光学发展史

光学发展简史

一、光学概述

光学(optics)是物理学的一个重要组成部分，是研究光的本性、光的传播和光与物质相互作用的学科。在物理学中，通常将光学划分为几何光学(geometrical optics)、波动光学(wave optics)、量子光学(quantum optics)和现代光学(modern optics)几大部分。几何光学是根据光波在短波极限（即l®0，波动性可忽略）下所表现出的直线传播性质为基础，用几何作图法来研究光的传播、成像等问题，其主要内容有：光的直线传播定律、光的独立传播定律、光的反射和折射定律；波动光学从光的电磁波本性出发，以光的波动性为基础，研究光在传播过程中的规律性问题。波动光学的主要内容包括光的干涉、光的衍射和光的偏振，同时还研究光与物质相互作用的色散、吸收和散射等现象。量子光学是以光和物质相互作用时所表现出的量子性为基础来研究有关的光学问题，并由此揭示出光的粒子性。现代光学是指近几十年来新兴和发展起来的光学各分支，它主要包括如激光、信息光学（傅里叶变换光学）、光通讯、非线性光学、集成光学等内容，这些新的光学领域所研究的内容已在现代科学技术中起着十分重要和广泛作用。

光学的应用非常广泛，它不仅在科技领域中起着重要作用，而且也与人类日常的生活活动息息相关。例如，从最早期光学望远镜的设计到现在各种光学仪器的研制都无不与几何光学紧密相联，可以说几何光学就是为设计各种光学仪器而发展起来的专门学科；而在波动光学中，利用光的干涉原理制成的各种干涉仪器仍是目前精密测量中无可替代的手段，许多重要的分光仪器则是依靠衍射光栅来工作的；光谱分析不仅是人类认识物质的微观结构，如原子结构、分子结构等的窗口，也是人类窥探宇宙天体信息的重要工具；最近几十年来，激光的发明和现代光学的迅速发展又把人类带入了一个神奇的信息化高科技时代。

这里对光学的发展历史作一简要介绍。

二、光学理论发展简介

1 经典光学的发展及人们对光的本性的认识

光是一种自然现象，也是人类赖以感知宇宙万物的天然工具。光对于人眼的特殊生理效应——视觉引起了人们对于光的极大兴趣和好奇心。据记载，早在公元前四、五百年，人们就开始了对于光的专门研究。例如，中国古代对几何光学的研究就可以追溯到公元前5世

纪。在当时的墨家学派所著的《墨经》中，对光的直线传播和反射，光通过平面镜、凹面镜、凸面镜的成象等问题都作出了颇为系统的描述。而在之后约一百年，古希腊的欧几里德也专门著书《光学》，对人眼为何能看到物体、光的反射性质、球面镜焦点等问题进行了探讨。但欧几里德虽然对光的直线传播性质作出了正确描述，但是他（以及后来的托勒密）的视觉理论是不正确的，他认为是眼睛发射光线，光线碰到物体上才产生了视觉。

公元l世纪，罗马哲学家塞涅卡(L．A．Seneca)发现了光的折射现象。公元2世纪，托勒密对光的折射现象进行了实验研究，第—次测定了光的入射角和折射角并给出两者之间的关系。尽管其结论不正确，但托勒密的工作还是对光学的发展起到了促进作用。

13世纪，透镜的研究导致了眼镜的发明，也为16世纪望远镜和显微镜的发明打下了基础。

然而总的说来，虽然光学的萌芽时期可以追溯到很早的年代，但直至约16世纪，人们对光的认识还是肤浅的和非系统的，主要是以观察和定性的描述为主。只是到了17世纪后半叶，以牛顿、惠更斯等人为代表的工作才使光学开始步入了真正发展的道路。人类对光的本性的认识经历了极为慢长而曲折的过程。

处于同一时代的科学伟人牛顿和惠更斯(C.Huygens)，其对光的本性持两种不同的观点。

惠更斯根据当时意大利学者格里马第(F．M．Grimaldi)和胡克等人所发现的光的衍射现象和波动假设，提出了光的波动说理论(undulatory theory)。惠更斯波动说中至今仍最有价值的思想就是他在1690年出版的《论光》一书中提出的、我们现在所熟悉的惠更斯原理(Huygens principle)。该原理给出了确定任一时刻光振动的传播方向的简便方法，并可据此推导出反射定律和折射定律。然而，惠更斯的波动说是纯粹的经典机械波理论，他把光波与机械波作类比，认为光必须是在一种充满整个宇宙空间的特殊的弹性媒质——“以太(aether)”中传播的机械波。惠更斯还错误地认为光波是纵波，而且他的波动说不仅解释不了光的偏振现象，也不能说明光的干涉和衍射等涉及光波的振幅和相位的传播与迭加问题。总的来说，惠更斯的波动说是一个十分肤浅和粗略的波动理论。

而牛顿对光学也作过深入研究，棱镜的色散效应、牛顿环，以及发明世界上第一架反射望远镜等都是他在光学研究中的标致性成果。牛顿认为光的波动说不能解释光

的直线传播性，同时，牛顿对光的波动说中的传光媒质“以太”提出质疑，他在1704年出版的《光学》一书中写道：“反对天空为流体媒质所填满的主张的最有力的理由，在于行星和慧星在天空中各种轨道上的运动都是那样地有规则和持久。因此很明显，天空中没有任何可观察到的阻力，所以就没有任何可观察的物质，由于它是没有用处的，而且妨碍自然界的动作并使它衰退。所以它的存在是没有根据的，从而应该被抛弃。如果把它抛弃，那么光是在这样一种媒质中传播的挤压或运动的这种假说也就和它一起被抛弃了。”。于是，依据实验中得出的光的直线传播性，牛顿建立了光的微粒说(corpuscular theory)理论。他认为光是从光源飞出的一种微粒流，这些微粒流在均匀物质中按照惯性定律作匀速直线运动。牛顿以他的微粒说理论解释了光的反射、折射等现象。但是，按照牛顿的微粒说理论来研究折射定律时，将得出光在密度大的媒质中的传播速率大于光在密度小的媒质中的传播速率这一错误结论，例如水中的光速大于空气中的光速。（微粒说理论对光折射的解释：以直线运动的微粒子当非常接近折射面时就被吸引向折射面，使得它沿着法线方向的速度发生改变，而切线方向的速度不变，因而总的传播速度方向改变，而使光的传播方向在两种媒质界面上发生了偏折。依此，当光微粒由较密的介质进入较稀的介质时，法向速度减小，而当由较稀介质进入较密介质时粒子所受引力

增大，粒子被加速。这与实验事实恰好相反。）；另一方面，牛顿的微粒说也不能清楚地解释诸如薄膜的颜色和牛顿环等实验现象的原理。

在17和18两个世纪，虽然微粒说与波动说之争始终未曾停歇，但实际上光的微粒说理论一直占据着光学领域的主导地位，而光的波动理论却长期停滞不前。其主要原因是：第一，惠更斯的波动理论还很不完善，甚至不能解释一些基本的光学现象（如光的干涉、衍射、偏振以及光的直进性与波动性之间的关系等）；第二，当时经典力学已取得的辉煌成就使人们对机械论的观念深信不疑；第三，牛顿经典力学理论的成功使他成为学术界的至高权威，他的理论自然更易于为人们所接受；第四，牛顿的微粒说理论所得出的关于媒质中的光速的错误结论在当时还不能为实验所判定。

19世纪初，杨氏(Thomas Young)利用波动论的观点圆满解释了薄膜颜色的形成，又成功地进行了双光束的干涉实验，从而证实了光的波动性。后来杨氏又根据光的偏振现象提出了光波是横波的概念。然而，杨氏的研究成果在当时并未被学术界所重视。1815年，菲涅耳(A.J.Fresnel)发表了他对光的波动性的研究报告。菲涅耳采纳了惠更斯关于次级子波的概念，并用杨氏的干涉理论来补充惠更斯原理，形成了波动光学中的一个