 光是一種重要的自然現象，我們所以能夠看到客觀世界中五彩繽紛、瞬息萬變的景象，是因為眼睛接收物體發射、反射或散射的光。據統計，人類感官收到外部世界的總信息量中，至少有90％以上通過眼睛。光這種東西看得見摸不著，沒有氣味也沒有重量，能一下子充滿整個空間，陽光、月光、星光、火光、燈光，光無處不在，可光究竟怎樣產生，為什么會具有如此特性？光能反射、折射、散射、衍射、輻射、光是電磁波，光是最小的能量單位。光是聯系宇宙，探索人類起源的媒介。 1 光是什么 When atoms or molecules drop from a higher state of energy to a lower one, they lose energy and emit it in the form of radiation. At the microscopic level, visible light is created when an electron within an atom in an excited state drops to a low energy state and loses this excess energy. The same way, incoming light can elevate an electron to a higher state of energy by being absorbed by it. 當很多原子或分子從高能量的狀態躍遷到低能量的狀態，它們損失的能量以輻射的形式釋放出來。在微觀視角，當原子中的電子從一個興奮狀態到了一個低能量的狀態，這個過程就釋放了多余的能量，就產生了可見光，同樣，當光被電子吸收后，電子的能量就會升高。 Microscopically, the moving charge of electron creates an oscillationg magnetic field, which creates an oscillating electric field perpendicular to it. These two fields move themselves through space, transferring energy from one place to another, carring information about its place of creating with it. 從宏觀角度，電子的電荷產生了一個變化的磁場，隨之出現一個和它垂直的變化的電場。這兩個場在空間內移動著，給對方提供能量，并包含了它們來源的信息。 So light is part of a spectrum, an elementary particle that also behaves like a wave, propelled by two perpendicular fields, travelling at the speed limit of the universe. 光就是光譜上的一部分，基本顆粒也表現得像波，由兩個相互垂直的場推動，以宇宙中有限的最大速度傳播。 2 光學常識 2.1 光的幾何特性 光在傳播過程中，表現出光的直線傳播定律、反射定律（包括光路可逆原理）的折射定律，我們是用光線和波面這兩個特征量來描述的，這就是幾何光學，以稱射線光學，也就是傳統意義上的應用光學。三條基本定律是幾何光學的基本原理。 指當光射到兩種介質的分界面上時，有一部分光改變傳播方向，回到原介質中內繼續傳播，這種光反射現象叫做光的反射。 光從一種透明介質斜射入另一種透明介質時，傳播方向一般會發生變化，這種現象叫光的折射。光的折射與光的反射一樣都是發生在兩種介質的交界處，只是返回原介質中，而折射光則進入到另一種介質中，由于光在在兩種不同的物質里傳播速度不同，故在兩種介質的交界處傳播方向發生變化，這就是光的折射。在兩種介質的交界處，既發生折射，同時也發生反射。反射光光速與相同 ，折射光光速與入射光不同。 只有反射而無折射的現象稱為全反射，光導纖維就是利用全反射規律而使光線沿著彎曲路徑傳播的光學元件。 反射可分為鏡面反射和漫反射，若反射面比較光滑，當平行入射的光線射到這個反射面時，仍會平行地向一個方向反射出來，這種反射就屬于鏡面反射。漫反射是投射在粗糙表面上的光向各個方向反射的現象。如一張白紙，雖然可以反射絕大部分光線，但因表面的粗糙形成的是漫反射而不是鏡面反射，所以無法成像。 反射和折射也分為平面反射與球面反射。 球面反射和折射： 
2.2 光的波動特性 光的干涉、衍射和偏振現象證明了光在傳播過程中具有波動特性，我們是用波長（或頻率）和相位這兩個特征量來描述的。 光的干涉（Interference of light）：如果兩波頻率相等，在觀察時間內波動不中斷，而且在相遇處振動方向幾乎沿著同一直線，那么它們疊加后產生的合振動可以在有些地方加強，在有些地方減弱，這一強度按空間周期性變化的現象稱為干涉。兩波相遇，如果波峰遇到波峰，波谷遇到波谷，兩波疊加，互相加強。如果波峰遇到波谷，波谷遇到波峰，相互抵消，形成黑暗條紋。 
衍射（diffraction）是指波遇到障礙物時偏離原來直線傳播的物理現象。當一束平行光通過一比較窄的狹縫或者小的圓孔時，它不僅偏離了原來的直線傳播方向，而且光強出現了類似干涉現象的明暗相間的重新分布。 
偏振：波的振動方向對于傳播方向的不對稱性稱為偏振。它是橫波區別于縱波的一個最明顯的標志。波的振動方向與傳播方向相同的波稱為縱波（聲波），垂直的波稱為橫波，只有橫波才有偏振現象。 電磁波與機械波：波是振動在空間的傳播。如在空氣中傳播的聲波，在水面傳播的水波以及在地殼中傳播的地震波等，它們都是由振源發出的振動在彈性介質中的傳播，這些波統稱為機械波。光波、熱輻射、微波、無線電波等都是由振源發出的在空間的傳播，這些波叫做電磁波。電磁波是由同相振蕩且互相垂直的電場與磁場在空間中以波的形式移動，其傳播方向垂直于電場與磁場構成的平面，故為橫波（平面波）。在均勻介質中，波呈球面擴散的方式向外傳播，所以可稱為球面波；但是，當傳播距離很遠后，球面的局部的曲率很小，可以看作平面波。所以說，球面波是波傳播的整體特征，平面波是波的局部特征。 
收音機是接受電磁波而工作的。收音機的分類是根據電磁波的波長分的。有FM、SW、AM，FM即調頻廣播，SW是短波，AM是中波，又叫調幅廣播。最常見的就是FM、AM。FM又叫超短波廣播，波長最短，信號幾乎直線傳播，信號最穩定，音質最好，覆蓋范圍也最小，基本覆蓋一個市或者周邊部分市區，其電磁波的頻率和電視的差不多，所以有些收音機有收電視伴音的功能。AM中波，以前對中波收音機接觸應該最多，覆蓋范圍比FM大，晚上收的臺會多一些，東部地區有時可以收到臺灣、香港、日本等的中波廣播。SW即國際廣播，要收聽國際電臺就要就是靠它了！它的覆蓋范圍自然最大。SW通常又分為7個波段，再加上AM、FM就是九波段，短波的范圍再擴展至九個波段，這樣下來就共有十二個波段即全頻收音機！ 2.3 光的粒子特性 光在傳播過程中表現出波動的特性，光在與物質相互相互作用的過程中表現出粒子的特性。光與物質的相互作用可以分為兩種類型：其一是光與物質的宏觀相互作用，具體表現為光在介質內傳輸時，介質對光強度的吸收、對不同頻率光的色散以及對光的散射等宏觀物理效應。其二是光與物質的微觀相互作用，在熱平衡狀態下，物質原子對光的發射特性和吸收特性，比如，熱輻射的規律、光電效應、康普頓效應，發光原子穩定性以及單質原子的線狀光譜等。就光與物質相互作用現象和物理機制來看，無論是宏觀還是微觀相互作用，經典理論都不能夠給予完整的解釋，特別是光與物質的微觀相互作用方面，甚至出現了嚴重的矛盾。正是由于經典理論在光學領域的這些困難促使科學家們經過艱苦的探索，終于在20世紀初建立了以量子論為核心、以波粒二象性和質能守恒為兩塊基石的控物理學。 光的吸收、散射和色散：都是由光和物質的相互作用引起的，實質上是由光和原子中的電子相互作用引起的。 光的吸收是指原子在光照下，會吸收光子的能量由低能態躍遷到高能態的現象。從實驗上研究光的吸收，通常用一束平行光照射在物質上，測量光強隨穿透距離衰減的。 光的散射（scattering of light）是指通過不均勻介質時一部分光偏離原方向傳播的現象。 光的色散：在光學中，將復色光（如白光）分解成單色光（如紅、橙、黃、綠、藍、靛、紫）的過程，叫光的色散。色散可以利用三棱鏡或光柵等作為'色散系統'的儀器來實現。 
輻射指的是由場源發出的電磁能量中一部分脫離場源向遠處傳播，而后不再返回場源的現象，能量以電磁波或粒子（如阿爾法粒子、貝塔粒子等）的形式向外擴散。自然界中的一切物體，只要溫度在絕對溫度零度（-273.15攝氏度）以上，都以電磁波和粒子的形式時刻不停地向外傳送熱量，這種傳送能量的方式被稱為輻射。輻射之能量從輻射源向外所有方向直線放射。物體通過輻射所放出的能量，稱為輻射能。輻射按倫琴 /小時(R)計算。輻射有一個重要特點，就是它是'對等的'。不論物體（氣體）溫度高低都向外輻射，甲物體可以向乙物體輻射，同時乙也可向甲輻射。一般普遍將這個名詞用在電離輻射。輻射本身是中性詞，但某些物質的輻射可能會帶來危害。 黑體輻射：我們知道，各種物體由于結構不同，對外來輻射的吸收以及它本身對外的輻射都不相同。一個物體之所以是白色的，是因為它反射所有頻率的光波。如果看上去是黑色的，那是因為它吸收了所有頻率的光波（黑色的物體可吸收可見光（不反射、不穿透）），假設有這樣一種物體，能夠吸收所有電磁波（外來電磁輻射），也不反射和穿透，但可以輻射（釋放能量），這樣的物體稱為黑體，當黑體吸收不同頻率的電磁波時，其能量密度怎樣用公式描述？后來搞出了一套分別在短波（從粒子角度出發）和長波（從電磁波角度出發推導）范圍內才能起作用的公式。1900年，普朗克在研究黑體時，發現了一個普適公式，這個公式必須假定：能量在發射和吸引的時候，不是連續不斷，而是分成一份一份的。 光電效應：在高于某特定頻率的電磁波照射下，某些物質內部的電子會被光子激發出來而形成電流，即光生電。光電現象由德國物理學家赫茲于1887年發現，而正確的解釋為愛因斯坦所提出。科學家們在研究光電效應的過程中，物理學者對光子的量子性質有了更加深入的了解，這對波粒二象性概念的提出有重大影響。 康普頓效應：1923年，美國物理學家康普頓在研究x射線通過實物物質發生散射的實驗時，發現了一個新的現象，即散射光中除了有原波長λ0的x光外，還產生了波長λ>λ0 的x光，其波長的增量隨散射角的不同而變化。這種現象稱為康普頓效應(Compton Effect)。用經典電磁理論來解釋康普頓效應時遇到了困難，康普頓借助于愛因斯坦的光子理論，從光子與電子碰撞的角度對此實驗現象進行了圓滿地解釋。 2.4 波粒二象性 光的干涉、衍射和偏振表明光具有波動性、光的黑體輻射、光電效應和康普頓效應又表明光是粒子，具有微粒性，那么，光空間是波還是粒子呢？事實上，這個問題已經不能用經典的波和粒子來描述它了，現在的回答是光具有波粒二象性，這里的波、粒已經不是經典理論中的概念，嚴格的表述將由量子電動力學給出。 波粒二象性（wave-particle duality）指的是所有的粒子或量子不僅可以部分地以粒子的術語來描述，也可以部分地用波的術語來描述。這意味著經典的有關'粒子'與'波'的概念失去了完全描述量子范圍內的物理行為的能力。愛因斯坦這樣描述這一現象：'好像有時我們必須用一套理論，有時候又必須用另一套理論來描述（這些粒子的行為），有時候又必須兩者都用。我們遇到了一類新的困難，這種困難迫使我們要借助兩種互相矛盾的的觀點來描述現實，兩種觀點單獨是無法完全解釋光的現象的，但是合在一起便可以。'波粒二象性是微觀的基本屬性之一。1905年，提出了的解釋，人們開始意識到光波同時具有波和粒子的雙重性質。1924年，提出''假說，認為和光一樣，一切物質都具有波粒二象性。根據這一假說，電子也會具有和等波動現象，這被后來的試驗所證實。當我們用某種物質與微觀客體的相互作用去探測該微觀客體時，就它被集中的意義來說，它是粒子。當它在運動時，就觀察到衍射現象的意義來說，它是波動。光波的傳播不需要任何介質，光在傳播過程中表現出波動的特性，光在與物質相互相互作用的過程中表現出粒子的特性。宏觀電磁波或光波是電磁振蕩產生的，實際上是原子中電子能級的躍遷而發出的。 光有時候表現的是粒子現象，有時候呈現的是波現象。如一個人有時善，有時惡，你無法定義他是一個惡人還是一個善人。 德布羅意波也叫物質波，在光具有的啟發下，法國物理學家德布羅意（1892～1987）在1924年提出一個假說，指出波粒二象性不只是光子才有，一切微觀粒子，包括電子和質子、中子，都有波粒二象性。他把光子的動量與波長的關系式p=h/λ推廣到一切微觀粒子上，指出：具有質量m 和速度v 的運動粒子也具有波動性，這種波的波長等于普朗克恒量h 跟粒子動量mv 的比，即λ= h/（mv）。這個關系式后來就叫做德布羅意公式。發現了電子、質子等微觀粒子的波動性以后，對微觀世界的認識統一起來了。不僅原來認為是電磁波的光具有粒子性，而且原來認為是粒子的電子、質子等也具有波動性。 機械波是周期性的振動在媒質內的傳播，電磁波是周期變化的電磁場的傳播（無媒質）。物質波既不是機械波，也不是電磁波。在提出物質波以后，人們曾經對它提出過各種各樣的解釋。到1926年，德國物理學家（1882～1970）提出了符合實驗事實的后來為大家公認的統計解釋：物質波在某一地方的強度跟在該處找到它所代表的粒子的幾率成正比。按照玻恩的解釋，物質波乃是一種。德布羅意波的統計解釋粒子在某處鄰近出現的概率與該處波的強度成正比。當然，應該指出，雖所有的微觀粒子都具有波粒二象性，但光子跟電子、質子等粒子還是有很基本的區別的。光子沒有靜質量，電子、質子等都有靜質量．光子的永遠是c，電子、質子等卻可以有低于光速c的各種不同的運動速度。 光與電子都具有波粒二象性，如何理解波粒兩者的關系呢？我們來看一個實驗，分別用電子流和光照射一個狹縫，當電子流的密度很小，以致電子一個一個地通過狹縫，接收屏表面上開始時出現的是一些位置并不重合而且是無規則分布著的點，隨著時間延長，點的數目增多最終形成衍射圖樣。這提示了粒子性和波動性之間的關系，即單個光子和電子的行徑是無規則的，而大量的光子和電子的分布與波動理論一致。在經典力學中，為了確定宏觀物體的運動狀態，必須同時知道這個物體的位置（坐標）和動量。對于微觀粒子，前面已經知道它具有波粒二象性，那么還能用經典力學的位置（坐標）和卻是來準確描述微觀粒子的運動狀態嗎？1927年海森堡提出了不確定性原理，同一方向上微觀粒子的動量和位置不能同時準確確定。 2.5 其它的一些光學常識 光速：波長*振動頻率；（波長是光的兩個波峰或波谷之間的距離），光的波長越短，波的振動頻率越高。 光是一種輻射，紫外光適當有益，過多有害。 可見光。人眼不可見的光，有一些動物，如蠅卻是可見的，紫外線滅蚊燈就是這一原理的應用。 人的色彩感覺：一般來說，不同波長的可見光投射到物體上，一部分波長的光被吸收，另一部分波長的光則被反射出來刺激人的眼睛，經過視神經傳遞到大腦后，人便形成了對物體的色彩信息。如紅花在陽光下之所以呈現紅色，因為它吸收了藍色光和綠色光，反射了來自太陽的紅色光。 彩虹是當太陽光照射到半空中的水滴，光線被折射及反射，在天空上形成拱形的七彩光譜，由外圈至內圈呈紅、橙、黃、綠、藍、靛、紫七種顏色。事實上彩虹有無數種顏色，比如，在紅色和橙色之間還有許多種細微差別的顏色，但為了簡便起見，所以只用七種顏色作為區別。彩虹是因為陽光射到空中接近球形的小水滴，造成色散及反射而成。陽光射入水滴時會同時以不同角度入射，在水滴內亦以不同的角度反射。當中以40至42度的反射最為強烈，造成我們所見到的彩虹。造成這種反射時，陽光進入水滴，先折射一次，然后在水滴的背面反射，最后離開水滴時再折射一次，總共經過一次反射兩次折射。因為水對光有色散的作用，不同波長的光的折射率有所不同，紅光的折射率比藍光小，而藍光的偏向角度比紅光大。由于光在水滴內被反射，所以觀察者看見的光譜是倒過來，紅光在最上方，其他顏色在下。因此，彩虹和霓虹的高度不一樣，顏色的層遞順序也正好反過來。彩虹意旨光線經過兩次折射一次反射，霓虹則是光線經過兩次折射兩次反射。
云彩為什么有白色、黑色和紅色呢？為什么沒有其它顏色呢？這些不同顏色的云彩有什么不同嗎？'這樣一個非常簡單的問題，很多人居然不知道如何回答。這是長期的思維惰性造成的，我們用中學的知識就可以解釋這個問題了。云彩的紅色來自太陽光通過大氣層時的折射，因此只有早晨和傍晚才出現紅色的云彩，也就是朝霞和晚霞。因為太陽光在大氣層發生折射時不是單一的細光束，而是發生在大面積的折射，由于相互疊加，只能在最邊緣出現紅色，頂多會出現一點橙色。而云彩的白色和黑色是云層的厚度以及云層、太陽與觀察者之間的相互位置造成的。 激光：普通光源是向四面八方發光。要讓發射的光朝一個方向傳播，需要給光源裝上一定的聚光裝置，如汽車的車前燈和探照燈都是安裝有聚光作用的反光鏡，使輻射光匯集起來向一個方向射出。激光器發射的激光，天生就是朝一個方向射出，光束的發散度極小，大約只有0.001弧度，接近平行。原子受激輻射的光，故名'激光'：原子中的電子吸收能量后從低能級躍遷到高能級，再從高能級回落到低能級的時候，所釋放的能量以光子的形式放出。被引誘（激發）出來的光子束（激光），其中的光子光學特性高度一致（行進方向上，波長、波峰與波谷的位置關系完全一致，疊加效應更強）。 3 光學儀器 光的干涉、衍射和偏振現象證明了光在傳播過程中具有波動特性，我們是用波長（或頻率）和相位這兩個特征量來描述的，另一方面，光在傳播過程中，又表現出光的直線傳播定律、反射定律（包括光路可逆原理）的折射定律，我們是用光線和波面這兩個特征量來描述的，這就是幾何光學，以稱射線光學，也就是傳統意義上的應用光學。三條 基本定律是幾何光學的基本原理，它不考慮光的波動性，即不考慮光的干涉、衍射等波動性，而只根據光能量沿著直線傳播的概念來處理問題，這是光學儀器成像的理論基礎。但是，實際上，光的波動性，特別是光的衍射現象會對光學儀器成像的分辨造成嚴重的制約，所以，光學儀器的設計、理論研究和實踐應用，必須考慮光的波動性。 光學儀器的各類很多，首先，是我們的眼睛，它是一架精密的光學儀器（眼睛成像和凸透鏡成像原理相同）。其他人造的光學儀器可以分為三大類： 1） 助視光學儀器：有眼鏡 、目鏡和照相機； 2） 放大和投影光學儀器：有放大鏡、顯微鏡、望遠鏡和投影儀等； 3） 光譜分析儀器：有棱鏡光譜儀、光柵光譜儀和F－P干涉儀等； 望遠鏡是一種或反射鏡以及其他光學器件觀測遙遠物體的儀器。利用通過透鏡的或光線被反射使之進入小孔并會聚成像，再經過一個放大而被看到。又稱''。 根據望遠鏡原理一般分為三種。一種通過收集電磁波來觀察遙遠物體的電磁輻射的儀器，稱之為射電望遠鏡，在日常生活中，望遠鏡主要指，但是在現代天文學中，包括了，，X射線和伽馬射線望遠鏡。天文望遠鏡的概念又進一步地延伸到了，和的領域。 顯微鏡是由一個透鏡或幾個透鏡的組合構成的一種光學儀器，是人類進入的標志。主要用于放大微小物體成為人的肉眼所能看到的儀器。顯微鏡分和：光學顯微鏡是在1590年由荷蘭的詹森父子所首創。現在的光學顯微鏡可把物體放大1600倍，分辨的最小極限達波長的1/2。 光學顯微鏡主要由目鏡、物鏡、載物臺和反光鏡組成。目鏡和物鏡都是凸透鏡，焦距不同。物鏡的凸透鏡焦距小于目鏡的凸透鏡的焦距。物鏡相當于投影儀的鏡頭，物體通過物鏡成倒立、放大的實像。目鏡相當于普通的放大鏡，該實像又通過目鏡成正立、放大的虛像。經顯微鏡到人眼的物體都成倒立放大的虛像。反光鏡用來反射，照亮被觀察的物體。反光鏡一般有兩個反射面：一個是平面鏡，在光線較強時使用；一個是凹面鏡，在光線較弱時使用，可會聚光線。
4 光學發展簡史 光學的發展大致可換分為5個時期：萌芽時期、幾何光學時期、波動光學時期、量子光學時期、現代光學時期。 4.1 萌芽時期 光學的起源和力學等一樣，可以追溯到3000年前甚至更早的時期。在中國，墨翟（公元前468—公元前376）及其弟子所著的《墨經》記載了光的直線傳播和光在鏡面上的反射等現象，并具體分析了物、像的正倒及大小關系。無論從時間還是科學性來講，《墨經》可以說是世界上較為系統的關于光學知識的最早記錄。約100多年后，古希臘數學家歐幾里得（Euclid，約公元前330—公元前275）在其著作中研究了平面鏡成像問題，提出了光的反射定律，指出反射角等于入射角，但他同時提出了將光當作類似觸須的投射學說。 從墨翟開始后的兩千多年的漫長歲月構成了光學發展的萌芽時期，在此期間光學發展比較緩慢。羅馬帝國的滅亡(公元475年)大體上標志著黑暗時代的開始，在此之后，歐洲在很長一段時間里科學發展緩慢，光學亦是如此。除了對光的直線傳播、反射和折射等現象的觀察和實驗外，在生產和社會需要的推動下，在光的反射和透鏡的應用方面，逐漸有了些成果。 克萊門德（Clemomedes）和托勒密（C.Ptolemy,90--168）研究了光的折射現象，最先測定了光通過兩證介質面時代入射角和折射角。羅馬哲學家塞涅卡（Seneca,前3--65）指出充滿水的玻璃泡具有強大功能。從阿拉伯的巴斯拉來到埃及的學者阿爾哈雷（Alhazen，965--1038）反對歐幾里德和托勒密關于眼鏡發出光線才能看到物體的學說，認為光線來自所觀察的物體，并且光是以球面形式從光源發出的；反射和入射線共面且入射面垂直于界面，他研究了球面鏡與拋物面鏡，并詳細描述了人眼的構造；他首先發明了凸透鏡，并對凸透鏡進行了實驗研究，所得的結果接近于近代關于凸透鏡的理論。 培根（R.Bacon,1214--1294）提出透鏡校正視力和采用透鏡組構成望遠鏡的可能性，并描述了透鏡焦點的位置。阿瑪蒂（Armati）發明了眼鏡。波特（G.B.D.Porta，1535--1615）研究了成像暗箱，并在1589年的論文《自然的魔法》中討論了復合面鏡以及凸透鏡和凸透鏡組的組合。綜上所述，到15世紀末和16世紀初，凹透鏡、凸面鏡、眼鏡、透鏡以及暗箱和幻燈等光學元件已相繼出現。 4.2 幾何光學時期 這一時期可以稱為光學發展史上的轉折點。在這個時期建立了光的反射定律和折射定律，奠定了幾何光學的基礎。同時為了提高人眼的觀察能力，人們發明了光學儀器，第一架望遠鏡的誕生促進了天文學和航海事業的發展，顯微鏡的發明給生物學的研究提供了強有力的工具。 荷蘭的李普塞（H.Lippershey，1587-1619）在1608年發明了第一架望遠鏡，17世紀初延森（z.Janssen，1588-1632）和馮特納（P.Fontana，1580-1656）最早制作了復合顯微鏡，1610年伽利略（Galilei，1564-1642）用自己制造的望遠鏡觀察星體，發現了繞木星運行的衛星，這給哥白尼關于地球繞太陽運轉的日心說提供了強有力的證據。 開普勒（J.Kepler，1571-1630）匯集了前人的光學知識，于1611年發表了他的著作《折光學》，無論在形式上還是在內容上，該書都可與現代幾何光學教材媲美，他提出了用點光源照明時，照度與受照面到光源距離的平方成反比的照度定律，他還設計了幾種新型的望遠鏡，特別是由兩塊凸透鏡構成的開普勒天文望遠鏡，他還發現當光以小角度入射到界面時，入射角和折射角近似地成正比關系，至于折射定律的精確公式則是斯涅耳（W.Snell，1591-1626）和笛卡兒（R.Descartes，1596-1650）提出的，1621年斯涅耳在他的一篇未發表的文章中指出，入射角的余弦和折射角的余弦之比是常量，而約在1630年，笛卡兒在《折光學》（1637年出版）中給出了我們現在熟悉的用正弦函數表述的折射定律，接著費馬（P.de Fermat，160l-1665）在1657年首先指出光在介質中傳播時所走的光程取極值的原理，并根據這個原理推出光的反射定律和折射定律，綜上所述，到17世紀中葉，基本上已經奠定了幾何光學的基礎。 早先關于光的本性的概念，是以光的直線傳播為基礎的，但從17世紀開始，就發現了與光的直線傳播不完全符合的事實，意大利人格里馬第（F.M.Grimaldi，1618-1663）首先觀察到光的衍射現象，他發現在點光源的情況下，一根直竿的影子要比假設光沿直線傳播所應有的寬度稍大一點，也就是說光并不嚴格按直線傳播，而會繞過障礙物前進，接著，1672-1675年間胡克（R.Hooke，1635-1703）也觀察到衍射現象，并且和波意耳（R.Boyle，1627——1691）獨立地研究了薄膜所產生的彩色干涉條紋。這些都是光的波動理論的萌芽。 十七世紀下半頁，牛頓（1642~1727年）和惠更斯（1629~1695年）等把光的研究引向進一步發展的道路。在光學發展的早期，對顏色的解釋顯得特別困難。1672年牛頓發現白光通過三棱鏡時，會在光屏上形成安一定次序排列的彩色光譜帶——光譜。于是他認為白光由各種色光復合而成，各色光在玻璃中受到不同程度的折射而被分解成許多組成部分。反之，把各種組成部分復合起來會重新得到原來的白光。進一步的實驗還指出，把第一棱鏡所分離出的某種色光從光譜中分離出來，便不能被第二棱鏡再分解，這些簡單的色光特征，可用棱鏡的形狀和折射率來定量地描述。因此牛頓的白光實驗，使對顏色的解釋擺脫了主觀視覺的印象而上升到客觀量度的科學高度。此外，牛頓還仔細觀察了白光在空氣薄層上干涉時所產生的彩色條紋——牛頓環，從而首次認識了顏色和空氣層厚度之間的關系。但最早發現牛頓環的卻是胡克。在發現這些現象的同時，牛頓于公元1704年出版的《光學》一書中，根據光的直線傳播性質，提出了光的微粒流理論。他認為這些微粒從光源飛出來，在真空或均勻物質內，由于慣性而作勻速直線運動，并以此觀點解釋光的反射和折射定律。然而在解釋牛頓環時，卻遇到了困難。同時，這種微粒流的假設也難以說明光在繞過障礙物之后所發生的衍射現象。 惠更斯反對光的微粒說，1678年他在《論光》中從生和光的某些現象的相似性出發，認為光是在'以太'中傳播的波。所謂'以太'則是一種假想的彈性介質，充滿整個宇宙空間，光的傳播取決于'以太'的彈性和密度。運用他的波動理論中的次波原理，惠更斯不僅成功地解釋了發射和折射定律，還解釋了方解石的雙折射現象。但是惠更斯沒有把波動過程的特性給予足夠的說明，沒有指出光現象的周期性，沒有提出波長的概念。他的次波包絡面成為新的波面的理論，沒有考慮到它們是由波動按一定的位相疊加所造成的。歸根到底，仍舊擺脫不了幾何光學的觀念，因此不能由此說明光的的干涉和衍射等有關光的波動本性的現象。與次相反，堅持微粒說的牛頓，卻從他發現的牛頓環現象中確信光是周期性的。 綜上所述，這一時期中，在以牛頓位代表的微粒說占統治地位的同時，由于相繼發現了光的干涉、衍射和偏振等光的波動現象，以惠更斯為代表的波動說也初步提出來了。因而，這個時期也可以說是幾何光學向波動光學過度的時期，是人們對光的認識逐步深化的時期。 光的理論在十八世紀實際上沒有什么進展。多數科學家采納了光的微粒說，不過瑞士的笛卡兒學派的歐拉（1707~1783年）和伯努利（1700~1782年）卻捍衛并發展了'以太'的波動理論。 4.3 波動光學時期 1801年，托馬斯·楊（T.Young，1773~1829）最先用干涉原理另人滿意地解釋了白光照射下薄膜顏色的由來并做了著名的'楊氏雙縫干涉實驗'，還第一次成功測定光的波長。 1815年，菲涅耳（A.J.Fresnel，1788-1827）用楊氏干涉原理補充了惠更斯原理，形成了人們所熟知的惠更斯－菲涅耳原理。運用這個原理不僅圓滿地解釋光在均勻的各向同性介質中的直線傳播，而且還能解釋光通過障礙物時所發生的衍射現象。因此，它成為波動光學的一個重要原理。 1808年，馬呂斯（E.L.Malus,1755-1812）偶然發現光在兩種介質界面上反射時的偏振現象。隨后菲涅耳和阿拉果（D.F.J.Arago，1786~1853）對光的偏振現象和偏振光的干涉進行了研究。為了解釋這種現象，楊氏在1817年提出了光波和弦中傳播的波相仿的假設，認為它是一種橫波。菲涅耳進一步完善了這一觀點并提出了菲涅耳公式。至此，光的彈性波動理論既能說明光的直線傳播，也能解釋光的干涉和衍射現象，并且橫波的假設又可以解釋光的偏振現象。看來一切都十分圓滿了，但這時仍把光看作是'以太'中的機械彈性波動。至于'以太'空間是什么物質，盡管人們賦予了它許多附加的性質，仍難自圓其說。這樣，光的彈性波動理論存在的問題就暴露出來了。此外，這個理論既沒有指出光學現象和其他物理現象間的任何聯系，也沒能把表征介質特性的各種光學常量和介質的其他參數聯系起來。 1845年法拉第（M.Faraday，1791~1867年）發現了光的振動面在強磁場中的旋轉，從而揭示光學現象和電磁現象的內在聯系。 1856年，韋伯（W.E.Weber，1804-1891)和柯爾勞斯（R.Kohlrausch，1809-1858)通過在萊比錫做的電學實驗發現電荷的電磁單位和靜電單位的比值等于光在真空中的傳播速度，既3*10^8m/s。從這些發現中，人們得到啟示，即在研究光學現象時，必須把光學現象和其他物理現象聯系起來考慮。 1865年，麥克斯韋（J.C.Maxwell，1831-1879)指出電場和磁場的改變不會局限在空間的某一部分，而是以數值等于電荷的電磁單位與靜電單位的比值的速度傳播的。即電磁波以光速傳播，說明光是一種電磁現象。 這理論在1888年被赫茲（H.R.Hertz，1857-1894)的實驗所證實。他直接通過頻率和波長來測定電磁波的傳播速度，好現它恰好等于光速。至此，確立了光的電磁理論基礎，盡管關于以太的問題，要在相對論出現以后才得到完全解決。 另一方面，當時已經發現了折射率隨光波波長而改變的色散現象。根據當時物質結構的觀念，已經可以從電子的運動過程更深入地研究物質和光相互作用的各種過程。 1896年，洛侖茲（H.A.Lorentz，1853-1928)創立電子論，認為在外力的作用下，電子做阻尼振動而產生光的輻射。當光通過介質且介質中電子的固有頻率和外場的頻率相同時，則束縛電子便成為較顯著的光的吸收體。解釋了物質發射和吸收光的現象，以及光在物質中的傳播過程以及光的色散現象。 隨著新光源的探索，光學的研究深入到光的發生、光和物質相互作用的微觀機構中，光的電磁理論又發生了一些困難。'黑體輻射'的能量按波長分布的問題，及1887年赫茲發現的光電效應，用光的電磁理論不能得出正確的結論。并且，如果認為洛倫茲關于以太的概念是正確的話，則可將不動的以太選作參照系，使人們能區別出絕對運動。而事實上，1876～1887年間，美國物理學家邁克爾遜和莫雷進行了搜索'以太風'的實驗，但他們的實驗得到了'負結果'，即沒有發現'以太風'的存在。得到否定的結果，電磁波或光的傳播并不像機械波一樣需要媒介。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。 但是光的電磁論在整個物理學的發展中起著很重要的作用，它指出光和電磁現象的一致性，并且證明了各種自然現象之間存在著相互聯系這一辯證唯物論的基本原理，使人們在認識光的本性方面向前邁進了一大步。 在此期間，人們還用多種實驗方法對光速進行了多次測定。1849年斐索（A.H.L.Fizeau，1819--1896）運用了旋轉齒輪的方法及1862年傅科（J.L.Foucault，1819--1868）使用旋轉鏡法測定了光在各種不同介質中的傳播速度。 4.4 量子光學時期 19世紀末到20世紀初，光學的研究深入到光的發生、光和物質相互作用的微觀機構中．光的電磁理論的主要困難是不能解釋光和物質相互作用的某些現象，例如熾熱黑體輻射中能量隨波長分布的問題，特別是1887年赫茲發現的光電應。 1900年，普朗克（M.K.Planck,1858-1947)提出了輻射的量子論，認為各種頻率的電磁波只能以一定的能量子方式從振子發射，能量子所具有的能量是不連續的，其大小只能是電磁波（或光）的頻率與普朗克常量乘積的整數倍，從而成功解釋黑體輻射問題，開始量子光學時期。 1905年，愛因斯坦（A.Einstein,1879-1955)發展了普朗克的能量子假設，把量子論貫穿到整個輻射和吸收過程中，提出了光量子（光子）理論，圓滿解釋了光電效應，并被后來的許多實驗（如康普頓效應）證實。但這里的光子不同于牛頓的微粒說的粒子，光子是和光的頻率（波動特性）聯系著的，光同時具有微粒和波動兩種屬性。 至此，人們一方面通過光的干涉、衍射、偏振等光學現象證實了光的波動性；而另一方面通過熱輻射、光電效應和康普頓效應等又證實了光的量子性——粒子性。為了將有關光的本性的兩個完全不同的概念統一起來，人們進行了大量的探索工作。 1924年，德布羅意（L.V.de Broglie，1892-1987)創立物質波學說，大膽設想每一物質的粒子都和一定的波相聯系。 這一假設在1927年被戴維孫（C.J.Davisson，1881-1958)和革末（L.H.Germer，1896-1971)的電子束衍射實驗所證實。事實上，不僅光具有波動性和微粒性，也就是所謂波粒二象性，而且一切習慣概念上的實物粒子同樣具有這種二重性．也就是說這是微觀物質所共有的屬性。 1925年，波恩（M.Born，1882-1970)提出波粒二象性的概率解釋建立了波動性和微粒性之間的聯系。光和一切微觀粒子都具有波粒二象性，這個認識促進了原子核和粒子研究的發展，也推動了人們去進一步探索光和物質的本質，包括實物和場的本質問題。 4.5 現在光學時期 1935年，荷蘭物理學家澤尼克（Z.Zernike)提出相襯顯微術。 1948年，伽柏（D.Gabor)提出波前記錄與在現的全息術。 1955年，光學傳遞函數理論創立。 1960年，梅曼（T.H.Maiman，1927- )的激光問世，標志光學迅速邁入現代光學時期。 1958年，肖洛（A.L.Schawlow，1921-1999)和湯斯（C.H.Towns，1915- )等提出把微波量子放大器的原理推廣到光頻段中去。 20世紀中葉，特別是激光問世以后，光學開始進入了一個新的時期，以致于成為現代物理學和現代科學技術前沿的重要組成部分。其中最重要的成就，就是發現了愛因斯坦于1916年預言過的原子和分子的受激輻射，并且創造了許多具體的產生受激輻射的技術。 愛因斯坦研究輻射時指出，在一定條件下，如果能使受激輻射繼續去激發其他粒子，造成連鎖反應，雪崩似地獲得放大效果，最后就可得到單色性極強的輻射，即激光。1960年，梅曼用紅寶石制成第一臺可見光的激光器；同年制成氦氖激光器；1962年產生了半導體激光器；1963年產生了可調諧染料激光器。由于激光具有極好的單色性、高亮度和良好的方向性，所以自1958年發現以來，得到了迅速的發展和廣泛應用，引起了科學技術的重大變化。 1960年，梅曼首先成功制成紅寶石激光器。 自此，激光科學技術的發展突飛猛進，現已廣泛用于打孔、切割、導向、測距、醫療和育種等方面，在化學催化、同位素分離、光通訊、光存儲、光信息處理、生命科學以及引發核聚變等方面也有廣闊的發展前景。 同步輻射的電磁波譜從紅外線到X射線，強度高，指向性特佳，在科學研究和高技術諸如表明物理學、生物學和化學以及半導體制備和集成電路制造等領域都有廣泛應用。 全息攝影術已在全息顯微術、信息存儲、像差平衡、信息編碼、全息干涉亮度、聲波全息和紅外全息等方面獲得了越來越廣泛的應用。 光導纖維已發展成為一種新型的光學元件。光纖通訊具有使用范圍廣、容量大、抗干擾能力強、便于保密和節約鋼材等優點。 由于采取光信息存儲，并充分吸收了光并行處理的特點，光計算機的運算速度將會成千倍地增加，信息存儲能力可望獲得極大的提高，更完善的人工智能便可成為現實。 紅外線技術成功應用于夜視、導彈制導、環境污染監測、地球資源考察及遙感遙測技術等。 將數學中的傅立葉變換和通訊中的線性系統理論引入光學，形成了傅立葉光學。 高度時間和空間相干性的高強度激光的出現，為研究強光作用下非線性光學（屬光子學范疇）的發展創造了條件。 光子可像電子一樣與物質相互作用，成為探測物質內部微觀信息的一種靈敏的探針。由于描述光波的參量，諸如振幅、相位、頻率及偏振態等均會在光與物質相互作用的過程中發生變化，這種變化正是傳遞了物質中的諸多信息。 現代光學技術與信息光學技術、納米技術和生命科學技術密切關聯。 現代光學和其他學科和技術的結合，在人們的生產和生活中發揮這日益重大的作用和影響，正在成為人們認識自然、改造自然以及提高勞動生產率的越來越強有力的武器。 _End_
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