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光学（二）
2025-06-05
学科内容
通常把光学分成几何光学、波动光学和量子光学。
几何光学
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。基于光线的概念和光线的折射、反射定律来描述光在介质中传播规律的学科。
波动光学
从光是一种波动出发，研究光在介质中传播规律的学科。可用来研究光的干涉、光的衍射、光的偏振及其在各向异性介质中传播所呈现出的现象。由于光速和电磁波传播速度相同，从而推测光也是电磁波，这一推测被以后所有实验所证实。而利用几何光学所得的结果，通常总是波动光学在某些条件下的近似或极限。
与几何光学不同，波动光学不仅考察孔径远大于波长情况下的光的传播过程，而且研究任何孔径情况下的光的传播过程。波动光学总能得出正确的解，但是有时用波动光学方法较为复杂，所以通常根据问题的性质来决定采用几何光学还是波动光学，或者两者兼而用之。例如，在光学仪器的一般光学系统设计中，多用几何光学方法来确定系统的结构要素，但在求得光能分布形式从而评价其成像质量时，就必须用波动光学方法。
波动光学的理论基础就是经典电动力学的麦克斯韦方程组。光在介质中的宏观参量介电常数ε和磁导率μ，麦克斯韦方程组中表现为系数。它们与透明介质的折射率n之间有个简单的关系：n=(εμ)1/2。波动光学不详细论述ε和μ与物质结构的关系，而侧重于解释光波的传播规律。在建立ε和μ跟分子和晶体结构之间的关系中，研究这些内容有时称为分子光学。波动光学可解释光在散射介质和各向异性介质中传播时所伴随产生的过程和在介质界面附近的表现；也能解释色散现象和各种介质中压力、温度、声场、电场和磁场对光学现象的影响。
虽然波动光学能对光的传播作出满意的解释，但一般不能说明光的发射和吸收过程，表现出经典物理的困难。
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那时他已经得到的与实际相符甚好的经验公式，大胆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：0，hv，2hv，…，nhv，其中n为正整数，ν为振子频率，h为普朗克常数，其值为6.626×10－34J·s。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把能量分布在波阵面上，而是集中在所谓光子的微粒上。这种微粒仍保持着频率的概念，频率为ν的光子具有能量hν。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。由此认识到一个原子或一个分子能把它的能量转变成电磁场辐射或从该场中获得能量，但只能以光子hν为单位来进行。
光的波动和光（量）子的二象性是光的本性。光子、电子、质子、中子等微观客体的波粒二象性是形成量子力学的重要基础。从这种光子的性质出发来研究光的本性以及光与物质相互作用的学科即称为量子光学，它的基础主要是量子力学或量子电动力学。关于光在分子、原子中的产生与消失，不仅是光的本质问题，还关系到分子、原子的结构。从实验上验证和从理论上论述这类问题，是光学的一个分支，称光谱学。
光的波动和光（量）子的二象性是光的本性。它表现的宏观世界中连续的波动和微观世界中的不连续的量子，在经典物理学简化的机械概念中是互相排斥的，而客观实际上，它们是统一的。后来不仅从理论上而且也从实验上无可争辩地证明了：但光有这种两重性，微观世界的物质，包括电子、质子、中子和原子，它们虽是颗粒实物，也都有与其本身质量和速度相联系的波动的特性（见波粒二象性）。
上述光的量子理论促进了近代物理学的发展。此外，在运动媒质的光学现象的研究中，19世纪80年代用迈克耳孙干涉仪测量由同一光束分成相互垂直的两个方向光速的差异，其结果显示光速是不变的（见迈克耳孙－莫雷实验），成为爱因斯坦狭义相对论的实验基础，这一事实也是近代物理中十分重要的成就。因此，光学学科中的研究成果对于量子力学和相对论的建立起了决定性的作用。上述两大学说构成了现代物理学乃至现代科学技术的理论基础。
现代光学
由于激光的发现和发展，产生了一系列新的光学分支学科，并得到了迅速的发展。
早在1917年，爱因斯坦在研究原子辐射时曾详细地论述过物质辐射有两种形式：其一是自发辐射；其二是受外来光子的诱发激励所产生的受激辐射。并预见到受激辐射可产生沿一定方向传播的亮度非常高的单色光。由于这些特点，自1960年T.梅曼首先作成红宝石激光器以来，光受激辐射的研究使得激光科学和激光技术得到迅速的发展，开辟了一批与激光本身紧密相关的新兴分支学科。除量子光学外，还有如非线性光学、激光光谱学、超强超快光学、激光材料和激光器物理学等。
经典波动光学中，介质参量被认为与光的强度无关，光学过程通常用线性微分方程来表述。但在强激光通过的情况下发现了许多新现象。如发现折射率跟激光的场强有关，光束强度改变时两介质界面处光的折射角随之发生改变；光束的自聚焦和自散焦；通过某些介质后光波的频率发生改变，产生倍频、和频和差频等。所有这些现象都归入非线性光学研究。
激光器现已能够产生高度指向性、高度单色性、偏振以及频率可调谐和可能获得超短脉冲的光源，高分辨率光谱、皮秒（10－12s）超短脉冲以及可调谐激光技术等已使经典的光谱学发生了深刻的变化，发展成为激光光谱学。同时，还能获得高功率、飞秒超短脉冲的激光，研究这类激光与物质相互作用已发展成超强超快光学。以上这些新兴学科成为研究物质微观结构、微观动力学过程的重要手段，为原子物理、分子物理、凝聚态物理学、分子生物学和化学的结构和动态过程的研究提供了前所未有的新技术。
随着激光科学和激光技术的发展以及激光在众多领域的应用开拓，对激光材料和相应的激光器件的性能提出了新的要求，新型光源和激光器发展中所涉及的基本问题成为现代光学的重要内容，其发展趋势是波长的扩展与可调频、光脉冲宽度的压缩，以及器件的小型化和固体化等。
几十年来的发展表明，激光科学和激光技术极大地促进了物理学、化学、生命科学和环境科学等学科的发展，已形成一批十分活跃的新兴学科和交叉学科，如激光化学、激光生物学、激光医学、信息光学等。同时，激光还在精密计量、遥感和遥测、通信、全息术、医疗、材料加工、激光制导和激光引发核聚变等方面获得了广泛的应用。
应用光学
由于光学由许多与物理学紧密联系的分支学科组成，具有广泛的应用，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。如有关电磁辐射物理量测量的光度学和辐射度学；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诸如光学系统设计及光学仪器理论，光学制造和光学测试及干涉量度学、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。
学科进展
近几十年来光学更加迅猛地发展，开始进入了一个新的时期，学科进展成为现代物理学与现代科学和技术前沿的重要组成部分。最重要的成就是证实并完善了爱因斯坦于1916年预言过的原子和分子的受激辐射的理论，并创造了许多具体产生受激辐射的技术。爱因斯坦研究辐射时指出，有自发辐射和受激辐射两种。光源的发射一般都属自发辐射，其中受激辐射概率小到可忽略不计。但受激辐射具有产生同方向、同位相、同频率和同偏振辐射的性质。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，最后给出单色性的辐射，即所谓的激光。第一个实现这种量子放大的辐射的是1954年以C.汤斯完成的微波激射器。随后在1960年，T.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年产生可调谐染料激光器。近几十年来制成的各种激光器已覆盖由X射线、紫外、可见、红外及至微波的整个波段。由于激光具有极好的单色性、高亮度和良好的方向性，所以自激光器发明以来，激光科学与激光技术得到了迅速发展和广泛应用，引起了整个科学技术的重大变化。
另一个重要的现代光学分支是由成像光学、全息术和光学信息处理组成的。这一分支可追溯到1873年E.阿贝提出的显微镜成像理论和1906年A.波特为之完成的实验验证；1935年F.泽尔尼克提出位相反衬观察法，而由蔡司（Zeiss）工厂制成相衬显微镜，为此他于1953年获得诺贝尔物理学奖；1948年D.伽柏提出的现代全息照相术前身的波阵面再现原理，为此，伽柏于1971年获得诺贝尔物理学奖。
20世纪50年代开始把数学、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，形成了傅里叶光学。再加上由于激光所提供的相干光和由E. 利思及J. 阿帕特内克斯改进了的波阵面再现——全息术，近几十年来形成了一个新的学科领域——光学信息处理。数十年来，特别是1978年以来由于成功地减小了光纤中光的耗损，纤维光学的应用得到突飞猛进的发展。它不仅为内窥光学系统提供了纤维传像和传光，尤其重要的是它成功地应用于通信系统，光缆代替电缆，实现了光纤通信。这是现代光学的另一重要成就，为信息传输和处理提供了崭新的技术。
在现代光学本身，除非线性光学、激光光谱学、超强超快光学、激光材料和激光器物理外，在以下领域越来越多地为人们所关注。以激光引发核聚变在探索实现受控热核反应方面已经达到了能产生"发火点"的水平。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等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技术。激光冷却和玻色－爱因斯坦凝聚的实现以及原子激光的诞生是20世纪末物理学的重大突破性进展之一。在量子通信与量子计算方面，自从1994年P.舒尔提出量子平行算法以来，量子通信与量子计算发展成物理学与信息科学相结合的新兴交叉学科，这方面的理论和实验均取得了重大进展。 与扫描隧道显微镜类似，发展了一系列近场光学扫描显微镜技术，分辨率已达到光波波长的数十分之一，并形成了一门光学、扫描探针显微学和光谱学相结合的新型交叉学科——近场光学。光子晶体是一种周期的介电（包括金属）结构，它的周期相应于光波波长，在光子晶体中光的传播特性以及光子与原子、分子的相互作用都发生了本质的改变，从而可控制光子的运动。这是一类全新的光子器件的物理基础。现代光学不仅促进了物理的发展，并与化学、生命科学、信息科学、材料科学等领域的交叉日渐广泛和深入，同时也为应用发展研究提供了广阔的前景，已成为高技术领域发展所依托的重要学科基础之一。
2022年10月，清华大学团队提出突破光学像差世界难题新路径
国际光年
2015年距阿拉伯学者伊本·海赛姆的五卷本光学著作诞生恰好一千年。一千年来，光技术带给人类文明巨大的进步。为此，联合国宣布2015年为"光和光基技术国际年"（以下简称国际光年），以纪念千年来人类在光领域的重大发现。
