光学（物理学分支）
光学（）是物理学的一个重要分支。 它也是一门与光学工程技术相关的学科。 从狭义上讲，光学是光和视觉的科学。 早期，这个词仅用于与眼睛和视力有关的事物。 今天经常提到的光学是广义上的一门科学，研究从微波、红外线、可见光、紫外线到X射线和伽马射线等各种波长的电磁辐射的产生、传播、接收和显示，如以及与物质的相互作用。 ，重点研究范围从红外到紫外波段。 它是物理学的重要组成部分。
光学是研究光的行为和特性的物理学科。 光是一种电磁波。 在物理学中，电磁波由电动力学中的麦克斯韦方程组描述。 同时，光具有波粒二象性，光的粒子性需要用量子力学来描述。
学习内容 几何光学、物理光学、量子光学
光学基础介绍
光学的起源在西方已有记载。 光学知识很早就有记载。 古希腊人欧几里得（约公元前330-260年）在他的《反射光学》中研究了光的反射； 阿拉伯学者阿尔·哈森（AI-Hazen，965～1038）写了一部《光学百科全书》，讨论了许多光学现象。 光学作为一门学科的真正形成，应该从反射和折射定律确立的时代算起。 这两条定律奠定了几何光学的基础。
光学发展史
光学是一门历史悠久的学科，其发展历史可以追溯到2000多年前。 人类对光的研究最初集中于尝试回答诸如“人们如何看到周围的物体？”等问题。 公元前400年左右，世界上最早的光学知识记载于中国的《墨经》中。 收录了关于光学的8条记录，描述了阴影的定义和产生、光的线性传播和针孔成像，并以严谨的文笔讨论了平面镜、凹球面镜和凸球面镜中的物体和图像的关系（见中国历史）物理学）。
从《墨经》开始至今的2000多年的历史时期，阿拉伯人伊本·海赛姆于11世纪发明并制造了凸透镜。 1590年至17世纪初，H. 和H. 同时独立研制了凸透镜。 显微镜发明后，直到17世纪上半叶，W.斯内尔和R.笛卡尔才将光反射和折射的观察结果总结成当今常用的光的反射和折射定律。
1665年，牛顿对太阳光进行了实验，可以将太阳光分解成简单的成分，形成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、定量的特性。 每种单色光的空间分离由光的性质决定。 牛顿还发现，将一个大曲率半径的凸透镜放在光学平板玻璃板上，用白光照射时，在透镜与玻璃板的接触点处会出现一组彩色同心环形条纹； 当用某种单色光照射时，会出现一组明暗交替的同心环条纹。 后人将这种现象称为牛顿环。 利用这一现象，可以利用第一暗环气隙的厚度来定量表征相应的单色光。
在发现这些重要现象的同时，牛顿认为光是基于光的线性传播的粒子流。 粒子从光源中飞出，遵循力学定律在均匀介质中以匀速直线运动。 他还用这个观点来分析折射。 并对反射现象进行了解释。 惠更斯是光粒子论的反对者。 他创立了波动理论。 1690年，他在《论光》中写道：“光像声音一样，在球面波面中传播。” 他还指出，光的振动达到的每一点都可以视为二次波的振动中心，二次波的包络面就是传播波的波前（wave front）。 整个18世纪，光的粒子流理论和光的波动理论被粗略地提出，但都不完整。
19世纪初，波动光学初步形成，以T. Young和A. 的作品为代表。 杨成功解释了“胶片的颜色”和双缝干涉现象。 1818年菲涅尔用杨格干涉原理补充了惠更斯原理，从而形成了今天众所周知的惠更斯-菲涅尔原理。 它可以用来完美地解释光的干涉和衍射现象，也可以解释光的线性传播。 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，菲涅尔假设光是在连续介质（以太）中传播的横波。 然而，弹性固体的特性必须强加于醚。 具有这种性质的以太是难以想象的，即使承认以太，光学现象也无法与其他物理现象联系起来。
1846年，法拉第发现光的振动面在磁场中旋转； 1856年，W.韦伯发现真空中的光速等于电流强度的电磁单位和静电单位之比。 它们表明光学现象和电磁现象之间存在一定的内在联系。
麦克斯韦在1860年左右的理论研究指出，电场和磁场的变化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之比的速度传播。 光就是这样一种电磁现象。 这个结论在1888年被赫兹通过实验证实。根据麦克斯韦理论，如果c代表真空中的光速，v代表介电常数为ε、磁导率μ的透明介质中的光速，则：
c/v=(εμ)1/2
式中，c/v正是介质的折射率，因此有：
n=(εμ)1/2
上式给出了透明介质的光学常数n、电常数ε和磁常数μ之间的关系。 在理解光的物理性质方面，麦克斯韦的理论比以前的理论向前迈进了一大步。
然而，该理论无法解释产生高达光频率的频率的电振荡器的特性，也无法解释折射率随光频率变化而引起的光色散。 直到1896年H.洛伦兹创立了电子论，他才解释了物质的发光和光吸收现象，也解释了光在物质中传播的各种特性，包括色散的解释。 在洛伦兹的理论中，以太是一种巨大且无限的不可移动的介质。 它唯一的特点是光振动在这种介质中具有一定的传播速度。
对于热黑体辐射中能量随波长的分布等重要问题，洛伦兹理论无法给出令人满意的解释。 而且，如果洛伦兹的以太概念被认为是正确的，则可以选择运动的以太作为参考系高中物理光学现象应用，使人们能够区分绝对运动。 事实上，1887年A.迈克尔逊等人用干涉仪测量了“以太风”，并得到了负结果。 这说明，在洛伦兹电子论时期，人们对光本质的认识还很片面。
1900年，普朗克借用物质分子结构理论中的不连续性概念，提出了辐射量子论。 他认为各种频率的电磁波（包括光）只能由具有确定且离散能量的振荡器发射。 这种能量粒子称为量子，光的量子称为光子。 量子理论不仅自然地解释了热体辐射的能量根据波长的分布，而且以全新的概念提出了光与物质之间相互作用的问题。 量子理论不仅为光学提供了新概念，也为整个物理学提供了新概念。 它的诞生通常被认为是现代物理学的起点。
1905年，爱因斯坦将量子理论应用到光电效应中，并对光子给出了非常清晰的表达。 他特别指出，当光与物质相互作用时，光也与作为最小单位的光子相互作用。 此外，19世纪末20世纪初的许多实验很好地证明了光的量子性质。 [1] 1905年9月，德国《物理学年鉴》发表了爱因斯坦的文章《论运动介质的电动力学》。 首次提出狭义相对论的基本原理。 文章澄清了自伽利略和牛顿时代以来一直占主导地位的经典物理学的应用仅限于远小于光速的速度，而他的新理论可以解释与高速运动相关的过程的特征。 他从根本上放弃了以太的概念，成功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、偏振和运动物体等光学现象证实了光是一种电磁波；另一方面又从光的干涉、衍射、偏振和运动物体等光学现象中证实了光是一种电磁波； 另一方面，从热辐射、光电效应、光压、光的化学效应等不可或缺的因素中也证实了这一点。 光的量子粒子性质得到了可疑的证明。
1922年发现的康普顿效应，1928年发现的拉曼效应，以及当时可以通过实验获得的原子光谱的超精细结构，无疑表明光学的发展不能独立于量子物理。
现代光学中的光量子概念并不排斥光的波动概念，而是需要借助海森堡、薛定谔、狄拉克、费曼、施温格、朝永慎一郎等人创建和发展的量子力学和量子力学。 量子电动力学可以将两者统一起来。 应用他们的理论可以阐明原子光谱、分子光谱和离子光谱； 可以解释电场、磁场和声场对频谱的影响； 可以建立激发条件和光谱特性之间的关系。 光学的历史表明，现代物理学最重要的两个基础理论——量子力学和狭义相对论，都是在人类对光的研究中诞生和发展的。
光学学科内容
光学通常分为几何光学、物理光学和量子光学。
光学几何光学
基于实验得出的几个基本原理研究光传播的学科。 基于光的概念和光的折射、反射定律描述光在介质中传播规律的学科。
光学物理光学
从光是一种波这一事实出发，研究光在介质中传播规律的学科也称为波动光学。 它可以用来研究光的干涉、光的衍射、光的偏振及其在各向异性介质中传播所呈现的现象。由于光速与电磁波的传播速度相同，则
光学
有人推测光也是一种电磁波，这个猜想被后来的所有实验所证实。 在某些条件下，使用几何光学获得的结果通常总是波动光学的近似值或极限值。
与几何光学不同，波动光学不仅研究孔径远大于波长时光的传播过程，而且还研究任意孔径下光的传播过程。 波动光学总能得出正确的解，但有时使用波动光学方法会更复杂，因此通常决定使用几何光学或波动光学，或两者都使用，具体取决于问题的性质。 例如，在光学仪器的通用光学系统设计中，常常采用几何光学方法来确定系统的结构要素。 然而，在获取光能量分布形式来评价其成像质量时，必须采用波动光学方法。
波动光学的理论基础是经典电动力学麦克斯韦方程组。 光在介质中的宏观参数介电常数ε和磁导率μ用麦克斯韦方程组的系数表示。 它们与透明介质的折射率n之间有一个简单的关系：n=(εμ)1/2。 波动光学并不详细讨论ε和μ与物质结构的关系，而是重点解释光波的传播规律。 在建立 ε 和 μ 以及分子和晶体结构之间的关系时，对这些的研究有时称为分子光学。 波动光学可以解释光在散射介质和各向异性介质中传播时发生的过程及其在介质界面附近的行为； 还可以解释各种介质中的色散现象以及压力、温度、声场、电场、磁场对光学的影响。 现象的影响。
虽然波动光学可以令人满意地解释光的传播，但它通常无法解释光的发射和吸收过程，这给经典物理学带来了困难。
光学量子光学
1900年，普朗克在研究黑体辐射时，为了从理论上推导他当时得到的与现实非常相符的经验公式，他大胆提出了一个与经典概念完全不同的假说，即构成黑体的振荡器的能量。 它不能连续变化，只能取离散值：0,hv,2hv,...,nhv，其中n为正整数，ν为振荡器频率，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理论高中物理光学现象应用，进而提出了光子的概念。 他认为光能并不像电磁波理论中描述的那样将能量分布在波前，而是将其集中在称为光子的粒子上。 这个粒子仍然保持着频率的概念，频率为ν的光子具有能量hν。 在光电效应中，当光子撞击金属表面时，它们立即被金属中的电子吸收，而不需要电磁理论预测的积累能量所需的时间。 电子使用部分能量来克服金属表面对其的影响。 吸力就是功函数，其余的就变成了电子离开金属表面后的动能。 由此，我们认识到，原子或分子可以将其能量转化为电磁场辐射或从场中获取能量，但这只能以光子hν为单位来完成。
光波和光（量）粒子的二重性是光的本质。 光子、电子、质子、中子等微观物体的波粒二象性是量子力学的重要基础。 根据这种光子的性质来研究光的本质以及光与物质之间的相互作用的学科称为量子光学，其基础主要是量子力学或量子电动力学。 关于光在分子和原子中的产生和消失，不仅与光的本质有关，还与分子和原子的结构有关。 对此类问题的实验验证和理论讨论是光学的一个分支，称为光谱学。
光波和光（量）粒子的二重性是光的本质。 宏观世界的连续涨落和它所代表的微观世界的不连续量子，在经典物理学的简化力学概念中是相互排斥的，但客观上，事实上它们是统一的。 后来，不仅在理论上而且在实验上都无可争议地证明了：但是光具有这种二重性。 微观世界中的物质，包括电子、质子、中子和原子，虽然它们是物理粒子，但它们也具有与自身相同的质量。 与速度相关的波的特征（参见波粒二象性）。
上述光量子论推动了现代物理学的发展。 此外，在运动介质的光学现象的研究中，迈克尔逊干涉仪在1880年代被用来测量被同一光束分成两个相互垂直方向的两个方向上的光速差异。 结果证明光速恒定（参见迈克尔逊-莫雷实验），成为爱因斯坦狭义相对论的实验基础。 这一事实也是现代物理学的一项非常重要的成就。 因此，光学学科的研究成果对量子力学和相对论的建立起到了决定性的作用。 以上两种理论构成了现代物理学乃至现代科学技术的理论基础。
光学 现代光学
由于激光的发现和发展，一系列新的光学子学科产生并迅速发展。 [1]
早在1917年，爱因斯坦在研究原子辐射时，就详细讨论过物质辐射有两种形式：一是自发辐射；二是自发辐射。 另一种是由外部光子的感应激发产生的受激辐射。 人们预见到，受激辐射发射可以产生非常明亮的单色光，并在某个方向上传播。 由于这些特点，自1960年T. 首次制成红宝石激光器以来，光受激辐射的研究带动了激光科学和激光技术的快速发展，开辟了许多与激光密切相关的新兴子学科。激光本身。 除量子光学外，还有非线性光学、激光光谱、超强超快光学、激光材料和激光物理等。
在经典波动光学中，介质参数被认为与光强无关，光学过程通常用线性微分方程来表达。 但当强激光穿过时，发现了许多新现象。 例如，发现折射率与激光的场强有关。 当光束强度变化时，光线在两种介质界面处的折射角发生变化； 光束的自聚焦和自散焦； 光波通过一定介质后频率发生变化，产生频率、和频、差频等现象，这些现象都属于非线性光学的研究范围。 [1]
激光器现在可以产生高度定向、高度单色、偏振和频率可调的光源物理资源网，可以获得超短脉冲。 高分辨率光谱、皮秒（10-12s）超短脉冲和可调谐激光技术已经开发出来。 经典光谱学发生了深刻的变化，发展为激光光谱学。 同时，还可以获得高功率、飞秒和超短脉冲激光。 研究这种类型的激光与物质之间的相互作用已经发展成为超强、超快的光学。 这些新兴学科已成为研究物质微观结构和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、分子生物学和化学的结构和动力学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应用在多个领域的拓展，对激光材料和相应激光器件的性能提出了新的要求。 新光源和激光器开发所涉及的基本问题在现代光学中已变得非常重要。 内容，其发展趋势是波长扩展和频率可调、光脉冲宽度压缩、器件小型化和固化。
几十年的发展表明，激光科学和激光技术极大地促进了物理、化学、生命科学、环境科学等学科的发展，形成了一批非常活跃的新兴学科和交叉学科，如激光化学、激光同时，激光器还广泛应用于精密计量、遥感遥测、通信、全息、医疗、材料加工、激光制导和激光诱导核聚变等领域。
光学 应用光学
由于光学由许多与物理密切相关且应用范围广泛的子学科组成，因此还有一系列具有较强应用背景的子学科也属于光学的范围。 如与电磁辐射物理量测量相关的光度学和辐射度学； 比色法，利用正常人眼作为接收器，研究电磁辐射引起的色觉和心理物理量的测量； 以及光学系统设计与光学仪器理论、光学制造与光学测试与干涉测量、薄膜光学、光纤光学与集成光学等众多技术光学； 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、生理光学和武器光学等。
光学进展
近几十年来，光学发展更加迅速，进入了一个新时期。 该学科已发展成为现代物理学
光学
现代科学技术前沿的重要组成部分。 最重要的成就是证实和完善了爱因斯坦1916年预言的原子和分子受激发射理论，并创造了许多专门产生受激发射的技术。 爱因斯坦在研究辐射时指出辐射有两种类型：自发辐射和受激辐射。 光源的发射一般是自发辐射，其中受激发射的概率很小，可以忽略不计。 然而，受激辐射具有产生相同方向、相位、频率和偏振的辐射的特性。 在一定条件下，如果受激辐射能继续激发其他粒子，引起连锁反应，获得雪崩般的放大效应，最终发出单色辐射，即所谓的激光。 第一个实现这种量子放大辐射的是C. 于1954年完成的微波激射器。随后在1960年，T. 用红宝石制成了第一台可见光激光器； 同年，他制成了氦氖激光器； 1962年，生产出半导体激光器； 1963年，可调谐染料激光器问世。 近几十年来制造的各种激光器已经覆盖了从X射线、紫外线、可见光、红外线和微波的整个波长带。 由于激光具有优异的单色性、高亮度和良好的方向性，自激光发明以来，激光科学和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革。
现代光学的另一个重要分支是成像光学、全息术和光信息处理。 这一分支可以追溯到1873年E. Abbe提出的显微镜成像理论和1906年A. 完成的实验验证； 1935年，F.泽尼克提出相衬观察法，蔡司工厂制成相衬显微镜，他因此获得1953年诺贝尔物理学奖； 1948年，D.Gabor提出了波前再现原理，现代全息术的前身，Gabor因此获得1971年诺贝尔物理学奖。
20世纪50年代，数学、电子技术和通信理论开始与光学结合，光谱、空间滤波、载波、线性变换及相关运算等概念被引入光学，经典成像光学得到更新，形成傅立叶光学。 此外，由于激光器提供的相干光以及E. Leith和J. 改进的波前再现——全息术，近几十年来形成了一个新的学科领域——光信息处理。 过去几十年，特别是1978年以来，由于光纤光损耗的成功降低，光纤的应用得到了突飞猛进的发展。 它不仅为内窥镜光学系统提供光纤图像传输和光传输，更重要的是，它成功应用于通信系统。 光缆取代电缆，实现光纤通信。 这是现代光学的又一重要成就，为信息传输和处理提供了新技术。 就现代光学本身而言，除了非线性光学、激光光谱、超强超快光学、激光材料和激光物理之外，以下领域也越来越受到人们的关注。 在探索和实现受控热核反应中，利用激光诱导核聚变已经达到了产生“点火点”的水平。 激光光谱学，包括激光拉曼光谱、高分辨率光谱、皮秒超短脉冲和可调谐激光技术，给传统光谱学带来了巨大的变化，成为深入研究微观结构、运动规律和结构的重要手段。能量转换机制。 它为凝聚态物理、分子生物学和化学动态过程的研究提供了前所未有的技术。 激光冷却和玻色-爱因斯坦凝聚的实现以及原子激光器的诞生是20世纪末物理学的重大突破之一。 在量子通信和量子计算方面，自1994年P. Schur提出量子并行算法以来，量子通信和量子计算已发展成为物理学和信息科学相结合的新兴交叉学科领域。 该领域在理论和实验上均取得了重大成果。 进步。 与扫描隧道显微镜类似，一系列近场光学扫描显微镜技术也被开发出来。 分辨率已达到光波波长的十分之一，形成了光学、扫描探针显微镜和光谱学相结合的新型科学。 跨学科——近场光学。 光子晶体是一种周期性介电（包括金属）结构。 其周期对应于光波的波长。 在光子晶体中，光的传播特性以及光子与原子、分子之间的相互作用发生了本质上的改变，从而可以对其进行控制。 光子的运动。 这是全新一类光子器件的物理基础。 现代光学不仅推动了物理学的发展，而且与化学、生命科学、信息科学、材料科学等领域日益交叉。 也为应用开发研究提供了广阔的前景，成为高新技术领域发展的基础。 重要的学科基础之一。
国际光学光年
2015 年是阿拉伯学者伊本·海赛姆 (Ibn ) 的五卷本光学著作诞生整整一千年。 千百年来，光技术给人类文明带来了巨大进步。 为此，联合国宣布2015年为“国际光和光技术年”（以下简称国际光年），以纪念过去千年来人类在光领域的重大发现。