光是一種重要的自然現(xiàn)象，我們所以能夠看到客觀世界中五彩繽紛、瞬息萬(wàn)變的景象，是因?yàn)檠劬邮瘴矬w發(fā)射、反射或散射的光。據(jù)統(tǒng)計(jì)，人類(lèi)感官收到外部世界的總信息量中，至少有90％以上通過(guò)眼睛。光這種東西看得見(jiàn)摸不著，沒(méi)有氣味也沒(méi)有重量，能一下子充滿整個(gè)空間，陽(yáng)光、月光、星光、火光、燈光，光無(wú)處不在，可光究竟怎樣產(chǎn)生，為什么會(huì)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(lián)系宇宙，探索人類(lèi)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(dāng)很多原子或分子從高能量的狀態(tài)躍遷到低能量的狀態(tài)，它們損失的能量以輻射的形式釋放出來(lái)。在微觀視角，當(dāng)原子中的電子從一個(gè)興奮狀態(tài)到了一個(gè)低能量的狀態(tài)，這個(gè)過(guò)程就釋放了多余的能量，就產(chǎn)生了可見(jiàn)光，同樣，當(dāng)光被電子吸收后，電子的能量就會(huì)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(chǎn)生了一個(gè)變化的磁場(chǎng)，隨之出現(xiàn)一個(gè)和它垂直的變化的電場(chǎng)。這兩個(gè)場(chǎng)在空間內(nèi)移動(dòng)著，給對(duì)方提供能量，并包含了它們來(lái)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(xiàn)得像波，由兩個(gè)相互垂直的場(chǎng)推動(dòng)，以宇宙中有限的最大速度傳播。

2 光學(xué)常識(shí)

2.1 光的幾何特性

光在傳播過(guò)程中，表現(xiàn)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(gè)特征量來(lái)描述的，這就是幾何光學(xué)，以稱(chēng)射線光學(xué)，也就是傳統(tǒng)意義上的應(yīng)用光學(xué)。三條基本定律是幾何光學(xué)的基本原理。

指當(dāng)光射到兩種介質(zhì)的分界面上時(shí)，有一部分光改變傳播方向，回到原介質(zhì)中內(nèi)繼續(xù)傳播，這種光反射現(xiàn)象叫做光的反射。

光從一種透明介質(zhì)斜射入另一種透明介質(zhì)時(shí)，傳播方向一般會(huì)發(fā)生變化，這種現(xiàn)象叫光的折射。光的折射與光的反射一樣都是發(fā)生在兩種介質(zhì)的交界處，只是返回原介質(zhì)中，而折射光則進(jìn)入到另一種介質(zhì)中，由于光在在兩種不同的物質(zhì)里傳播速度不同，故在兩種介質(zhì)的交界處傳播方向發(fā)生變化，這就是光的折射。在兩種介質(zhì)的交界處，既發(fā)生折射，同時(shí)也發(fā)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(wú)折射的現(xiàn)象稱(chēng)為全反射，光導(dǎo)纖維就是利用全反射規(guī)律而使光線沿著彎曲路徑傳播的光學(xué)元件。

反射可分為鏡面反射和漫反射，若反射面比較光滑，當(dāng)平行入射的光線射到這個(gè)反射面時(shí)，仍會(huì)平行地向一個(gè)方向反射出來(lái)，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(gè)方向反射的現(xiàn)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(wú)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(dòng)特性

光的干涉、衍射和偏振現(xiàn)象證明了光在傳播過(guò)程中具有波動(dòng)特性，我們是用波長(zhǎng)（或頻率）和相位這兩個(gè)特征量來(lái)描述的。

光的干涉（Interference of light）：如果兩波頻率相等，在觀察時(shí)間內(nèi)波動(dòng)不中斷，而且在相遇處振動(dòng)方向幾乎沿著同一直線，那么它們疊加后產(chǎn)生的合振動(dòng)可以在有些地方加強(qiáng)，在有些地方減弱，這一強(qiáng)度按空間周期性變化的現(xiàn)象稱(chēng)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(qiáng)。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(shí)偏離原來(lái)直線傳播的物理現(xiàn)象。當(dāng)一束平行光通過(guò)一比較窄的狹縫或者小的圓孔時(shí)，它不僅偏離了原來(lái)的直線傳播方向，而且光強(qiáng)出現(xiàn)了類(lèi)似干涉現(xiàn)象的明暗相間的重新分布。

偏振：波的振動(dòng)方向?qū)τ趥鞑シ较虻牟粚?duì)稱(chēng)性稱(chēng)為偏振。它是橫波區(qū)別于縱波的一個(gè)最明顯的標(biāo)志。波的振動(dòng)方向與傳播方向相同的波稱(chēng)為縱波（聲波），垂直的波稱(chēng)為橫波，只有橫波才有偏振現(xiàn)象。

電磁波與機(jī)械波：波是振動(dòng)在空間的傳播。如在空氣中傳播的聲波，在水面?zhèn)鞑サ乃ㄒ约霸诘貧ぶ袀鞑サ牡卣鸩ǖ?，它們都是由振源發(fā)出的振動(dòng)在彈性介質(zhì)中的傳播，這些波統(tǒng)稱(chēng)為機(jī)械波。光波、熱輻射、微波、無(wú)線電波等都是由振源發(fā)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(chǎng)與磁場(chǎng)在空間中以波的形式移動(dòng)，其傳播方向垂直于電場(chǎng)與磁場(chǎng)構(gòu)成的平面，故為橫波（平面波）。在均勻介質(zhì)中，波呈球面擴(kuò)散的方式向外傳播，所以可稱(chēng)為球面波；但是，當(dāng)傳播距離很遠(yuǎn)后，球面的局部的曲率很小，可以看作平面波。所以說(shuō)，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(jī)是接受電磁波而工作的。收音機(jī)的分類(lèi)是根據(jù)電磁波的波長(zhǎng)分的。有FM、SW、AM，F(xiàn)M即調(diào)頻廣播，SW是短波，AM是中波，又叫調(diào)幅廣播。最常見(jiàn)的就是FM、AM。FM又叫超短波廣播，波長(zhǎng)最短，信號(hào)幾乎直線傳播，信號(hào)最穩(wěn)定，音質(zhì)最好，覆蓋范圍也最小，基本覆蓋一個(gè)市或者周邊部分市區(qū)，其電磁波的頻率和電視的差不多，所以有些收音機(jī)有收電視伴音的功能。AM中波，以前對(duì)中波收音機(jī)接觸應(yīng)該最多，覆蓋范圍比FM大，晚上收的臺(tái)會(huì)多一些，東部地區(qū)有時(shí)可以收到臺(tái)灣、香港、日本等的中波廣播。SW即國(guó)際廣播，要收聽(tīng)國(guó)際電臺(tái)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(gè)波段，再加上AM、FM就是九波段，短波的范圍再擴(kuò)展至九個(gè)波段，這樣下來(lái)就共有十二個(gè)波段即全頻收音機(jī)！

2.3 光的粒子特性

光在傳播過(guò)程中表現(xiàn)出波動(dòng)的特性，光在與物質(zhì)相互相互作用的過(guò)程中表現(xiàn)出粒子的特性。光與物質(zhì)的相互作用可以分為兩種類(lèi)型：其一是光與物質(zhì)的宏觀相互作用，具體表現(xiàn)為光在介質(zhì)內(nèi)傳輸時(shí)，介質(zhì)對(duì)光強(qiáng)度的吸收、對(duì)不同頻率光的色散以及對(duì)光的散射等宏觀物理效應(yīng)。其二是光與物質(zhì)的微觀相互作用，在熱平衡狀態(tài)下，物質(zhì)原子對(duì)光的發(fā)射特性和吸收特性，比如，熱輻射的規(guī)律、光電效應(yīng)、康普頓效應(yīng)，發(fā)光原子穩(wěn)定性以及單質(zhì)原子的線狀光譜等。就光與物質(zhì)相互作用現(xiàn)象和物理機(jī)制來(lái)看，無(wú)論是宏觀還是微觀相互作用，經(jīng)典理論都不能夠給予完整的解釋?zhuān)貏e是光與物質(zhì)的微觀相互作用方面，甚至出現(xiàn)了嚴(yán)重的矛盾。正是由于經(jīng)典理論在光學(xué)領(lǐng)域的這些困難促使科學(xué)家們經(jīng)過(guò)艱苦的探索，終于在20世紀(jì)初建立了以量子論為核心、以波粒二象性和質(zhì)能守恒為兩塊基石的控物理學(xué)。

光的吸收、散射和色散：都是由光和物質(zhì)的相互作用引起的，實(shí)質(zhì)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(huì)吸收光子的能量由低能態(tài)躍遷到高能態(tài)的現(xiàn)象。從實(shí)驗(yàn)上研究光的吸收，通常用一束平行光照射在物質(zhì)上，測(cè)量光強(qiáng)隨穿透距離衰減的。

光的散射（scattering of light）是指通過(guò)不均勻介質(zhì)時(shí)一部分光偏離原方向傳播的現(xiàn)象。

光的色散：在光學(xué)中，將復(fù)色光（如白光）分解成單色光（如紅、橙、黃、綠、藍(lán)、靛、紫）的過(guò)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(tǒng)'的儀器來(lái)實(shí)現(xiàn)。

輻射指的是由場(chǎng)源發(fā)出的電磁能量中一部分脫離場(chǎng)源向遠(yuǎn)處傳播，而后不再返回場(chǎng)源的現(xiàn)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(kuò)散。自然界中的一切物體，只要溫度在絕對(duì)溫度零度（-273.15攝氏度）以上，都以電磁波和粒子的形式時(shí)刻不停地向外傳送熱量，這種傳送能量的方式被稱(chēng)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(guò)輻射所放出的能量，稱(chēng)為輻射能。輻射按倫琴 /小時(shí)(R)計(jì)算。輻射有一個(gè)重要特點(diǎn)，就是它是'對(duì)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(shí)乙也可向甲輻射。一般普遍將這個(gè)名詞用在電離輻射。輻射本身是中性詞，但某些物質(zhì)的輻射可能會(huì)帶來(lái)危害。

黑體輻射：我們知道，各種物體由于結(jié)構(gòu)不同，對(duì)外來(lái)輻射的吸收以及它本身對(duì)外的輻射都不相同。一個(gè)物體之所以是白色的，是因?yàn)樗瓷渌蓄l率的光波。如果看上去是黑色的，那是因?yàn)樗樟怂蓄l率的光波（黑色的物體可吸收可見(jiàn)光（不反射、不穿透）），假設(shè)有這樣一種物體，能夠吸收所有電磁波（外來(lái)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(chēng)為黑體，當(dāng)黑體吸收不同頻率的電磁波時(shí)，其能量密度怎樣用公式描述？后來(lái)搞出了一套分別在短波（從粒子角度出發(fā)）和長(zhǎng)波（從電磁波角度出發(fā)推導(dǎo)）范圍內(nèi)才能起作用的公式。1900年，普朗克在研究黑體時(shí)，發(fā)現(xiàn)了一個(gè)普適公式，這個(gè)公式必須假定：能量在發(fā)射和吸引的時(shí)候，不是連續(xù)不斷，而是分成一份一份的。

光電效應(yīng)：在高于某特定頻率的電磁波照射下，某些物質(zhì)內(nèi)部的電子會(huì)被光子激發(fā)出來(lái)而形成電流，即光生電。光電現(xiàn)象由德國(guó)物理學(xué)家赫茲于1887年發(fā)現(xiàn)，而正確的解釋為愛(ài)因斯坦所提出?？茖W(xué)家們?cè)谘芯抗怆娦?yīng)的過(guò)程中，物理學(xué)者對(duì)光子的量子性質(zhì)有了更加深入的了解，這對(duì)波粒二象性概念的提出有重大影響。

康普頓效應(yīng)：1923年，美國(guó)物理學(xué)家康普頓在研究x射線通過(guò)實(shí)物物質(zhì)發(fā)生散射的實(shí)驗(yàn)時(shí)，發(fā)現(xiàn)了一個(gè)新的現(xiàn)象，即散射光中除了有原波長(zhǎng)λ0的x光外，還產(chǎn)生了波長(zhǎng)λ>λ0 的x光，其波長(zhǎng)的增量隨散射角的不同而變化。這種現(xiàn)象稱(chēng)為康普頓效應(yīng)(Compton Effect)。用經(jīng)典電磁理論來(lái)解釋康普頓效應(yīng)時(shí)遇到了困難，康普頓借助于愛(ài)因斯坦的光子理論，從光子與電子碰撞的角度對(duì)此實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象進(jìn)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(dòng)性、光的黑體輻射、光電效應(yīng)和康普頓效應(yīng)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(shí)上，這個(gè)問(wèn)題已經(jīng)不能用經(jīng)典的波和粒子來(lái)描述它了，現(xiàn)在的回答是光具有波粒二象性，這里的波、粒已經(jīng)不是經(jīng)典理論中的概念，嚴(yán)格的表述將由量子電動(dòng)力學(xué)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(shù)語(yǔ)來(lái)描述，也可以部分地用波的術(shù)語(yǔ)來(lái)描述。這意味著經(jīng)典的有關(guān)'粒子'與'波'的概念失去了完全描述量子范圍內(nèi)的物理行為的能力。愛(ài)因斯坦這樣描述這一現(xiàn)象：'好像有時(shí)我們必須用一套理論，有時(shí)候又必須用另一套理論來(lái)描述（這些粒子的行為），有時(shí)候又必須兩者都用。我們遇到了一類(lèi)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(diǎn)來(lái)描述現(xiàn)實(shí)，兩種觀點(diǎn)單獨(dú)是無(wú)法完全解釋光的現(xiàn)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?zhuān)藗冮_(kāi)始意識(shí)到光波同時(shí)具有波和粒子的雙重性質(zhì)。1924年，提出''假說(shuō)，認(rèn)為和光一樣，一切物質(zhì)都具有波粒二象性。根據(jù)這一假說(shuō)，電子也會(huì)具有和等波動(dòng)現(xiàn)象，這被后來(lái)的試驗(yàn)所證實(shí)。當(dāng)我們用某種物質(zhì)與微觀客體的相互作用去探測(cè)該微觀客體時(shí)，就它被集中的意義來(lái)說(shuō)，它是粒子。當(dāng)它在運(yùn)動(dòng)時(shí)，就觀察到衍射現(xiàn)象的意義來(lái)說(shuō)，它是波動(dòng)。光波的傳播不需要任何介質(zhì)，光在傳播過(guò)程中表現(xiàn)出波動(dòng)的特性，光在與物質(zhì)相互相互作用的過(guò)程中表現(xiàn)出粒子的特性。宏觀電磁波或光波是電磁振蕩產(chǎn)生的，實(shí)際上是原子中電子能級(jí)的躍遷而發(fā)出的。

光有時(shí)候表現(xiàn)的是粒子現(xiàn)象，有時(shí)候呈現(xiàn)的是波現(xiàn)象。如一個(gè)人有時(shí)善，有時(shí)惡，你無(wú)法定義他是一個(gè)惡人還是一個(gè)善人。

德布羅意波也叫物質(zhì)波，在光具有的啟發(fā)下，法國(guó)物理學(xué)家德布羅意（1892～1987）在1924年提出一個(gè)假說(shuō)，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(zhì)子、中子，都有波粒二象性。他把光子的動(dòng)量與波長(zhǎng)的關(guān)系式p=h/λ推廣到一切微觀粒子上，指出：具有質(zhì)量m 和速度v 的運(yùn)動(dòng)粒子也具有波動(dòng)性，這種波的波長(zhǎng)等于普朗克恒量h 跟粒子動(dòng)量mv 的比，即λ= h/（mv）。這個(gè)關(guān)系式后來(lái)就叫做德布羅意公式。發(fā)現(xiàn)了電子、質(zhì)子等微觀粒子的波動(dòng)性以后，對(duì)微觀世界的認(rèn)識(shí)統(tǒng)一起來(lái)了。不僅原來(lái)認(rèn)為是電磁波的光具有粒子性，而且原來(lái)認(rèn)為是粒子的電子、質(zhì)子等也具有波動(dòng)性。

機(jī)械波是周期性的振動(dòng)在媒質(zhì)內(nèi)的傳播，電磁波是周期變化的電磁場(chǎng)的傳播（無(wú)媒質(zhì)）。物質(zhì)波既不是機(jī)械波，也不是電磁波。在提出物質(zhì)波以后，人們?cè)?jīng)對(duì)它提出過(guò)各種各樣的解釋。到1926年，德國(guó)物理學(xué)家（1882～1970）提出了符合實(shí)驗(yàn)事實(shí)的后來(lái)為大家公認(rèn)的統(tǒng)計(jì)解釋?zhuān)何镔|(zhì)波在某一地方的強(qiáng)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?zhuān)镔|(zhì)波乃是一種。德布羅意波的統(tǒng)計(jì)解釋粒子在某處鄰近出現(xiàn)的概率與該處波的強(qiáng)度成正比。當(dāng)然，應(yīng)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(zhì)子等粒子還是有很基本的區(qū)別的。光子沒(méi)有靜質(zhì)量，電子、質(zhì)子等都有靜質(zhì)量．光子的永遠(yuǎn)是c，電子、質(zhì)子等卻可以有低于光速c的各種不同的運(yùn)動(dòng)速度。

光與電子都具有波粒二象性，如何理解波粒兩者的關(guān)系呢？我們來(lái)看一個(gè)實(shí)驗(yàn)，分別用電子流和光照射一個(gè)狹縫，當(dāng)電子流的密度很小，以致電子一個(gè)一個(gè)地通過(guò)狹縫，接收屏表面上開(kāi)始時(shí)出現(xiàn)的是一些位置并不重合而且是無(wú)規(guī)則分布著的點(diǎn)，隨著時(shí)間延長(zhǎng)，點(diǎn)的數(shù)目增多最終形成衍射圖樣。這提示了粒子性和波動(dòng)性之間的關(guān)系，即單個(gè)光子和電子的行徑是無(wú)規(guī)則的，而大量的光子和電子的分布與波動(dòng)理論一致。在經(jīng)典力學(xué)中，為了確定宏觀物體的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，必須同時(shí)知道這個(gè)物體的位置（坐標(biāo)）和動(dòng)量。對(duì)于微觀粒子，前面已經(jīng)知道它具有波粒二象性，那么還能用經(jīng)典力學(xué)的位置（坐標(biāo)）和卻是來(lái)準(zhǔn)確描述微觀粒子的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)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(dòng)量和位置不能同時(shí)準(zhǔn)確確定。

2.5 其它的一些光學(xué)常識(shí)

光速：波長(zhǎng)*振動(dòng)頻率；（波長(zhǎng)是光的兩個(gè)波峰或波谷之間的距離），光的波長(zhǎng)越短，波的振動(dòng)頻率越高。

光是一種輻射，紫外光適當(dāng)有益，過(guò)多有害。

可見(jiàn)光。人眼不可見(jiàn)的光，有一些動(dòng)物，如蠅卻是可見(jiàn)的，紫外線滅蚊燈就是這一原理的應(yīng)用。

人的色彩感覺(jué)：一般來(lái)說(shuō)，不同波長(zhǎng)的可見(jiàn)光投射到物體上，一部分波長(zhǎng)的光被吸收，另一部分波長(zhǎng)的光則被反射出來(lái)刺激人的眼睛，經(jīng)過(guò)視神經(jīng)傳遞到大腦后，人便形成了對(duì)物體的色彩信息。如紅花在陽(yáng)光下之所以呈現(xiàn)紅色，因?yàn)樗樟怂{(lán)色光和綠色光，反射了來(lái)自太陽(yáng)的紅色光。

彩虹是當(dāng)太陽(yáng)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(nèi)圈呈紅、橙、黃、綠、藍(lán)、靛、紫七種顏色。事實(shí)上彩虹有無(wú)數(shù)種顏色，比如，在紅色和橙色之間還有許多種細(xì)微差別的顏色，但為了簡(jiǎn)便起見(jiàn)，所以只用七種顏色作為區(qū)別。彩虹是因?yàn)殛?yáng)光射到空中接近球形的小水滴，造成色散及反射而成。陽(yáng)光射入水滴時(shí)會(huì)同時(shí)以不同角度入射，在水滴內(nèi)亦以不同的角度反射。當(dāng)中以40至42度的反射最為強(qiáng)烈，造成我們所見(jiàn)到的彩虹。造成這種反射時(shí)，陽(yáng)光進(jìn)入水滴，先折射一次，然后在水滴的背面反射，最后離開(kāi)水滴時(shí)再折射一次，總共經(jīng)過(guò)一次反射兩次折射。因?yàn)樗畬?duì)光有色散的作用，不同波長(zhǎng)的光的折射率有所不同，紅光的折射率比藍(lán)光小，而藍(lán)光的偏向角度比紅光大。由于光在水滴內(nèi)被反射，所以觀察者看見(jiàn)的光譜是倒過(guò)來(lái)，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(guò)來(lái)。彩虹意旨光線經(jīng)過(guò)兩次折射一次反射，霓虹則是光線經(jīng)過(guò)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(méi)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(gè)非常簡(jiǎn)單的問(wèn)題，很多人居然不知道如何回答。這是長(zhǎng)期的思維惰性造成的，我們用中學(xué)的知識(shí)就可以解釋這個(gè)問(wèn)題了。云彩的紅色來(lái)自太陽(yáng)光通過(guò)大氣層時(shí)的折射，因此只有早晨和傍晚才出現(xiàn)紅色的云彩，也就是朝霞和晚霞。因?yàn)樘?yáng)光在大氣層發(fā)生折射時(shí)不是單一的細(xì)光束，而是發(fā)生在大面積的折射，由于相互疊加，只能在最邊緣出現(xiàn)紅色，頂多會(huì)出現(xiàn)一點(diǎn)橙色。而云彩的白色和黑色是云層的厚度以及云層、太陽(yáng)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(fā)光。要讓發(fā)射的光朝一個(gè)方向傳播，需要給光源裝上一定的聚光裝置，如汽車(chē)的車(chē)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(lái)向一個(gè)方向射出。激光器發(fā)射的激光，天生就是朝一個(gè)方向射出，光束的發(fā)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(jí)躍遷到高能級(jí)，再?gòu)母吣芗?jí)回落到低能級(jí)的時(shí)候，所釋放的能量以光子的形式放出。被引誘（激發(fā)）出來(lái)的光子束（激光），其中的光子光學(xué)特性高度一致（行進(jìn)方向上，波長(zhǎng)、波峰與波谷的位置關(guān)系完全一致，疊加效應(yīng)更強(qiáng)）。

3 光學(xué)儀器

光的干涉、衍射和偏振現(xiàn)象證明了光在傳播過(guò)程中具有波動(dòng)特性，我們是用波長(zhǎng)（或頻率）和相位這兩個(gè)特征量來(lái)描述的，另一方面，光在傳播過(guò)程中，又表現(xiàn)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(gè)特征量來(lái)描述的，這就是幾何光學(xué)，以稱(chēng)射線光學(xué)，也就是傳統(tǒng)意義上的應(yīng)用光學(xué)。三條 基本定律是幾何光學(xué)的基本原理，它不考慮光的波動(dòng)性，即不考慮光的干涉、衍射等波動(dòng)性，而只根據(jù)光能量沿著直線傳播的概念來(lái)處理問(wèn)題，這是光學(xué)儀器成像的理論基礎(chǔ)。但是，實(shí)際上，光的波動(dòng)性，特別是光的衍射現(xiàn)象會(huì)對(duì)光學(xué)儀器成像的分辨造成嚴(yán)重的制約，所以，光學(xué)儀器的設(shè)計(jì)、理論研究和實(shí)踐應(yīng)用，必須考慮光的波動(dòng)性。

光學(xué)儀器的各類(lèi)很多，首先，是我們的眼睛，它是一架精密的光學(xué)儀器（眼睛成像和凸透鏡成像原理相同）。其他人造的光學(xué)儀器可以分為三大類(lèi)：

1） 助視光學(xué)儀器：有眼鏡 、目鏡和照相機(jī)；

2） 放大和投影光學(xué)儀器：有放大鏡、顯微鏡、望遠(yuǎn)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(yuǎn)鏡是一種或反射鏡以及其他光學(xué)器件觀測(cè)遙遠(yuǎn)物體的儀器。利用通過(guò)透鏡的或光線被反射使之進(jìn)入小孔并會(huì)聚成像，再經(jīng)過(guò)一個(gè)放大而被看到。又稱(chēng)''。 根據(jù)望遠(yuǎn)鏡原理一般分為三種。一種通過(guò)收集電磁波來(lái)觀察遙遠(yuǎn)物體的電磁輻射的儀器，稱(chēng)之為射電望遠(yuǎn)鏡，在日常生活中，望遠(yuǎn)鏡主要指，但是在現(xiàn)代天文學(xué)中，包括了，，X射線和伽馬射線望遠(yuǎn)鏡。天文望遠(yuǎn)鏡的概念又進(jìn)一步地延伸到了，和的領(lǐng)域。

顯微鏡是由一個(gè)透鏡或幾個(gè)透鏡的組合構(gòu)成的一種光學(xué)儀器，是人類(lèi)進(jìn)入的標(biāo)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(xué)顯微鏡是在1590年由荷蘭的詹森父子所首創(chuàng)。現(xiàn)在的光學(xué)顯微鏡可把物體放大1600倍，分辨的最小極限達(dá)波長(zhǎng)的1/2。

光學(xué)顯微鏡主要由目鏡、物鏡、載物臺(tái)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(dāng)于投影儀的鏡頭，物體通過(guò)物鏡成倒立、放大的實(shí)像。目鏡相當(dāng)于普通的放大鏡，該實(shí)像又通過(guò)目鏡成正立、放大的虛像。經(jīng)顯微鏡到人眼的物體都成倒立放大的虛像。反光鏡用來(lái)反射，照亮被觀察的物體。反光鏡一般有兩個(gè)反射面：一個(gè)是平面鏡，在光線較強(qiáng)時(shí)使用；一個(gè)是凹面鏡，在光線較弱時(shí)使用，可會(huì)聚光線。

4 光學(xué)發(fā)展簡(jiǎn)史

光學(xué)的發(fā)展大致可換分為5個(gè)時(shí)期：萌芽時(shí)期、幾何光學(xué)時(shí)期、波動(dòng)光學(xué)時(shí)期、量子光學(xué)時(shí)期、現(xiàn)代光學(xué)時(shí)期。

4.1 萌芽時(shí)期

光學(xué)的起源和力學(xué)等一樣，可以追溯到3000年前甚至更早的時(shí)期。在中國(guó)，墨翟（公元前468—公元前376）及其弟子所著的《墨經(jīng)》記載了光的直線傳播和光在鏡面上的反射等現(xiàn)象，并具體分析了物、像的正倒及大小關(guān)系。無(wú)論從時(shí)間還是科學(xué)性來(lái)講，《墨經(jīng)》可以說(shuō)是世界上較為系統(tǒng)的關(guān)于光學(xué)知識(shí)的最早記錄。約100多年后，古希臘數(shù)學(xué)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(wèn)題，提出了光的反射定律，指出反射角等于入射角，但他同時(shí)提出了將光當(dāng)作類(lèi)似觸須的投射學(xué)說(shuō)。

從墨翟開(kāi)始后的兩千多年的漫長(zhǎng)歲月構(gòu)成了光學(xué)發(fā)展的萌芽時(shí)期，在此期間光學(xué)發(fā)展比較緩慢。羅馬帝國(guó)的滅亡(公元475年)大體上標(biāo)志著黑暗時(shí)代的開(kāi)始，在此之后，歐洲在很長(zhǎng)一段時(shí)間里科學(xué)發(fā)展緩慢，光學(xué)亦是如此。除了對(duì)光的直線傳播、反射和折射等現(xiàn)象的觀察和實(shí)驗(yàn)外，在生產(chǎn)和社會(huì)需要的推動(dòng)下，在光的反射和透鏡的應(yīng)用方面，逐漸有了些成果。

克萊門(mén)德（Clemomedes）和托勒密（C.Ptolemy,90--168）研究了光的折射現(xiàn)象，最先測(cè)定了光通過(guò)兩證介質(zhì)面時(shí)代入射角和折射角。羅馬哲學(xué)家塞涅卡（Seneca,前3--65）指出充滿水的玻璃泡具有強(qiáng)大功能。從阿拉伯的巴斯拉來(lái)到埃及的學(xué)者阿爾哈雷（Alhazen，965--1038）反對(duì)歐幾里德和托勒密關(guān)于眼鏡發(fā)出光線才能看到物體的學(xué)說(shuō)，認(rèn)為光線來(lái)自所觀察的物體，并且光是以球面形式從光源發(fā)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(xì)描述了人眼的構(gòu)造；他首先發(fā)明了凸透鏡，并對(duì)凸透鏡進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，所得的結(jié)果接近于近代關(guān)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(gòu)成望遠(yuǎn)鏡的可能性，并描述了透鏡焦點(diǎn)的位置。阿瑪?shù)伲ˋrmati）發(fā)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(fù)合面鏡以及凸透鏡和凸透鏡組的組合。綜上所述，到15世紀(jì)末和16世紀(jì)初，凹透鏡、凸面鏡、眼鏡、透鏡以及暗箱和幻燈等光學(xué)元件已相繼出現(xiàn)。

4.2 幾何光學(xué)時(shí)期

這一時(shí)期可以稱(chēng)為光學(xué)發(fā)展史上的轉(zhuǎn)折點(diǎn)。在這個(gè)時(shí)期建立了光的反射定律和折射定律，奠定了幾何光學(xué)的基礎(chǔ)。同時(shí)為了提高人眼的觀察能力，人們發(fā)明了光學(xué)儀器，第一架望遠(yuǎn)鏡的誕生促進(jìn)了天文學(xué)和航海事業(yè)的發(fā)展，顯微鏡的發(fā)明給生物學(xué)的研究提供了強(qiáng)有力的工具。

荷蘭的李普塞（H.Lippershey，1587-1619）在1608年發(fā)明了第一架望遠(yuǎn)鏡，17世紀(jì)初延森（z.Janssen，1588-1632）和馮特納（P.Fontana，1580-1656）最早制作了復(fù)合顯微鏡，1610年伽利略（Galilei，1564-1642）用自己制造的望遠(yuǎn)鏡觀察星體，發(fā)現(xiàn)了繞木星運(yùn)行的衛(wèi)星，這給哥白尼關(guān)于地球繞太陽(yáng)運(yùn)轉(zhuǎn)的日心說(shuō)提供了強(qiáng)有力的證據(jù)。

開(kāi)普勒（J.Kepler，1571-1630）匯集了前人的光學(xué)知識(shí)，于1611年發(fā)表了他的著作《折光學(xué)》，無(wú)論在形式上還是在內(nèi)容上，該書(shū)都可與現(xiàn)代幾何光學(xué)教材媲美，他提出了用點(diǎn)光源照明時(shí)，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(shè)計(jì)了幾種新型的望遠(yuǎn)鏡，特別是由兩塊凸透鏡構(gòu)成的開(kāi)普勒天文望遠(yuǎn)鏡，他還發(fā)現(xiàn)當(dāng)光以小角度入射到界面時(shí)，入射角和折射角近似地成正比關(guān)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(fā)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(xué)》（1637年出版）中給出了我們現(xiàn)在熟悉的用正弦函數(shù)表述的折射定律，接著費(fèi)馬（P.de Fermat，160l-1665）在1657年首先指出光在介質(zhì)中傳播時(shí)所走的光程取極值的原理，并根據(jù)這個(gè)原理推出光的反射定律和折射定律，綜上所述，到17世紀(jì)中葉，基本上已經(jīng)奠定了幾何光學(xué)的基礎(chǔ)。

早先關(guān)于光的本性的概念，是以光的直線傳播為基礎(chǔ)的，但從17世紀(jì)開(kāi)始，就發(fā)現(xiàn)了與光的直線傳播不完全符合的事實(shí)，意大利人格里馬第（F.M.Grimaldi，1618-1663）首先觀察到光的衍射現(xiàn)象，他發(fā)現(xiàn)在點(diǎn)光源的情況下，一根直竿的影子要比假設(shè)光沿直線傳播所應(yīng)有的寬度稍大一點(diǎn)，也就是說(shuō)光并不嚴(yán)格按直線傳播，而會(huì)繞過(guò)障礙物前進(jìn)，接著，1672-1675年間胡克（R.Hooke，1635-1703）也觀察到衍射現(xiàn)象，并且和波意耳（R.Boyle，1627——1691）獨(dú)立地研究了薄膜所產(chǎn)生的彩色干涉條紋。這些都是光的波動(dòng)理論的萌芽。

十七世紀(jì)下半頁(yè)，牛頓（1642~1727年）和惠更斯（1629~1695年）等把光的研究引向進(jìn)一步發(fā)展的道路。在光學(xué)發(fā)展的早期，對(duì)顏色的解釋顯得特別困難。1672年牛頓發(fā)現(xiàn)白光通過(guò)三棱鏡時(shí)，會(huì)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(rèn)為白光由各種色光復(fù)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(fù)合起來(lái)會(huì)重新得到原來(lái)的白光。進(jìn)一步的實(shí)驗(yàn)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(lái)，便不能被第二棱鏡再分解，這些簡(jiǎn)單的色光特征，可用棱鏡的形狀和折射率來(lái)定量地描述。因此牛頓的白光實(shí)驗(yàn)，使對(duì)顏色的解釋擺脫了主觀視覺(jué)的印象而上升到客觀量度的科學(xué)高度。此外，牛頓還仔細(xì)觀察了白光在空氣薄層上干涉時(shí)所產(chǎn)生的彩色條紋——牛頓環(huán)，從而首次認(rèn)識(shí)了顏色和空氣層厚度之間的關(guān)系。但最早發(fā)現(xiàn)牛頓環(huán)的卻是胡克。在發(fā)現(xiàn)這些現(xiàn)象的同時(shí)，牛頓于公元1704年出版的《光學(xué)》一書(shū)中，根據(jù)光的直線傳播性質(zhì)，提出了光的微粒流理論。他認(rèn)為這些微粒從光源飛出來(lái)，在真空或均勻物質(zhì)內(nèi)，由于慣性而作勻速直線運(yùn)動(dòng)，并以此觀點(diǎn)解釋光的反射和折射定律。然而在解釋牛頓環(huán)時(shí)，卻遇到了困難。同時(shí)，這種微粒流的假設(shè)也難以說(shuō)明光在繞過(guò)障礙物之后所發(fā)生的衍射現(xiàn)象。

惠更斯反對(duì)光的微粒說(shuō)，1678年他在《論光》中從生和光的某些現(xiàn)象的相似性出發(fā)，認(rèn)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(zhì)，充滿整個(gè)宇宙空間，光的傳播取決于'以太'的彈性和密度。運(yùn)用他的波動(dòng)理論中的次波原理，惠更斯不僅成功地解釋了發(fā)射和折射定律，還解釋了方解石的雙折射現(xiàn)象。但是惠更斯沒(méi)有把波動(dòng)過(guò)程的特性給予足夠的說(shuō)明，沒(méi)有指出光現(xiàn)象的周期性，沒(méi)有提出波長(zhǎng)的概念。他的次波包絡(luò)面成為新的波面的理論，沒(méi)有考慮到它們是由波動(dòng)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(xué)的觀念，因此不能由此說(shuō)明光的的干涉和衍射等有關(guān)光的波動(dòng)本性的現(xiàn)象。與次相反，堅(jiān)持微粒說(shuō)的牛頓，卻從他發(fā)現(xiàn)的牛頓環(huán)現(xiàn)象中確信光是周期性的。

綜上所述，這一時(shí)期中，在以牛頓位代表的微粒說(shuō)占統(tǒng)治地位的同時(shí)，由于相繼發(fā)現(xiàn)了光的干涉、衍射和偏振等光的波動(dòng)現(xiàn)象，以惠更斯為代表的波動(dòng)說(shuō)也初步提出來(lái)了。因而，這個(gè)時(shí)期也可以說(shuō)是幾何光學(xué)向波動(dòng)光學(xué)過(guò)度的時(shí)期，是人們對(duì)光的認(rèn)識(shí)逐步深化的時(shí)期。

光的理論在十八世紀(jì)實(shí)際上沒(méi)有什么進(jìn)展。多數(shù)科學(xué)家采納了光的微粒說(shuō)，不過(guò)瑞士的笛卡兒學(xué)派的歐拉（1707~1783年）和伯努利（1700~1782年）卻捍衛(wèi)并發(fā)展了'以太'的波動(dòng)理論。

4.3 波動(dòng)光學(xué)時(shí)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(lái)并做了著名的'楊氏雙縫干涉實(shí)驗(yàn)'，還第一次成功測(cè)定光的波長(zhǎng)。

1815年，菲涅耳（A.J.Fresnel，1788-1827）用楊氏干涉原理補(bǔ)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(yùn)用這個(gè)原理不僅圓滿地解釋光在均勻的各向同性介質(zhì)中的直線傳播，而且還能解釋光通過(guò)障礙物時(shí)所發(fā)生的衍射現(xiàn)象。因此，它成為波動(dòng)光學(xué)的一個(gè)重要原理。

1808年，馬呂斯（E.L.Malus,1755-1812）偶然發(fā)現(xiàn)光在兩種介質(zhì)界面上反射時(shí)的偏振現(xiàn)象。隨后菲涅耳和阿拉果（D.F.J.Arago，1786~1853）對(duì)光的偏振現(xiàn)象和偏振光的干涉進(jìn)行了研究。為了解釋這種現(xiàn)象，楊氏在1817年提出了光波和弦中傳播的波相仿的假設(shè)，認(rèn)為它是一種橫波。菲涅耳進(jìn)一步完善了這一觀點(diǎn)并提出了菲涅耳公式。至此，光的彈性波動(dòng)理論既能說(shuō)明光的直線傳播，也能解釋光的干涉和衍射現(xiàn)象，并且橫波的假設(shè)又可以解釋光的偏振現(xiàn)象?？磥?lái)一切都十分圓滿了，但這時(shí)仍把光看作是'以太'中的機(jī)械彈性波動(dòng)。至于'以太'空間是什么物質(zhì)，盡管人們賦予了它許多附加的性質(zhì)，仍難自圓其說(shuō)。這樣，光的彈性波動(dòng)理論存在的問(wèn)題就暴露出來(lái)了。此外，這個(gè)理論既沒(méi)有指出光學(xué)現(xiàn)象和其他物理現(xiàn)象間的任何聯(lián)系，也沒(méi)能把表征介質(zhì)特性的各種光學(xué)常量和介質(zhì)的其他參數(shù)聯(lián)系起來(lái)。

1845年法拉第（M.Faraday，1791~1867年）發(fā)現(xiàn)了光的振動(dòng)面在強(qiáng)磁場(chǎng)中的旋轉(zhuǎn)，從而揭示光學(xué)現(xiàn)象和電磁現(xiàn)象的內(nèi)在聯(lián)系。

1856年，韋伯（W.E.Weber，1804-1891)和柯?tīng)杽谒梗≧.Kohlrausch，1809-1858)通過(guò)在萊比錫做的電學(xué)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)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(fā)現(xiàn)中，人們得到啟示，即在研究光學(xué)現(xiàn)象時(shí)，必須把光學(xué)現(xiàn)象和其他物理現(xiàn)象聯(lián)系起來(lái)考慮。

1865年，麥克斯韋（J.C.Maxwell，1831-1879)指出電場(chǎng)和磁場(chǎng)的改變不會(huì)局限在空間的某一部分，而是以數(shù)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(shuō)明光是一種電磁現(xiàn)象。

這理論在1888年被赫茲（H.R.Hertz，1857-1894)的實(shí)驗(yàn)所證實(shí)。他直接通過(guò)頻率和波長(zhǎng)來(lái)測(cè)定電磁波的傳播速度，好現(xiàn)它恰好等于光速。至此，確立了光的電磁理論基礎(chǔ)，盡管關(guān)于以太的問(wèn)題，要在相對(duì)論出現(xiàn)以后才得到完全解決。

另一方面，當(dāng)時(shí)已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了折射率隨光波波長(zhǎng)而改變的色散現(xiàn)象。根據(jù)當(dāng)時(shí)物質(zhì)結(jié)構(gòu)的觀念，已經(jīng)可以從電子的運(yùn)動(dòng)過(guò)程更深入地研究物質(zhì)和光相互作用的各種過(guò)程。

1896年，洛侖茲（H.A.Lorentz，1853-1928)創(chuàng)立電子論，認(rèn)為在外力的作用下，電子做阻尼振動(dòng)而產(chǎn)生光的輻射。當(dāng)光通過(guò)介質(zhì)且介質(zhì)中電子的固有頻率和外場(chǎng)的頻率相同時(shí)，則束縛電子便成為較顯著的光的吸收體。解釋了物質(zhì)發(fā)射和吸收光的現(xiàn)象，以及光在物質(zhì)中的傳播過(guò)程以及光的色散現(xiàn)象。

隨著新光源的探索，光學(xué)的研究深入到光的發(fā)生、光和物質(zhì)相互作用的微觀機(jī)構(gòu)中，光的電磁理論又發(fā)生了一些困難。'黑體輻射'的能量按波長(zhǎng)分布的問(wèn)題，及1887年赫茲發(fā)現(xiàn)的光電效應(yīng)，用光的電磁理論不能得出正確的結(jié)論。并且，如果認(rèn)為洛倫茲關(guān)于以太的概念是正確的話，則可將不動(dòng)的以太選作參照系，使人們能區(qū)別出絕對(duì)運(yùn)動(dòng)。而事實(shí)上，1876～1887年間，美國(guó)物理學(xué)家邁克爾遜和莫雷進(jìn)行了搜索'以太風(fēng)'的實(shí)驗(yàn)，但他們的實(shí)驗(yàn)得到了'負(fù)結(jié)果'，即沒(méi)有發(fā)現(xiàn)'以太風(fēng)'的存在。得到否定的結(jié)果，電磁波或光的傳播并不像機(jī)械波一樣需要媒介。這表明到了洛倫茲電子論時(shí)期，人們對(duì)光的本性的認(rèn)識(shí)仍然有不少片面性。

但是光的電磁論在整個(gè)物理學(xué)的發(fā)展中起著很重要的作用，它指出光和電磁現(xiàn)象的一致性，并且證明了各種自然現(xiàn)象之間存在著相互聯(lián)系這一辯證唯物論的基本原理，使人們?cè)谡J(rèn)識(shí)光的本性方面向前邁進(jìn)了一大步。

在此期間，人們還用多種實(shí)驗(yàn)方法對(duì)光速進(jìn)行了多次測(cè)定。1849年斐索（A.H.L.Fizeau，1819--1896）運(yùn)用了旋轉(zhuǎn)齒輪的方法及1862年傅科（J.L.Foucault，1819--1868）使用旋轉(zhuǎn)鏡法測(cè)定了光在各種不同介質(zhì)中的傳播速度。

4.4 量子光學(xué)時(shí)期

19世紀(jì)末到20世紀(jì)初，光學(xué)的研究深入到光的發(fā)生、光和物質(zhì)相互作用的微觀機(jī)構(gòu)中．光的電磁理論的主要困難是不能解釋光和物質(zhì)相互作用的某些現(xiàn)象，例如熾熱黑體輻射中能量隨波長(zhǎng)分布的問(wèn)題，特別是1887年赫茲發(fā)現(xiàn)的光電應(yīng)。

1900年，普朗克（M.K.Planck,1858-1947)提出了輻射的量子論，認(rèn)為各種頻率的電磁波只能以一定的能量子方式從振子發(fā)射，能量子所具有的能量是不連續(xù)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(shù)倍，從而成功解釋黑體輻射問(wèn)題，開(kāi)始量子光學(xué)時(shí)期。

1905年，愛(ài)因斯坦（A.Einstein,1879-1955)發(fā)展了普朗克的能量子假設(shè)，把量子論貫穿到整個(gè)輻射和吸收過(guò)程中，提出了光量子（光子）理論，圓滿解釋了光電效應(yīng)，并被后來(lái)的許多實(shí)驗(yàn)（如康普頓效應(yīng)）證實(shí)。但這里的光子不同于牛頓的微粒說(shuō)的粒子，光子是和光的頻率（波動(dòng)特性）聯(lián)系著的，光同時(shí)具有微粒和波動(dòng)兩種屬性。

至此，人們一方面通過(guò)光的干涉、衍射、偏振等光學(xué)現(xiàn)象證實(shí)了光的波動(dòng)性；而另一方面通過(guò)熱輻射、光電效應(yīng)和康普頓效應(yīng)等又證實(shí)了光的量子性——粒子性。為了將有關(guān)光的本性的兩個(gè)完全不同的概念統(tǒng)一起來(lái)，人們進(jìn)行了大量的探索工作。

1924年，德布羅意（L.V.de Broglie，1892-1987)創(chuàng)立物質(zhì)波學(xué)說(shuō)，大膽設(shè)想每一物質(zhì)的粒子都和一定的波相聯(lián)系。

這一假設(shè)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(shí)驗(yàn)所證實(shí)。事實(shí)上，不僅光具有波動(dòng)性和微粒性，也就是所謂波粒二象性，而且一切習(xí)慣概念上的實(shí)物粒子同樣具有這種二重性．也就是說(shuō)這是微觀物質(zhì)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(dòng)性和微粒性之間的聯(lián)系。光和一切微觀粒子都具有波粒二象性，這個(gè)認(rèn)識(shí)促進(jìn)了原子核和粒子研究的發(fā)展，也推動(dòng)了人們?nèi)ミM(jìn)一步探索光和物質(zhì)的本質(zhì)，包括實(shí)物和場(chǎng)的本質(zhì)問(wèn)題。

4.5 現(xiàn)在光學(xué)時(shí)期

1935年，荷蘭物理學(xué)家澤尼克（Z.Zernike)提出相襯顯微術(shù)。

1948年，伽柏（D.Gabor)提出波前記錄與在現(xiàn)的全息術(shù)。

1955年，光學(xué)傳遞函數(shù)理論創(chuàng)立。

1960年，梅曼（T.H.Maiman，1927- )的激光問(wèn)世，標(biāo)志光學(xué)迅速邁入現(xiàn)代光學(xué)時(shí)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(jì)中葉，特別是激光問(wèn)世以后，光學(xué)開(kāi)始進(jìn)入了一個(gè)新的時(shí)期，以致于成為現(xiàn)代物理學(xué)和現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)前沿的重要組成部分。其中最重要的成就，就是發(fā)現(xiàn)了愛(ài)因斯坦于1916年預(yù)言過(guò)的原子和分子的受激輻射，并且創(chuàng)造了許多具體的產(chǎn)生受激輻射的技術(shù)。 愛(ài)因斯坦研究輻射時(shí)指出，在一定條件下，如果能使受激輻射繼續(xù)去激發(fā)其他粒子，造成連鎖反應(yīng)，雪崩似地獲得放大效果，最后就可得到單色性極強(qiáng)的輻射，即激光。1960年，梅曼用紅寶石制成第一臺(tái)可見(jiàn)光的激光器；同年制成氦氖激光器；1962年產(chǎn)生了半導(dǎo)體激光器；1963年產(chǎn)生了可調(diào)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(fā)現(xiàn)以來(lái)，得到了迅速的發(fā)展和廣泛應(yīng)用，引起了科學(xué)技術(shù)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(xué)技術(shù)的發(fā)展突飛猛進(jìn)，現(xiàn)已廣泛用于打孔、切割、導(dǎo)向、測(cè)距、醫(yī)療和育種等方面，在化學(xué)催化、同位素分離、光通訊、光存儲(chǔ)、光信息處理、生命科學(xué)以及引發(fā)核聚變等方面也有廣闊的發(fā)展前景。

同步輻射的電磁波譜從紅外線到X射線，強(qiáng)度高，指向性特佳，在科學(xué)研究和高技術(shù)諸如表明物理學(xué)、生物學(xué)和化學(xué)以及半導(dǎo)體制備和集成電路制造等領(lǐng)域都有廣泛應(yīng)用。

全息攝影術(shù)已在全息顯微術(shù)、信息存儲(chǔ)、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(lái)越廣泛的應(yīng)用。

光導(dǎo)纖維已發(fā)展成為一種新型的光學(xué)元件。光纖通訊具有使用范圍廣、容量大、抗干擾能力強(qiáng)、便于保密和節(jié)約鋼材等優(yōu)點(diǎn)。

由于采取光信息存儲(chǔ)，并充分吸收了光并行處理的特點(diǎn)，光計(jì)算機(jī)的運(yùn)算速度將會(huì)成千倍地增加，信息存儲(chǔ)能力可望獲得極大的提高，更完善的人工智能便可成為現(xiàn)實(shí)。

紅外線技術(shù)成功應(yīng)用于夜視、導(dǎo)彈制導(dǎo)、環(huán)境污染監(jiān)測(cè)、地球資源考察及遙感遙測(cè)技術(shù)等。

將數(shù)學(xué)中的傅立葉變換和通訊中的線性系統(tǒng)理論引入光學(xué)，形成了傅立葉光學(xué)。

高度時(shí)間和空間相干性的高強(qiáng)度激光的出現(xiàn)，為研究強(qiáng)光作用下非線性光學(xué)（屬光子學(xué)范疇）的發(fā)展創(chuàng)造了條件。

光子可像電子一樣與物質(zhì)相互作用，成為探測(cè)物質(zhì)內(nèi)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(tài)等均會(huì)在光與物質(zhì)相互作用的過(guò)程中發(fā)生變化，這種變化正是傳遞了物質(zhì)中的諸多信息。

現(xiàn)代光學(xué)技術(shù)與信息光學(xué)技術(shù)、納米技術(shù)和生命科學(xué)技術(shù)密切關(guān)聯(lián)。

現(xiàn)代光學(xué)和其他學(xué)科和技術(shù)的結(jié)合，在人們的生產(chǎn)和生活中發(fā)揮這日益重大的作用和影響，正在成為人們認(rèn)識(shí)自然、改造自然以及提高勞動(dòng)生產(chǎn)率的越來(lái)越強(qiáng)有力的武器。

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