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光学发展概述姓名：尤增光学号：2012501046人类对光和光的本性的认识›光学的发展史，大体可分为五个时期。›1．萌芽时期。›2．几何光学时期。›3．波动光学时期。›4．量子光学时期。›5．现代光学时期。1.萌芽时期›中国古代对光的认识是和生产、生活实践紧密相连的。它起源于火的获得和光源的利用，以光学器具的发明、制造及应用为前提条件。根据书籍记载，中国古代对光的认识大多集中在光的直线传播、光的反射、大气光学、成像理论等多个方面。›最早且有据可查的是我国春秋战国时期的墨翟及其弟子的工作。对光的直线传播的认识早在春秋战国时《墨经》已记载了小孔成像的实验。指出小孔成倒像的根本原因是光沿着直线传播。光的直线传播性质，在我国古代天文历法中得到了广泛的应用。我们的祖先制造了圭表和日晷，测量日影的长短和方位，以确定时间、冬至点、夏至点；在天文仪器上安装窥管，以观察天象，测量恒星的位置。此外，我国很早就利用光的这一性质，发明了皮影戏。汉初齐少翁用纸剪的人、物在白幕后表演，并且用光照射，人、物的影像就映在白幕上，幕外的人就可以看到影像的表演。皮影戏到宋代非常盛行，后来传到了西方，引起了轰动。萌芽时期›对大气光学现象的探讨大气光学现象是中国古代光学最有成效的领域之一，早在周代由于占卜的需要，已建立了官方的观测机构，虽然他们的工作蒙上了一层神秘的色彩，但是对虹、海市蜃楼、北极光等大气光学现象的观测与记载是长期、系统而又深入细致的，世所罕见。萌芽时期›亚里士多德（希腊,公元前384一322）认为白色阳光通过美丽的古老大教堂的彩色玻璃窗之后变得五颜六色，好象白衣服放入不同染料的溶液中被染了色一样，是光把透明介质物体的可见性变成了现实。认为颜色是人们主观的感觉，一切颜色都是光明与黑暗，白与黑按光的比例混合的结果。›欧几里德（古希腊，公元前330—275）也提出了光的直线传播性，他在《光学》一书中写道：“我们假想光是以直线进行的，在线与线间还留出一些空隙来，光线自物体到人眼成为一个锥体，锥顶在人眼，锥底在物体，只有被光线碰上的东西才给我们看见，没有碰上的东西就看不见了”。萌芽时期›公元二世纪，托勒密（希腊人，公元70－147）研究了折射现象，写了《光学》一书，书中记载光由空气进入水中的入射角和折射角，得出一系列数据。他认为折射角和入射角成正比。›阿尔一哈金（阿拉伯人，公元965－1038）首先发明了凸透镜，并对它进行了实验研究，所得的结果接近于近代关于凸透镜的理论。›1299年，阿玛蒂（十三世纪）发明了眼镜。因此到15世纪和16世纪纪，凹面镜，凸面镜，眼镜，透镜等光学元件已相继出现。几何光学时期›从时间上来看，大约包括十七、十八两个世纪，这是光学的转折时期。在这期间建立了光的反射定律和折射定律，为几何光学奠定了基础。同时为了扩大人眼的观察能力，出现了一些光学仪器。›如李普塞（荷兰人，1587－1619）所制作的第一架望远镜的诞生、促进了天文学和航海事业的发展，延森（1588—1632）和冯特纳（1580－1656）最早制作了复合显微镜，为生物学的研究提供了强有力的工具。几何光学时期›1609年，伽里略（意大利人，1564—1642）制造了用凸透镜做物镜，用凹透镜做目镜的伽里略望远镜。他的不朽的功勋之一是第一个把望远镜指向天空，当时的目的是为了证实哥白尼（波兰人。1473—1543）的日心说。›开普勒（德国人，1571—1630）汇集前人的光学知识，于1611年发表了《屈光学》一书。书中记载：他研究了折射现象，断定托勒密关于折射定现的结论并不正确，折射定律的建立›有两个创始人，一个是荷兰数学家斯涅耳（荷兰人，1591－1626），斯涅耳于1621年，从实际测量中抽象出这一定律，这一定律的表述是在斯涅耳去世后，于1626年在他的遣稿中找到的。›另一个是苗卡儿（法国人，1596—1650），笛卡儿虽然倾向于光的波动说，但在解释光的折射时，又把光看作由无数小球组成。因此，他是从光的微粒观念中推导出折射定律的。在1637年出版的《折光学》一书中，他第一个正式公布具有现代形式的折射定律，把余割之比换成了正弦之比。n1sinθ1=n2sinθ2。几何光学时期›费马（法国人，1601一1665）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，推导出光的反射定律和折射定律。›到十七世纪中叶，已经建立了光的反射和折射定律，从而奠定了几何光学的基础。›以上理论是从光的直线传播作为基础的，但在实际观察中也存在违背这一原则的现象。如格里马（意大利人，1618—1663）等人首先观察到衍射现象。几何光学时期›胡克（英国人，1635－1703）也观察到了衍射现象，并和玻义耳（英国人，1627—1691）独立地研究了薄膜所产生的彩色干涉条纹。以上这些都是波动光学的萌芽。›到了十七世纪后半叶，牛顿（英国人，1643－1727）和惠更斯（荷兰人，1629一1695）等对光的研究，才真正把光学引上了发展的道路。牛顿光学上的伟大贡献›在1704年出版的《光学---论光的反射、折射、弯曲和颜色》一书中，书中描述了他所做过的实验和所得出的结论。›首先，他为了改善望远镜头而磨制三棱镜，从而发现了色散现象。证明了白光是由各种色光复合而成的。几何光学时期›不同颜色的光线具有不同的折射本领，被牛顿用来解释虹的成因。›牛顿根据实验结果，也提出了错误的看法，他断定透镜成象存在根本的缺点，即不能形成清晰的物象。›但是必须指出，牛顿的前提是错误的，他的错误在于他认为不同的透明物质是从相同的方式折射不同颜色的光线的。几何光学时期›牛顿在光学中另一项精彩的发现是牛顿环。›牛顿环是光具有波动性的最好证明之一，也说明了光的周期性。但是，因为牛顿在关于光的本性的讨论中倾向于微粒说，所以他不可能对光的以上性质加以进一步的探讨。›牛顿的高明之处是：他不仅详细地定性的描述了实验现象，而是进一步作了定量的测量。几何光学时期›十七世纪还讨论了另一个问题，即“是不是有一个有限的光速？”笛卡儿采取否定的态度，而伽里略是肯定的。›在整个十八世纪，光学几乎没有什么发展，多数科学家赞成光的微粒说，而欧拉（瑞士人，1707—1783）和伯努利（瑞士人。1700—1782）却坚持和发展了“从太”的波动理论。3.波动光学时期›进入1800年，由于英国医生杨（英国人，1773－1829）和法国工程师菲涅耳（法国人，1788－1827）的工作，使波动说又重新提出，并取得成功。›扬在1800年的论文中。根据光的波动本性解释了牛顿环的现象，并描述了杨氏双缝干涉实验，第一次用实验显示了光的干涉现象，并由此成功地测出了红光和紫光的波长，并且认为光是横波。扬取得了很多研究成果，其中包括人眼的构造和功能。波动光学时期›菲涅耳继续了扬的工作，1815年他用扬的干涉原理补充了惠更斯原理，提出了惠更斯——菲涅耳原理。运用这一原理不仅能解释光在各向同性介质中的直线传播，同时也能解释光的衍射现象。›1808年马吕斯（英国人，1775—1812）偶然发现光在两种介质界面上反射时的偏振现象。›菲涅耳和阿拉果（1786一1853）在1819年提供了相互垂直的偏振光不相干涉的证明，这是光的横向振动理论最终的证实。›夫琅和费（德国人，1787－1826）对折射的研究。1835年施维尔德（1792—1871）发表了总结性的文章；题为《从波动论的基本定理出发分析地阐明衍射现象》之后，才告一段落。›1845年，法拉第（英国人，1791—1867）发现了偏振光的振动面在强磁场中旋转的现象，从而揭示了光和电磁的内在联系。1856年韦伯（德国人，1804－1891）和柯尔劳斯（德国人，1809—1858），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。›1865年，麦克斯韦（苏格兰人，1831—1879）电磁场理论建立，得出电磁波以光速传播，所以说明光是一种电磁现象。这一理论，于1888年被赫兹（德国人，1857－1894）用实验证实。因此建立了光的电磁理论。›1849年菲索（法国人，1819—1896）利用转动齿轮法，1862年佛科（法国人，1819～1868）利用旋转镜法，第一次在实验室测定了光的速度，这就完全证实了波动说的正确性。4.量子光学时期›1900年普朗克提出了量子假说，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，只能象微粒似地以一定最小份的能量发生，这种能量微粒称为量子，正比于频率，成功地解释了黑体辐射问题光的量子称为光子。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，所以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解释了光电效应。他给光子作了十分明确的表示，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。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。›爱因斯坦（生于德国，1879－1955）于1905年，提出了对当光照在某些金属上会逸出电子的一个解释。这就是光电效应。›1924年德布罗意（法国人，1892一）创立了物质波学说，他大胆地设想每一物质的粒子的运动都和一定的波动相联系现代光学时期›二十世纪五十年代以来，尤其是在激光问世以后，光学和许多科学技术领域紧密结合，相互渗透，派生了不少崭新的分支学科，因此光学开始了一个新的发展时期，成为现代物理学和现代科学技术的前沿阵地之一。现代光学时期›在激光器诞生以后，为摄影术向前发展提供了可能，因此出现了全息摄影术。›由于激光的出现，光学的重要发展之一，是将数学中的付里叶（法国人，1768－1830）变换和通讯中的线性系统理论引入光学，形成了一个新的光学分支——付里叶光学。›在激光器出现一年以后，非线性光学（也称强光学）作为光学的一个分支也发展起来了。人类对光的本性的认识›人类对光本性的认识是否已经达到了终点呢？根据科学发展的规律和目前的状况看，答案是清楚的。至少是有些问题还没有彻底解决。例如：光量子还能再分吗，光子还有没有内部结构？光子真的没有静止质量吗？这些问题都有待于进一步的探索。