光学发展与光学工程

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1、光学发展与光学工程1122110307 江世凯关键词：光、发展、光学工程、前景简介：学习物理光学、傅里叶光学、薄膜光学和激光原理以及在网上查阅一些资料， 使我对光学发展和光学工程专业有了进一步的认识。 光学是一门古老而又年轻的科学，其悠久的历史几乎和人类文明史本身一样 久远，近半个世纪以来，它又以惊人的发展速度、奇迹般层出不穷的科研成果、 以及所蕴含的巨大的潜力和希望，是自己跻身于现代科学技术的前沿，具有强大 的生命力和不可估量的发展前途。 光学的发展过程是人类认识客观世界的进程中 一个重要的组成部分， 是不断揭露矛盾和克服矛盾、 从不完全和不确切得认识逐 步走向完善和较确切认识的过程，大致可

2、分为5 个时期：一、萌芽时期；二、几 何光学时期；三、波动光学时期；四、量子光学时期；五、现代光学时期。 光学工程是以光学为主，并与信息科学、能源科学、材料科学、生命科学、 空间科学、精密机械与制造、 计算机科学及微电子技术等学科紧密交叉和相互渗 透的学科。一、光学发展圣经里说：要有光！于是有了光。大地有了一片光明，人间充满无限欢 腾。可是人们有一个极其困惑的问题光是什么？千百年来，无数学者哲人深 深陷入这个问题苦苦思索，这个问题的答案几乎囊括了人类史上最聪明的智慧。 特别是十七世纪后半叶至本世纪初，科学家们争论了长达三百多年的时间，这场 富有戏剧性学术大辩论，参与的人数之多，时间之久，辩争之

3、激烈，不但在光学 发展史上是绝无仅有的，即使在整个自然科学发展史上也是极为罕见的。 1. 萌芽时期 光学作为物理学的最早分支，与古老的力学一样，我国古人对光学的认识和 研究都走在了世界的前列。 我国的光学的起源可以追溯到二、三千年前。 战国时 代哲学家墨翟所著墨经中，有关于小孔成像现象、平面镜、凸面镜、凹面镜 等等的叙述。战国时代哲学家淮南子发明了用以取火的器皿“阳燧”。宋时期沈 括（10311095）的名著梦溪笔谈中记载了关于凸面镜的成像，以及关 于日食、月食的起因和预报。比墨经大约迟一百多年， 在希腊数学家欧几里德 (Euclid ， 公元前 330275年) 所著的光学一书中，研究了平面

4、镜成像问题，指出反射角等于入射角的反射 定律， 同时提出了将光当作类似触须的投射学说。其他希腊哲学家如毕达哥拉斯、 德漠克利持、思培多克勒、柏拉图、亚里士多德等也发表了有关光学方面的理论。 罗马帝国的灭亡 (公元 475 年)大体上标志着黑暗时代的开始， 在此之后，欧洲在 很长一段时间里科学发展缓慢， 光学亦是如此。许多人都认为罗杰尔培根是第 一个近代意义上的科学家。 他似乎已经有了用透镜来改正视觉的想法，并且甚至 暗示过把透镜组合起来构成一具望远镜的可能性。培根对光线穿过透镜的方式也 有一些了解。 2. 几何光学时期 这一时期可以称为光学发展史上的转折点。 荷兰的李普塞在 1608年发明了第

5、一架望远镜 开普勒于 1611年发表了他的著 作折光学，提出照度定律，还设计了几种新型的望远镜，他还发现当光以小 角度入射到界面时， 入射角和折射角近似地成正比关系。折射定律的精确公式则 是斯涅耳和笛卡尔提出的。 1621年斯涅耳在他的一篇文章中指出，入射角的余割 和折射角的余割之比是常数， 而笛卡儿约在 1630年在折光学 中给出了用正弦 函数表述的折射定律。 接着费马在 1657年首先指出光在介质中传播时所走路程取 极值的原理， 并根据这个原理推出光的反射定律和折射定律。综上所述， 到十七 世纪中叶，基本上已经奠定了几何光学的基础。 关于光的本性的概念，是以光的直线传播观念为基础的， 但从

6、十七世纪开始， 就发现有与光的直线传播不完全符合的事实。意大利人格里马第首先观察到光的 衍射现象， 接着，胡克也观察到衍射现象， 并且和波意耳独立地研究了薄膜所产 生的彩色干涉条纹，这些都是光的波动理论的萌芽。 十七世纪下半叶， 牛顿和惠更斯等把光的研究引向进一步发展的道路。1672 年牛顿完成了著名的三棱镜色散试验，并发现了牛顿圈 （但最早发现牛顿圈的却 是胡克） 。在发现这些现象的同时，牛顿于公元1704年出版的光学，提出了光 是微粒流的理论， 他认为这些微粒从光源飞出来。 在真空或均匀物质内由于惯性 而作匀速直线运动，并以此观点解释光的反射和折射定律。 然而在解释牛顿圈时， 却遇到了困难

7、。 同时，这种微粒流的假设也难以说明光在绕过障碍物之后所发生 的衍射现象。 惠更斯反对光的微粒说， 1678年他在论光一书中从声和光的某些现象的 相似性出发，认为光是在“以太”中传播的波所谓“以太”则是一种假想的弹 性媒质，充满于整个宇宙空间，光的传播取决于“以太”的弹性和密度运用他 的波动理论中的次波原理， 惠更斯不仅成功地解释了反射和折射定律，还解释了 方解石的双折射现象 但惠更斯没有把波动过程的特性给予足够的说明，他没有 指出光现象的周期性， 他没有提到波长的概念 他的次波包络面成为新的波面的 理论，没有考虑到它们是由波的相干叠加造成的归根到底仍旧摆脱不了几何光 学的观念，因此不能由此说

8、明光的干涉和衍射等有关光的波动本性的现象与此 相反，坚持微粒说的牛顿却从他发现的牛顿圈的现象中确定光是周期性的 综上所述，这一时期中， 在以牛顿为代表的微粒说占统治地位的同时，由于 相继发现了干涉、 衍射和偏振等光的被动现象， 以惠更斯为代表的波动说也初步 提出来了，因而这个时期也可以说是几何光学向波动光学过渡的时期，是人们对 光的认识逐步深化的时期。3. 波动光学时期 1801年杨氏最先用干涉原理令人满意地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， 并第一次成功地测定了光的波长。1815年菲涅耳 用杨氏干涉原理补充了惠更斯原理，形成了人们所熟知的惠更斯菲涅耳原 理 运用这个

9、原理不仅圆满地解释光在均匀的各向同性介质中的直线传播而且还 能解释光通过障碍物时所发生的衍射现象，因此它成为波动光学的一个重要原 理。 1808年马吕发现光在两种介质表面上反射时的偏振现象，随后菲涅耳和阿喇 果对光的偏振现象和偏振光的干涉进行了研究。为了解释这些现象， 杨氏在 1817 年提出了光波和弦中传播的波相仿的假设，认为它是一种横波 菲涅耳进一步完 善了这一观点并导出了菲涅耳公式至此，光的弹性波动理论既能说明光的直线 传播也能解释光的干涉和衍射现象并且横波的假设又可解释光的偏振现象看来 似乎十分圆满了，但这时仍把光的波动看作是“绝对以太”中的机械弹性波动， 至于“绝对以太”究竟是怎样的

10、物质，尽管人们赋予它许多附加的性质，仍难自 圆其说。这样，光的弹性波理论存在的问题也就暴露出来了。 1845年法拉第发现了光的振动面在强磁场中的旋转，揭示了光学现象和电磁 现象的内在联系， 1856年韦伯做的电学实验结果， 发现电荷的电磁单位和静电单 位的比值等于光在真空中的传播速度即3108米/ 秒从这些发现中，人们得到了启示，即在研究光学现象时，必须和其它物理现象联系起来考虑。 麦克斯韦在 1865年的理论研究中指出， 电场和磁场的改变不会局限在空间的 某一部分，而是以数值等于电荷的电磁单位与静电单位的比值的速度传播的，即 电磁波以光速传播， 这说明光是一种电磁现象。 这个理论在 1888

11、年被赫兹的实验 所证实。他直接从频率和波长来测定电磁波的传播速度，发现它恰好等于光速， 至此就确立了光的电磁理论基础，尽管关于以太问题， 要在相对论出现以后才得 到完全解决。 光的电磁理论在整个物理学的发展中起着很重要的作用，光和电磁现象的一 致性使人们在认识光的本性方面又前进了一大步。 4. 量子光学时期 十九世纪末、 二十世纪初是物理学发生伟大革命的时代。从牛顿力学到麦克 斯韦的电磁理论，经典物理学形成一套严整的理论体系。光学的研究深入到光 的发生、光和物质相互作用的微观机构中光的电磁理论的主要困难是不能解释 光和物质相互作用的某些现象， 例如炽热黑体辐射中能量随波长分布的问题，特 别是1

12、887年赫兹发现的光电效应， 1900年普朗克提出了量子假说， 认为各种频率 的电磁波，只能象微粒似地以一定最小份的能量发生，成功地解释了黑体辐射问 题，开始了量子光学时期， 1905年爱因斯坦发展了普朗克的能量子假说，把量子 论贯穿到整个辐射和吸收过程中，提出了杰出的光量子理论圆满解释了光电效 应，并为后来的许多实验例如康普顿效应所证实 至此人们一方面从光的干涉、 衍射和偏振等光学现象证实了光的波动性；另 一方面从黑体辐射、光电效应和康普顿效应等又证实了光的量子性粒子 性l924 年德布罗意创立了物质波学说 他设想每一物质的粒子都和一定的波相 联系，这一假设在 1927年为戴维孙和革末的电子

13、束衍射实验所证实1925年玻恩 所提出的波粒二象性的几率解释建立了波动性和微粒性之间的联系。 5. 现代光学时期 从二十世纪六十年代起， 随着新技术的出现， 新的理论也不断发展， 已逐步形成了许多新的分支学科或边渊学科，光学的应用十分广泛。 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

14、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。二、光学工程光学工程是以光学为主，并与信息科学、能源科学、材料科学、生命科学、 空间科学、精密机械与制造、 计算机科学及微电子技术等学科紧密交叉和相互渗 透的学科。 哈工大光学工程学科成立于1956年，是国内成立最早

15、的光学工程学科之一， 主要从事光学目标探测与识别技术、光电传感器技术、 光学遥感技术、 光学仿真 技术、显示技术、光电对抗、空间环境与光电防护技术等方面的教学与科研工作， 在空间光信息的获取与处理方面独具特色。学科开设光通信、 光学检测与光电测 试、光电仪器、红外成像技术、光纤技术与应用、现代光学加工技术、成像电子 学、光学遥感技术、光电信号与信息处理、二元光学技术等课程。 学科自成立以来，承担多项国家重点项目科研，科研经费充裕，取得的主要 成果有：我国第一台高速摄影机的研制，我国第一套红外仿真设备的研制，我国 第一套可见光仿真设备的研制， 我国第一套超轻CCD 可见光遥感相机研制。 获国 家

16、发明二等奖一项、部级科技进步一等奖二项，省部级科技进步二等奖数十项。 学科拥有了世界一流的软件和硬件条件，如CODE V光学设计软件、 ZYGO 可见光 干涉仪、 10.6 微米长波干涉仪和Zeeko大型智能抛光机等 . 学科具有良好的教学科研条件和宽广的研究领域，科学研究具有明确的背景 需求，主要研究方向： 杂散光分析 光学设计 空间环境与光电防护技术空间光通信技术 激光遥感与激光雷达技术 高功率激光与非线性光学技术 光学目标探测、识别及信息处理技术 精密光电测试技术与装备 微纳米技术与器件、集成传感器与物联网技术 集成电路设计及应用 目前，我对这些方向还不是十分了解，还没有想好自己读研究生时专研哪个 方向，但是我对光学遥感和集成电路比较感兴趣。寒假初通过学校选课， 在电机 楼完成了一些光学小实验， 干涉法检测平面、 投影法测量等。 还联系了汪洪源老 师，接触了一下科学院光学实验室，帮助老师完成了一项光谱分析实验，实验中根本不需要我做什么， 只是坐在仪器旁看着， 防止光源出现故