1、光學(xué)的發(fā)展及演變 pGR3
談到光學(xué)和光學(xué)工程，首先要談一下光學(xué)發(fā)展史。 FGP^rTP)e
光學(xué)是一門古老的科學(xué)，中國古代的墨子（墨翟）和古希臘的歐幾里德、托勒密都對此做出過杰出貢獻。 Ad-5Zn c5
光學(xué)作為一門科學(xué)（也就是有定義、定理、學(xué)說等），應(yīng)該說是從牛頓開始。1664年，牛頓開始研究光學(xué)，時年21歲。1671年牛頓制作勒第二臺反射式望遠鏡（長1.2m，直徑2m）；1672年發(fā)表了“光和色的新理論”；1704年發(fā)表了“光學(xué)——關(guān)于光的反射、折射、彎曲和顏色”的論文，敘述了幾何光學(xué)的基本原理。此外，牛頓的分光實驗以及牛頓環(huán)的發(fā)現(xiàn)，使光學(xué)由幾何光學(xué)進入了物理光學(xué)領(lǐng)域。因此，我們通常說，光學(xué)自牛頓開始，迄今已有300多年的歷史了。 Dzu//_u
在光學(xué)發(fā)展的300多年的歷史中，牛頓的光微粒說統(tǒng)治達100年之久，但也不斷持有波動說主張者加以反駁。19世紀(jì)初，菲涅耳以大量的實驗證據(jù)，使光的波動理論得以確立。在后來的發(fā)展中，對光認識具有根本性變革的是麥克斯韋關(guān)于光的電磁波理論。1900年，普朗克提出了量子假說，他是為解決當(dāng)時所謂“紫外災(zāi)難”而提出黑體輻射的能量分布公式，但需假定物體的輻射能不是連續(xù)變化，而是以一定整數(shù)倍跳躍式變化，才能對他（普朗克）的黑體輻射公式作出合理的解釋。這個最小的不可再分的能量單元稱為“能量子”或“量子”。當(dāng)時的物理學(xué)家認為：量子假說與物理學(xué)界幾百年來信奉的“自然界無跳躍”理念相矛盾，普朗克本人甚至也放棄量子論繼續(xù)用能量的連續(xù)變化的概念來研究輻射問題。 xF Ths,w
第一個意識到量子概念的普遍意義并將其運用到其他問題的是愛因斯坦。他提出了光子的概念，建立了光量子論以解釋光電效應(yīng)中的新現(xiàn)象。光量子論的提出使光的本性歷史爭論進入了一個新的階段。自牛頓以來，光的微粒說和波動說此起彼伏，爭論不已。愛因斯坦的理論重新肯定了微粒說和波動說描述光的行為的意義，它們均反映了光的本質(zhì)的一個側(cè)面：光有時候表現(xiàn)出波動性，有時候表現(xiàn)出粒子性，但它既非經(jīng)典的粒子，也非經(jīng)典的波。這就是光的波粒二象性。此后，玻爾、薛定諤、海森伯的量子力學(xué)理論的提出又進一步推動了光的發(fā)射和吸收的量子光學(xué)的進展，從此光學(xué)理論的發(fā)展在近一個世紀(jì)中便同量子物理的發(fā)展聯(lián)系起來了。 z a_0-G%C2
光學(xué)史上最重要的轉(zhuǎn)折性階段是與惠更斯、牛頓、菲涅耳、基爾霍夫、麥克斯韋、普朗克、玻爾、愛因斯坦、薛定諤、海森伯的名字聯(lián)在一起的。 f'5
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光學(xué)的發(fā)展歷史表明，人們對于光的認識經(jīng)歷了多么復(fù)雜的演變過程，時至今日，尚未結(jié)束。 1,OkuyXy!>
2、現(xiàn)代光學(xué)的發(fā)展簡況 R+K|K2"
自牛頓以來，以幾何光學(xué)和物理光學(xué)為基礎(chǔ)，形成了各種光學(xué)儀器和設(shè)備，對人類認識世界產(chǎn)生了重大影響。如望遠鏡對天文學(xué)，顯微鏡對生物學(xué)和金相學(xué)，照相和電影對人類文化生活，經(jīng)緯儀對大地測量，光譜儀對物質(zhì)成分和結(jié)構(gòu)分析等等。經(jīng)典光學(xué)主要是以電磁輻射本身為研究對象；而近代光學(xué)的發(fā)展則是以光與物質(zhì)的相互作用為重要的研究內(nèi)容。 yF6AI@y
光學(xué)經(jīng)過20世紀(jì)初期量子理論的發(fā)展，到了60年代，首先是激光的出現(xiàn)，即激光器。同步輻射器這些新型光源的出現(xiàn)，強激光與物質(zhì)相互作用產(chǎn)生了一系列非線性效應(yīng)，使光學(xué)研究領(lǐng)域煥然一新。激光的卓越特性推進了物理學(xué)、化學(xué)、生物學(xué)的研究，加深了對物質(zhì)及其運動規(guī)律的認識，已經(jīng)形成和正在形成一些新的學(xué)科分支，如量子光學(xué)、激光物理學(xué)、激光化學(xué)、激光生物學(xué)等。特別是70年代以后，由于半導(dǎo)體激光器和光導(dǎo)纖維技術(shù)的重大突破，導(dǎo)致了以光纖通信為代表的光信息技術(shù)的蓬勃發(fā)展，促進了相應(yīng)各學(xué)科的發(fā)展和彼此間的相互滲透，形成了光子學(xué)（光電子學(xué)）。這門新興的分支學(xué)科是研究光波（光子）與物質(zhì)中的電子相互作用及其能量的相互轉(zhuǎn)換。現(xiàn)代光學(xué)與光子學(xué)——激光、微光、紅外、光纖、光纖通信、光存儲、光顯示的進展促進了當(dāng)代科技、國防、經(jīng)濟的發(fā)展，現(xiàn)代社會如果沒有這些進展是不可想象的。其主要特點有： hg0{x/Dgny
（1）“光、機、電、算”已成為現(xiàn)代工程與技術(shù)的主要內(nèi)涵。光的含義也已遠遠超出傳統(tǒng)意義上的望遠鏡、顯微鏡等光學(xué)儀器。當(dāng)前的光學(xué)儀器（其中大部分指測試計量儀器）已進入光（光學(xué)）、機（精密機械）、電（電子）、算（計算機）相結(jié)合的光電子技術(shù)的新時代。它表現(xiàn)在多功能、高效率的光機電算一體化，技術(shù)手段的自動化、智能化、數(shù)字化、獲取數(shù)據(jù)從靜態(tài)轉(zhuǎn)向動態(tài)，從有感信息到無感信息。 oxeu%wj_
（2）光學(xué)的研究從可見光擴展到X射線、紫外、近紅外、中紅外、直到遠紅外等不可見的電子波譜段，如微光夜視、熱成像、天文成像等；從靜態(tài)光學(xué)到瞬態(tài)光學(xué)，如研究納秒、皮秒、飛秒等超快速現(xiàn)象；從宏大光學(xué)（天文望遠鏡）到微小光學(xué)（微透鏡）等。 $G)HU6hF*
（3）光（光子）已不僅是信息載體，作為信息傳遞的手段用于了解和認識世界；光（光子）也能改變物質(zhì)的形態(tài)，作為能量、加工的手段改造世界。 oLX[!0M^
（4）新興的全息、激光、微光、紅外熱成像、光纖與光纖通信、光探測器、光集成、光信息處理、圖像處理、圖像融合和光計算等都被認為屬于現(xiàn)代光學(xué)與光子學(xué)的范疇。 XgnNYy6W
（5）光學(xué)與光子學(xué)的最大特點是應(yīng)用范圍非常廣泛，基礎(chǔ)理論學(xué)與工程技術(shù)之間緊密聯(lián)系。今天，光學(xué)和光子學(xué)的應(yīng)用已遍及各個領(lǐng)域，如空間、能源、材料、微電子、生命科學(xué)、生物工程、化學(xué)工程、微觀化學(xué)動力學(xué)、醫(yī)療、環(huán)境保護、遙感、遙測、精密加工、計量、通信、印刷以及軍事等領(lǐng)域。特別在信息領(lǐng)域的應(yīng)用，不少學(xué)科分支和方向已經(jīng)形成大規(guī)模的產(chǎn)業(yè)。1995年，全世界光學(xué)和光（電）子學(xué)技術(shù)產(chǎn)業(yè)規(guī)模已達700億美元，2000年達1030億美元。可以預(yù)期，光學(xué)和光子學(xué)將成為21世紀(jì)初的一個骨干產(chǎn)業(yè)。 4OJD_
3、光學(xué)工程的研究對象和內(nèi)容 ]9w8[ T:O
光學(xué)既是一門基礎(chǔ)科學(xué)，又是一門技術(shù)科學(xué)。作為基礎(chǔ)科學(xué)，主要研究光的產(chǎn)生、光的本性以及光和物質(zhì)的相互作用。作為技術(shù)科學(xué)，是把光的現(xiàn)象和規(guī)律應(yīng)用于人類的生產(chǎn)活動中而形成的一門技術(shù)科學(xué)，如將光作為信息傳遞的手段，便發(fā)展出各種光學(xué)儀器和設(shè)備，藉以擴展人們的視覺功能（觀察）、聽覺功能（通信）、觸覺功能（測量）等（眾所周知，視覺和聽覺占人的感覺知覺的90％）；又如光作為能量的形式，利用光對物質(zhì)產(chǎn)生的物理化學(xué)反應(yīng)來改變物質(zhì)的形態(tài)和屬性，如激光核聚變，各種光源，光合作用等；再如光作為加工處理的手段，如激光進行材料加工，表面改性和醫(yī)療手術(shù)等。 `kvIw,c.
光學(xué)工程主要研究： $,/E"G`
（1） 以光作為信息傳遞的媒介，進行對客觀事物的認知與了解，特別是作為視覺及其他人身感 (G./P@/[
