光学发展史

光学发展简史

一、光学概述

光学(optics)是物理学的一个重要组成部分，是研究光的本性、光的传播和光与物质相互作用的学科。在物理学中，通常将光学划分为几何光学(geometrical optics)、波动光学(wave optics)、量子光学(quantum optics)和现代光学(modern optics)几大部分。几何光学是根据光波在短波极限（即l?0，波动性可忽略）下所表现出的直线传播性质为基础，用几何作图法来研究光的传播、成像等问题，其主要内容有：光的直线传播定律、光的独立传播定律、光的反射和折射定律；波动光学从光的电磁波本性出发，以光的波动性为基础，研究光在传播过程中的规律性问题。波动光学的主要内容包括光的干涉、光的衍射和光的偏振，同时还研究光与物质相互作用的色散、吸收和散射等现象。量子光学是以光和物质相互作用时所表现出的量子性为基础来研究有关的光学问题，并由此揭示出光的粒子性。现代光学是指近几十年来新兴和发展起来的光学各分支，它主要包括如激光、信息光学（傅里叶变换光学）、光通讯、非线性光学、集成光学等内容，这些新的光学领域所研究的内容已在现代科学技术中起着十分重要和广泛作用。

光学的应用非常广泛，它不仅在科技领域中起着重要作用，而且也与人类日常的生活活动息息相关。例如，从最早期光学望远镜的设计到现在各种光学仪器的研制都无不与几何光学紧密相联，可以说几何光学就是为设计各种光学仪器而发展起来的专门学科；而在波动光学中，利用光的干涉原理制成的各种干涉仪器仍是目前精密测量中无可替代的手段，许多重要的分光仪器则是依靠衍射光栅来工作的；光谱分析不仅是人类认识物质的微观结构，如原子结构、分子结构等的窗口，也是人类窥探宇宙天体信息的重要工具；最近几十年来，激光的发明和现代光学的迅速发展又把人类带入了一个神奇的信息化高科技时代。

这里对光学的发展历史作一简要介绍。

二、光学理论发展简介

1 经典光学的发展及人们对光的本性的认识

光是一种自然现象，也是人类赖以感知宇宙万物的天然工具。光对于人眼的特殊生理效应——视觉引起了人们对于光的极大兴趣和好奇心。据记载，早在公元前四、五百年，人们就开始了对于光的专门研究。例如，中国古代对几何光学的研究就可以追溯到公元前5世

纪。在当时的墨家学派所著的《墨经》中，对光的直线传播和反射，光通过平面镜、凹面镜、凸面镜的成象等问题都作出了颇为系统的描述。而在之后约一百年，古希腊的欧几里德也专门著书《光学》，对人眼为何能看到物体、光的反射性质、球面镜焦点等问题进行了探讨。但欧几里德虽然对光的直线传播性质作出了正确描述，但是他（以及后来的托勒密）的视觉理论是不正确的，他认为是眼睛发射光线，光线碰到物体上才产生了视觉。

公元l世纪，罗马哲学家塞涅卡(L．A．Seneca)发现了光的折射现象。公元2世纪，托勒密对光的折射现象进行了实验研究，第—次测定了光的入射角和折射角并给出两者之间的关系。尽管其结论不正确，但托勒密的工作还是对光学的发展起到了促进作用。

13世纪，透镜的研究导致了眼镜的发明，也为16世纪望远镜和显微镜的发明打下了基础。

然而总的说来，虽然光学的萌芽时期可以追溯到很早的年代，但直至约16世纪，人们对光的认识还是肤浅的和非系统的，主要是以观察和定性的描述为主。只是到了17世纪后半叶，以牛顿、惠更斯等人为代表的工作才使光学开始步入了真正发展的道路。人类对光的本性的认识经历了极为慢长而曲折的过程。

处于同一时代的科学伟人牛顿和惠更斯(C.Huygens)，其对光的本性持两种不同的观点。

惠更斯根据当时意大利学者格里马第(F．M．Grimaldi)和胡克等人所发现的光的衍射现象和波动假设，提出了光的波动说理论(undulatory theory)。惠更斯波动说中至今仍最有价值的思想就是他在1690年出版的《论光》一书中提出的、我们现在所熟悉的惠更斯原理(Huygens principle)。该原理给出了确定任一时刻光振动的传播方向的简便方法，并可据此推导出反射定律和折射定律。然而，惠更斯的波动说是纯粹的经典机械波理论，他把光波与机械波作类比，认为光必须是在一种充满整个宇宙空间的特殊的弹性媒质——“以太(aether)”中传播的机械波。惠更斯还错误地认为光波是纵波，而且他的波动说不仅解释不了光的偏振现象，也不能说明光的干涉和衍射等涉及光波的振幅和相位的传播与迭加问题。总的来说，惠更斯的波动说是一个十分肤浅和粗略的波动理论。

而牛顿对光学也作过深入研究，棱镜的色散效应、牛顿环，以及发明世界上第一架反射望远镜等都是他在光学研究中的标致性成果。牛顿认为光的波动说不能解释光的直

线传播性，同时，牛顿对光的波动说中的传光媒质“以太”提出质疑，他在1704年出版的《光学》一书中写道：“反对天空为流体媒质所填满的主张的最有力的理由，在于行星和慧星在天空中各种轨道上的运动都是那样地有规则和持久。因此很明显，天空中没有任何可观察到的阻力，所以就没有任何可观察的物质，由于它是没有用处的，而且妨碍自然界的动作并使它衰退。所以它的存在是没有根据的，从而应该被抛弃。如果把它抛弃，那么光是在这样一种媒质中传播的挤压或运动的这种假说也就和它一起被抛弃了。”。于是，依据实验中得出的光的直线传播性，牛顿建立了光的微粒说(corpuscular theory)理论。他认为光是从光源飞出的一种微粒流，这些微粒流在均匀物质中按照惯性定律作匀速直线运动。牛顿以他的微粒说理论解释了光的反射、折射等现象。但是，按照牛顿的微粒说理论来研究折射定律时，将得出光在密度大的媒质中的传播速率大于光在密度小的媒质中的传播速率这一错误结论，例如水中的光速大于空气中的光速。（微粒说理论对光折射的解释：以直线运动的微粒子当非常接近折射面时就被吸引向折射面，使得它沿着法线方向的速度发生改变，而切线方向的速度不变，因而总的传播速度方向改变，而使光的传播方向在两种媒质界面上发生了偏折。依此，当光微粒由较密的介质进入较稀的介质时，法向速度减小，而当由较稀介质进入较密介质时粒子所受引力增大，粒子被加速。这与实验事实恰好相反。）；另一方面，牛顿的微粒说也不能清楚地解释诸如薄膜的颜色和牛顿环等实验现象的原理。

在17和18两个世纪，虽然微粒说与波动说之争始终未曾停歇，但实际上光的微粒说理论一直占据着光学领域的主导地位，而光的波动理论却长期停滞不前。其主要原因是：第一，惠更斯的波动理论还很不完善，甚至不能解释一些基本的光学现象（如光的干涉、衍射、偏振以及光的直进性与波动性之间的关系等）；第二，当时经典力学已取得的辉煌成就使人们对机械论的观念深信不疑；第三，牛顿经典力学理论的成功使他成为学术界的至高权威，他的理论自然更易于为人们所接受；第四，牛顿的微粒说理论所得出的关于媒质中的光速的错误结论在当时还不能为实验所判定。

19世纪初，杨氏(Thomas Young)利用波动论的观点圆满解释了薄膜颜色的形成，又成功地进行了双光束的干涉实验，从而证实了光的波动性。后来杨氏又根据光的偏振现象提出了光波是横波的概念。然而，杨氏的研究成果在当时并未被学术界所重视。1815年，菲涅耳(A.J.Fresnel)发表了他对光的波动性的研究报告。菲涅耳采纳了惠更斯关于次级子波的概念，并用杨氏的干涉理论来补充惠更斯原理，形成了波动光学中的一个重要原理：惠更斯-菲涅耳原理，并利用这一原理同时成功地解释了光的直线传播和光

的衍射现象。1818年，由菲涅耳的光衍射理论所预言的结果（即光经小圆盘衍射后，在其后面的观察屏上，圆盘的几何投影中心成为一个亮点）为实验所证实，这在历史上可看作是对于光的波动性的“判定性实验”，这一成功迎来了波动说的辉煌胜利，对光学的发展起到了十分重大的作用。1919年，菲涅耳与阿拉果又用实验证实了光的横波性。至此，光的波动说开始兴旺复活，并很快处于光学理论的主导地位。

但随着对光波性质的深入研究，人们日益强烈地感觉到，光赖以传播的那种弹性媒质“以太”的性质实在令人费解，比如：密度无限小（可存在于真空、固体微粒的间隙中，且不阻碍任何物体运动），而弹性超强（因光速巨大，且为横波），…等等。人们赋予“以太”的这些奇特怪异的性质不仅无法从实验中证实，而且在理论上也难以想象。至此，人们已意识到光的弹性机械波理论存在着不可克服的困难。

19世纪后半叶，麦克斯韦(J.C.Maxwell)在法拉弟(M.Faraday)等人的实验研究和理论假设的基础上，用完整的数学语言总结和发展了电磁理论，提出电磁波和场的概念，并用电磁理论预言了光是一种电磁波。1888年，赫兹(H.R.Hertz)通过实验证实了电磁波的存在，同时也验证了光的电磁本性。光的电磁理论使人们认识到了光与电磁场的本质性联系，从而摆脱了光的机械波动论观点，对光的本性的认识产生了质的跃变，因此，光的电磁理论的建立是光学发展的一个重要里程碑。

但是，无论是麦克斯韦还是法拉弟，以及后来的洛仑兹，他们的电磁光波仍然离不开“以太”，只不过是用电磁以太（光以太）替代了之前的弹性以太。他们所定义的电磁场还必须依附于电磁以太而存在，即电磁波的传播仍然需要特殊的载体媒质——光以太。

麦克斯韦理论中将光以太作为电磁场的载体，这样一来，真空中的光速就只能是光相对于与“光以太”保持相对静止的参照系——“以太参照系”的速率，而在其它相对于光以太运动的参照系中，真空中的光速将与值不同。由于光可以在整个宇宙中传播，所以这意味着在整个宇宙空间中存在一个绝对静止的特殊参照系，因而人们也应该能观测到其它物体相对于这一绝对参照系（以太参照系）的运动，从而发现光以太。

为了寻找“光以太”，历史上人们进行了种种努力和尝试，设计出各种类型的实验，企图测出地球相对于光以太的运动速率。例如迈克耳逊(A.A.Michelson)-莫雷 (E.W.Morley) 实验就是其中最具代表性的实验之一。然而，迈克耳逊-莫雷实验，以及后来其它类型的，或通过改进和提高精度的各种实验都未能测出电磁以太相对于地

球的“漂移速度”。面对这一事实，人们又作出了其它种种假设，例如：‘运动物体“曳引”以太一起运动’、“光速与光源的运动有关”、“在以太中运动的物体将沿运动方向发生收缩”等等。然而，前两个假说分别被光行差实验和双星实验所否定，而其它的种种假说即便可以解释迈克耳逊-莫雷实验或别的“以太漂移”实验的零结果，却又与这样或那样的物理事实不符，或者存在许多自相矛盾之处。1900年，开尔文(S. Carnot Lord Kelvin)将寻找“以太漂移”实验的零结果称为“物理学晴朗天空中的两朵乌云”之一。由此可见，寻找光以太的失败已对“经典物理学完美的大厦”产生了巨大的冲击。

20世纪初，爱因斯坦(A.Einstein)在总结彭加勒(H.Poincaré)、洛仑兹(H.A.Lorentz)等人工作的基础上，进一步分析了经典电磁理论中的矛盾以及人们赋予以太的各种令人费解的奇特性质之后，于1905年在论文《论动体的电动力学》中发表了他划时代的物理新思想——狭义相对论。在狭义相对论中爱因斯坦根本抛弃了“以太”的概念，认为电磁场和其它有重物质一样，本身就是独立的实体，并不需要依附在任何载体之上，因而电磁以太的存在是完全不必要和无意义的，从而也否定了一个特殊的、绝对静止的参照系的存在。为此，爱因斯坦进一步提出了光速不变原理作为狭义相对论的两条基本假设之一，认为真空中的光速与参照系和光源的运动均无关，从而用相对论的观点解释了运动物体的光学现象，同时也成功解决了经典理论与电磁现象之间的其它矛盾。

20世纪初，人们还从另一个侧面认识到了光的另一重性质。当人们试图用光的波动理论去处理光与物质之间相互作用的问题，例如光的发射和吸收、光电效应、康普顿效应以及色散等问题时又遇到了不可克服的严重困难。1900年，普朗克(M.Planck)提出了能量量子化假说，成功地解释了热辐射问题。受这一启示，爱因斯坦进一步提出了光量子假说，即把光看成是一种以有限速率在空间传播的粒子流，并以此成功地解释了光电效应、康普顿散射等实验现象。后来若干其它的实验验证以及量子力学的创立，使光的量子性得到了进一步的证实。这里需指出，从量子论的观点对光的粒子性的认识完全不同于牛顿对光的机械微粒说的观点。牛顿假设的光粒子具有经典粒子的属性，遵从机械运动的规律，而光量子理论认为光子遵从电磁运动的规律，并且进一步从实质上认为光量子遵从统计运动的规律。光子在真空中以同一恒定的速率传播，而且光子的静止质量为零，即没有静止的光子。

光的干涉、衍射、偏振等现象反映了光的波动性，而热辐射的实验规律以及光电效应、康普顿效应、光压现象等又证明了光的粒子性。那么光到底是粒子还是波？

实际上只有按经典物理的概念才能严格区分“粒子”与“波动”。而近代物理的发展证明了光是一个十分复杂的客体，任何经典的概念都不能完全概括光的本性。从光所

表现的性质和规律来看，它在某些场合表现出经典的波动性，而在另一些场合又表现出经典的粒子性。通常，光在空间传播等过程中表现出它的波动性，如产生干涉、衍射和偏振等现象，而在与物质如微观粒子相互作用时，又表现出它的粒子性，如具有动量、能量和质量。这就是光的所谓波粒二象性。但从本质上来讲，光既不是经典的“粒子”，也不是经典的“波”。

光的波粒二象性是光的本性的全面体现，因而这种表象上的二重性具有其内在的统一性。建立在量子理论基础上的电磁理论如量子电动力学阐明了光的二象性的内在统一性。量子电磁理论将电磁光波与量子力学中的物质波相统一，认为光波和物质波都是几率波，但前者是描述光量子的运动规律，而后者描述微观实物粒子的运动规律。因而，光的衍射现象就可解释为当光子与衍射物作用后在空间不同区域出现的几率不同所致，具体地说，在特定条件下，光子经衍射后在屏上某处出现的可能性遵从一定的统计规律，在某些地方光子出现的几率大，而在另一些地方光子出现的几率小。因而，当大量的光子经过衍射之后，光子到达的几率最大的地方就是光强最强的位置，而到达的几率小的地方光强就弱，从而形成确定的光强分布，即明暗相间的衍射花样。

但是，至此我们并不能说已完全认识了光的本性，对于光的本性问题的争论仍未结束，而且对于光这种特殊的物质和现象，人们还有许多的不解之谜，例如人们还常常置疑真空中的光速是否为极限速度，静止光子的质量是否为零，等等。这些问题都有待于新的发现或新的理论突破来作出回答。

2 现代光学的发展

20世纪五十年代，数学和通讯理论与光学的结合形成了傅里叶光学，为光学信息处理等奠定了基础，红外光学技术的应用与研究也在此时得到了巨大发展。六十年代，光纤光学开始发展。

1960年，第一台激光器问世，人们终于研制出了完全不同于自然光的、可以由人来调控的、具有许多优异而独特的性能的理想光源，由此为光学带来了一场划时代的革命。激光的诞生不仅使全息术、光学信息处理等领域获得了巨大的、实质性的飞跃发展，同时还有力地促进了许多学科的基础研究和一系列高新科技、应用技术的发展。例如，建立在激光技术基础上的光纤光缆在通讯系统中的应用就使我们得以实现今日神速的信息高速公路，从而彻底改变了人类已往交流信息、获取知识的方式。今日的激光无论是在航天、科技、国防军事、医学、农业、日常民用等几乎人类活动的所有领域之中都发挥着它独特而无可替代的作用。总之，激光的出现对人类的科技进步和社会的现代化所起的作用是难以估量的。

目前，现代光学以激光为基础，以傅里叶变换光学、光子学为理论核心，正在不断发展和开辟新的领域。现代光学的主要内容包含信息光学和若干分支的应用技术学科，如激光物理、光纤理论、光波导理论、光信息处理、光传感、非线性光学、集成光学等等。它们在现代科技和实际生活中都发挥着极其重大的作用，所以有人称二十一世纪是光学的世纪。光学是一门古老而又年轻的科学，它和其它任何一门自然科学一样，还有无穷末被认知的东西有待于人们去探索。

3.麦克斯韦关于光的电磁本性假说光的电磁理论

3-1 光与电磁波谱

如前所述，在早期的光波理论中，人们把光波视为一种机械波。1845年法拉弟发现了偏振光的振动面在磁场中旋转的现象，从而揭示了光与电磁的内在联系。11年之后，德国人韦伯(W．weber)和柯尔劳斯(Kohlerausch)发现了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率。因此从19世纪中叶，人们开始考虑到光与电磁之间的内在关联。19世纪后半叶，麦克斯韦发展了法拉弟等人的电磁理论思想，建立了电磁波的概念。1865年，麦克斯韦在他发表的论文《电磁场的动力理论》中，从基本方程组导出了波动方程，并据此从理论上得出真空中电磁波的传播速率为

这与从实验中测得的真空中的光速c完全相等。同时，按照麦克斯韦电磁理论，电磁波在真空中与在介质中的传播速率之比为其中er和mr分别为介质的相对电容率和相对磁导率。另一方面，关系式又是光学中对介质折射率n的定义，它代表透明介质的光学性质。由此得出

上式就是著名的麦克斯韦公式，它将物质的光学性质与电磁学性质直接联系了起来，从而反映出了光的电磁本性。由此麦克斯韦得出结论：“光本身……乃是以波动形式在电磁场中按电磁规律传播的一种电磁振动”，正式提出了光是一种电磁波的假设（因还未通过实验验证）。后来赫兹等人在实验中验证了这一推测的正确性。光的电磁本性的结论不仅使人们对光的本性有了全新的认识，而且也使人们得以从电磁波的研究入手来了

解光的基本特性和规律。

电磁波是变化的电磁场在空间的传播，它实质上就是变化的电磁场的一种存在形式。由于电磁场本身就是一种物质，所以电磁波的传播不需要借助于任何其它媒质，电磁波可以在真空中传播。电磁波包含各种频率的电磁辐射，不同频率（波长）的电磁波具有不同的特性并能产生不同的效应。光波通常就是指能引起人的生理视觉效应的那一波段范围内的电磁波，即所谓的可见光(visible light)。可见光的频率极高，因而波长极短，其波长分布范围大约在400~760nm之间，相应的频率范围在7.5′1014~3.9′1014Hz之间，其中人眼最为敏感的波长约为550nm（黄绿光）。在可见光谱中，波长与颜色之间的关系大致如表1所示。

表1 颜色与波长的关系

人眼对光的可见范围以及对颜色的感觉并不是固定和同一的，它还受光强、环境及个体差异的影响。

由于沿用历史或习惯的称呼，常常也将与可见光两端相邻的紫外和红外波段电磁辐射分别称为紫外光(ultraviolet ray)和红外光(infrared ray)，但其对于人眼来说是不可见的。

将各种频率的电磁波按频率的高低或者说波长的长短排列起来就得到一个分布范围极广的电磁波谱，如图1所示。其中，辐射频率高于紫外光的波段由各种射线组成，而频率比可见光低的电磁波则分布于从红外、微波到无线电波等的波谱范围，而可见光只占整个电磁波谱中的很小一段。电磁波谱中的不同波段在科技和生产、生活实际中有着各种不同的运用。

自由空间中的平面光波是一种横电磁波，因而具有横波所特有的偏振特性，即光的电场矢量和磁场矢量都与光波的传播方向垂直，并且和都有各自确定的、彼此相互垂直的振动方向。

图1 电磁波谱

实验发现，在光波场的电场强度矢量和磁场强度矢量中，产生光的观测效应（即对光的检测装置或感光物质起作用）的都是电场矢量，引起人的视觉效应的也主要是矢量。所以，通常所说的光矢量(photo vector)都是指光波场中的电场强度矢量。

3-2 光的速率

同所有电磁波一样，光在真空中以恒定的速率c(=3′108m/s)传播。光速(velocity of light)的这一理论值首先是麦克斯韦从电磁理论中得出，而实验上则有许多人用各种不同的方法进行了测定。随着实验技术和精度的提高，表明理论值与实验值之间在相当高的精度上相符。在折射率为n的均匀各向同性介质中，光的传播速率为，或者说介质折射率(refractive index)的定义就是真空中的光速与该介质中的光速之比真空中的光速c是物理学的基本常数之一。按照狭义相对论的基本思想真空中的光速c是一切有质量物体运动速率的最高极限。这里还需强调：平常所说的“光速不变”都是指真空中的光速，即。而在介质中，光速，显然，v的大小是随介质的性质n而变化的，而且它也不是极限速度。

3-3 人们对光速的认识过程

由于光这种物质的特殊性，历史上，人们对光速的认识也是历经坎坷。二十世纪初，爱因斯坦提出了光速不变原理，这既是人类对光的本性认识的又一次质的飞跃，也导致了物理学重大理论——相对论的诞生。

在经典力学中，运动的速度都是相对于一定的参照系而言的，机械波的传播也同样如此。比如当我们说空气中的声速为340m/s时，实际上是意味着声波相对于这样一个参照系的速率：这个参照系相对于空气是静止的。类似地，当我们说水中的声速是1500米/秒时，指的是声波相对于与水这种媒质保持相对静止的参照系的速率。然而，光的传播并不需要媒质，所以当我们说真空中的光速为3′108m/s时，这一速率又是指光相对于哪一个参照系而言的呢？

事实上在前面我们已经讨论过，不能用经典力学的观点去研究光的传播规律，任何以机械论的方法去寻找光的运动参照系的尝试都是不能成功的。

爱因斯坦用“光速不变”的基本假设对光波的传播特性作出了正确的解释。这一基本假设表明：不管光源是否在运动，（亦即无论光源是朝着观察者运动而来还是背着观察者运动而去），观察者所测得的真空中的光速都相等；也无论观察者相对于光源或某一惯性参照系是运动的还是静止的，他们所测得的真空中的光速也都完全一样。所以，换一种说法就是：真空中的光速c是相对于任意惯性参照系而言的。自相对论提出之后的

半个多世纪，物理学家们继续用各种实验方法和手段来验证光速不变原理，得出的结论都是肯定的。同时，一个世纪以来，爱因斯坦相对论的正确性也为许多其它实验所证实，相对论已成为现代物理的重要理论支柱之一。

光速不变原理，或者说光的传播特性与人们所熟悉的经典牛顿力学中的结论相矛盾，这反映出了经典力学的局限性，即：牛顿力学中的相对运动关系并不是普遍适用的，它只能在u￠<

然而对于我们所能感知的自然界而言，即使是运动得最快的物体，其速率也远比光速为小，因而我们无法从个人的感观和生活体验来感知高速领域的运动状况和物理图象。正因为如此，在人们对自然界的认识还只局限于宏观、低速的范畴时（20世纪之前），经典的牛顿理论是完全适用的，因而也被视为非常完美的理论。