物理学史结课论文-光学的发展历程.doc

现代光学的发展历程摘 要 ：光学是物理学的一个分支, 是一门古老的自然学科, 已经有数千年发展历史。从十七世纪到现在，光学的发展经历了萌芽时期、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。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，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。光学的发展简史，系统地概述了光学发展的现代光学时期，对现代光学的几个代表性方面做了大概的介绍，例如激光光学、成像光学、全息术和光信息处理等。关键词：现代光学；激光；全息术；信息光学。 20世纪中叶随着新技术的出现，新的理论也不断发展，由于光学的应用十分广泛已逐步形成了许多新的分支学科或边缘学科。几何光学本来就是为设计各种光学仪器而发展起来的专门学科，随着科学技术的进步，物理光学也越来越显示出它的威力，例如光的干涉目前仍是精密测量中无可替代的手段，衍射光栅则是重要的分光仪器，光谱在人类认识物质的微观结构(如原子结构、分子结构等)方面曾起了关键性的作用，人们把数学、信息论与光的衍射结合起来，发展起一门新的学科傅里叶光学把它应用到信息处理、像质评价、光学计算等技术中去。特别是激光的发明，可以说是光学发展史上的一个革命性的里程碑，由于激光具有强度大、单色性好、方向性强等一系列独特的性能，自从它问世以来，很快被运用到材料加工、精密测量、通讯、测距、全息检测、医疗、农业等极为广泛的技术领域，取得了优异的成绩。此外，激光还为同位素分离、储化，信息处理、受控核聚变、以及军事上的应用，展现了光辉的前景。（一）萌芽时期（约公元前 5 世纪16 世纪初） 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）及其弟子所着墨经中记载：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330275）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,9651038）写过一部光学全书，讨论了许多光学现象。公元 11 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。（二）几何光学时期（16 世纪18 世纪初） 1608 年荷兰人李普塞（Lippershey）发明第一架望远镜，17 世纪初延森（Janssen）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（Snell）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）得出着名的费马原理，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”中传播的波。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。（三）波动光学时期（19 世纪初19 世纪末） 1801 年托马斯杨 的“杨氏双缝干涉实验”解释了光的干涉现象，初步测定了光的波长，并于 1817 年提出光是一种横波。1815 年菲涅尔补充了惠更斯原理，形成惠更斯-菲涅尔原理；解释了光在各向同性介质中的直线传播和光的衍射现象，并推出菲涅尔公式。最终，19 世纪初光的波动理论终于战胜了微粒说。至此，光的波动理论既能解释光的直线传播，又能解释光的干涉、衍射和偏振等现象。1845 年法拉第发现了光的振动面在强磁场中的旋转，揭示了光与电磁场的内在联系。1856 年韦伯和柯尔劳斯发现电荷的电磁单位与静电单位的比值等于光在真空中的传播速度。1861 年麦克斯韦建立起着名的电磁理论，该理论预言了电磁波的存在，并指出电磁波的速度与光速相同，提出光是一种电磁波的假设。 麦克斯韦天才地总结和扩充了当时已知的电磁学知识, 提出了麦克斯韦方程组, 把波动光学推到了一个更高的阶段。然而, 人们对光的更进一步的认识是与量子力学和相对论的建立分不开的。1888 年赫兹发现了波长较长的电磁波-无线电波，它有反射、折射、干涉、衍射等与光类似的性质，传播速度恰好等于光速。至此，光的电磁理论基础被正式确立。 针对惠更斯波动理论中的光的传播介质“以太”是否存在这一问题，麦克尔逊和莫雷于1887年利用光的干涉效应（麦克尔逊干涉仪），试图探测地球相对于“以太”的运动，得到了否定的结论，证实以太根本不存在。（四）量子光学时期（20 世纪初20 世纪中叶） 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。 1916 年爱因斯坦预言原子和分子可以产生受激辐射。他在研究辐射时指出，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。激光具有极好的单色性、高亮度和良好的方向性，所以自发现以来得到迅速的发展和广泛应用，引起了光学领域和科学技术的重大变革。由于激光技术的发展突飞猛进，目前激光已经广泛应用于打孔、切割、导向、测距、医疗、通讯等方面，在核聚变等方面也有广阔的应用前景。这为现代光学的发展奠定了理论基础。（五）现代光学时期（20 世纪中叶） 1960 年，梅曼用红宝石制成第一台激光器；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。此后，光学开始进入了一个新的发展时期，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。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。 总之，现代光学和其他学科和技术的结合，在人们的生产和生活中发挥这日益重大的作用和影响，为人们认识自然、改造自然以及提高劳动生产率提供了强有力的科技力量。 参考目录1.光学的发展概述马明祥（国防科学技术大学光电科学与工程学院，湖南长沙 410073）；2.现代光学杨国帧（中国科学院物理研究所）；3信息光学概论陈