光学是上世纪中叶才基本完全的一个物理学分类。在高二下学期的课本中学习了光学的基本内容，但是由于其复杂性，很难全部讲明白，所以很多同学学的不好。我则在网上看了很多资料，又借来大学课本看，才感觉好些。光其实是很奇妙的一种东西！
光的发展史
什么是光?光是什么?让我们抚去岁月的风尘打开历史的卷面踏着前人的足迹回顾一下光学说的发展
在很早很早以前,有一本名为《圣经》的书里有这样一句话:崐神说,要有光,就有了光。这句断言把光的全部问题一笔勾消,崐因为这句话的意思是:光亮不过是黑暗的反面,是让人能看见东崐西的环境。可是古希腊人确认为光具有客观现实性,是一种象从水龙头射出的水那样从人们的眼睛射出的东西。我们之所以能看崐见物体就是靠从眼睛里射出的一束这样的光击中了这个物体。这个说法从而解释了为什么我们睁着眼能看见物体但闭着眼却看不见了这一事实。不过,在黑暗的地方,为什么我们的眼睛睁的再大也看不见东西呢?
毕达哥拉斯对此提出了一种新的理论:光是由发光体向四面八方射出的一种东西,这种东西碰到障碍物上就立刻被弹开。如果它偶然进入人的眼睛,就叫人感觉到看见使它最后被弹开的那个东西。这种理论虽然有点符合经验事实,但光的问题根本没有因这种理论而得到解决。科学上的每一样新发现都带来一大堆新问题。就光而言,从发光体发出的光是怎样跃过空间进入人的眼睛里?光是凉的还是热的?它动不动?它动的有多快?
这就出现了两种理论:光的粒子说:光是由亿万个光子或”微粒”组成的,光子由发光体向各个方向射出好象一颗不断爆炸的炸弹的碎弹片。光的波动说:光可以象波那样运动,把它的信息从一个地方带到另一个地方。但是,这种学说的困难在于一个波动并不仅仅是一个波动,因为波的传播需要媒质光能够在真空中传播,那么,真空中有媒质吗?如果有某种物质性的东西充满真空那它就不是真空。这就是说,由于缺少一种媒质好让我们所讲的波能在里面崐波动,就得残酷地抛弃这种大有前途的理论?不!哪个科学家也不会这样做。科学家惊人的想象力稍微发挥一下,就很容易地解崐决了这个问题:宇宙空间充满了一种无处不在、又看不见摸不着的非物质性的媒质–以太。光就是在这种媒质(以太)中传播。
这就有了两派彼此抗衡的光的学说:微粒说和波动说。那么,哪一派正确呢?伟大的牛顿支持微粒说。他觉得,波有衍射现象,但光是沿着直线传播的,又有谁见过光拐弯呢?所以他相信微粒说。固然,那时关于光,已知有许多奇妙事实同微粒说是不相容的,可这对于绝顶聪明的牛顿来说,攻克这样的难题还不是小菜一碟?他用粒子说对当时所知的光的一切现象都作了解释,只是稍微牺牲了一点简单性而已。比如,为了解释某种光学现象,他崐把光子想象成鸟似的一起一伏的飞翔。虽然波动说在牛顿时代也不乏拥护者,以荷兰物理学家惠更斯为首的波动论者,把他们的主要希望寄托在一个这样的事实上:微粒相碰时,应该彼此弹开,然而实验表明,两束光相遇时,彼此交叉而过,互不影响。不过,波动说要同的微粒说抗衡仅有这一实验作基础能有多大的胜利的希望呢?因为有那么一个天才巨人牛顿站在他们的对立面!
高山为谷,大海为陵。三十年河东,三十年河西。牛顿逝世后,关于光又有了新的实验发现,而新发明的数学方法又为波动说提供了解决困难的有力工具。
波动说的支持者认为,之所以看不到光的衍射现象,是因为光的波长太短,如果障碍物的尺寸与光的波长相差不多,就应能看到光拐弯的现象。并还推测出光不仅有衍射现象,还应有干涉现象。实际上,早在牛顿时代,人们就已经观察到了光的干涉现象。而牛顿却一直提不出真正圆满的说明。看来微粒说要倒霉了。
牛顿死后大约一百年,托马斯·扬在公元1817年提出了光是横波的假说,法国的一位土木工程师菲涅尔以此为基础,在1818年提交了一篇应征巴黎科学院悬赏征求阐述光折射现象的论文。在这篇文章中,他提出了一整套高度完善的波动说理论,这个理论是哪样的简洁和有力。无论当时那么多复杂漂亮的实验,以及所有已知的光学现象没有一个它解释不通的。但粒子说并不甘心就这样灰溜溜地退出历史舞台。著名数学家泊松还要做垂死的挣扎。他根据菲涅尔的理论推算出光射到一个不透明的圆板上,在这个圆板的中心应当有一个亮斑–泊松斑。显然谁也没有看到过这种十分荒谬的现象。所以,泊松兴高采烈地宣称他驳倒了菲涅尔的波动理论。然而他高兴的似乎早了点。波动说的支持者用实验的方法证明了圆板的阴影中心确实有这样一个亮斑。这不过是光的一种衍射现象。这真是搬起石头砸自己的脚,如《红楼梦》里所说的机关算尽太聪明,反算了卿卿性命”。波动说的理论基础反而由此更加牢固了。但波动说并不就此罢休。它还需要有更近一步的证据去证明微粒说是错的。这就是法国人傅科所做的一个重要实验:测量光在水中的速度。因为两派理论在这一点上有重大分歧:按牛顿的光子说,光在水中的速度应大于光在真空中的速度;而波动说则坚持认为水中的光速一定小于真空中的光速。谁是谁非?科学等待了很久,终于由傅科用实验的方法证明水中的光速恰与波动说预计值相吻和。
遭此一系列的打击,微粒说的照命星陨落了,波动说以胜利者而沾沾自喜时,还没有忘宜将胜勇追穷寇,不可沽名学霸王”这一古训。它还要得到更大的支持,要置微粒说于十八层地狱。这就是法拉第对电与磁的研究,使多少有点停滞不前的古老的电磁学出现了复兴。一个新的纪元开始了。到了1872年麦崐克斯韦终于完成了他的鸿篇巨制《电磁学通论》这部电磁理论的经典著作,他把法拉第那种表面上似乎很神秘的见解化成人们所能接受的的两组微分方程–麦克斯韦方程组,方程简洁、完美、整齐,不仅解决了当时所知的所有的电磁学问题,概括了所有的电磁现象,而且他根据这四个方程推导出应当存在电磁波这种东西,这种波应当按光速传播,而且具有光的一切物理性质。这就是说,光是电磁波的一种,波动说的所有高超的理论都毫无例外地包含在新的电磁方程中。而这个方程组的另一个丰功伟绩是把崐数百年来物理学家苦苦创造的数百种以太模型统一成了一种–电磁以太。
然而,话还不能说的太绝。要想使麦克斯韦的这个看起来是崐那么美妙的学说被人们所接受,必须用实验的方法产生出麦克斯韦所假设的电磁波来。否则,只能看成是一种很有趣的假说。这可是一件十分难办的事情。困难主要还不在于产生电磁波,而在于怎样证明电磁波当真产生了。一年年过去了,并没有探测到这种波,物理学家们对麦克斯韦的见解是否正确开始有了疑虑。在流言诽语中,麦克斯韦死了。
在他逝世的七年后,德国人赫兹历经三年终于于1888年在一系列的辉煌实验中探测到了电磁波。这些实验到处受人的欢呼,被认为在磐石般的实验事实上,出色地证实了麦克斯韦理论崐的正确性。这可不是一个贫乏无味的理论,它不仅有不可估量的崐商业价值,而且还使人们不得不相信无线电波同光波是一样的,不同的只是频率。在可见光的两端还存在着大量的不可见光:比紫光频率高的有紫外线、X射线、γ射线;比红光频率低的有红外线和各种无线电波等。到此,光是一种波,已经用数学上精美崐雅致永远不变的图式严格固定了。光的所有细节经过几代人的努力被揭露的详细无遗并被丝毫不差地纳入了庄严的数学定律中。
波动说胜利了。他们以雷霆万钧之力压倒了不幸的微粒说。他们确有理由自豪:宏伟的宇宙受已知方程支配,光的一切现象在理论上都可以预言,并按已知的定律由原因庄严地进行到结果。拓荒者的工作已经完成,没有丝毫基本的东西尚待发现,现在只是扩展已有的知识的细节问题。
微粒说死了。它已丧失了一切生存的理由。
光阴似箭,日月如梭。时间就这样一天天的过去了。物理学家们在自家的田园采菊东篱下,悠然见南山”。虽然少数具有近乎先知先觉能力的人对天边漂来的几朵乌云而察觉到远方的风暴暗中趋进,但是他们的警告对打乱一般人的镇静无忧不大起作用。
就在赫兹寻找麦克斯韦的电磁波的实验中,他注意到了一个奇妙的事实:用紫外光照到实验装置上,电磁波出来的稍微容易些。但这种现象与证实电磁波的存在相比,就太微不足道了。他不能领会到,这恰是哪天边的几朵乌云之一。令人遗憾。
科学没有永恒的理论。一个理论所预言的论据常常被实验所崐推翻。任何一个理论都有它的逐渐发展和成功的时期,经过这个时期以后,它就会很快地衰落。差不多科学上的重大进步都是由于旧理论遇到了危机通过尽力寻找解决困难的方法而产生的。为了使我们的这个故事能够继续下去,我们必须想象一下在严寒的冬天人们最美好的希望是坐在熊熊的炉火旁。这是因为炉火能放出某种看不见的、给人以热的感觉的射线–实际上是辐射出电磁波。在科学上称这种现象为热辐射。这是自然界中的一件很平常的事。但人们在寻找这种现象的基本规律时却遇到了一点麻烦。这一种现象需要用两个定律来描述。物理学家都有一个寻求普遍定律的嗜好。他们一旦发现同一现象可以用几个定律在不同方面进行描述时,便立即尝试将这些定律合成单一的普遍定律,使之能同时概括所有的方面。
英国物理学家瑞利和金斯将热辐射的定律合二为一了,并与实验结果相吻合。可是不久却发现在热物体辐射出紫外线时新的定律便告失效。这种荒唐的局面被称紫外灾变”。这是上世纪末发生的事。那时候任何人也没有想到,这不仅仅是某一个颇为特殊的定律的灾难,而是摧毁这个定律全部理论基础–经典物理学的灾难。
当一种理论在很顺利地发展时,会突然出现一些出乎意料的阻碍,这种情况在科学上时常发生。所以物理学家对”紫外灾变”不以为然。麦克斯韦的电磁理论之所以能够成为经典,是因为它有着磐石般的实验基础。这是千真万确、不容置疑的。为了克服这个伟大的理论所面临的这一点点小困难,不少的具有一流头脑的物理学家纷纷放下手头的工作转而为仁者见仁,智者见智”。其中德国科学家普朗克脱颖而出。此时,普朗克已年过四十,但他却以从未有过的青春活力和激情疯狂地工作着。以无比的毅力建立了、又推翻了一个又一个理论模式。在懊丧之余,他意识到与其说事实不符合理论,毋宁说是理论不符合事实。在就是说,如果事实不能被理论说明,那是理论不中用,理论必须在新的基础上重建。在这个重大信念的指使下,使他看到了挽救局面的希望。他象狂人般地用了几个星期的时间倾全力攻克这个问题,最后他终于杜撰出一个公式–它纯粹是一些不相关量的偶然结合,而其物理意义又非常不合公认的传统理论,但却奇迹般地与实验十分吻合。要精确叙述普朗克的推理论证,需涉及太多的数学抽象概念,但这个理论的精髓却很简单:物体以电磁波的形式放出或吸收的能量都是一捆一捆的。为了方便,他把这种捆称为量子”。这一结果是新物理学诞生的壮丽标志,由它要产生天大的事件,也使后人将普朗克称为量子力学之父。但他的哪些所谓的能量子在经典的电磁理论中无疑是异教邪说,因为电磁波携带的能量是连续的,而不是一份一份的。因此他感到恐怖万分。他曾十分内疚地说经典理论给了我们这样多有用的东西,因此必须以最大的谨慎对待它,维护它”。而科学界也对他的哪个无理论依据的与传统观念格格不入的公式给予了极大的冷漠。以至于在多少年后他还在拼命修改他的学说,使他不至于成为麦克斯韦经典理论的叛徒。
人类只有在某一类事情上做尽一切可以想象的傻事以后,才能在这一类事情上得到一点合理的东西。一年一年过去了,普朗克的见解过着风雨漂摇的生活。似乎已被他的创始者所抛弃。但是金子总是要发光的。历史在次证明,伟大的需要产生伟大的人物。1905年,伯尔尼的瑞士专利局的某位职员在德国《物理学杂志》第十七期上同时发表了三篇惊世骇俗的文章,其中的一篇为《关于光的产生和转化的一个启发性的观点》中说,按照麦克斯韦的理论,对于一且纯电磁现象因而也对于光来说,应当把能量看成是一个连续的空间函数,但这个理论会导致和实验相矛盾。如果用光的能量在空间不是连续分布的,而是由能量子组成的,似乎更好一些。这段话意思就是说为了使理论与实验相符,光不仅是成束地被物质所吸收或放出,而且在脱离物质后也必定以某种方式表现的象一个粒子:光粒子这种提法不是反革命复辟吗?是谁有这么大的胆量在波动说一统天下的今天敢重弹微粒说的老调?他就是后来被称为物理学的三个伟人之一–阿耳波特.爱因斯坦。但当时他是何许人也?他不是学者、教授,而却要复辟光的微粒说,要证明关于电磁现象这个在审美上令人满意的、精心证实了的理论基本上是错误的,真是癞蛤蟆想吃天鹅肉。
科学的探索不是坐软卧车厢,那儿有唯一太平的轨道。科学的远征是在巨浪滔天的大洋上航行,可能要用青春和生命去殉自己的事业。唯有清醒和坚定的人才能达到目的地。爱因斯坦的这种独特非凡的见解是长期思维活动中的一种顿悟,他以巨大的魄力把传统的理性和逻辑框架抛置在一边,经深思和有力的论证,不是轻率浮泛地、而是明确定量地对波动说发起了一次又一次地攻击。表现出是一名威力非凡的斗士,激起越来越多的研究者风从。他横扫千军如卷席”,用光的微粒说直接对波动说为图方便而避开不谈的实验事实提出简明的解释。特别是爱因斯坦对光电效应的解释,更是新的光的微粒说–光子说的重大胜利。
早在1872年,莫斯科大学教授斯托列托夫就发现了光电效应。赫兹在证实电磁波的哪个实验中所注意到的那种奇特效应就是光电效应,后来,他的学生又对这种效应做的大量的研究,发现了光电效应的实验规律。这种成为现今电影、电视等基础的效应如紫外灾变”一样使光的波动说感到为难:伟大麦克斯韦的经典电磁理论在这些事实面前显的是那样的苍白无力。用爱因斯坦的光子解释这些事情如同探囊取物耳。
不过,由于波动说同麦克斯韦的电磁理论结成的美满的策略性婚姻而阵地强固,要恢复已失去的容誉,复活的微粒说并不能实现速战速决。从而使得物理学战云密布,烽火四起。
波动说的武装力量是雄厚的,如光的干涉、衍射,水中光速的测量等。这些实验成为在对微粒说的斗争中波动说武库里的最有力的进攻性武器。微粒说若对这些固若金汤的城堡发动任何进攻是注定要失败的。但新的微粒说是狡猾的,他们探寻到了那些因波动说感到太苍凉、险恶而无人问津、耕垦的荒原。在这个不毛之地上叩探到了丰富的黄金矿脉,并用来生产出许多新式武器崐来抵御波动说。其中威力最大、最若人注目的仍属光电效应。美国的密立根1915年十分精密而完整地证实了光电效应方程,终于使的爱因斯坦获的了1921年的诺贝尔物理奖,两年后,密立根因他的精密测量极其出色地证实了爱因斯坦的见解也获得了这项殊荣。光子说的又一新式武器是1923年美国的物理学崐家康普顿利用英国物理学家威尔逊发明的云雾室成功得观察到了光子与电子碰撞现象,从而使他们二人合得1928年的诺贝尔物理奖。
流光如水,硝烟弥漫了四分之一世纪,战斗沦为了堑壕战。光子不能夺取波动的固有领土,波动也不能蹂躏光子的疆域。只好画出一个三八线,各自安安生生地守住自己的阵地。科学的原野分属了两个交战的阵营,前景即不是速见分晓,也不是合理的妥协。战争的唯一牺牲品是以太。无论对阵营的哪一方,它都成为多余。这个令十九世纪最优秀的科学家绞尽脑汁、耗尽心血的崐东西终于从物理学中绝迹了。而它的掘墓人仍是那位在1905年德国《物理学杂志》第十七期上同时发表了三篇惊世骇俗的文章爱因斯坦。遗憾的是他却并没有因《论动体的电动力学》而获得诺贝尔物理奖金。
科学对这样的局面并不陌生:一个学说适用于一组事实,而另一组学说能解释另一组事实。但是,在以前的事实中,所以出现这种局面,总有个理由好象说得通。例如,麦克斯韦方程不适用于万有引力,这并没有引起不安,因为在那个阶段上,谁也没料想到会发现电和引力有什么关联。但是现在物理学眼前却是个全新的局面:同一个实体–光–既是波又是微粒。为了解释干涉、衍射,光必须是波;而光电效应又使它成为粒子。这种剪不断、理还乱的两难局面叫每一个真正物理学家坐卧不安、心惊肉跳:光居然是两种如此矛盾的东西,真不够意思。科学中暗藏着这样一种未澄清的二象性,侵蚀了它的要害部位,这是同物理学的一切理想和传统都格格不入的。然而,两方各自如山的铁证又是那样无隙可击。物理学家心中的那种苦啊,令人惨不忍睹。他们也只能随遇而安,带着一副愁眉苦脸四处徘徊,悲叹他们在星期一、三、五必须把光看成是波,而在星期二、四、六又必须将光看成是粒子。那么,星期天呢?他们干脆就祈求上天保佑了。转载请注明作者:河南省安阳市王瑜
光学发展简史
狭义来说,光学是关于光和视见的科学,optics(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。
光学是一门有悠久历史的学科,它的发展史可追溯到2000多年前。
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(先秦的代),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。
牛顿在发现这些重要现象的同时,根据光的直线传播性,认为光是一种微粒流。微粒从光源飞出来,在均匀媒质内遵从力学定律作等速直线运动。牛顿用这种观点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,他创立了光的波动说。提出”光同声一样,是以球形波面传播的”。并且指出光振动所达到的每一点,都可视为次波的振动中心、次波的包络面为传播波的波阵面(波前)。在整个18世纪中,光的微粒流理论和光的波动理论都被粗略地提了出来,但都不很完整。
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”和双狭缝干涉现象。菲涅耳于1818年以杨氏干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(以太)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。
1860年前后,麦克斯韦的指出,电场和磁场的改变,不能局限于空间的某一部分,而是以等于电流的电磁单位与静电单位的比值的速度传播着,光就是这样一种电磁现象。这个结论在1888年为赫兹的实验证实。然而,这样的理论还不能说明能产生象光这样高的频率的电振子的性质,也不能解释光的色散现象。到了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,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。
对于像炽热的黑体的辐射中能量按波长分布这样重要的问题,洛伦兹理论还不能给出令人满意的解释。并且,如果认为洛伦兹关于以太的概念是正确的话,则可将不动的以太选作参照系,使人们能区别出绝对运动。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,这表明到了洛伦兹电子论时期,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。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。
1905年,爱因斯坦运用量子论解释了光电效应。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。
1905年9月,德国《物理学年鉴》发表了爱因斯坦的”关于运动媒质的电动力学”一文。第一次提出了狭义相对论基本原理,文中指出,从伽利略和牛顿时代以来占统治地位的古典物理学,其应用范围只限于速度远远小于光速的情况,而他的新理论可解释与很大运动速度有关的过程的特征,根本放弃了以太的概念,圆满地解释了运动物体的光学现象。
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。
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。
此后,光学开始进入了一个新的时期,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。其中最重要的成就,就是发现了爱因斯坦于1916年预言过的原子和分子的受激辐射,并且创造了许多具体的产生受激辐射的技术。
爱因斯坦研究辐射时指出,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。1960年,梅曼用红宝石制成第一台可见光的激光器;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。由于激光具有极好的单色性、高亮度和良好的方向性,所以自1958年发现以来,得到了迅速的发展和广泛应用,引起了科学技术的重大变化。
光学的另一个重要的分支是由成像光学、全息术和光学信息处理组成的。这一分支最早可追溯到1873年阿贝提出的显微镜成像理论,和1906年波特为之完成的实验验证;1935年泽尔尼克提出位相反衬观察法,并依此由蔡司工厂制成相衬显微镜,为此他获得了1953年诺贝尔物理学奖;1948年伽柏提出的现代全息照相术的前身——波阵面再现原理,为此,伽柏获得了1971年诺贝尔物理学奖。
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干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。
光学的研究内容
我们通常把光学分成几何光学、物理光学和量子光学。
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。
波动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。
量子光学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。
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。
光学
狭义来说,光学是关于光和视见的科学,optics(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。
光学的发展简史
光学是一门有悠久历史的学科,它的发展史可追溯到2000多年前。
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(先秦的代),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。
牛顿在发现这些重要现象的同时,根据光的直线传播性,认为光是一种微粒流。微粒从光源飞出来,在均匀媒质内遵从力学定律作等速直线运动。牛顿用这种观点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,他创立了光的波动说。提出”光同声一样,是以球形波面传播的”。并且指出光振动所达到的每一点,都可视为次波的振动中心、次波的包络面为传播波的波阵面(波前)。在整个18世纪中,光的微粒流理论和光的波动理论都被粗略地提了出来,但都不很完整。
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”和双狭缝干涉现象。菲涅耳于1818年以杨氏干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(以太)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。
1860年前后,麦克斯韦的指出,电场和磁场的改变,不能局限于空间的某一部分,而是以等于电流的电磁单位与静电单位的比值的速度传播着,光就是这样一种电磁现象。这个结论在1888年为赫兹的实验证实。
然而,这样的理论还不能说明能产生象光这样高的频率的电振子的性质,也不能解释光的色散现象。到了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,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。
对于像炽热的黑体的辐射中能量按波长分布这样重要的问题,洛伦兹理论还不能给出令人满意的解释。并且,如果认为洛伦兹关于以太的概念是正确的话,则可将不动的以太选作参照系,使人们能区别出绝对运动。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,这表明到了洛伦兹电子论时期,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。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。
1905年,爱因斯坦运用量子论解释了光电效应。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。
1905年9月,德国《物理学年鉴》发表了爱因斯坦的”关于运动媒质的电动力学”一文。第一次提出了狭义相对论基本原理,文中指出,从伽利略和牛顿时代以来占统治地位的古典物理学,其应用范围只限于速度远远小于光速的情况,而他的新理论可解释与很大运动速度有关的过程的特征,根本放弃了以太的概念,圆满地解释了运动物体的光学现象。
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。
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。
此后,光学开始进入了一个新的时期,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。其中最重要的成就,就是发现了爱因斯坦于1916年预言过的原子和分子的受激辐射,并且创造了许多具体的产生受激辐射的技术。
爱因斯坦研究辐射时指出,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。1960年,梅曼用红宝石制成第一台可见光的激光器;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。由于激光具有极好的单色性、高亮度和良好的方向性,所以自1958年发现以来,得到了迅速的发展和广泛应用,引起了科学技术的重大变化。
光学的另一个重要的分支是由成像光学、全息术和光学信息处理组成的。这一分支最早可追溯到1873年阿贝提出的显微镜成像理论,和1906年波特为之完成的实验验证;1935年泽尔尼克提出位相反衬观察法,并依此由蔡司工厂制成相衬显微镜,为此他获得了1953年诺贝尔物理学奖;1948年伽柏提出的现代全息照相术的前身——波阵面再现原理,为此,伽柏获得了1971年诺贝尔物理学奖。
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干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。
光学的研究内容
我们通常把光学分成几何光学、物理光学和量子光学。
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。
波动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。
量子光学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。
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。