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，为大家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。