第五節(jié)　光學(xué)與光電信息技術(shù)

狹義來說，光學(xué)是關(guān)于光和視見的科學(xué)，光學(xué)這個詞，早期只用于跟眼睛和視見相聯(lián)系的事物。而今天，常說的光學(xué)是廣義的，是研究從微波、紅外線、可見光、紫外線直到x射線的寬廣波段范圍內(nèi)的電磁輻射的有關(guān)發(fā)生、傳播、接收和顯示，以及跟物質(zhì)相互作用的科學(xué)，著重研究的范周是從紅外到紫外波段。它是物理學(xué)的一個重要組成部分，也是與其他應(yīng)用技術(shù)緊密相關(guān)的學(xué)科。

光學(xué)是一門有悠久歷史的學(xué)科，它的發(fā)展史可追溯到2000多年前。人類對光的研究，最初主要是試圖回答“人怎么能看見周圍的物體？”等類問題。約在公元前300多年（先秦時代），中國的《墨經(jīng)》中記錄了世界上最早的光學(xué)知識。它有8條關(guān)于光學(xué)的記載，敘述影的定義和生成，光的直線傳播性和針孔成像，并且以嚴謹?shù)奈淖钟懻摿嗽谄矫骁R、凹球面鏡和凸球面鏡中物和像的關(guān)系。

自《墨經(jīng)》開始，在2000多年的歷史時期中，經(jīng)過了公元11世紀阿拉伯人伊本·海賽木發(fā)明透鏡，公元1590年到17世紀初詹森和李普希同時相互獨立地發(fā)明顯微鏡，一直到17世紀上半葉才由斯涅耳和笛卡兒將對于光的反射和折射的觀察結(jié)果，歸結(jié)為今天大家所慣用的反射定律和折射定律。

1665年牛頓進行太陽光的實驗，它能把太陽光分解成簡單的組成部分，這些成分形成一個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的和定量的特征，各單色光在空間上的分離是由光的本性決定的。牛頓還發(fā)現(xiàn)了把曲率半徑很大的凸透鏡放在光學(xué)平玻璃板上，當用白光照射時，則見透鏡與玻璃平板接觸處出現(xiàn)一組彩色的同心環(huán)狀條紋；當用單色光照射時，則出現(xiàn)一組明暗相間的同心環(huán)條紋，后人把這種現(xiàn)象稱牛頓環(huán)。借助這種現(xiàn)象可以用第一暗環(huán)的空氣隙的厚度來定量地表征相應(yīng)的單色光。牛頓在發(fā)現(xiàn)這些重要現(xiàn)象的同時，根據(jù)光的直線傳播性，他認為光是一種微粒流，微粒從光源飛出來，在均勻媒質(zhì)內(nèi)遵從力學(xué)定律作等速直線運動，并且用這種觀點對折射和反射現(xiàn)象作了解釋?；莞故枪獾奈⒘Ｕf的反對者，他創(chuàng)立波動說，在1690年，于《光論》一書中寫道：“光同聲一樣，是以球形波面?zhèn)鞑サ摹！辈⑶抑赋龉庹駝铀_到的每一點都可視為次波的振動中心，次波的包絡(luò)面為傳播著的波的波陣面（波前）。在整個18世紀中，光的微粒流理論和光的波動理論都被粗略地提了出來，但都不很完整。

19世紀初，波動光學(xué)初步形成，其中以楊和菲涅耳的著作為代表。楊圓滿地解釋了“薄膜的顏色”和雙狹縫干涉現(xiàn)象。菲涅耳于1818年以楊氏干涉原理補充了惠更斯原理，由此形成了今天為人們所熟知的惠更斯一菲涅耳原理，用它可圓滿地解釋光的干涉和衍射現(xiàn)象，也能解釋光的直線傳播。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(xiàn)象，菲涅耳假定光是一種在連續(xù)媒質(zhì)（以太）中傳播的橫渡。但是由此不得不把彈性固體的特性強加于以太。彈性橫波在無限大的固體中的傳播速度。同固體的切變模量G和密度P的關(guān)系為ν＝。因為以太不應(yīng)妨礙各種物體的運動，所以以太的p應(yīng)是非常小的，同時為說明光的巨大的傳播速度，又必須給G以適當大小的數(shù)值。為說明光在各不同媒質(zhì)中的不同速度，又必須認為以太的特性在不同的物質(zhì)中是不同的；在各向異性媒質(zhì)中還需要有更復(fù)雜的假設(shè)。此外，還必須給以太以更特殊的性質(zhì)才能解釋光不是縱波。如此性質(zhì)的以太是難以想象的，并且即使承認以太也沒有能把光學(xué)現(xiàn)象同其他物理現(xiàn)象聯(lián)系起來。

1836年M．法拉第發(fā)現(xiàn)了光的振動面在磁場中發(fā)生旋轉(zhuǎn)；1856年韋伯發(fā)現(xiàn)光在真空中的速度等于電流強度的電磁單位與靜電單位的比值。它們表示光學(xué)現(xiàn)象與磁學(xué)、電學(xué)現(xiàn)象間有一定的內(nèi)在關(guān)系。

1860年前后麥克斯韋的理論研究指出，電場和磁場的改變，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的比值的速度傳播著，光就是這樣一種電磁現(xiàn)象。這個結(jié)論在1888年為赫茲的實驗證實。按麥克斯韋的理論，若以c代表光在真空中的速度，v代表光在介電常數(shù)為ε和磁導(dǎo)率為μ的媒質(zhì)中的速度，則媒質(zhì)的折射率n＝c／ν＝。這個式子給出了媒質(zhì)的光學(xué)常數(shù)n跟電學(xué)常數(shù)ε和磁學(xué)常數(shù)μ的關(guān)系。在認識光的物理性質(zhì)方面，麥克斯韋理論較之以前各種理論向前邁進了一大步。

然而，這樣的理論不能說明產(chǎn)生頻率高達光的頻率的電振子的性質(zhì)，也不能解釋折射率隨光的頻率而變所引起的光的色散。到了1896年洛倫茲創(chuàng)立電子論，才解釋了發(fā)光和物質(zhì)吸收光的現(xiàn)象，也解釋了光在物質(zhì)中傳播的各種特點，包括對色散現(xiàn)象的解釋。在洛倫茲的理論中，以太乃是廣袤無限的不動的媒質(zhì)，其唯一特點是，在這種媒質(zhì)中光振動具有一定的傳播速度。對于象熾熱的黑體的輻射中能量按波長分布這樣重要的問題，洛倫茲理論還不能給出令人滿意的解釋。并且，如果認為洛倫茲關(guān)于以太的概念是正確的話，則可將不動的以太選作參照系，使人們能區(qū)別出絕對運動。而事實上，1887年邁克耳孫用干涉儀測“以太風(fēng)”，得到否定的結(jié)果，這表明到了洛倫茲電子論時期，人們對光的本性的認識仍然有不少片面性。

1900年，普朗克從物質(zhì)的分子結(jié)構(gòu)理論中借用不連續(xù)性的概念，提出了輻射的量子論。他認為各種頻率的電磁波，包括光，只能以各自確定分量的能量從振子射出，這種能量微粒稱為量子，光的量子稱為光子。量子論不僅很自然地解釋了灼熱體輻射能量按波長分布的規(guī)律，而且以全新的方式提出了光與物質(zhì)相互作用的整個問題。量子論不但給光學(xué)，也給整個物理學(xué)提供了新的概念，故通常把它的誕生視為近代物理學(xué)的起點。

1905年，愛因斯坦運用量子論于光電效應(yīng)之中，他給光子作了十分明確的表示，他特別指出光與物質(zhì)相互作用時，光也是以光子為最小單位進行的。此外，在19世紀末及20世紀初的許多實驗都雄辯地證明了光的量子性。

1905年9月，德國《物理學(xué)年鑒》發(fā)表了愛因斯坦的《關(guān)于運動媒質(zhì)的電動力學(xué)》一文，第一次提出了狹義相對論基本原理。文中指出，從伽利略和牛頓時代以來占統(tǒng)治地位的古典物理學(xué)，其應(yīng)用范圍只限于速度遠遠小于光速的情況，而他的新理論可解釋與很大運動速度有關(guān)的過程的特征，根本放棄了以太的概念，圓滿地解釋了運動物體的光學(xué)現(xiàn)象。

這樣，在20世紀初，一方面從光的干涉、衍射、偏振以及運動物體的光學(xué)現(xiàn)象確證了光是電磁波；麗另一方面又從熱輻射、光電效應(yīng)、光壓以及光的化學(xué)作用等無可懷疑地證明了光的量子性——微粒性。

1922年發(fā)現(xiàn)的康普頓效應(yīng)，1928年發(fā)現(xiàn)的塞曼效應(yīng)以及當時已能從實驗上獲得的原子光譜的超精細結(jié)構(gòu)，它們無疑地表明光學(xué)的發(fā)展都不能獨立于量子物理。

在現(xiàn)代光學(xué)中，光量子概念并不與光的波動概念相排斥，不過需要借助于出玻爾、玻恩、薛定諤、海森堡、泡利、狄拉克、費密以及朗道等人創(chuàng)建和發(fā)展起來的量子力學(xué)和量子電動力學(xué)，才能把兩者統(tǒng)一起來。應(yīng)用他們的理論可以闡明原子光譜、分子光譜和離子光譜；能解釋電場、磁場和聲場對光譜的效應(yīng)；能建立激發(fā)條件和光譜特性的關(guān)系。光學(xué)歷史表明，現(xiàn)代物理學(xué)中的兩個最重要的基礎(chǔ)理論——量子力學(xué)和狹義相對論都是在人類關(guān)于光的研究中誕生和發(fā)展的。