光学基础知识    人们对于光的认识经历了复杂的演变过程,时至今日,尚未结束!

 
 

光学是一门古老的科学,中国古代的墨子(墨翟)和古希腊的欧几里德、托勒密都对此做出过杰出贡献。

    光学既是一门基础科学,又是一门技术科学。作为基础科学,主要研究光的产生、光的本性以及光和物质的相互作用。作为技术科学,是把光的现象和规律应用于人类的生产活动中而形成的一门技术科学,如将光作为信息传递的手段,便发展出各种光学仪器和设备,藉以扩展人们的视觉功能(观察)、听觉功能(通信)、触觉功能(测量)等;又如光作为能量的形式,利用光对物质产生的物理化学反应来改变物质的形态和属性,如激光核聚变,各种光源,光合作用等;再如光作为加工处理的手段,如激光进行材料加工,表面改性和医疗手术等。

    基于光学现象的新发现,以及光学原理与其他学科的综合应用,光学早已超出作为物理学学科分支的传统概念,正如物理学中的力学发展成为机械工程,电磁学发展成为电气工程,热力学发展成为动力工程一样,光学以其广阔的应用领域而形成光学工程。

光学的历史:

    光学作为一门科学(也就是有定义、定理、学说等),是从牛顿开始。1664年,牛顿开始研究光学,时年21岁。1671年牛顿制作了第一台反射式望远镜;1672年发表了光和色的新理论1704年发表了光学 - 关于光的反射、折射、弯曲和颜色的论文,叙述了几何光学的基本原理。此外,牛顿的分光实验以及牛顿环的发现,使光学由几何光学进入了物理光学领域。

        19世纪初,菲涅耳以大量的实验证据,使光的波动理论得以确立。在后来的发展中,对光认识具有根本性变革的是麦克斯韦关于光的电磁波理论。1900年,普朗克提出了量子假说,他是为解决当时所谓紫外灾难而提出黑体辐射的能量分布共公式,但需假定物体的辐射能不是连续变化,而是以一定整数倍跳跃式变化,才能对他(普朗克)的黑体辐射公式作出合理的解释。这个最小的不可再分的能量单元称为能量子量子。当时的物理学家认为:量子假说与物理学界几百年来信奉的自然界无跳跃理念相矛盾,普朗克本人甚至也放弃量子论继续用能量的连续变化的概念来研究辐射问题。

    第一个意识到量子概念的普遍意义并将其运用到其他问题的是爱因斯坦。他提出了光子的概念,建立了光量子论以解释光电效应中的新现象。光量子论的提出使光的本性历史争论进入了一个新的阶段。自牛顿以来,光的微粒说和波动说此起彼伏,争论不已。爱因斯坦的理论重新肯定了微粒说和波动说描述光的行为的意义,它们均反映了光的本质的一个侧面:光有时候表现出波动性,有时候表现出粒子性,但它既非经典的粒子,也非经典的波。这就是光的波粒二象性。此后,玻尔、薛定谔、海森伯的量子力学理论的提出又进一步推动了光的发射和吸收的量子光学的进展,从此光学理论的发展在近一个世纪中便同量子物理的发展联系起来了。

    光学历史上最重要的转折性阶段是与惠更斯、牛顿、菲涅耳、基尔霍夫、麦克斯韦、普朗克、玻尔、爱因斯坦、薛定谔、海森伯的名字联在一起的。

光学研究的专业领域:

1应用光学

        以几何光学和物理光学为基础的光学应用工程,认识物质世界的工具。作为应用光学领域的光学仪器的典型设备有望远镜,显微镜,照相机和电影电视摄像设备,大地及空间测量仪器。表现为认知世界的工具。

2光子学技术:

    以光量子学为研究基础(如激光、光电器件等)。20世纪60年代激光的出现,使光学迈入光子学新阶段,向更深层次发展。激光的卓越特性推进了物理学、化学、生物学的研究,加深了对物质及其运动规律的认识,已经形成和正在形成一些新的学科分支,如量子光学、激光物理学、激光化学、激光生物学等。

    在激光领域,由于激光具有很高的单色亮度,从而产生种种非线性光学现象和非线性光谱方法。由于激光可以形成极高的功率密度或强电磁场,以致超过原子内部场强,从而发生种种多光子激发和电离,可借以研究原子在磁场中的行为以及高温高密度等离子体的行为。激光诱导荧光和光致电离的检测灵敏度可测得单原子(分子)的存在。用激光进行材料加工(切割、打孔、表面热处理和改性等)或医疗手术,已是十分成功的应用。激光若能在远距离形成高功率密度,就可作为一种定向能武器。目前虽然激光亮度远远达不到所需要的要求,但用激光使仪器致盲,用脉冲激光测定远距离目标,用激光引导导弹、炸弹、炮弹等战术武器多数已很成功。

3信息光学技术:

    由于半导体激光器和光导纤维技术的重大突破,导致了以光纤通信为代表的光信息技术的蓬勃发展。

4光学技术及工程:(作为改造世界的手段)。

    光学技术及工程将光与物质的相互作用为重要的研究内容。20世纪初期量子理论的发展,到了60年代,首先是激光的出现,即激光器。同步辐射器这些新型光源的出现,强激光与物质相互作用产生了一系列非线性效应,使光学研究领域焕然一新。

    光学研究的专业领域,并不能区分为非常独立的门类。随着新的光学现象的被发现和学科间的融合,其研究的范围将越来越广阔。现代光学和光子学的进展,已形成了一系列学科分支,如非线性光学、波导光学、强光光学、全息光学、自适应光学、X射线光学、天文光学、激光光谱学、瞬态光学、红外光学、遥感技术、声光学、成像光学等等。现代光学和光子学的一个最大特点是对其他学科和各个技术部门有很强的渗透力。如光学和光子学与物理学结合,便有激光物理学、量子光学、激光等离子体物理等;与化学结合,便有光化学、激光诱导荧光光谱学等;与生物学结合,便有激光生物学、生物光学等;与医学结合,便有激光医学。在当代,可以这样说,没有一个技术部门不与光学和光子学有联系。仅以兵器的应用为例,光学装备便是发现敌人、瞄准敌人的高级传感器系统,是武器的眼睛,它完成对敌方的侦察、监视、预警、瞄准以及通讯等任务。于是有微光夜视技术、红外热成像技术、光电火控技术、光电对抗技术、坦克光电系统及技术、野战信息数字化光电子技术、精确制导技术、以及激光武器、激光测距、激光制导、激光雷达、激光引信等等。

以下是光学的一些典型学科:

自适应光学【信息】生物及医学光学【工程】电子成像【光子学】纤维光学【信息】

与健康有关的光学【工程】高速摄影、图像显示术与光子学【仪器】【光子学】全息术【信息】

激光通信【信息】镜头设计【仪器】无损检验(光学)【仪器】光学(图像)处理及光计算【信息】

光学材料【工程】光电子学(包括激光)【光子学】光电与精密仪器设计【光子学】【仪器】

可穿透辐射【光子学】光刻技术【工程】光掩模技术【工程】机器人与机器视觉【工程】【信息】

灵巧结构与材料(光学部分)【仪器】【工程】热敏感(热图)【光子学】 、X射线 / 紫外光学【光子学】

中国光学学会现有如下15个专业委员会:

基础光学
工程光学【仪器】【工程】
光学材料【工程】
红外光电(红外光学及光电器件)【光子学】
激光【光子学】
高速摄影与光子学【光子学】【仪器】
光谱学与光谱分析【仪器】
薄膜光学【工程】
光学检验【工程】
光学加工工艺【工程】
医用光学【仪器】【工程】
光学信息处理与全息术、光机算【信息】
光纤光学与集成光学【信息】
光电技术【光子学】
光学情报
以上各专业委员会除第一项为基础科学,第15项为情报机构外,其余都与光学工程有关。

 

 

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