈光误差”，也就是我们通常所谈及的近视、远视或散光了。

其实，即使有清晰的视网膜影像，不等于我们一定可以“看”得清楚，还在于视觉信息由视神经传到大脑视皮层的过程中是否出现问题。

这就是说，眼球、视神经、视觉地带以及大脑视皮层一定要全部正常地运作，我们才能清晰准确地看到外界的影像。

当光线由空气进入另一媒质构成的单球面折光体时，它在该物质的折射情况决定于该物质与空气界面的曲率半径R和该物质的折光指数n2；若空气的折光指数为n1，则关系式为：
空气侧的焦距为前主焦距或第1焦距。

F2称为后主焦距或第2焦距，指由折射面到后主焦点的距离，可以表示此折光体的折光能力；或者用另一种方法，
即把主焦距以m（米）作单位来表示，再取该数值的倒数，后者就称为该折光体的焦度（diopter）；如某一透镜的主焦距为10cm，这相当于0.1m，则该透镜的折光能力为10焦度（10D）。

通常规定凸透镜的焦度为正值，凹透人眼的折光系统是一个复杂的光学系统。

射入眼内的光线，通过角膜、房水、晶状体和玻璃体四种折射率不同的介质，并通过四个屈光度不同的折射面（角膜的前、后表面，晶状体的前、后界面）才能在视网膜上成像，其中，入射光线最主要的折射发生在角膜的前表面。

依据几何光学原理进行的计算结果表明，正常成人眼在安静而不进行调节时，它的折光系统的后主焦点的位置正好是视网膜所在的位置。

这一解剖关系对于理解正常眼的折光成像能力十分重要。

它说明，凡是位于眼前方6m以外直至无限远处的物体，它们发出或反射出的光线在到达眼的折光系统时已近于平行，因而都可以在视网膜上形成清晰的像，这正如放置于照相机主焦点处的底片，可以拍出清晰的远景一样。

当然，人眼不是无条件地看清任意远处的物体的。

例如，人眼可以看清楚月亮（或其它更远的星体）和它表面较大的阴影，但不能看清楚月球表面更小的物体或特征。

其原因是，如果来自某物体的光线过弱，或光线在空间或眼内传播时被散射或吸收，那么它们到达视网膜时已减弱到不足以兴奋感光细胞的程度，这样就不可能被感知；另外，如果物体过小或它们离眼的距离过大，则它们在视网膜上的成像将会小到视网膜分辨能力的限度以下，因此也不能感知。

光线通过眼折光系统发生的折射现象，称为屈光（refraction），眼的总折光能力可用屈光度（焦度，diopter，简称D）表示。

屈光度数值等于该折光体主焦距（以m为单位）的倒数。

人眼在非调节状态下的总折光能力约为59D。

镜的焦度为负值。

主焦距是一个折光体最重要的光学参数，由此可算出位于任何位置的物体所形成的折射像的位置。

以薄透镜为例，如果物距a是已知的，像距b可由下式算出：
由式（2）可以看出，当物距a趋于无限大时，1/a趋近于零，于是1/b接近于1/F2，亦即像距b差不多和F2相等；这就是说，当物体距一个凸透镜无限远时，它成像的位置将在后主焦点的位置。

同样不难看出，凡物距小于无限大的物体，它的像距b恒大于F2，即它们将成像在比主焦点更远的地方。

以上结论，对于理解眼的折光成像能力十分重要。

另外，根据光学原理，主焦点的位置是平行光线经过折射后聚焦成一点的位置，这一结论与上面提到的第一点结论相一致。

每一物体的表面，都可认为是由无数的发光点或反光点组成，而由每一个点发出的光线都是辐散形的；只有当这些点和相应的折射面的距离趋于无限大时，由这些点到达折射面的光线才能接近于平行，于是它们经折射后在主焦点所在的面上聚成一点，由这些点再组成物像。

当然，无限远是一个不可能到达的位置，实际上对人眼和一般光学系统来说，来自6m以外物体的各光点的光线，都可以认为是近于平行的，因而可以在后主焦点所在的面上形成物像。