光學(xué)發(fā)展簡史2

光學(xué)發(fā)展簡史光學(xué)是物理學(xué)中最古老的一個基礎(chǔ)學(xué)科，又是當(dāng)前科學(xué)研究中最活躍的學(xué)科之一。隨著人類對自然的認(rèn)識不斷深入，光學(xué)的發(fā)展大致經(jīng)歷了萌芽時期、幾何光學(xué)時期、波動光學(xué)時期、量子光學(xué)時期、現(xiàn)代光學(xué)時期等5個時期萌芽時期：古代銅鏡中國古代對光的認(rèn)識是和生產(chǎn)、生活實踐緊密相連的。人們對于光的直線傳播、視覺和顏色、光的反射和鏡的利用、對大氣光學(xué)的探討、關(guān)于成影成像現(xiàn)象的認(rèn)識。古代銅鏡在西方：克萊門德和托勒密研究了光的折射現(xiàn)象；托勒密羅馬哲學(xué)家塞涅卡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到埃及的學(xué)者阿爾哈雷認(rèn)為光線來自所觀察的物體，并對球面鏡、拋物面鏡和人眼構(gòu)造進(jìn)行了研究；托勒密14世紀(jì)，波特研究了成像暗箱；從15世紀(jì)末到16世紀(jì)初，凹面鏡、凸面鏡、眼鏡、透鏡以及暗箱和幻燈等光學(xué)元件相繼出現(xiàn)。成像暗箱成像暗箱幾何光學(xué)時期（光學(xué)發(fā)展史上的轉(zhuǎn)折點）：時期概況：建立了光的反射定律和折射定律，奠定了集合光學(xué)的基礎(chǔ)，同時為了提高科研能力，人們發(fā)明了光學(xué)儀器（望遠(yuǎn)鏡和顯微鏡）；1608年，荷蘭的李普塞發(fā)明了第一架望遠(yuǎn)鏡。第一架望遠(yuǎn)鏡從十五世紀(jì)開始一直到十七世紀(jì)中葉，開普勒、斯涅耳和笛卡爾、費馬經(jīng)過一系列的研究，推出了光的反射定律和折射定律，基本奠定了幾何光學(xué)的基礎(chǔ)。第一架望遠(yuǎn)鏡光的衍射十七世紀(jì)開始，光的直線傳播這一基礎(chǔ)受到了沖擊：意大利人格里馬首先觀察到了光的衍射現(xiàn)象，接著胡克也觀察到了這一現(xiàn)象，并和波意耳獨立地研究了薄膜所產(chǎn)生的彩色條紋干涉，光的波動理論從此萌芽。光的衍射牛頓與色散實驗1672年，牛頓完成了著名的三棱鏡色散實驗，發(fā)現(xiàn)了牛頓圈（但最早觀測到牛頓圈的是胡克），并從牛頓圈現(xiàn)象中確定了光是具有周期性的。1704年，牛頓提出了光是微粒流的理論，并以此觀點解釋光的反射和折射定律，但卻難以說明牛頓圈和光的衍射現(xiàn)象。。牛頓與色散實驗波動光學(xué)時期：楊氏雙縫干涉十七世紀(jì)初，托馬斯·楊圓滿地解釋了“薄膜顏色”和雙狹縫干涉現(xiàn)象。楊氏雙縫干涉1818年，菲涅耳以楊氏干涉原理補(bǔ)充了惠更斯原理，形成了如今人們熟知的惠更斯-菲涅耳原理，可以圓滿地解釋光的干涉和衍射現(xiàn)象，也能解釋光的直線傳播。法拉第1846年，法拉第發(fā)現(xiàn)了光的振動面在磁場中發(fā)生旋轉(zhuǎn)法拉第韋伯1856年，韋伯發(fā)現(xiàn)光在真空中的速度等于電流強(qiáng)度的電磁單位與靜電單位的比值。他們的發(fā)現(xiàn)表明了光學(xué)、磁學(xué)、電學(xué)間一定存在內(nèi)在關(guān)系。1860年前后，麥克斯韋指出光是一種電磁現(xiàn)象，并在1888年被赫茲用實驗證實。然而這些理論并不能解釋光的色散現(xiàn)象。韋伯洛侖茲1896年，洛侖茲創(chuàng)立電子論，才解釋了發(fā)光和物質(zhì)吸收光的現(xiàn)象，也解釋了光在物質(zhì)中傳播的各種特點，包括對色散現(xiàn)象的解釋，但在對于像熾熱的黑體的輻射中能量按波長分布這樣重要的問題上，洛侖茲理論還不能給出令人滿意的解釋。1887年邁克爾遜用干涉儀測“以太風(fēng)”，得到否定的結(jié)果，這表明到了洛倫茲電子論時期，人們對光的本性的認(rèn)識仍然有不少片面性。洛侖茲光的電磁論在物理學(xué)的發(fā)展中起著很重要的作用，它指出了光和電磁現(xiàn)象的一致性并且證明了各種自然現(xiàn)象之間存在這相互聯(lián)系這一辯證唯物論的基本原理，使人們在認(rèn)識光的本性方面向前邁進(jìn)了一大步。在此期間，科學(xué)家用多種方法對光速進(jìn)行了測定。1849年斐索（A.H.L.Fizeau，1819--1896）運用了旋轉(zhuǎn)齒輪的方法及1862年傅科（J.L.Foucault，1819--1868）使用旋轉(zhuǎn)鏡法測定了光在各種不同介質(zhì)中的傳播速度。量子光學(xué)時期：發(fā)展因素：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)相互作用的圍觀機(jī)制中。光的電磁理論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按波長分布的問題，特別是1887年赫茲發(fā)現(xiàn)的光電效應(yīng)。普朗克（左）與愛因斯坦（右）1900年，普朗克提出了輻射的量子論他認(rèn)為各種頻率的電磁波，包括光，只能以各自確定分量的能量從振子射出，這種能量微粒稱為量子，光的量子稱為光子。普朗克（左）與愛因斯坦（右）1905年，愛因斯坦運用量子論解釋了光電效應(yīng)，同年九月，他第一次提出了狹義相對論基本原理現(xiàn)代光學(xué)時期：20世紀(jì)中葉激光問世，光學(xué)開始進(jìn)入了一個新的時期。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。激光器的發(fā)展：1960年，梅曼用紅寶石制成第一臺可見光的激光器，同年制成氦氖激光器；紅外光纖耦合半導(dǎo)體激光器1962年產(chǎn)生了半導(dǎo)體激光器；紅外光纖耦合半導(dǎo)體激光器1963年產(chǎn)生了可調(diào)諧染料激光器光學(xué)的另一個重要的分支是由成像光學(xué)、全息術(shù)和光學(xué)信息處理組成的。這一分支最早可追溯到1873年阿貝提出的顯微鏡成像理論，和1906年波特為之完成的實驗驗證；1935年澤爾尼克提出位相反襯觀察法，并依此由蔡司工廠制成相襯顯微鏡，為此他獲得了1953年諾貝爾物理學(xué)獎；1948年伽柏提出的現(xiàn)代全息照相術(shù)的前身——波陣面再現(xiàn)原理，為此，伽柏獲得了1971年諾貝爾物理學(xué)獎。傅里葉變換實例——A字母自20世紀(jì)50年代以來，人們開始把數(shù)學(xué)、電子技術(shù)和通信理論與光學(xué)結(jié)合起來，給光學(xué)引入了頻譜、空間濾波、載波、線性變換及相關(guān)運算等概念，更新了經(jīng)典成像光學(xué)，形成了所謂“傅里葉光學(xué)”。再加上由于激光所提供的相干光和由利思及阿帕特內(nèi)克斯改進(jìn)了的全息術(shù)，形成了一個新的學(xué)科領(lǐng)域——光學(xué)信息處理。光纖通信就是依據(jù)這方面理論的重要成就，它為信息傳輸和處理提供了嶄新的技術(shù)。傅里葉變換實例——A字母光電子技術(shù)發(fā)展簡史光電子技術(shù)的發(fā)展歷史應(yīng)從1960年激光器的誕生算起，盡管其歷史可追溯到19世紀(jì)70年代，但那時期到1960年，光學(xué)和電子學(xué)仍然是兩門獨立的學(xué)科，因而只能算作光電子學(xué)與光電子技術(shù)的孕育期?；仡櫄v史響尾蛇空空導(dǎo)彈光電倍增管1888年，德國H.R.赫茲觀察到紫外線照射到金屬上時，能使金屬發(fā)射帶電粒子，當(dāng)時無法解釋。1890年，P.勒納通過對帶電粒子的電荷質(zhì)量比的測定，證明它們是電子，由此弄清了光電效應(yīng)的實質(zhì)。1900年，德國物理學(xué)家普朗克在黑體輻射研究中引入能量量子，提出了著名的描述黑體輻射現(xiàn)象的普朗克公式，為量子論奠定了基礎(chǔ)。1929年，L.R.科勒制成銀氧銫光電陰極，光電管隨之出現(xiàn)。1939年，前蘇聯(lián)V.K.茲沃雷金制成實用的光電倍增管。20世紀(jì)30年代末，硫化鉛（PbS）紅外探測器問世，它可探測到3μm輻射。40年代出現(xiàn)用半導(dǎo)體材料制成的溫差電型紅外探測器和測輻射熱計。50年代中期，可見光波段的硫化鎘（CdS）、硒化鎘（CdSe）、光敏電阻和短波紅外硫化鉛光電探測器投入使用。50年代末，美國軍隊將探測器用于代號為“響尾蛇”的空空導(dǎo)彈，取得明顯作戰(zhàn)效果。1958年，英國勞森等發(fā)明碲鎘汞（HgCdTe）紅外探測器。在軍事需求牽引和半導(dǎo)體工藝等技術(shù)發(fā)展的推動下，紅外探測器自60年代以來迅速發(fā)展。響尾蛇空空導(dǎo)彈光電倍增管液晶應(yīng)用1964年，美國RCA公司發(fā)現(xiàn)了液晶的多種光電效應(yīng)、賓主效應(yīng)、動態(tài)散射效應(yīng)和相移存儲效應(yīng)，為液晶顯示器、液晶光閥等器件的研制奠定了技術(shù)基礎(chǔ)。平板顯示器技術(shù)以液晶顯示器發(fā)展最快，其他平板顯示器，包括等離子體顯示器、有機(jī)電致發(fā)光顯示器等許多品種也相繼問世并不斷發(fā)展。液晶應(yīng)用高錕1966年，光纖技術(shù)開始發(fā)展。當(dāng)年英籍華人科學(xué)家高錕等提出了實現(xiàn)低損耗光學(xué)纖維的可能性，為光纖通信開辟了道路。高錕光纖20世紀(jì)70年代，光電子技術(shù)領(lǐng)域的標(biāo)志性成果是低損耗光纖的實現(xiàn)，半導(dǎo)體激光器的成熟以及CCD的問世。1970年，美國研制出損耗為20dB/km的石英光纖和室溫下連續(xù)工作的半導(dǎo)體激光器，使光纖通信實現(xiàn)成為可能。這一年被公認(rèn)為“光纖通信元年”。自此，光纖通信得到迅猛發(fā)展。技術(shù)發(fā)展的同時，應(yīng)用也在展開。70年代初，美國激光制導(dǎo)炸彈投入使用，1972年，荷蘭飛利浦公司演示了其模擬式激光視盤。70年代中后期，日本、美國、英國開始建設(shè)光纖通信骨干網(wǎng)。光纖

20世紀(jì)80年代，人們對超晶格量子阱結(jié)構(gòu)材料和工藝的深入研究，導(dǎo)致了超大功率量子阱陣列激光器的出現(xiàn)；對量子阱結(jié)構(gòu)材料的非線性光學(xué)研究，使得以往只有在激光作用下的介電材料中才能觀測到的非線性光學(xué)效應(yīng)，發(fā)展到在弱光激發(fā)的量子阱材料中也可以觀察到很強(qiáng)的三次非線性，從而導(dǎo)致半導(dǎo)體光學(xué)雙穩(wěn)態(tài)功能器件的迅速發(fā)展；對光纖物理特性的深入研究，出現(xiàn)了利用光纖的偏振和相位敏感特性制作的光纖傳感器；對光纖非線性光學(xué)效應(yīng)和色散特性的研究，形成了光孤子的概念，進(jìn)一步推動了對特種光纖的研究，并于80年代末研制成功了參稀土的光纖放大器與光纖激光器。應(yīng)用方面，80年代初，日、美、英等國的光纖通信骨干網(wǎng)相繼建成，其他國家也競相開始自己的光纖干線網(wǎng)建設(shè)；1982年，第一臺數(shù)字式激光唱機(jī)誕生。光電觀瞄系統(tǒng)20世紀(jì)90年代，光電子技術(shù)在通信領(lǐng)域取得了極大成功，無論是器件還是系統(tǒng)，均有大量產(chǎn)品走出實驗室，形成了光纖通信產(chǎn)業(yè)。另外，光電子技術(shù)在光儲存方面也取得了很大進(jìn)展，光盤已成為計算機(jī)儲存的重要手段，CD、VCD已深入到千家萬戶，DVD也于90年代中期走進(jìn)了家庭。光計算機(jī)的研究也開展了起來，加拿大多倫多大學(xué)等都報道了其光計算機(jī)研究的重大進(jìn)展。光電觀瞄系統(tǒng)光伏在21世紀(jì)，研究轉(zhuǎn)換效能更高的新型光伏電池是目前科研領(lǐng)域的熱門項目。21世紀(jì)以來，世界光電產(chǎn)業(yè)發(fā)展迅速產(chǎn)品市場十幾年來始終保持在兩位數(shù)的高速增長速度。光伏電子發(fā)展史：1、1904年，J.A.Fleming發(fā)明了最簡單的二極管（diode或valve），用于檢測微弱的無線電信號。2、1905年，愛因斯坦提出光子假設(shè)，成功解釋了光電效應(yīng)，因此獲得1921年諾貝爾物理獎。3、1906年，L.D.Forest在二極管中安上了第三個電極（柵極，grid）發(fā)明了具有放大作用的三極管，這是電子學(xué)早期歷史中最重要的里程碑。4、1940年帕金森和洛夫爾研制成電子模擬計算機(jī)5、1948年用半導(dǎo)體材料做成了第一只晶體管，叫“半導(dǎo)體器件”或“固體器件”（solid-statedevice）。1951年有了商品，這是出現(xiàn)分立元件的有一個里程碑6、1959年Kilby在IRE（美國無線電工程師學(xué)會