1、光學(xué)的發(fā)展及演變 .TM.
v5B
談到光學(xué)和光學(xué)工程，首先要談一下光學(xué)發(fā)展史。 /.WIED}>
光學(xué)是一門古老的科學(xué)，中國古代的墨子（墨翟）和古希臘的歐幾里德、托勒密都對此做出過杰出貢獻(xiàn)。 >{)\GK0i 7
光學(xué)作為一門科學(xué)（也就是有定義、定理、學(xué)說等），應(yīng)該說是從牛頓開始。1664年，牛頓開始研究光學(xué)，時(shí)年21歲。1671年牛頓制作勒第二臺反射式望遠(yuǎn)鏡（長1.2m，直徑2m）；1672年發(fā)表了“光和色的新理論”；1704年發(fā)表了“光學(xué)——關(guān)于光的反射、折射、彎曲和顏色”的論文，敘述了幾何光學(xué)的基本原理。此外，牛頓的分光實(shí)驗(yàn)以及牛頓環(huán)的發(fā)現(xiàn)，使光學(xué)由幾何光學(xué)進(jìn)入了物理光學(xué)領(lǐng)域。因此，我們通常說，光學(xué)自牛頓開始，迄今已有300多年的歷史了。 _Ie?{5$ng`
在光學(xué)發(fā)展的300多年的歷史中，牛頓的光微粒說統(tǒng)治達(dá)100年之久，但也不斷持有波動(dòng)說主張者加以反駁。19世紀(jì)初，菲涅耳以大量的實(shí)驗(yàn)證據(jù)，使光的波動(dòng)理論得以確立。在后來的發(fā)展中，對光認(rèn)識具有根本性變革的是麥克斯韋關(guān)于光的電磁波理論。1900年，普朗克提出了量子假說，他是為解決當(dāng)時(shí)所謂“紫外災(zāi)難”而提出黑體輻射的能量分布公式，但需假定物體的輻射能不是連續(xù)變化，而是以一定整數(shù)倍跳躍式變化，才能對他（普朗克）的黑體輻射公式作出合理的解釋。這個(gè)最小的不可再分的能量單元稱為“能量子”或“量子”。當(dāng)時(shí)的物理學(xué)家認(rèn)為：量子假說與物理學(xué)界幾百年來信奉的“自然界無跳躍”理念相矛盾，普朗克本人甚至也放棄量子論繼續(xù)用能量的連續(xù)變化的概念來研究輻射問題。 }nRTw2-z
第一個(gè)意識到量子概念的普遍意義并將其運(yùn)用到其他問題的是愛因斯坦。他提出了光子的概念，建立了光量子論以解釋光電效應(yīng)中的新現(xiàn)象。光量子論的提出使光的本性歷史爭論進(jìn)入了一個(gè)新的階段。自牛頓以來，光的微粒說和波動(dòng)說此起彼伏，爭論不已。愛因斯坦的理論重新肯定了微粒說和波動(dòng)說描述光的行為的意義，它們均反映了光的本質(zhì)的一個(gè)側(cè)面：光有時(shí)候表現(xiàn)出波動(dòng)性，有時(shí)候表現(xiàn)出粒子性，但它既非經(jīng)典的粒子，也非經(jīng)典的波。這就是光的波粒二象性。此后，玻爾、薛定諤、海森伯的量子力學(xué)理論的提出又進(jìn)一步推動(dòng)了光的發(fā)射和吸收的量子光學(xué)的進(jìn)展，從此光學(xué)理論的發(fā)展在近一個(gè)世紀(jì)中便同量子物理的發(fā)展聯(lián)系起來了。 I {%Y 0S
光學(xué)史上最重要的轉(zhuǎn)折性階段是與惠更斯、牛頓、菲涅耳、基爾霍夫、麥克斯韋、普朗克、玻爾、愛因斯坦、薛定諤、海森伯的名字聯(lián)在一起的。 6rMXv0 )
光學(xué)的發(fā)展歷史表明，人們對于光的認(rèn)識經(jīng)歷了多么復(fù)雜的演變過程，時(shí)至今日，尚未結(jié)束。 YU`}T<;bg
2、現(xiàn)代光學(xué)的發(fā)展簡況 ZmDM=qN
自牛頓以來，以幾何光學(xué)和物理光學(xué)為基礎(chǔ)，形成了各種光學(xué)儀器和設(shè)備，對人類認(rèn)識世界產(chǎn)生了重大影響。如望遠(yuǎn)鏡對天文學(xué)，顯微鏡對生物學(xué)和金相學(xué)，照相和電影對人類文化生活，經(jīng)緯儀對大地測量，光譜儀對物質(zhì)成分和結(jié)構(gòu)分析等等。經(jīng)典光學(xué)主要是以電磁輻射本身為研究對象；而近代光學(xué)的發(fā)展則是以光與物質(zhì)的相互作用為重要的研究內(nèi)容。 ,M jlA{0
光學(xué)經(jīng)過20世紀(jì)初期量子理論的發(fā)展，到了60年代，首先是激光的出現(xiàn)，即激光器。同步輻射器這些新型光源的出現(xiàn)，強(qiáng)激光與物質(zhì)相互作用產(chǎn)生了一系列非線性效應(yīng)，使光學(xué)研究領(lǐng)域煥然一新。激光的卓越特性推進(jìn)了物理學(xué)、化學(xué)、生物學(xué)的研究，加深了對物質(zhì)及其運(yùn)動(dòng)規(guī)律的認(rèn)識，已經(jīng)形成和正在形成一些新的學(xué)科分支，如量子光學(xué)、激光物理學(xué)、激光化學(xué)、激光生物學(xué)等。特別是70年代以后，由于半導(dǎo)體激光器和光導(dǎo)纖維技術(shù)的重大突破，導(dǎo)致了以光纖通信為代表的光信息技術(shù)的蓬勃發(fā)展，促進(jìn)了相應(yīng)各學(xué)科的發(fā)展和彼此間的相互滲透，形成了光子學(xué)（光電子學(xué)）。這門新興的分支學(xué)科是研究光波（光子）與物質(zhì)中的電子相互作用及其能量的相互轉(zhuǎn)換�，F(xiàn)代光學(xué)與光子學(xué)——激光、微光、紅外、光纖、光纖通信、光存儲、光顯示的進(jìn)展促進(jìn)了當(dāng)代科技、國防、經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，現(xiàn)代社會如果沒有這些進(jìn)展是不可想象的。其主要特點(diǎn)有： %Jji<M]
（1）“光、機(jī)、電、算”已成為現(xiàn)代工程與技術(shù)的主要內(nèi)涵。光的含義也已遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出傳統(tǒng)意義上的望遠(yuǎn)鏡、顯微鏡等光學(xué)儀器。當(dāng)前的光學(xué)儀器（其中大部分指測試計(jì)量儀器）已進(jìn)入光（光學(xué)）、機(jī)（精密機(jī)械）、電（電子）、算（計(jì)算機(jī)）相結(jié)合的光電子技術(shù)的新時(shí)代。它表現(xiàn)在多功能、高效率的光機(jī)電算一體化，技術(shù)手段的自動(dòng)化、智能化、數(shù)字化、獲取數(shù)據(jù)從靜態(tài)轉(zhuǎn)向動(dòng)態(tài)，從有感信息到無感信息。 Dk E f;P
（2）光學(xué)的研究從可見光擴(kuò)展到X射線、紫外、近紅外、中紅外、直到遠(yuǎn)紅外等不可見的電子波譜段，如微光夜視、熱成像、天文成像等；從靜態(tài)光學(xué)到瞬態(tài)光學(xué)，如研究納秒、皮秒、飛秒等超快速現(xiàn)象；從宏大光學(xué)（天文望遠(yuǎn)鏡）到微小光學(xué)（微透鏡）等。 &. MUSqo9
（3）光（光子）已不僅是信息載體，作為信息傳遞的手段用于了解和認(rèn)識世界；光（光子）也能改變物質(zhì)的形態(tài)，作為能量、加工的手段改造世界。 dsn(h5,Q'
（4）新興的全息、激光、微光、紅外熱成像、光纖與光纖通信、光探測器、光集成、光信息處理、圖像處理、圖像融合和光計(jì)算等都被認(rèn)為屬于現(xiàn)代光學(xué)與光子學(xué)的范疇。 -W{ !`<8D
（5）光學(xué)與光子學(xué)的最大特點(diǎn)是應(yīng)用范圍非常廣泛，基礎(chǔ)理論學(xué)與工程技術(shù)之間緊密聯(lián)系。今天，光學(xué)和光子學(xué)的應(yīng)用已遍及各個(gè)領(lǐng)域，如空間、能源、材料、微電子、生命科學(xué)、生物工程、化學(xué)工程、微觀化學(xué)動(dòng)力學(xué)、醫(yī)療、環(huán)境保護(hù)、遙感、遙測、精密加工、計(jì)量、通信、印刷以及軍事等領(lǐng)域。特別在信息領(lǐng)域的應(yīng)用，不少學(xué)科分支和方向已經(jīng)形成大規(guī)模的產(chǎn)業(yè)。1995年，全世界光學(xué)和光（電）子學(xué)技術(shù)產(chǎn)業(yè)規(guī)模已達(dá)700億美元，2000年達(dá)1030億美元�？梢灶A(yù)期，光學(xué)和光子學(xué)將成為21世紀(jì)初的一個(gè)骨干產(chǎn)業(yè)。 V-(*{/^"
3、光學(xué)工程的研究對象和內(nèi)容 5\Rg%Ezl
光學(xué)既是一門基礎(chǔ)科學(xué)，又是一門技術(shù)科學(xué)。作為基礎(chǔ)科學(xué)，主要研究光的產(chǎn)生、光的本性以及光和物質(zhì)的相互作用。作為技術(shù)科學(xué)，是把光的現(xiàn)象和規(guī)律應(yīng)用于人類的生產(chǎn)活動(dòng)中而形成的一門技術(shù)科學(xué)，如將光作為信息傳遞的手段，便發(fā)展出各種光學(xué)儀器和設(shè)備，藉以擴(kuò)展人們的視覺功能（觀察）、聽覺功能（通信）、觸覺功能（測量）等（眾所周知，視覺和聽覺占人的感覺知覺的90％）；又如光作為能量的形式，利用光對物質(zhì)產(chǎn)生的物理化學(xué)反應(yīng)來改變物質(zhì)的形態(tài)和屬性，如激光核聚變，各種光源，光合作用等；再如光作為加工處理的手段，如激光進(jìn)行材料加工，表面改性和醫(yī)療手術(shù)等。 =h70! ) Z5
光學(xué)工程主要研究： ?3% r:g4
（1） 以光作為信息傳遞的媒介，進(jìn)行對客觀事物的認(rèn)知與了解，特別是作為視覺及其他人身感 Nwo*tb:
官的延伸，包括圖像及多維時(shí)空信息的傳輸、存儲、處理、顯示等。 rvacCwI
（2）光的產(chǎn)生，如激光、發(fā)光光源等。 S.Q:O{ ]
（3）光對物質(zhì)相互作用的應(yīng)用，如光敏探測器件、光刻蝕、光化學(xué)等、或以光能量作為加工手段，如激光加工、激光核聚變、光能應(yīng)用等。 vScEQS $>
（4）利用光學(xué)等原理進(jìn)行圖像及多維時(shí)空結(jié)構(gòu)的觀察及處理，如微光夜視技術(shù)、變像管高速攝影等。 UX' q64F!
基于光學(xué)現(xiàn)象的新發(fā)展，以及光學(xué)原理與其他學(xué)科的綜合應(yīng)用（工程學(xué)科，一般都有多種基礎(chǔ)學(xué)科應(yīng)用的綜合性，但以其核心技術(shù)的不同而成為不同的工程學(xué)科），光學(xué)對經(jīng)濟(jì)活動(dòng)諸方面的作用，早已超出作為物理學(xué)學(xué)科分支的傳統(tǒng)概念，或如20世紀(jì)30年代作為應(yīng)用光學(xué)領(lǐng)域的光學(xué)儀器所能概括的。正如物理學(xué)中的力學(xué)發(fā)展成為機(jī)械工程，電磁學(xué)發(fā)展成為電氣工程，熱力學(xué)發(fā)展成為動(dòng)力工程一樣，光學(xué)也當(dāng)之無愧地以其廣闊的應(yīng)用領(lǐng)域而形成光學(xué)工程，也理應(yīng)與機(jī)械工程、電氣工程、動(dòng)力工程一樣。并列為一級學(xué)科。 9PUobV_^Wo
總地說來，學(xué)科的設(shè)立及其劃分層次至關(guān)重要，特別是它作為高層次人才培養(yǎng)的指南，必須順應(yīng)時(shí)代發(fā)展的趨勢。一級學(xué)科設(shè)立不當(dāng)，將會影響培養(yǎng)具有整體知識的學(xué)科帶頭人。此外，學(xué)科的設(shè)立及其劃分層次將會涉及對該學(xué)科的支持與發(fā)展，并對社會分工及技術(shù)體制產(chǎn)生影響。不適當(dāng)?shù)膭澐謱哟尾焕谌瞬诺呐囵B(yǎng)。因此，必須全面地考慮學(xué)科層次安排，并應(yīng)向前看，而不能僅滿足于過去已有的學(xué)科內(nèi)容及排序。
