History

課程大綱

萌芽時期埃及﹑希臘﹑中國幾何光學時期

From the Seventeenth Century波動光學時期

The Nineteenth Century量子光學時期

Twentieth Century現代光學時期

參考資料

[1] Eugene Hecht, Optics, Addison Wesley Co., New York 2001

[2] W. Lauterborn, T. Kurz, M. Wiesenfeldt, Coherent Optics, Fundamentals and Applications. Springer Verlag, Berlin 2003

萌芽時期

埃及

光學的起源在埃及可追溯到遠古時代（西元前1200年）舊約聖經的出埃及記，當時製作反射鏡的材料為銅(Copper) ﹑青銅(Bronze)等金屬。

希臘

光學的起源在希臘可追溯到哲學家如畢達哥拉斯(Pythagoras)﹑德謨克理特 (Democritus) ﹑恩貝多克利 (Empedocles) ﹑柏拉圖(Plato) ﹑亞里斯多德 (Aristotle)等的光特性理論﹐歐幾里得(Euclid) (西元前300年)在他的反射光學(Catoptrics)一書中提出光行直進與光反射定律。

希臘

阿里斯多芬尼斯(Aristophanes)(西元前424年)在喜劇片(The Clouds)中提到燃燒的玻璃(Burning Glass) ,乃是凸透鏡匯交陽光加熱點燃物品﹔克萊門德（Cleomedes，西元50年）和托勒密（C.Ptolemy，西元130年）研究了光的折射現象，最先測定了光透過兩種介質分界面時的入射角和折射角。

中國

光學的起源在中國可追溯到遠古時代的春秋戰國之際，墨翟（西元前468-376年）及其弟子所著《墨經》中，記載著關於光的直線傳播（影像的形成和針孔成像等）和光在鏡面（凹面和凸面）上的反射等現像，並提出了一系列經驗規律，把物和像的位置與大小與所用鏡面的曲率聯繫了起來。

萌芽時期

培根（R.Bacon，西元1214-1294年）提出用透鏡校正視力和採用透鏡組構成望遠鏡的可能性，並描述過透鏡焦點的位置。到十五世紀末和十六世紀初，凹面鏡、凸面鏡、眼鏡、透鏡以及暗箱和幻燈等光學元件已相繼出現。

幾何光學時期From the Seventeenth Century

幾何光學時期

荷蘭李普塞（H.Lippershey，1587-1619年）在1608年發明了第一架望遠鏡。十六世紀初延森（Z.Janssen，1588-1632）和馮特納（P.Fontana，1580-1656年）最早製作了複合顯微鏡。1610年伽利略（Galieo Galilei1564-1642年）用自己製造的望遠鏡觀察星體，發現了繞木星營運的衛星，這給哥白尼關於地球繞日運轉的日心說提供了強有力的證據。克普勒（Johannes Kepler 1571-1630年）匯集了前人的光學知識，他提出了用點光源照明時，照度與受照面到光源距離的平方成反比的照度定律。他還設計了幾種新型的望遠鏡，特別是用兩塊凸透鏡構成的克普勒天文望遠鏡。1611年克普勒提出光折射學(Dioptrics) ﹐並發現全反射(total internal reflection)及小角度下的折射定律。

From the Seventeenth Century

Total internal reflection

and

arrived at small angle approximation to

the Law of the refraction

幾何光學時期

折射定律的精確公式是斯涅耳（W.Snell,1591-1626年）和笛卡特（R.Descartes，1596-1650年）提出的。接著費馬（P.de Fermat，（1601-1665）在1657年首先指出光在介質中傳播時所走路程取極值的原理，並根據這個原理推出光的反射定律和折射定律。綜上所述，到十七世紀中葉，基本上已經奠定了幾何光學的基礎。

From the Seventeenth CenturyLaw of refraction in terms of sine

Light was viewed as a pressure transmitted by an elastic medium

Phenomenon of diffraction from rectilinear propagation by Grimaldi

R. Hooke observed diffraction effect.

Light was rapid vibratory motion of medium.

Beginning of wave theory

波動光學時期The Nineteenth Century

波動光學時期

義大利人格裡馬第（F.M.Grimaldi,1618-1663年）首先觀察到光的繞射現象，1672-1675年間胡克（R.Hooke，1635-1703年）也觀察到繞射現象，並且和波義耳（R.Boyle，1627-1691年）獨立地研究了薄膜所產生的彩色干涉條紋，所有這些都是光的波動理論的萌芽。

波動光學時期

十七世紀下半葉，牛頓（I.Newton，1642-1727年）和惠更斯（C.Huygens，1629-1695年）等把光的研究引向進一步發展的道路。牛頓還仔細觀察了白光在空氣薄層上干涉時所產生的彩色條紋─牛頓圈，從而首次認識了顏色和空氣層濃度之間的關係。牛頓(1665年)利用色散(Dispersion)實驗解釋了白光乃是由一些彼此獨立的彩色光所組成。

波動光學時期

牛頓于西元1704年提出了光是微粒流的理論。他認為這些微粒從光源飛出來，在真空或均勻物質定律，進而解釋牛頓直線運動，並以此觀點解釋光的反射和折射定律。然而在解釋牛頓圈時，卻遇到了困難，同時，這種微粒流的假設也難以說明光在繞過障礙物之後所發生的繞射現象。

From the Seventeenth CenturyTrust of Newton’s scientific effort was based on direct observation and avoid speculative hypotheses.

Light-as a stream of particles or a wave in an all pervading medium, the aether ?

White was composed of a mixture of a whole range of independent colors.

Rejecting the wave theory because the daunting problem of explaining rectilinear propagation in terms of waves that spread out in all directions.

First reflection telescope.

Newton -> Huygens

Particle --> Wave theoryDiscovery of the phenomenon of polarization while explained the double refraction of light of calcite.

Dualism of light

C. Roemer determined the speed of light is finite.

L. Euler devoted of wave theory.

波動光學時期

惠更斯反對光的微粒說，認為光是在“以太”中傳播的波。惠更斯不僅成功地解釋了反射和折射定律，還解釋了方解石的雙折射現象。這一時期中，在以牛頓為代表的微粒說佔統治地位的同時，由於相繼發現了干涉、繞射和偏振等光的波動現象，以惠更斯為代表的波動說也初步被提出來了。

波動光學時期

到了十九世紀，初步發展起來的波動光學體系已經形成。楊氏（T.Young，1773-1829年）和菲涅耳（A.J.Fresnel，1788-1827年）的著作在這裡起著決定性的作用。1801年楊氏最先用干涉原理令人滿意地解釋了白光照射下薄膜顏色的由來和用雙縫顯示了光的干涉現象，並第一次成功地測定了光的波長。

波動光學時期

1815年菲涅耳用楊氏干涉原理補充了惠更斯原理，形成了人們所熟知的惠更斯一菲涅耳原理。1808年馬呂（E.L.Malus，1775-1812年）偶然發現光在兩種介質界面上反射時的偏振現象。為了解釋這些現象，楊氏在1817年提出了光波和弦中傳播的波相仿的假設，認為它是一種橫波。菲涅耳進一步完善了這一觀點並導出了菲涅耳公式。

1.4 The nineteenth century

Wave Nature of Light“Physicsts use the wave theory on

Mondays, Wednesdays and Fridays and the particle theory on Tuesdays, Thursdays and Saturdays.”

Sir William Henry Bragg

“If you cannot saw with a file or file with a saw, then you will be no good as an experimentalist.”

Augustin Fresnel

波動光學時期

1845年法拉第（M.Faraday，1791-1867年）發現了光的的振動面在強磁場中的旋轉，提示了光現象和電磁現象的內在聯繫。1856年韋伯（W.E.Weber,1804-1891年）和柯爾勞斯（R.Koh-Lrausch，1809-1858年）在萊比錫做的電學實驗結果，發現電荷的電磁單位和靜電單位的比值等于光在真空中的傳播速度，即

米/秒。83 10×

波動光學時期

馬克斯威爾（J.C.Maxwell，1831-1879年）在1865年的理論研究中指出，電場和磁場的改變不會局限在空間的某部分，而是以數值等于電荷的電磁單位與靜電單位的比值的速度傳播的，即電磁波以光速傳播，這說明光是一種電磁現象。這個理論在1888年被赫茲（H.R.Hertz，1857-1894年）的實驗證實，他直接從頻率和波長來測定電磁波的傳播速度，發現它恰好等於光速，至此，就確立了光的電磁理論基礎。

The nineteenth century

量子光學時期Twentieth Century

量子光學時期

十九世紀末到二十世紀初，光學的研究深入到光的發生、光和物質相互作用的某些現象，例如熾熱黑體輻射中能量按波長分佈的，特別是1887年赫茲發現的光電效應。1900年普朗克（1858-1947年）提出了輻射的量子論，認為各種頻率的電磁波只能是電磁波（或光）的頻率與普朗克常數乘的整數倍，成功地解釋了黑體輻射問題。

量子光學時期

1905年愛因斯坦（1879-1955年）發展了普朗克的能量子假設，把量子論貫穿到整個輻射和吸收過程中，提出了傑出的光量子（光子 Photon）理論，圓滿解釋了光電效應，並為後來的許多實驗例如康普頓效應所證實。

1.5 Twentieth-Century Optics

Jules Henri Poincare (1854-1912)

Albert Einstein (1879-1955)

Fizeau, Airy, and Michelson-Morley experiments

Max Karl Ernst Ludwig Planck (1858-1947)

量子光學時期

1924年德布羅意（L.V.de Broglie，1892-）創立了物質波學說。他大膽地設想每一物質的粒子都和一定的波相聯繫，這一假設在1927年為戴維孫（C.J.Davisson，1881-1958）和革末（L.H.Germer，1896-1971年）的電子束繞射實驗所證實。

現代光學時期

現代光學時期

從二十世紀六十年代起，特別在雷射(Laser)問世以後，由於光學與許多科學技術領域緊密結合、相互滲透，一度沉寂的光學又煥發了青春，以空前的規模和速度快速發展，它已成為現代物理學和現代科學技術一塊重要的前沿陣地，同時又派生了許多嶄新的分支學科。

現代光學時期

1958年肖絡（A.L.Schawlow）和湯斯（C.H.Townes）等提出把微波量子放大器的原理推展到光頻率段中去，1960年梅曼（T.H.Maiman，1927-），首先成功地製成了紅寶石雷射器。自此以後，雷射科學技術的發展突飛猛進，在雷射物理、雷射技術和雷射技術和雷射應用等各方面都取得了巨大的進展。

現代光學時期

同時全像攝影術已在全像顯微術、訊息儲存、像差平衡、訊息編碼、全像干涉量度、聲波全像和紅外全像等方面獲得了越來越廣泛的應用。光學纖維已發展成為一種新型的光學元件，為光學窺視（傳光傳像）和光通訊的實現創造了條件，它已成為某些新型光學系統和某些特殊雷射器的組成部分。

現代光學時期

可以預期光計算機將成為新一代的計算機，想像中的光計算機，由於採取了光訊息存儲，並充分吸收了光並行處理的特點，它的運算速度將會成千倍地增加，訊息存儲能力可望獲得極大的提升，甚至可能代替人腦的部分功能。總之，現代光學與其他科學和技術的結合，已在人們的生產和生活中發揮著日益重大的作用和影響，正在成為人們認識自然、改造自然以及提升勞動生產率的越來越強有力的武器。

From the Seventeenth CenturyFrom the Seventeenth CenturyFrom the Seventeenth CenturyWave Nature of Light