漫谈现代光学

漫谈现代光学 摘要：现代光学是物理学的一个很重要的分支。是一门已经发展相对比较完善的学科。但是随着人们对其研究的深入，新的规律、理论不断被人们所发现知晓。关于光学方面的应用也在人们的研究之中日益增加，其在社会的发展征途上起着重要的作用。撰写本文之前笔者做了大量的准备工作：包括查阅有关方面的书籍、论文以及搜索类似的文章等等。希望本文对那些旨在推进光学发展的人士有一定的帮助关键词：光学发展史 量子理论 激光 光学应用 光子时代前言：光学这门古老而又年轻的学科在科学家们的共同努力之下得到了很大的发展，它的高速发展给我们日常的生产生活带来了极大的方便。光学概括起来可以分为：古代光学、近代光学和现在光学这三个阶段。在本文中我们着重讨论现在光学的所取得的成就以及其发展方向。本文的特别之处在于着重讨论现代光学，对于古代光学以及近代光学只是粗略提及。对于现代光学着重是探究其应用，以及发展方向。 说起光学这们神秘而古老的学科大家在脑海里面闪过的是给人无限想象力的海市蜃楼，又或者是雨后光彩绚丽的彩虹。它的发展过程是人们不断认识世界，揭露世界各种矛盾，克服各种矛盾的过程。 现代我们大多数人通常把光学分为三个发展阶段：古代光学、近代光学和现代光学。古代光学和近代光学的分界点我们今天普遍认为是荷兰人李普塞发明第一架望远镜的1608年；而近代光学与现代光学的分界点就是伟大的德国科学家普朗克提出辐射的量子理论的1900年。现在在我们都对古代光学和近代光学都有了一定了解的基础上，让我们一起来谈谈现代光学。【4】 上面提到现代光学的起点是在1900年普朗克提出辐射的量子理论。为什么以这个为标志就是现在光学的起点呢？十九实际末20世纪人们对光的研究已经进入到光的发生与辐射，光和物质的相互作用的微观领域中。而这个时期大多数的科学家认为物理学的大厦已经落成，所剩只是一些修饰工作。但是晴朗的天空中还有两朵乌云。这两朵乌云分别是：迈克耳逊莫雷实验与“以太”说以及黑体辐射与“紫外灾难”。而那时候所有的理论都不可以解析这两朵乌云，这成为困扰物理学发展的绊脚石。然而就是因为这两个绊脚石打破了物理学界的宁静，新领域和新理论在这两个绊脚石的指引之下如雨后春笋般不断涌现。而解决这两朵乌云的人是一个世纪以后的我们依然非常熟悉的两个非常重要的人物：爱因斯坦（Albert Einstein）以及马克斯普朗克（Max Plank）。【4】爱因斯坦于1905年提出了著名的光量子论，其很好地解析了光电效应。从而否定了“以太”的存在。而普朗克在1900年提出了量子论，其很好的解析了黑体辐射规律。值得一提的是量子论不仅给光学带来了发展也给整个物理学提供了全新的概念，因此量子论的诞生是被人们看做是现代物理学的开端。辐射的量子论认为各种频率的电磁波只能是电磁波（或者光）的的频率于普朗克常数乘的整数倍。也就是：E=h。其中h是普朗克常数（h=6.62610-34），是电磁波的频率。这成功解决了黑体辐射的问题。1905年爱因斯坦发展了普朗克的能量子假设，把量子论贯穿到整个辐射和吸收的过程中进一步完善了量子论，还提出了著名的光量子理论。很完满地解析了光电效应。光量子理论就在不久之后的康普顿的X射线散射实验（康普顿效应）所证实。而最后爱恩斯坦就因为“光电效应”理论获得了诺贝尔物理学奖。1924年德布罗意（L.V. De Broglie，1892- 1987）创立了物质波学说。他假设每一物质的粒子都与一定的波相联系。这就是物理学上著名的波粒二象性。其认为和光一样，一切物质都具有波粒二象性。根据这一假说，电子也会具有干涉和衍射等波动现象。这个假设在三年后的1927年戴维孙革末实验(davisson-germer experiment)所证实。 戴维孙革末实验(davisson-germer experiment)实验结果表明：(1) 散射电子束在某些方向上特别强；这种现象类似于x射线被单晶衍射的情形，从而显示了电子束的波动特性。(2) 在某一角度下改变加速电压u以实现对电子波长的改变。实验测出的曲线反映出确实存在着电子的布喇格衍射，从而定量地证实了德布罗意所预言的实物粒子的波动性果真存在。戴维孙因为这个实验发现电子衍射，获得1937年诺贝尔物理学奖金。而物质波的提出者德布罗意于1929年获得诺贝尔物理学奖。【5】自从上世纪六十年代起，特別在雷射(Laser)（即激光）问世以后，由于光学与许多科学技术领域紧密结合、相互渗透，使一度沉寂了近三十年的光学又焕发了青春，以空前的规模和速度快速发展，它成为现代物理学和现代科学技术一块重要的前沿阵地，同时又派生了许多崭新的分支学科。光学进入了真正意义上的现代光学（以上讨论的都是现代学的初级阶段量子光学）。1958年肖洛（A.L.Schawlow）和汤斯提出把微波量子放大器原理推广到光频段中的理论，论述了微波放大器的设想。两年后的1960年梅曼首先制成红宝石激光器 。同年制成氦氖激光器；1962年产生了半导体激光器；1963年产生了可调谐染料激光器。由于激光具有极好的单色性、高亮度和良好的方向性，所以自1958年发现以来，得到了迅速的发展和广泛应用，引起了科学技术的重大变化。【4】现在激光的应用是积极广泛的。工业上的应用：利用激光的高亮度和高定向性的特点，可以把激光辐射能量集中在较小的一定空间范围内，从而获得比较大的光功率密度，产生几千度到几万度以上的高温。在这高温下，任何金属和非金属材料都会迅速熔化或者汽化，因此可利用激光进行多种特殊的非接触特种加工作业。 在化学工业中，利用激光的高亮度、高单色性和可调谐等特点，可以对特定的化学反应进行控制，从而实现光学催化、光学聚合、光学合成、光学提纯和光学分离等过程。在大型装备和建筑施工中，激光准直与定向技术有广泛而富有成效的应用。例如，利用氦氖激光器制成的激光指向仪、激光铅直仪、激光水准仪和激光经纬仪等，在大型船舶制造、大型建筑和筑路施工、管道和电缆铺设以及隧道开凿和矿井掘进等工程中，应用效果都很好。农业、生物学和医学上的应用。在农业方面，利用激光辐射作用可达到选择和培育优良品种的目的。利用激光还可以研究植物从发芽直到成熟结籽的各种基本过程以及光合作用的基本机理；研究病虫害的发生发展规律及防治方法，各种农副产品的保管方法；此外，还可以利用激光遥测对农作物产量进行估算和预报等。在医学领域，随着激光技术的出现，一种新型的以激光为基础的医疗和诊断手段得到了迅速的发展，激光治疗的方式包括辐照、烧灼、汽化、焊接、光刀切割以及光针针炙等。目前，除了临床治疗外，激光还可作为研究医学和生物学课题的有效工具。例如研究激光作用到人或动物体上引起的各种生物学效应；利用激光来研究细胞的组成、分裂、生长和转化等，从而可加深人们对新陈代谢、遗传和发育等生命基本过程的理解。此外，借助于激光技术还可以制成各种新型诊断和测量分析仪器，如激光显微光谱分析仪、激光扫描显微镜、激光显微解剖刀、激光血球计数仪等装置，可在医学和生物学研究中发挥出特殊的效用。激光通信。激光是一种光频波段的相干电磁波辐射，因此自然可以利用激光作为光频电磁载波而传递各种信息。激光通信的原理与普通的无线电通信相类似；所不同的是，无线电通信是把声音、图像或其他信号调制到无线电载波上发送出去，而激光通信则是把声音、图像或其他信息调制到激光载波上发送出去。激光通信的优点主要是：传送信息容量大、通信距离远、保密性高以及抗干扰性强。激光通信可分为地面大气通信、宇宙空间通信和光学纤维通信等几大类。【1】现在光学的另外一个很重要的分支是：由成像光学、全息术和光学信息处理组成的。特别是全息术现在仍然是人们还没有完全解决的一个难题，假如有一天全息术的成像条件可以适用到自然光，那么届时其对人们的视觉将是一个全新的效应。【6】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。现在人们把数学、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，获得了巨大的成功。现代光学的发展带来了一个全新的概念：光子时代。过去的20 世纪我们称之为：电子时代( 又称微电子时代) , 而21 世纪被众多学者称为是光子时代, 这是因为在未来高度信息化的社会里,光子学具备了巨大的技术应用前景。光子技术的应用的优势表现在以下几个方面：1) 响应速度快；2) 传输容量大；3) 存储密度；4) 处理速度快；5) 微型化、集成。【2】任何一门学科在其发展一定阶段之后都会与其它学科交集到一起进而发挥更加大的作用。目前光子学与以下的学科结合取得了很不错的成效：1) 光子学与生物学相结合；2) 光子学与飞秒化学相结合；3) 光子学与医学相结合；4) 光子学与农业科学结合。【1】科学高速发展的今天，光学这个古老而又年轻的学科依然是高速发展着，它给我们日常生产生活带来的作用是巨大的。在以后我们坚信它依然会一如既往地为我们的发展提供巨大的动力。而作为驾驭它的人类我们应该更加刻苦钻研，争取取得更加大的突破。总结：本文通过从古代光学一直过渡到现代光学，肯定了那些对光学的发展做出重大贡献的人。本文从物理学上的两朵乌云引出现代光学。首先是介绍普朗克的量子论；接着是介绍爱恩斯坦的光电效应以及验证光电效应的康普顿X射线实验；再接着就是有关于德布罗意的波粒二象性以及验证波粒二象性的戴维孙-革末实验；然后过渡到以激光的发明为标志的真正意义上的现代光学；接着介绍在结合激光的使用之下光学的巨大应用领域；最后介绍了光子时代的概念