光学发展与光学⼯程
光学发展与光学⼯程
1122110307 江世凯
关键词：光、发展、光学⼯程、前景
简介：
学习物理光学、傅⾥叶光学、薄膜光学和激光原理以及在⽹上查阅⼀些资料，使我对光学发展和光学⼯程专业有了进⼀步的认识。
光学是⼀门古⽼⽽⼜年轻的科学，其悠久的历史⼏乎和⼈类⽂明史本⾝⼀样久远，近半个世纪以来，它⼜以惊⼈的发展速度、奇迹般层出不穷的科研成果、以及所蕴含的巨⼤的潜⼒和希望，是⾃⼰跻⾝于现代科学技术的前沿，具有强⼤的⽣命⼒和不可估量的发展前途。光学的发展过程是⼈类认识客观世界的进程中⼀个重要的组成部分，是不断揭露⽭盾和克服⽭盾、从不完全和不确切得认识逐步⾛向完善和较确切认识的过程，⼤致可分为5个时期：⼀、萌芽时期；⼆、⼏何光学时期；三、波动光学时期；四、量⼦光学时期；五、现代光学时期。
光电信息科学与工程就业前景
光学⼯程是以光学为主，并与信息科学、能源科学、材料科学、⽣命科学、空间科学、精密机械与制造、计算机科学及微电⼦技术等学科紧密交叉和相互渗透的学科。
⼀、光学发展
《圣经》⾥说：要有光！于是有了光。⼤地有了⼀⽚光明，⼈间充满⽆限欢腾。可是⼈们有⼀个极其困惑的问题——光是什么？千百年来，⽆数学者哲⼈深深陷⼊这个问题苦苦思索，这个问题的答案⼏乎囊括了⼈类史上最聪明的智慧。特别是⼗七世纪后半叶⾄本世纪初，科学家们争论了长达三百多年的时间，这场富有戏剧性学术⼤辩论，参与的⼈数之多，时间之久，辩争之激烈，不但在光学发展史上是绝⽆仅有的，即使在整个⾃然科学发展史上也是极为罕见的。
1.萌芽时期
光学作为物理学的最早分⽀，与古⽼的⼒学⼀样，我国古⼈对光学的认识和研究都⾛在了世界的前列。我国的光学的起源可以追溯到⼆、三千年前。战国时代哲学家墨翟所著《墨经》中，有关于⼩孔成像现象、平⾯镜、凸⾯镜、凹⾯镜等等的叙述。战国时代哲学家淮南⼦发明了⽤以取⽕的器⽫“阳燧”。宋时期沈括（1031——1095）的名著《梦溪笔谈》中记载了关于凸⾯镜的成像，以及关于⽇⾷、⽉⾷的起因和预报。
⽐墨经⼤约迟⼀百多年，在希腊数学家欧⼏⾥德(Euclid，公元前330~275年)所著的《光学》⼀书中，研究了平⾯镜成像问题，指出反射⾓等于⼊射⾓的反射定律，同时提出了将光当作类似触须的投射学说。其他希腊哲学家如毕达哥拉斯、德漠克利持、思培多克勒、柏拉图、亚⾥⼠多德等也发表了有关光学⽅⾯的理论。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。许多⼈都认为罗杰尔培根是第⼀个近代意义上的科学家。他似乎已经有了⽤透镜来改正视觉的想法，并且甚⾄暗⽰过把透镜组合起来构成⼀具望远镜的可能性。培根对光线穿过透镜的⽅式也有⼀些了解。
2.⼏何光学时期
这⼀时期可以称为光学发展史上的转折点。
荷兰的李普塞在1608年发明了第⼀架望远镜．开普勒于1611年发表了他的著作《折光学》，提出照度定律，还设计了⼏种新型的望远镜，他还发现当光以⼩⾓度⼊射到界⾯时，⼊射⾓和折射⾓近似地成正⽐关系。折射定律的精确公式则是斯涅⽿和笛卡尔提出的。1621年斯涅⽿在他的⼀篇⽂章中指出，⼊射⾓的余割和折射⾓的余割之⽐是常数，⽽笛卡⼉约在1630年在《折光学》中给出了⽤正弦函数表述的折射定律。接着费马在1657年⾸先指出光在介质中传播时所⾛路程取极值的原理，并根据这个原理推出光的反射定律和折射定律。综上所述，到⼗七世纪中叶，基本上已经奠定了⼏何光学的基础。
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试验，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的相⼲叠加造成的．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、衍射和偏振等光的被动现象，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。
3.波动光学时期
1801年杨⽒最先⽤⼲涉原理令⼈满意地解释了⽩光照射下薄膜颜⾊的由来和⽤双缝显⽰了光的⼲涉现象，并第⼀次成功地测定了光的波长。1815年菲涅⽿⽤杨⽒⼲涉原理补充了惠更斯原理，形成了⼈们所熟知的惠更斯—菲涅⽿原理．运⽤这个原理不仅圆满地解释光在均匀的各向同性介质中的直线传播⽽且还能解释光通过障碍物时所发⽣的衍射现象，因此它成为波动光学的⼀个重要原理。
1808年马吕发现光在两种介质表⾯上反射时的偏振现象，随后菲涅⽿和阿喇果对光的偏振现象和偏振光的⼲涉进⾏了研究。为了解释这些现象，杨⽒在1817年提出了光波和弦中传播的波相仿的假设，认为它是⼀种横波．菲涅⽿进⼀步完善了这⼀观点并导出了菲涅⽿公式．⾄此，光的弹性波动理论既能说明光的直线传播也能解释光的⼲涉和衍射现象并且横波的假设⼜可解释光的偏振现象．看来似乎⼗分圆满了，但这时仍把光的波动看作是“绝对以太”中的机械弹性波动，⾄于“绝对以太”究竟是怎样的物质，尽管⼈们赋予它许多附加的性质，仍难⾃圆其说。这样，光的弹性波理论存在的问题也就暴露出来了。
1845年法拉第发现了光的振动⾯在强磁场中的旋转，揭⽰了光学现象和电磁现象的内在联系，1856年韦伯做的电学实验结果，发现电荷的电磁单位和静电单位的⽐值等于光在真空中的传播速度即3×108⽶/秒．从这些发现中，⼈们得到了启⽰，即在研究光学现象时，必须和其它物理现象联系起来考虑。
麦克斯韦在1865年的理论研究中指出，电场和磁场的改变不会局限在空间的某⼀部分，⽽是以数值等于电荷的电磁单位与静电单位的⽐值的速度传播的，即电磁波以光速传播，这说明光是⼀种电磁现象。这个理论在1888年被赫兹的实验所证实。他直接从频率和波长来测定电磁波的传播速度，发现它恰好等于光速，⾄此就确⽴了光的电磁理论基础，尽管关于以太问题，要在相对论出现以后才得到完全解决。
光的电磁理论在整个物理学的发展中起着很重要的作⽤，光和电磁现象的⼀致性使⼈们在认识光的本性⽅⾯⼜前进了⼀⼤步。
4.量⼦光学时期
⼗九世纪末、⼆⼗世纪初是物理学发⽣伟⼤⾰命的时代。从⽜顿⼒学到麦克斯韦的电磁理论，经典物理学形成⼀套严整的理论体系。光学的研究深⼊到光的发⽣、光和物质相互作⽤的微观机构中．光的电磁理论的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随波长分布的问题，特别是1887年赫兹发现的光电效应，1900年普朗克提出了量⼦假说，认为各种频率的电磁波，只能象微粒似地以⼀定最⼩份的能量发⽣，成功地解释了⿊体辐射问题，开始了量⼦光学时期，1905年爱因
斯坦发展了普朗克的能量⼦假说，把量⼦论贯穿到整个辐射和吸收过程中，提出了杰出的光量⼦理论圆满解释了光电效应，并为后来的许多实验例如康普顿效应所证实．
⾄此⼈们⼀⽅⾯从光的⼲涉、衍射和偏振等光学现象证实了光的波动性；另⼀⽅⾯从⿊体辐射、光电效应和康普顿效应等⼜证实了光的量⼦性——粒⼦性．l924年德布罗意创⽴了物质波学说．他设想每⼀物质的粒⼦都和⼀定的波相联系，这⼀假设在1927年为戴维孙和⾰末的电⼦束衍射实验所证实．1925年玻恩所提出的波粒⼆象性的⼏率解释建⽴了波动性和微粒性之间的联系。
5.现代光学时期
从⼆⼗世纪六⼗年代起，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。
⼆、光学⼯程
光学⼯程是以光学为主，并与信息科学、能源科学、材料科学、⽣命科学、空间科学、精密机械与制造、计算机科学及微电⼦技术等学科紧密交叉和相互渗透的学科。
哈⼯⼤光学⼯程学科成⽴于1956年，是国内成⽴最早的光学⼯程学科之⼀，主要从事光学⽬标探测与识别技术、光电传感器技术、光学遥感技术、光学仿真技术、显⽰技术、光电对抗、空间环境与光电防护技术等⽅⾯的教学与科研⼯作，在空间光信息的获取与处理⽅⾯独具特⾊。学科开设光通信、光学检测与光电测试、光电仪器、红外成像技术、光纤技术与应⽤、现代光学加⼯技术、成像电⼦学、光学遥感技术、光电信号与信息处理、⼆元光学技术等课程。
学科⾃成⽴以来，承担多项国家重点项⽬科研，科研经费充裕，取得的主要成果有：我国第⼀台⾼速摄影机的研制，我国第⼀套红外仿真设备的研制，我国第⼀套可见光仿真设备的研制，我国第⼀套超轻CCD可见光遥感相机研制。获国家发明⼆等奖⼀项、部级科技进步⼀等奖⼆项，省部级科技进步⼆等奖数⼗项。学科拥有了世界⼀流的软件和硬件条件，如CODE V光学设计软件、ZYGO可见光⼲涉仪、10.6微⽶长波⼲涉仪和Zeeko⼤型智能抛光机等.
学科具有良好的教学科研条件和宽⼴的研究领域，科学研究具有明确的背景需求，主要研究⽅向：
·杂散光分析
·光学设计
·空间环境与光电防护技术空间光通信技术
·激光遥感与激光雷达技术
·⾼功率激光与⾮线性光学技术
·光学⽬标探测、识别及信息处理技术
·精密光电测试技术与装备
·微纳⽶技术与器件、集成传感器与物联⽹技术
·集成电路设计及应⽤
⽬前，我对这些⽅向还不是⼗分了解，还没有想好⾃⼰读研究⽣时专研哪个⽅向，但是我对光学遥感和
集成电路⽐较感兴趣。寒假初通过学校选课，在电机楼完成了⼀些光学⼩实验，⼲涉法检测平⾯、投影法测量等。还联系了汪洪源⽼师，接触了⼀下科学院光学实验室，帮助⽼师完成了⼀项光谱分析实验，实验中
根本不需要我做什么，只是坐在仪器旁看着，防⽌光源出现故障，实验室不能开灯，每⼀次测试要8⼩时，真的挺⽆聊的。
⼤三下学期，我需要接触更多导师，来更好地了解这个专业，从兴趣爱好、发展前景、就业、师资等因素综合考虑，确定我的研究⽣⽅向。