光学发展史

光是一种重要的自然现象。我们之所以能看到客观世界中丰富多彩的景象，是因为眼睛接受物体发射、反射或散射的光。据统计，人类感观收到外部世界的总信息量中，至少有90%以上通过眼睛。在数千年前人类便产生对光现象进行探索和研究的兴趣，留下许多关于光学现象的记载和著作。光学是一门研究光的行为和性质，以及光和物质相互作用的物理学科。光学既是物理学中最古老的一个基础学科，又是当前科学研究中最活跃的前沿阵地，它的发展是一个漫长而曲折的历史过程，主要经历了萌芽时期、几何光学时期、波动光学时期、量子光学时期、现代光学时期等五大历史时期。

萌芽时期（约公元前5世纪～16世纪初）

光学的起源和力学、热学一样，可以追溯到两三千年以前。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。春秋战国时期墨子（公元前468-376 年）及其弟子所著《墨经》中记载：直线传播、光在镜面上的反射等现象，并提出了一系列的实验规律。这是有关光学知识的最早纪录。

从墨翟开始后的两千多年的漫长岁月构成了光学发展的萌芽时期，在此期间光学发展比较缓慢。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。除了对光的直线传播、反射和折射等现象的观察和实验外，在生产和社会需要的推动下，在光的反射和透镜的应用方面，逐渐有了些成果。欧几里德(Euclid，公元前330～275)的《反射光学》研究了光的反射，提出了反射定律和光类似触须的投射学说。大约公元100 年克莱门德（Clemomedes）和托勒密（C.Ptolemy,90--168）研究了光的折射现象，最先测定了光通过两个介质面时的入射角和折射角。罗马哲学家塞涅卡（Seneca,前3--65）指出充满水的玻璃泡具有强大功能。从阿拉伯的巴斯拉来到埃及的学者阿尔哈雷（Alhazen，965--1038）反对欧几里德和托勒密关于眼睛发出光线才能看到物体的学说，认为光线来自所观察的物体，并且光是以球面形式从光源发出的；反射和入射线共面且入射面垂直与界面，他研究了球面镜与抛物面镜，并详细描述了人眼的构造，首先发明了凸透镜，并对凸透镜进行了实验研究，所得的结果接近于近代关于凸透镜的理论。培根（R.Bacon,1214--1294）提出透镜校正视力和采用透镜组构成望远镜的可能性，并描述了透镜焦点的位置。阿玛蒂（Armati）发明了眼镜。波特（G.B.D.Porta，1535--1615）研究了成像暗箱，并在1589年的论文《自然的魔法》中讨论了复合面镜以及凸透镜和凸透镜组的组合。综上所述，到15世纪末和16世纪初，凹面镜、凸面镜、眼镜、透镜以及暗箱和幻灯等光学元件已相继出现。

几何光学时期（16 世纪～18 世纪初）

这一时期可以称为光学发展史上的转折点。在这个时期建立了光的反射定律和折射定律，奠定了几何光学的基础。同时为了提高人眼的观察能力，人们发明了光学仪器，第一架望远镜的诞生促进了天文学和航海事业的发展，显微镜的发明给生物学的研究提供了强有力的工具。

1608 年荷兰人李普塞发明第一架望远镜，17 世纪初延森和冯特纳发明了第一架显微镜。1610 年伽利略制作了望远镜，并用望远镜观察星体运动。1611 年开普勒发表《折光学》，设计了开普勒天文望远镜。1630 年斯涅尔(Snell)和笛卡尔(Descartes)总结出光的折射定律。这些发明发现是光学由萌芽时期发展到几何光学时期的重要标志。直到1657 年费马（Fermat）得出著名的费马原理，并从原理出发推出了光的反射和折射定律。这两个定律奠定了几何光学的基础，光学开始真正形成一门科学。

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实验，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。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动按一定的位相叠加造成的。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、衍射和偏振等光的波动现象，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。

波动光学时期（19 世纪初～19 世纪末）

1801 年托马斯·杨 的“杨氏双缝干涉实验”解释了光的干涉现象，初步测定了光的波长，并于1817 年提出光是一种横波。1815 年菲涅尔补充了惠更斯原理，形成惠更斯—菲涅尔原理；解释了光在各向同性介质中的直线传播和光的衍射现象，并推出菲涅尔公式。最终，19 世纪初光的波动理论终于战胜了微粒说。至此，光的波动理论既能解释光的直线传播，又能解释光的干涉、衍射和偏振等现象。

1845 年法拉第发现了光的振动面在强磁场中的旋转，揭示了光与电磁场的内在联系。1856年韦伯和柯尔劳斯发现电荷的电磁单位与静电单位的比值等于光在真空中的传播速度。他们的发现表明光学现象与磁学、电学现象间有一定的内在关系。1861 年麦克斯韦建立起著名的电磁理论，该理论预言了电磁波的存在，并指出电磁波的速度与光速相同，提出光是一种电磁波的假设。 1888 年赫兹发现了波长较长的电磁波——无线电波，它有反射、折射、干涉、衍射等与光类似的性质，传播速度恰好等于光速。至此，光的电磁理论基础被正式确立。针对惠更斯波动理论中的光的传播介质“以太”是否存在这一问题，麦克尔逊和莫雷于1887 年利用光的干涉效应（麦克尔逊干涉仪），试图探测地球相对于“以太”的运动，得到了否定的结论，证实以太根本不存在。

量子光学时期（20 世纪初～20 世纪中叶）

19世纪末到20世纪初，光学的研究深入到光的发生、光和物质相互作用的微观机制中。光的电磁理论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按波长分布的问题，特别是1887年赫兹发现的光电效应。1900年，普朗克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，只能以各自确定分量的能量从振子射出，这种能量微粒称为量子，光的量子称为光子。量子论很自然地解释了灼热体辐射能量按波长分布的规律，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 年爱因斯坦发展了光的量子理论，成功地解释了光电效应，提出了光的波粒二象性。 至此，光到底是“粒子”还是“波动”的争论得到解决：在某些方面，光表现的象经典的“波动”，在另一些方面表现的象经典的“粒子”，光有“波粒二象性”。这样，在20 世纪初，一方面从光的干涉、衍射、偏振以及运动物体的光学现象确证了光是电磁波；而另一方面又从热辐射、光电效应、光压以及光的化学作用等无可怀疑地证明了光的量子性——微粒性。光和一切微观粒子都具有波粒二象性，这个认识促进了原子核和粒子研究的发展，也推动人们去进一步探索光和物质的本质，包括实物和场的本质问题。为了彻底认清光的本性，还要不断探索，不断前进。

1916 年爱因斯坦预言原子和分子可以产生受激辐射。他在研究辐射时指出，在一定条件下，如果能使受激辐射继续去激发其他粒子，造成连锁反应，雪崩似地获得放大效果，最后就可得到单色性极强的辐射，即激光。这为现代光学的发展奠定了理论基础。

现代光学时期（20 世纪中叶～）

从20世纪中叶起，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。

此外，由强激光产生的非线性光学现象正为越来越多的人们所注意。激光光谱学，包括激光喇曼光谱学、高分辨率光谱和皮秒超短脉冲，以及可调谐激光技术的出现，已使传统的光谱学发生了很大的变化，成为深入研究物质微观结构、运动规律及能量转换机制的重要手段。它为凝聚态物理学、分子生物学和化学的动态过程的研究提供了前所未有的技术。

总之，现代光学和其他学科和技术的结合，在人们的生产和生活中发挥这日益重大的作用和影响，正在成为人们认识自然、改造自然以及提高劳动生产率的越来越强有力的武器。