光学发展史

学院： 理学院

专业：光电信息科学与工程

姓名： 孙岐政

学号： 13272034

2015年5月15日

光学的起源和力学等一样，可以追溯到3000年前甚至更早的时期。在中国，墨翟（公元前468—公元前376）及其弟子所著的《墨经》记载了光的直线传播和光在镜面上的反射等现象，并具体分析了物、像的正倒及大小关系。无论从时间还是科学性来讲，《墨经》可以说是世界上较为系统的关于光学知识的最早记录。约100多年后，古希腊数学家欧几里得（Euclid，约公元前330—公元前275）在其著作中研究了平面镜成像问题，提出了光的反射定律，指出反射角等于入射角，但他同时提出了将光当作类似触须的投射学说。

从墨翟开始打2000多年的漫长岁月构成了光学发展的萌芽期，这期间光学发展缓慢，东西方科学发展都收到很大压抑。这期间有克莱门德（Cleomedes，公元50年）和托勒密（C. Ptolemy，公元50年）研究了关的折射现象，最先测定了光通过两种介质分界面时的入射角和折射角。阿拉伯学者阿勒·哈增（Al Hazen，965—1038）写过一本《光学全书》，研究了球面镜和抛物面镜的性质，并对人眼的构造及视觉作用做了详尽的叙述；中国的沈括（1031—1095年）撰写的《梦溪笔谈》对光的直线传播及球面镜成像作了比较深入的研究，并说明了月相的变化规律及月食的成因。法国的培根（R.Bacon，公元1214—1294）提出了用透镜矫正视力和采用透镜组构成望远镜的想法，并描述了透镜焦点的位置。

到17世纪，在经历了文艺复兴的大潮之后，科学在欧洲又进入了一个蓬勃发展的时期，1621年斯涅耳（W. Snell，1591—1626）从实验中发现了折射定律，而笛卡尔（R. Descartes，1596—1619）第一个把它归纳成解析表达式。1657年费马（P. de Fermat，1601—1665）提出了最小时间原理，并说明由此可推出光的反射和折射定律，至此几何光学的基础已基本奠定。

人们对光学真正的深入实验和研究始于17世纪，荷兰的李普塞（H. Lippershey，1587—1619）在1608年发明了第一架望远镜；17世纪初，简森（Z. Janssen，1588—1632）和冯特纳（P. Fontana，1580—1656）最早制作了复合显微镜。1607年，伽利略（G. Galilei，1564—1642）测定光从一个山峰传到另一个山峰所用的时间。他让山顶上的人打开手中所持灯的遮光罩，作为发光的开始。又命令第二个山峰上的人看到对方的灯光后立即打开己方灯的遮光罩。这样测定第一山峰上的人自发出光信号到看到对方的灯光的时间间隔，便得到光在两个山峰间来回一次所需的时间。但是由于人的反应及动作时间远大于光运行所需的时间，伽利略的实验没有成功。1610年伽利略用自制的望远镜观察星体，发现了绕木星运行的卫星，给哥白尼关于地球绕日运动的日心说提供了强有力的证据。关于光的本性的认识，格里马第（F. M. Grinmaldi，1618—1663）首次注意到了衍射现象。他发现光在通过细棒等障碍物时违背了直线传播的规律，在物体阴影的边缘出现了蓝绿色亮、暗交替的或变化的彩色条纹。胡克（R. Hooke，1635—1703）和玻意耳（R. Boyle，1652—1691）各自独立的发现了现在称为牛顿环的在白光下薄膜的彩色干涉图样，胡克还明确主张光由振动组成，每一振动产生一个球面并以高速向外传播，这可以认为是波动学说的发端。到17世纪60世纪末期，丹麦的巴塞林（E. Bartholin，1625—1698）发现了光经过方解石时的双折射现象。17世纪70年代荷兰的惠更斯（C. Huygens，1629—1695）进一步发现了光的偏振性质。1690年惠更斯在其著作《论光》中阐述了光的波动说，并提出了后来以他的名字命名的惠更斯原理。

1672年，牛顿（I. Newton，1643—1727）进行了白光的实验，发现白光通过棱镜时，会在光屏上形成按一定次序排列的彩色光带；于是他认为白光由各种色光复合而成，各色光在玻璃中收到不同程度的折射而被分解成许多组成部分。反之，把各种组成部分复合起来会重新得到原来的白光，并通过棱镜的形状和折射率来进行定量的描述，使对颜色的结社办妥了主观视觉的印象而上升到客观的色光特征；综合这些现象以及解释，1704年，身为英国皇家会会长的牛顿出版了自己一生中最为重要的著作之一《光学》，提出了光的微粒流学说。

光的理论在18世纪实际上没有什么进展，鉴于当时的认识水平，人们只能把光与两种传递能量的机械运动相类比，分别提出了关于光本性的两种学说：微粒说和波动说。惠更斯于1678年提出了光的波动说。该学说认为光是一种特殊的媒质—“以太”的波动。通过与机械波相比，波动说很容易定性的说明干涉和衍射的现象；如果加上惠更斯所作的“子波假设”，它也能定向的解释反射定律和折射定律。尽管总的来说波动说比微粒说显得更合理一些，但一方面由于牛顿在科学界的威望，另一方面波动说当时还不能定量地说明干涉和衍射现象，甚至不能圆满的解释直线传播规律，使得多数科学家在17世纪和18世纪采纳了光的微粒学说。但是随着光的干涉、衍射和偏振等光的波动现象的发现，以惠更斯为代表的波动学说逐步提出来了。1801年，托马斯·杨（T. Young，1773—1829）最先用干涉原理解释了白光照射下薄膜颜色的由来和用双缝显示了光的干涉现象，并且第一次成功的测定了光的波长。1808年，马吕斯（E. L. Malus，1775—1812）偶然发现光在两种介质面上反射时的偏振现象，随后菲涅尔和阿拉贡（D. Arago，1786—1853）对光的偏振现象和偏振光的干涉进行了研究。1815年，菲涅尔（A. J. Fresenel，1788—1827）在并不了解杨氏工作的情况下，吸收了惠更斯的子波思想，并补充以干涉原理，提出了惠更斯—菲涅尔原理，成功解释了衍射现象。1817年，杨氏明确指出，光波是一种横波，使一度被牛顿视为波动说障碍之一的偏振现象转化为波动说的一个佐证。

到19世纪中叶，波动说已被普遍接受，但人们对光波动的实质认识存在两个错误。其一，无论是惠更斯、托马斯·杨以及菲涅尔等，都认为光是一种机械波，伴随着某种实物的机械振动；其二，大家都认为光波必须依赖假想媒质“以太”才能传播。19世纪后期的迈克尔逊—莫雷（A. A. Michelson，1852—1931，E. W. Morley，1838—1923）实验发现不能察觉地球与以太之间的任何相对运动，以太被地球完全曳引。1879年，麦克斯韦去世前不久，建议用干涉方法测定地球与以太的相对速度。为此，美国的迈克尔逊设计了著名的“迈克尔逊干涉仪”。

在19世纪末和20世纪初，当人们的研究深入到光与物质的相互作用这一领域时，却困惑的发现许多问题是无法用波动学说加以解释。为解释这些问题，1900年，德国的普朗克（M. Planck，1858—1947）提出了“量子假设”，认为物体的发光过程是量子化的，即发光能量必然是某一单元能量的整数倍，单元能量的大小正比于所发射光波的频率v，比例系数是一个普适常数h——普朗克常数。1905年爱因斯坦（A. Einstein，1879—1955）将它发展为光子学说，并用它成功地解释了光电效应。这样，光的粒子说似乎又复活了，但这种粒子已经完全不同于牛顿时期的粒子概念。1913年，丹麦的波尔（N. Bohr，1885—1962）结合原子的行星模型和普朗克假设，提出波尔原子模型，成功地说明了氢原子的分立光谱线。1924年德布罗意（L. de Broglie，1892—1987）提出物质波概念，认为每一粒子的运动都与一定波长的波动相联系，此假说很快就被电子通过金属箔的衍射实验所证实。在此基础上，奥地利的薛定谔（E. Schrodinger，1871—1961）建立了“薛定谔方程”，奠定了量子力学的基础。在20世纪中期，海森堡（W. K. Heisenberg，1901—1976）、狄拉克（P. Dirac，1902—1984）和波恩（M. Born，1882—1970）等人建立了量子力学，其中光的波动性与粒子性在新的形式下得到了统一。

从20世纪60年代起，随着激光的问世，光学与许多学科领域相结合，形成了现代光学的新的阵地，并且派生了很多新的分支学科，如激光光学、信息光学、非线性光学、导波光学等。

1950年，中学教师阿·卡斯特勒同让·布罗塞尔发明“光泵激”技术，这一发明后来被用来发射激光。1951年查尔斯·汤斯（C. H. Townes）教授成功地制造出了世界上第一个“微波激射器”，即“受激辐射的微波放大器”。1958年，汤斯和他的学生阿瑟·肖洛（1981年获得诺贝尔物理学奖）在《物理评论》杂志上发表了关于“受激辐射的光放大”的论文，为此，汤斯于1964年获得诺贝尔物理学奖。1960年7月，梅曼（T. H. Maiman）用红宝石制成世界上第一台可见光的激光器。激光的英文表达为Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation（受激辐射的光放大），缩写为LASER，最初译为“镭射”、“莱塞”等，1964年由钱学森教授取名为“激光”。此后，随着激光技术的发展，加之激光的高亮度、高单色性、高方向性等特性，激光物理、激光技术以及激光应用等方面都取得了巨大的发展。目前激光广泛应用于光通信、光储存、光信息处理、光生物、材料制备与加工、光谱学、医疗育种、激光武器以及激光核聚变等领域。

光学从发展过程来看可以分为经典光学和现代光学。经典光学通常意义上所说的事应用光学和物理光学，主要包括几何光学的基本原理、几何光学成像、典型的光学系统和仪器、波动光学，其中波动光学又包括光的电磁理论，光的干涉、衍射和偏振等。

现代光学主要包括激光技术、信息光学、非线性光学、导波光学等。其中激光技术包括原子发光机理、激光的产生原理和应用等；信息光学的核心是光学信息处理，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，也称为“傅里叶光学”。导波光学以光的电磁理论为基础，研究光波在光学波导中的传播、散射、偏振、衍射等效应，成为各种光波导器件及光纤技术的理论基础。母亲又发展出很多新的领域，如光纤光学、非线性光学、光纤传感、光纤器件等。导波光学中应用最广泛的莫过于光纤光学及器件。

特别指出的是，现代科学的发展使各学科及其分支的相互渗透越来越强。导波光学、电子学及通信理论与技术的综合使得光通信得到迅速发展和应用。非线性光学、信息光学及集成光学等理论与技术的综合可能会导致新一代计算机——光计算机的诞生。

人们对光学的探索还在继续，爱因斯坦倾其一生都在思考“光子是什么”，至今人们仍然无法给出最终的定论，人们还需要继续对光及其应用进行深入探索，让光学的发展继续下去。

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