光学与光电信息技术

第五节　光学与光电信息技术

狭义来说，光学是关于光和视见的科学，光学这个词，早期只用于跟眼睛和视见相联系的事物。而今天，常说的光学是广义的，是研究从微波、红外线、可见光、紫外线直到x射线的宽广波段范围内的电磁辐射的有关发生、传播、接收和显示，以及跟物质相互作用的科学，着重研究的范周是从红外到紫外波段。它是物理学的一个重要组成部分，也是与其他应用技术紧密相关的学科。

光学是一门有悠久历史的学科，它的发展史可追溯到2000多年前。人类对光的研究，最初主要是试图回答“人怎么能看见周围的物体？”等类问题。约在公元前300多年（先秦时代），中国的《墨经》中记录了世界上最早的光学知识。它有8条关于光学的记载，叙述影的定义和生成，光的直线传播性和针孔成像，并且以严谨的文字讨论了在平面镜、凹球面镜和凸球面镜中物和像的关系。

自《墨经》开始，在2000多年的历史时期中，经过了公元11世纪阿拉伯人伊本·海赛木发明透镜，公元1590年到17世纪初詹森和李普希同时相互独立地发明显微镜，一直到17世纪上半叶才由斯涅耳和笛卡儿将对于光的反射和折射的观察结果，归结为今天大家所惯用的反射定律和折射定律。

1665年牛顿进行太阳光的实验，它能把太阳光分解成简单的组成部分，这些成分形成一个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的和定量的特征，各单色光在空间上的分离是由光的本性决定的。牛顿还发现了把曲率半径很大的凸透镜放在光学平玻璃板上，当用白光照射时，则见透镜与玻璃平板接触处出现一组彩色的同心环状条纹；当用单色光照射时，则出现一组明暗相间的同心环条纹，后人把这种现象称牛顿环。借助这种现象可以用第一暗环的空气隙的厚度来定量地表征相应的单色光。牛顿在发现这些重要现象的同时，根据光的直线传播性，他认为光是一种微粒流，微粒从光源飞出来，在均匀媒质内遵从力学定律作等速直线运动，并且用这种观点对折射和反射现象作了解释。惠更斯是光的微粒说的反对者，他创立波动说，在1690年，于《光论》一书中写道：“光同声一样，是以球形波面传播的。”并且指出光振动所达到的每一点都可视为次波的振动中心，次波的包络面为传播着的波的波阵面（波前）。在整个18世纪中，光的微粒流理论和光的波动理论都被粗略地提了出来，但都不很完整。

19世纪初，波动光学初步形成，其中以杨和菲涅耳的著作为代表。杨圆满地解释了“薄膜的颜色”和双狭缝干涉现象。菲涅耳于1818年以杨氏干涉原理补充了惠更斯原理，由此形成了今天为人们所熟知的惠更斯一菲涅耳原理，用它可圆满地解释光的干涉和衍射现象，也能解释光的直线传播。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，菲涅耳假定光是一种在连续媒质（以太）中传播的横渡。但是由此不得不把弹性固体的特性强加于以太。弹性横波在无限大的固体中的传播速度。同固体的切变模量G和密度P的关系为ν＝。因为以太不应妨碍各种物体的运动，所以以太的p应是非常小的，同时为说明光的巨大的传播速度，又必须给G以适当大小的数值。为说明光在各不同媒质中的不同速度，又必须认为以太的特性在不同的物质中是不同的；在各向异性媒质中还需要有更复杂的假设。此外，还必须给以太以更特殊的性质才能解释光不是纵波。如此性质的以太是难以想象的，并且即使承认以太也没有能把光学现象同其他物理现象联系起来。

1836年M．法拉第发现了光的振动面在磁场中发生旋转；1856年韦伯发现光在真空中的速度等于电流强度的电磁单位与静电单位的比值。它们表示光学现象与磁学、电学现象间有一定的内在关系。

1860年前后麦克斯韦的理论研究指出，电场和磁场的改变，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的比值的速度传播着，光就是这样一种电磁现象。这个结论在1888年为赫兹的实验证实。按麦克斯韦的理论，若以c代表光在真空中的速度，v代表光在介电常数为ε和磁导率为μ的媒质中的速度，则媒质的折射率n＝c／ν＝。这个式子给出了媒质的光学常数n跟电学常数ε和磁学常数μ的关系。在认识光的物理性质方面，麦克斯韦理论较之以前各种理论向前迈进了一大步。

然而，这样的理论不能说明产生频率高达光的频率的电振子的性质，也不能解释折射率随光的频率而变所引起的光的色散。到了1896年洛伦兹创立电子论，才解释了发光和物质吸收光的现象，也解释了光在物质中传播的各种特点，包括对色散现象的解释。在洛伦兹的理论中，以太乃是广袤无限的不动的媒质，其唯一特点是，在这种媒质中光振动具有一定的传播速度。对于象炽热的黑体的辐射中能量按波长分布这样重要的问题，洛伦兹理论还不能给出令人满意的解释。并且，如果认为洛伦兹关于以太的概念是正确的话，则可将不动的以太选作参照系，使人们能区别出绝对运动。而事实上，1887年迈克耳孙用干涉仪测“以太风”，得到否定的结果，这表明到了洛伦兹电子论时期，人们对光的本性的认识仍然有不少片面性。

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。量子论不仅很自然地解释了灼热体辐射能量按波长分布的规律，而且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，故通常把它的诞生视为近代物理学的起点。

1905年，爱因斯坦运用量子论于光电效应之中，他给光子作了十分明确的表示，他特别指出光与物质相互作用时，光也是以光子为最小单位进行的。此外，在19世纪末及20世纪初的许多实验都雄辩地证明了光的量子性。

1905年9月，德国《物理学年鉴》发表了爱因斯坦的《关于运动媒质的电动力学》一文，第一次提出了狭义相对论基本原理。文中指出，从伽利略和牛顿时代以来占统治地位的古典物理学，其应用范围只限于速度远远小于光速的情况，而他的新理论可解释与很大运动速度有关的过程的特征，根本放弃了以太的概念，圆满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、偏振以及运动物体的光学现象确证了光是电磁波；丽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。

1922年发现的康普顿效应，1928年发现的塞曼效应以及当时已能从实验上获得的原子光谱的超精细结构，它们无疑地表明光学的发展都不能独立于量子物理。

在现代光学中，光量子概念并不与光的波动概念相排斥，不过需要借助于出玻尔、玻恩、薛定谔、海森堡、泡利、狄拉克、费密以及朗道等人创建和发展起来的量子力学和量子电动力学，才能把两者统一起来。应用他们的理论可以阐明原子光谱、分子光谱和离子光谱；能解释电场、磁场和声场对光谱的效应；能建立激发条件和光谱特性的关系。光学历史表明，现代物理学中的两个最重要的基础理论——量子力学和狭义相对论都是在人类关于光的研究中诞生和发展的。