现代光学的发展历程

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现代光学的发展历程陈礼强（08级物理学二班0811010056）摘要简单介绍了光学的发展简史，系统地概述了光学发展的现代光学时期，对现代光学的几个代表性方面做了大概的介绍，例如激光光学、成像光学、全息术和光信息处理等。关键词现代光学；激光；全息术；信息光学。前言20世纪中叶随着新技术的出现，新的理论也不断发展，由于光学的应用十分广泛已逐步形成了许多新的分支学科或边缘学科。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。光学的发展光学是物理学的一个分支,是一门古老的自然学科,已经有数千年发展历史。在十七世纪前后,光学已初步形成了一门独立的学科。以牛顿为代表的微粒说和与之相应的几何光学； 以及以惠更斯为代表的波动说和与之相应的波动光学构成了光学理论的两大支柱。到十九世纪末,麦克斯韦天才地总结和扩充了当时已知的电磁学知识,提出了麦克斯韦方程组,把波动光学推到了一个更高的阶段。[2]然而,人们对光的更进一步的认识是与量子力学和相对论的建立分不开的。一方面,十九世纪及其以前的光学为这两个划时代的物理理论的建立提供了依据。另一方面,这两个理论的建立,更加深了人类对光学有关现象的深入了解。从十七世纪到现在，光学的发展经历了萌芽时期、几何光学时期、波动光学时期、量子光学时期、现代光学时期等五大历史时期。而现代光学时期主要从20世纪中叶开始它包括了激光光学、非线性光学、纤维光学、薄膜光学与集成光学、信息光学、傅里叶变换光学、光电子学等新的光学分支学科。特别是激光问世以后，光学开始进入了一个新的时期，以致于成为现代物理学和现代科学技术前沿的重要组成部分。其中最重要的成就，就是发现了爱因斯坦于1916年预言过的原子和分子的受激辐射，并且创造了许多具体的产生受激辐射的技术。爱因斯坦研究辐射时指出，在一定条件下，如果能使受激辐射继续去激发其他粒子，造成连锁反应，雪崩似地获得放大效果，最后就可得到单色性极强的辐射，即激光。1960年，梅曼用红宝石制成第一台可见光的激光器；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。激光具有极好的单色性、高亮度和良好的方向性，所以自发现以来得到迅速的发展和广泛应用，引起了光学领域和科学技术的重大变革。由于激光技术的发展突飞猛进，目前激光已经广泛应用于打孔、切割、导向、测距、医疗、通讯等方面，在核聚变等方面也有广阔的应用前景。同时光学也被相应地划分成不同的分支学科，组成一张庞大的现代光学学科网络。[1]　光学的另一个重要的分支是由成像光学、全息术和光学信息处理组成的。这一分支最早可追溯到1873年阿贝提出的显微镜成像理论，和1906年波特为之完成的实验验证；1935年泽尔尼克提出位相反衬观察法，并依此由蔡司工厂制成相衬显微镜，为此他获得了1953年诺贝尔物理学奖；1948年伽柏提出的现代全息照相术的前身——波阵面再现原理，为此，伽柏获得了1971年诺贝尔物理学奖。普通照相只能记录某一给定方向上的物体表面的光振幅的时间平均值,即光强分布,而无法记录光的位相,物体各点的远近和侧面不能在一张光强分布的平面图上反映出来,这样普通照片就失去了物休原有的立体结构,全息照相则不然, 只要能使物体所衍射的光波与另外的光波产生干涉并记录在某种介质中,那么当用适当的方法照明该介质时,就能得到象原物真实存在一样的效果,即三维的立体图象这是因为全息方法记录的物光。有振幅的信息,又有位相的信息,即所谓全部信息。全息照相术可用于所有的波,只要这些波具有足够的相千性并足以形成所需要的干涉图形即全息图因此全息照相的应用十分广泛,主要表现为全息显微术,全息千涉量度术无损探侧、监测术等全息照相目前仍处于不断发展之中。[3]自20世纪50年代以来，人们开始把数学、电子技术和通信理论与光学结合起来，给光学引入了频谱、空间滤波、载波、线性变换及相关运算等概念，更新了经典成像光学，形成了所谓“博里叶光学”。再加上由于激光所提供的相干光和由利思及阿帕特内克斯改进了的全息术，形成了一个新的学科领域——光学信息处理，也就是信息光学。信息光学技术也称为光信息处理,它是应用信息光学理论具体解决光信息的接收与传递,加工与确认等方面的知识。光信息处理的特点就在于它能同时处理二维图象,而且处理信息量特别大,处理速度也极快一张照片的傅立叶变换,用计算机需几个小时甚至更长的时间才能完成,但用光学透镜,在一瞬间就完成了！光纤通信就是依据这方面理论的重要成就，它为信息传输和处理提供了崭新的技术。[4]光信息处理技术大致可分为以下几种：一、预处理技术。由于摄象系统的运动如飞机或卫星上及景物本身的运动,都会引人投影象差或由空间不同点在曝光或冲印时因条件的变化而造成的光度差,都要在成象以后加以规整。二、增强技术。因被探测目标的光谱特性是通过图象的灰阶密度记录并反映出来的,而人眼对灰阶变化的鉴别能力有限,不同景物反映在图象上的灰度可能差别不大,因而一些细节不易被辨认。增强技术就是根据判读即识别的需要,在图象中突出或消除某些信息,甚至人为地加入某些信息,使所需要的特征被强调出来,从而提高图象的可辨认。细节增强技术又可分为假彩色成象、假彩色合成、灰阶重布、运算成象和空间滤波五种。三、图象的识别这是指在空间上能区别不同事物,在时间上要发现同一景物随时间的变化情况。具体地说就是对图象中的内容进行分析、判断,弄清楚图象中的线条、轮廓、色调、色彩、花纹等对应着实际上的什么景物及所处的状态。 最基本的方法是人工判读,正在改进中的是利用电子计算机判读。人的精力有限,计算机现阶段其信息存贮量和计算速度还不理想,所以它是光信息处理中急待改进的课题之一。四、信息转换。在信息传输、存贮及提取中常将信息由某种载体转换成其他形式的载体。在图象的传输中,近距离可直接借助于光学系统,远距离可利用光纤,也可以把图象转换成微波。为了扩展通道,编码是必不可少的。存贮就是记录,记录也可以采用编码。光模拟计算机就是把三维图象用二维编码记录的，传统的记录方法是把光信息记录到胶片、磁带或磁鼓上,如果利用全息照相,既可以记录二维图象,也可以记录三维图象可以记录在介质的表面,也可以记录在介质的整个体积中，可以是永久的或是可以消象的。全息存贮比磁性存贮的优越之处是信息容量大、成本低、纯度高,能把几百页的书存贮在只有手指甲大小的介质中,提取的时间在微秒的数量级，而磁性存贮中提取信息的时间约几十毫秒磁性存贮是可以消迹的,而且可以读多快就写多快,快写和可消迹的全息记录则还在试验阶段。在医疗透视微波与红外遥感中,把微波或超声信号转换成图象,把不易保存与观察的红外图象转换成可见光图象都属于转换之列。[3]在现代光学本身，由强激光产生的非线性光学现象正为越来越多的人们所注意。激光光谱学，包括激光喇曼光谱学、高分辨率光谱和皮秒超短脉冲，以及可调谐激光技术的出现，已使传统的光谱学发生了很大的变化，成为深入研究物质微观结构、运动规律及能量转换机制的重要手段。它为凝聚态物理学、分子生物学和化学的动态过程的研究提供了前所未有的技术。总之，现代光学和其他学科和技术的结合，在人们的生产和生活中发挥这日益重大的作用和影响，为人们认识自然、改造自然以及提高劳动生产率提供了强有力的科技力量。参考文献[1].《光学的发展概述》马明祥（国防科学技术大学光电科学与工程学院，湖南长沙410073）；[2].《现代光学》杨国帧（中国科学院物理研究所）；[3]．《信息光学概论》陈树岭（河北地质学院基础部石家庄050031） [4]．《BBC光之舞--光学发展史》(LightFantastic)[DVDRip]