光學（物理學分支）
光學（）是物理學的一個重要分支。 它也是一門與光學工程技術相關的學科。 從狹義上講，光學是光和視覺的科學。 早期，這個詞僅用于與眼睛和視力有關的事物。 今天經常提到的光學是廣義上的一門科學，研究從微波、紅外線、可見光、紫外線到X射線和伽馬射線等各種波長的電磁輻射的產生、傳播、接收和顯示，如以及與物質的相互作用。 ，重點研究范圍從紅外到紫外波段。 它是物理學的重要組成部分。
光學是研究光的行為和特性的物理學科。 光是一種電磁波。 在物理學中，電磁波由電動力學中的麥克斯韋方程組描述。 同時，光具有波粒二象性，光的粒子性需要用量子力學來描述。
學習內容 幾何光學、物理光學、量子光學
光學基礎介紹
光學的起源在西方已有記載。 光學知識很早就有記載。 古希臘人歐幾里得（約公元前330-260年）在他的《反射光學》中研究了光的反射； 阿拉伯學者阿爾·哈森（AI-Hazen，965～1038）寫了一部《光學百科全書》，討論了許多光學現象。 光學作為一門學科的真正形成，應該從反射和折射定律確立的時代算起。 這兩條定律奠定了幾何光學的基礎。
光學發展史
光學是一門歷史悠久的學科，其發展歷史可以追溯到2000多年前。 人類對光的研究最初集中于嘗試回答諸如“人們如何看到周圍的物體？”等問題。 公元前400年左右，世界上最早的光學知識記載于中國的《墨經》中。 收錄了關于光學的8條記錄，描述了陰影的定義和產生、光的線性傳播和針孔成像，并以嚴謹的文筆討論了平面鏡、凹球面鏡和凸球面鏡中的物體和圖像的關系（見中國歷史）物理學）。
從《墨經》開始至今的2000多年的歷史時期，阿拉伯人伊本·海賽姆于11世紀發明并制造了凸透鏡。 1590年至17世紀初，H. 和H. 同時獨立研制了凸透鏡。 顯微鏡發明后，直到17世紀上半葉，W.斯內爾和R.笛卡爾才將光反射和折射的觀察結果總結成當今常用的光的反射和折射定律。
1665年，牛頓對太陽光進行了實驗，可以將太陽光分解成簡單的成分，形成顏色按一定順序排列的光分布——光譜。 它使人們第一次接觸到光的客觀、定量的特性。 每種單色光的空間分離由光的性質決定。 牛頓還發現，將一個大曲率半徑的凸透鏡放在光學平板玻璃板上，用白光照射時，在透鏡與玻璃板的接觸點處會出現一組彩色同心環形條紋； 當用某種單色光照射時，會出現一組明暗交替的同心環條紋。 后人將這種現象稱為牛頓環。 利用這一現象，可以利用第一暗環氣隙的厚度來定量表征相應的單色光。
在發現這些重要現象的同時，牛頓認為光是基于光的線性傳播的粒子流。 粒子從光源中飛出，遵循力學定律在均勻介質中以勻速直線運動。 他還用這個觀點來分析折射。 并對反射現象進行了解釋。 惠更斯是光粒子論的反對者。 他創立了波動理論。 1690年，他在《論光》中寫道：“光像聲音一樣，在球面波面中傳播。” 他還指出，光的振動達到的每一點都可以視為二次波的振動中心，二次波的包絡面就是傳播波的波前（wave front）。 整個18世紀，光的粒子流理論和光的波動理論被粗略地提出，但都不完整。
19世紀初，波動光學初步形成，以T. Young和A. 的作品為代表。 楊成功解釋了“膠片的顏色”和雙縫干涉現象。 1818年菲涅爾用楊格干涉原理補充了惠更斯原理，從而形成了今天眾所周知的惠更斯-菲涅爾原理。 它可以用來完美地解釋光的干涉和衍射現象，也可以解釋光的線性傳播。 在進一步的研究中，觀察到了光的偏振和偏振光的干涉。 為了解釋這些現象，菲涅爾假設光是在連續介質（以太）中傳播的橫波。 然而，彈性固體的特性必須強加于醚。 具有這種性質的以太是難以想象的，即使承認以太，光學現象也無法與其他物理現象聯系起來。
1846年，法拉第發現光的振動面在磁場中旋轉； 1856年，W.韋伯發現真空中的光速等于電流強度的電磁單位和靜電單位之比。 它們表明光學現象和電磁現象之間存在一定的內在聯系。
麥克斯韋在1860年左右的理論研究指出，電場和磁場的變化不能局限于空間的某一部分，而是以等于電流的電磁單位與靜電單位之比的速度傳播。 光就是這樣一種電磁現象。 這個結論在1888年被赫茲通過實驗證實。根據麥克斯韋理論，如果c代表真空中的光速，v代表介電常數為ε、磁導率μ的透明介質中的光速，則：
c/v=(εμ)1/2
式中，c/v正是介質的折射率，因此有：
n=(εμ)1/2
上式給出了透明介質的光學常數n、電常數ε和磁常數μ之間的關系。 在理解光的物理性質方面，麥克斯韋的理論比以前的理論向前邁進了一大步。
然而，該理論無法解釋產生高達光頻率的頻率的電振蕩器的特性，也無法解釋折射率隨光頻率變化而引起的光色散。 直到1896年H.洛倫茲創立了電子論，他才解釋了物質的發光和光吸收現象，也解釋了光在物質中傳播的各種特性，包括色散的解釋。 在洛倫茲的理論中，以太是一種巨大且無限的不可移動的介質。 它唯一的特點是光振動在這種介質中具有一定的傳播速度。
對于熱黑體輻射中能量隨波長的分布等重要問題，洛倫茲理論無法給出令人滿意的解釋。 而且，如果洛倫茲的以太概念被認為是正確的，則可以選擇運動的以太作為參考系高中物理光學現象應用，使人們能夠區分絕對運動。 事實上，1887年A.邁克爾遜等人用干涉儀測量了“以太風”，并得到了負結果。 這說明，在洛倫茲電子論時期，人們對光本質的認識還很片面。
1900年，普朗克借用物質分子結構理論中的不連續性概念，提出了輻射量子論。 他認為各種頻率的電磁波（包括光）只能由具有確定且離散能量的振蕩器發射。 這種能量粒子稱為量子，光的量子稱為光子。 量子理論不僅自然地解釋了熱體輻射的能量根據波長的分布，而且以全新的概念提出了光與物質之間相互作用的問題。 量子理論不僅為光學提供了新概念，也為整個物理學提供了新概念。 它的誕生通常被認為是現代物理學的起點。
1905年，愛因斯坦將量子理論應用到光電效應中，并對光子給出了非常清晰的表達。 他特別指出，當光與物質相互作用時，光也與作為最小單位的光子相互作用。 此外，19世紀末20世紀初的許多實驗很好地證明了光的量子性質。 [1] 1905年9月，德國《物理學年鑒》發表了愛因斯坦的文章《論運動介質的電動力學》。 首次提出狹義相對論的基本原理。 文章澄清了自伽利略和牛頓時代以來一直占主導地位的經典物理學的應用僅限于遠小于光速的速度，而他的新理論可以解釋與高速運動相關的過程的特征。 他從根本上放棄了以太的概念，成功地解釋了運動物體的光學現象。
這樣，在20世紀初，一方面從光的干涉、衍射、偏振和運動物體等光學現象證實了光是一種電磁波；另一方面又從光的干涉、衍射、偏振和運動物體等光學現象中證實了光是一種電磁波； 另一方面，從熱輻射、光電效應、光壓、光的化學效應等不可或缺的因素中也證實了這一點。 光的量子粒子性質得到了可疑的證明。
1922年發現的康普頓效應，1928年發現的拉曼效應，以及當時可以通過實驗獲得的原子光譜的超精細結構，無疑表明光學的發展不能獨立于量子物理。
現代光學中的光量子概念并不排斥光的波動概念，而是需要借助海森堡、薛定諤、狄拉克、費曼、施溫格、朝永慎一郎等人創建和發展的量子力學和量子力學。 量子電動力學可以將兩者統一起來。 應用他們的理論可以闡明原子光譜、分子光譜和離子光譜； 可以解釋電場、磁場和聲場對頻譜的影響； 可以建立激發條件和光譜特性之間的關系。 光學的歷史表明，現代物理學最重要的兩個基礎理論——量子力學和狹義相對論，都是在人類對光的研究中誕生和發展的。
光學學科內容
光學通常分為幾何光學、物理光學和量子光學。
光學幾何光學
基于實驗得出的幾個基本原理研究光傳播的學科。 基于光的概念和光的折射、反射定律描述光在介質中傳播規律的學科。
光學物理光學
從光是一種波這一事實出發，研究光在介質中傳播規律的學科也稱為波動光學。 它可以用來研究光的干涉、光的衍射、光的偏振及其在各向異性介質中傳播所呈現的現象。由于光速與電磁波的傳播速度相同，則
光學
有人推測光也是一種電磁波，這個猜想被后來的所有實驗所證實。 在某些條件下，使用幾何光學獲得的結果通常總是波動光學的近似值或極限值。
與幾何光學不同，波動光學不僅研究孔徑遠大于波長時光的傳播過程，而且還研究任意孔徑下光的傳播過程。 波動光學總能得出正確的解，但有時使用波動光學方法會更復雜，因此通常決定使用幾何光學或波動光學，或兩者都使用，具體取決于問題的性質。 例如，在光學儀器的通用光學系統設計中，常常采用幾何光學方法來確定系統的結構要素。 然而，在獲取光能量分布形式來評價其成像質量時，必須采用波動光學方法。
波動光學的理論基礎是經典電動力學麥克斯韋方程組。 光在介質中的宏觀參數介電常數ε和磁導率μ用麥克斯韋方程組的系數表示。 它們與透明介質的折射率n之間有一個簡單的關系：n=(εμ)1/2。 波動光學并不詳細討論ε和μ與物質結構的關系，而是重點解釋光波的傳播規律。 在建立 ε 和 μ 以及分子和晶體結構之間的關系時，對這些的研究有時稱為分子光學。 波動光學可以解釋光在散射介質和各向異性介質中傳播時發生的過程及其在介質界面附近的行為； 還可以解釋各種介質中的色散現象以及壓力、溫度、聲場、電場、磁場對光學的影響。 現象的影響。
雖然波動光學可以令人滿意地解釋光的傳播，但它通常無法解釋光的發射和吸收過程，這給經典物理學帶來了困難。
光學量子光學
1900年，普朗克在研究黑體輻射時，為了從理論上推導他當時得到的與現實非常相符的經驗公式，他大膽提出了一個與經典概念完全不同的假說，即構成黑體的振蕩器的能量。 它不能連續變化，只能取離散值：0,hv,2hv,...,nhv，其中n為正整數，ν為振蕩器頻率，h為普朗克常數，其值為6.626×10-34J · s。 1905年，愛因斯坦在研究光電效應時推廣了普朗克的上述量子理論高中物理光學現象應用，進而提出了光子的概念。 他認為光能并不像電磁波理論中描述的那樣將能量分布在波前，而是將其集中在稱為光子的粒子上。 這個粒子仍然保持著頻率的概念，頻率為ν的光子具有能量hν。 在光電效應中，當光子撞擊金屬表面時，它們立即被金屬中的電子吸收，而不需要電磁理論預測的積累能量所需的時間。 電子使用部分能量來克服金屬表面對其的影響。 吸力就是功函數，其余的就變成了電子離開金屬表面后的動能。 由此，我們認識到，原子或分子可以將其能量轉化為電磁場輻射或從場中獲取能量，但這只能以光子hν為單位來完成。
光波和光（量）粒子的二重性是光的本質。 光子、電子、質子、中子等微觀物體的波粒二象性是量子力學的重要基礎。 根據這種光子的性質來研究光的本質以及光與物質之間的相互作用的學科稱為量子光學，其基礎主要是量子力學或量子電動力學。 關于光在分子和原子中的產生和消失，不僅與光的本質有關，還與分子和原子的結構有關。 對此類問題的實驗驗證和理論討論是光學的一個分支，稱為光譜學。
光波和光（量）粒子的二重性是光的本質。 宏觀世界的連續漲落和它所代表的微觀世界的不連續量子，在經典物理學的簡化力學概念中是相互排斥的，但客觀上，事實上它們是統一的。 后來，不僅在理論上而且在實驗上都無可爭議地證明了：但是光具有這種二重性。 微觀世界中的物質，包括電子、質子、中子和原子，雖然它們是物理粒子，但它們也具有與自身相同的質量。 與速度相關的波的特征（參見波粒二象性）。
上述光量子論推動了現代物理學的發展。 此外，在運動介質的光學現象的研究中，邁克爾遜干涉儀在1880年代被用來測量被同一光束分成兩個相互垂直方向的兩個方向上的光速差異。 結果證明光速恒定（參見邁克爾遜-莫雷實驗），成為愛因斯坦狹義相對論的實驗基礎。 這一事實也是現代物理學的一項非常重要的成就。 因此，光學學科的研究成果對量子力學和相對論的建立起到了決定性的作用。 以上兩種理論構成了現代物理學乃至現代科學技術的理論基礎。
光學 現代光學
由于激光的發現和發展，一系列新的光學子學科產生并迅速發展。 [1]
早在1917年，愛因斯坦在研究原子輻射時，就詳細討論過物質輻射有兩種形式：一是自發輻射；二是自發輻射。 另一種是由外部光子的感應激發產生的受激輻射。 人們預見到，受激輻射發射可以產生非常明亮的單色光，并在某個方向上傳播。 由于這些特點，自1960年T. 首次制成紅寶石激光器以來，光受激輻射的研究帶動了激光科學和激光技術的快速發展，開辟了許多與激光密切相關的新興子學科。激光本身。 除量子光學外，還有非線性光學、激光光譜、超強超快光學、激光材料和激光物理等。
在經典波動光學中，介質參數被認為與光強無關，光學過程通常用線性微分方程來表達。 但當強激光穿過時，發現了許多新現象。 例如，發現折射率與激光的場強有關。 當光束強度變化時，光線在兩種介質界面處的折射角發生變化； 光束的自聚焦和自散焦； 光波通過一定介質后頻率發生變化，產生頻率、和頻、差頻等現象，這些現象都屬于非線性光學的研究范圍。 [1]
激光器現在可以產生高度定向、高度單色、偏振和頻率可調的光源物理資源網，可以獲得超短脈沖。 高分辨率光譜、皮秒（10-12s）超短脈沖和可調諧激光技術已經開發出來。 經典光譜學發生了深刻的變化，發展為激光光譜學。 同時，還可以獲得高功率、飛秒和超短脈沖激光。 研究這種類型的激光與物質之間的相互作用已經發展成為超強、超快的光學。 這些新興學科已成為研究物質微觀結構和微觀動力學過程的重要手段，為原子物理、分子物理、凝聚態物理、分子生物學和化學的結構和動力學過程的研究提供了前所未有的新技術。
隨著激光科學和激光技術的發展以及激光應用在多個領域的拓展，對激光材料和相應激光器件的性能提出了新的要求。 新光源和激光器開發所涉及的基本問題在現代光學中已變得非常重要。 內容，其發展趨勢是波長擴展和頻率可調、光脈沖寬度壓縮、器件小型化和固化。
幾十年的發展表明，激光科學和激光技術極大地促進了物理、化學、生命科學、環境科學等學科的發展，形成了一批非常活躍的新興學科和交叉學科，如激光化學、激光同時，激光器還廣泛應用于精密計量、遙感遙測、通信、全息、醫療、材料加工、激光制導和激光誘導核聚變等領域。
光學 應用光學
由于光學由許多與物理密切相關且應用范圍廣泛的子學科組成，因此還有一系列具有較強應用背景的子學科也屬于光學的范圍。 如與電磁輻射物理量測量相關的光度學和輻射度學； 比色法，利用正常人眼作為接收器，研究電磁輻射引起的色覺和心理物理量的測量； 以及光學系統設計與光學儀器理論、光學制造與光學測試與干涉測量、薄膜光學、光纖光學與集成光學等眾多技術光學； 還有與其他學科交叉的分支，如天文光學、海洋光學、遙感光學、大氣光學、生理光學和武器光學等。
光學進展
近幾十年來，光學發展更加迅速，進入了一個新時期。 該學科已發展成為現代物理學
光學
現代科學技術前沿的重要組成部分。 最重要的成就是證實和完善了愛因斯坦1916年預言的原子和分子受激發射理論，并創造了許多專門產生受激發射的技術。 愛因斯坦在研究輻射時指出輻射有兩種類型：自發輻射和受激輻射。 光源的發射一般是自發輻射，其中受激發射的概率很小，可以忽略不計。 然而，受激輻射具有產生相同方向、相位、頻率和偏振的輻射的特性。 在一定條件下，如果受激輻射能繼續激發其他粒子，引起連鎖反應，獲得雪崩般的放大效應，最終發出單色輻射，即所謂的激光。 第一個實現這種量子放大輻射的是C. 于1954年完成的微波激射器。隨后在1960年，T. 用紅寶石制成了第一臺可見光激光器； 同年，他制成了氦氖激光器； 1962年，生產出半導體激光器； 1963年，可調諧染料激光器問世。 近幾十年來制造的各種激光器已經覆蓋了從X射線、紫外線、可見光、紅外線和微波的整個波長帶。 由于激光具有優異的單色性、高亮度和良好的方向性，自激光發明以來，激光科學和激光技術得到了迅速發展和廣泛應用，引起了整個科學技術的重大變革。
現代光學的另一個重要分支是成像光學、全息術和光信息處理。 這一分支可以追溯到1873年E. Abbe提出的顯微鏡成像理論和1906年A. 完成的實驗驗證； 1935年，F.澤尼克提出相襯觀察法，蔡司工廠制成相襯顯微鏡，他因此獲得1953年諾貝爾物理學獎； 1948年，D.Gabor提出了波前再現原理，現代全息術的前身，Gabor因此獲得1971年諾貝爾物理學獎。
20世紀50年代，數學、電子技術和通信理論開始與光學結合，光譜、空間濾波、載波、線性變換及相關運算等概念被引入光學，經典成像光學得到更新，形成傅立葉光學。 此外，由于激光器提供的相干光以及E. Leith和J. 改進的波前再現——全息術，近幾十年來形成了一個新的學科領域——光信息處理。 過去幾十年，特別是1978年以來，由于光纖光損耗的成功降低，光纖的應用得到了突飛猛進的發展。 它不僅為內窺鏡光學系統提供光纖圖像傳輸和光傳輸，更重要的是，它成功應用于通信系統。 光纜取代電纜，實現光纖通信。 這是現代光學的又一重要成就，為信息傳輸和處理提供了新技術。 就現代光學本身而言，除了非線性光學、激光光譜、超強超快光學、激光材料和激光物理之外，以下領域也越來越受到人們的關注。 在探索和實現受控熱核反應中，利用激光誘導核聚變已經達到了產生“點火點”的水平。 激光光譜學，包括激光拉曼光譜、高分辨率光譜、皮秒超短脈沖和可調諧激光技術，給傳統光譜學帶來了巨大的變化，成為深入研究微觀結構、運動規律和結構的重要手段。能量轉換機制。 它為凝聚態物理、分子生物學和化學動態過程的研究提供了前所未有的技術。 激光冷卻和玻色-愛因斯坦凝聚的實現以及原子激光器的誕生是20世紀末物理學的重大突破之一。 在量子通信和量子計算方面，自1994年P. Schur提出量子并行算法以來，量子通信和量子計算已發展成為物理學和信息科學相結合的新興交叉學科領域。 該領域在理論和實驗上均取得了重大成果。 進步。 與掃描隧道顯微鏡類似，一系列近場光學掃描顯微鏡技術也被開發出來。 分辨率已達到光波波長的十分之一，形成了光學、掃描探針顯微鏡和光譜學相結合的新型科學。 跨學科——近場光學。 光子晶體是一種周期性介電（包括金屬）結構。 其周期對應于光波的波長。 在光子晶體中，光的傳播特性以及光子與原子、分子之間的相互作用發生了本質上的改變，從而可以對其進行控制。 光子的運動。 這是全新一類光子器件的物理基礎。 現代光學不僅推動了物理學的發展，而且與化學、生命科學、信息科學、材料科學等領域日益交叉。 也為應用開發研究提供了廣闊的前景，成為高新技術領域發展的基礎。 重要的學科基礎之一。
國際光學光年
2015 年是阿拉伯學者伊本·海賽姆 (Ibn ) 的五卷本光學著作誕生整整一千年。 千百年來，光技術給人類文明帶來了巨大進步。 為此，聯合國宣布2015年為“國際光和光技術年”（以下簡稱國際光年），以紀念過去千年來人類在光領域的重大發現。