光学历史与产业的发展脉上传版分析.docx

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光学历史与产业的发展脉上传版分析

光学历史与产业的发展脉络

第一节人类光科学与技术发展历程

光学是一门与人类发展休息相关的学科与技术，因为光源是人类生活最基本的条件之一。

史前民初，人类在钻石取火的过程中就学会并总结了大量的光学知识，圭表是人类最早的光学仪器，由圭和表两部分组成。

我国西周丞相周公旦（公元前约1105）在河南登封县设置了世界上最早的计时器圭表。

人们可以从太阳照射圭的影子对表表上的刻度来计时了。

图1-1圭表人类最早的光学仪器

关于光学现象与器件的记录应该是中国的“墨经”，而在早期的古埃及文化的太阳崇拜主意，在古埃及的金字塔的建设中已经十分重视光学现象的应用，特别是在早期的建筑照明之中等到了充分的发展。

使传说中的太阳神能够将帝王的灵魂带到天堂。

中国的铜制镜子业是从殷商时期（公元前17世纪-公元前11世纪）开始的。

甘肃广河出土的齐家文化中大批的铜镜，证明了我们的祖先早在殷商之前就已经有了铜镜的知识与制备技术。

根据《周礼。

春官》和《考工记》的记载，西周（公元前11世纪-公元前770）时期已有阳燧（凹面金属镜），用于点火；有专门的掌管阳燧的官，叫“司恒氏”。

我国古代取火的工具称为“燧”，有金燧、木燧之分。

金燧取火于日，木燧取火于木。

根据我国古籍的记载，古代常用“夫燧”、“阳燧”（实际上是一种凹面镜，因用金属制成成，所以统称为“金燧”）来取火。

古代人们在行军或打猎时，总是随身带有取火器，《礼记》（公元前220）中就有“左佩金燧”、“右佩木燧”的记载，表明晴天时用金燧取火，阴天时用木燧取火。

阳燧取火是人类利用光学仪器会聚太阳能的一个先驱。

人类有记载的对光的研究，试图回答“人怎么能看见周围的物体？

”之类问题。

约在公元前400多年（先秦的代），中国的《墨经》中记录了世界上最早的光学知识。

它有八条关于光学的记载，它们依次是：

影子生成的道理；光线与影的关系；光线直线行进实验；光的反射特性；从物体与光源的相对位置关系确定影子大小；平面镜的反射现象；凹面镜的反射现象；凸面镜的反射现象。

叙述影的定义和生成，光的直线传播性和针孔成像，并且以严谨的文字讨论了在平面镜、凹球面镜和凸球面镜中物和像的关系。

《墨经》是人类最早的光学书籍，是我们中华民族的祖先对人类早期文明的巨大贡献。

差不多在同一个时期，公元前400年左右希腊的剧作家阿里斯托芬Aristophanes在他的剧本中描述了太阳光线的反射，由于这是剧本形式的描述，故随着戏剧而得到流传。

这是西方最早的传说式的关于光学现象的最早记载。

德谟克利特Democritus（约公元前460-370,古希腊哲学家）是最早论述到颜色的前辈，作为早期的哲学家，他在论述物质世界时提出原子论提出了颜色的概念是由于原子组分的不一致。

公元前（380-320）亚里斯多德Aristotle（古希腊大哲学家,科学家）提出光线的概念，认为视觉是因为眼镜发出的光线接触到你看的物体。

公元前（290–212）阿基米德Archimedes论述了反射与折射现象。

卢修斯LuciusAnnaeusSeneca（公元前4–公元65）论述了在透明容器中的液体的放大现象。

Nero尼禄（古罗马暴君,37-68）他是第一个记载的用了晶体作为单透镜观看远处竞技场上的搏斗的战士。

Ptolemy托勒密（公元2世纪的古希腊天文学家、地理学家、数学家,地心说的创立者，他的著作中提到了折射时入射角与折射角的比例是常数，同时他还是认为看到物体是因为眼睛发出的光线碰到了物体。

公元11世纪阿拉伯人伊本·海赛木Alhazan（AbuAliHasanIbnal-Haitham）（965-1020）发明透镜；他研究了球面与抛物面的反射镜的反射原理，反驳了托勒密的折射关系以及视觉的理论。

公元1116年北宋药学家寇宗奭所著『本草衍义』提到：

菩萨石映日射之，有五色光。

这是日光经过棱形的石英晶体，所折射散出的各种色光。

这就是摄影学理上的色散现象。

他发现色散的现象，却足足比英国牛顿的发现早550年。

公元1590年到17世纪初，詹森（ZachariusJensen）和李普希（JohnLipperhey）同时独立地发明显微镜；但是一直到17世纪上半叶，才由斯涅耳（WillebrordSnell）和笛卡儿（ReneDescartes）将光的反射和折射的观察结果，归结为今天大家所惯用的反射定律和折射定律。

1665年，牛顿（IsaacNewton）进行太阳光的实验，它把太阳光分解成简单的组成部分，这些成分形成一个颜色按一定顺序排列的光分布——光谱。

它使人们第一次接触到光的客观的和定量的特征，各单色光在空间上的分离是由光的本性决定的。

牛顿还发现了把曲率半径很大的凸透镜放在光学平玻璃板上，当用白光照射时，则见透镜与玻璃平板接触处出现一组彩色的同心环状条纹；当用某一单色光照射时，则出现一组明暗相间的同心环条纹，后人把这种现象称“牛顿环”。

借助这种光的干涉现象（牛顿不赞成光的波动性的），人们可以用第一暗环的空气隙的厚度来定量地表征相应的单色光。

牛顿在研究了光的传播特性后，根据光的直线传播性，认为光是一种微粒流。

微粒从光源飞出来，在均匀媒质内遵从力学定律作等速直线运动。

牛顿用这种观点对折射和反射现象作了解释。

惠更斯（ChristiaanHuygens）是光的微粒说的反对者，他创立了光的波动说。

提出“光同声一样，是以球形波面传播的”。

并且指出光振动所达到的每一点，都可视为次波的振动中心、次波的包络面为传播波的波阵面（波前）。

在整个18世纪中，光的微粒流理论和光的波动理论都被粗略地提了出来，但都不很完整。

19世纪初，波动光学初步形成，其中托马斯·杨（ThomasYoung）圆满地解释了“薄膜颜色”和双狭缝干涉现象。

菲涅耳（JeanFresnel）于1818年以杨氏干涉原理补充了惠更斯原理，由此形成了今天为人们所熟知的惠更斯-菲涅耳原理，用它可圆满地解释光的干涉和衍射现象，也能解释光的直线传播。

在进一步的研究中，观察到了光的偏振和偏振光的干涉。

为了解释这些现象，菲涅耳假定光是一种在连续媒质（以太）中传播的横波。

为说明光在各不同媒质中的不同速度，又必须假定以太的特性在不同的物质中是不同的；在各向异性媒质中还需要有更复杂的假设。

此外，还必须给以太以更特殊的性质才能解释光不是纵波。

如此性质的以太是难以想象的。

光的粒子性与波动性展开了长时间的争论。

1845年，法拉第（MichaelFaraday）发现了光的振动面在磁场中发生旋转；1856年，韦伯发现光在真空中的速度等于电流强度的电磁单位与静电单位的比值。

他们的发现表明光学现象与磁学、电学现象间有一定的内在关系。

1860年前后，麦克斯韦（JamesClerkMaxwell）的指出，电场和磁场的改变，不能局限于空间的某一部分，而是以等于电流的电磁单位与静电单位的比值的速度传播着，光就是这样一种电磁现象。

这个结论在1888年为赫兹（Hertz）的实验证实。

然而，这样的理论还不能说明能产生象光这样高的频率的电振子的性质，也不能解释光的色散现象。

到了1896年洛伦兹（H.A.Lorentz）创立电子论，才解释了发光和物质吸收光的现象，也解释了光在物质中传播的各种特点，包括对色散现象的解释。

在洛伦兹的理论中，以太乃是广袤无限的不动的媒质，其唯一特点是，在这种媒质中光振动具有一定的传播速度。

对于像炽热的黑体的辐射中能量按波长分布这样重要的问题，洛伦兹理论还不能给出令人满意的解释。

并且，如果认为洛伦兹关于以太的概念是正确的话，则可将不动的以太选作参照系，使人们能区别出绝对运动。

而事实上，1887年迈克耳逊（AlbertAMichelson）用干涉仪测“以太风”，得到否定的结果，这表明到了洛伦兹电子论时期，人们对光的本性的认识仍然有不少片面性。

1900年，普朗克（MaxKarlPlanck）从物质的分子结构理论中借用不连续性的概念，提出了辐射的量子论。

他认为各种频率的电磁波，包括光，只能以各自确定分量的能量从振子射出，这种能量微粒称为量子，光的最小的量子称为光子。

量子论不仅很自然地解释了灼热体辐射能量按波长分布的规律，而且以全新的方式提出了光与物质相互作用的整个问题。

量子论不但给光学，也给整个物理学提供了新的概念，所以通常把它的诞生视为近代物理学的起点。

1905年，爱因斯坦（AlbertEinstein）运用量子论解释了光电效应。

他给光子作了十分明确的表示，特别指出光与物质相互作用时，光也是以光子为最小单位进行的。

1905年9月，德国《物理学年鉴》发表了爱因斯坦的“关于运动媒质的电动力学”一文。

第一次提出了狭义相对论基本原理，文中指出，从伽利略（GalileoGalilei）和牛顿时代以来占统治地位的古典物理学，其应用范围只限于速度远远小于光速的情况，而他的新理论可解释与很大运动速度有关的过程的特征，根本放弃了以太的概念，圆满地解释了运动物体的光学现象。

从此光的波动性与粒子性得到统一，光子的波粒二相性得到了人们的充分认识。

这样，在20世纪初，一方面从光的干涉、衍射、偏振以及运动物体的光学现象确证了光是电磁波；而另一方面又从热辐射、光电效应、光压以及光的化学作用等无可怀疑地证明了光的量子性——微粒性。

1922年（A.H.Compton）发现的康普顿效应，1928年（ChandrasekharaRaman）发现的喇曼效应，以及当时已能从实验上获得的原子光谱的超精细结构，它们都表明光学的发展是与量子物理紧密相关的。

光学的发展历史表明，现代物理学中的两个最重要的基础理论——量子力学和狭义相对论都是在关于光的研究中诞生和发展的。

此后，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（TheodoreHMaiman）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。

自1958年激光发现以来，由于激光具有极好的单色性、高亮度和良好的方向性，极大推进了光学研究与技术的发展，激光技术得到了迅速的发展和广泛应用，同时也引起了科学技术的重大变化。

随着1962年发光二极管（LED）的研制成功，1963年半导体激光器的发明，1969年CCD的发明，伴随着半导体技术的发展，结合激光技术，光电子学形成雏形，光电子学与光电子技术开始了其的新里程。

1966年通讯光纤进入人们的研究，揭示这光纤通讯的大幕即将拉起，1967年第一款）液晶显示器（LCD的推出，孕育这新的信息显示时代的开始。

因此60年代之后光学技术进入了高速发展期，同时也为信息技术与信息社会的到来做了技术上的准备。

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（ErnstAbbe）提出的显微镜成像理论，和1906年波特（A.B.Porter）为之完成的实验验证了阿贝成像原理；1934年泽尔尼克（FritsZernicke）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年盖博（DennisGabor）提出的现代全息照相术的前身——波阵面再现原理，为此，盖博获得了1971年诺贝尔物理学奖。

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。

随着信息技术的发展，光学、光电子技术与信息技术的交融越来越突出，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。

90年代末，光电子技术的发展带来的数码印象技术的发展，带动基于光学与光电技术的新型光存储、复印，传真，扫描，数码影像技术与产品的高速发展，人类进入了数码时代。

人类生活从此与光学与光电子技术紧密相连，光学终于从学术理论的殿堂，与百姓家庭与生活产生了密切的联系。

同时光电数码技术的发展与普及为信息社会的到来做好了技术上的铺垫。

2000年以后，人类进入信息社会，光纤通讯技术为信息社会的信息交流提供了现代的“信息高速公路”，成为现代通讯的基础设施，通讯领域应用了几百年的电缆终于让位与光缆。

为现在网络社会奠定了坚实的技术与物质基础。

可以说光通讯使得现在地球上的人们成为“地球村”的人们。

通过高速信息网络，人们可以足不出户，尽然天下事。

当然光学科学的发展并没有止步，1987年Yablonovith提出光子晶体的概念后，90年代以来光子晶体的研究日益发展，并逐步出现了纳米光子学的新领域，以近场光学，等离子激元波以及纳米尺度光波传播为特征的与经典光学传播场与量子光场均有差异的介观光学的理论在不断发展。

出现了如：

负折射材料，光学隐身，超分辨成像等等新的光学方向。

量子光子学的发展是光子学发展的另外一个十分活跃的方向，利用光量子的量子特性，人们正在建立新型的基于量子计算的量子计算机，实现新的量子保密光通信，光量子成像等新兴的光子科学与技术。

二十一世纪人类发展面临着巨大的可持续发展的问题，如何在保持高速发展的同时，保持一个良好的生态环境，如何利用地球上越来越少的石油与矿产资源成为排在人们面前的重要问题。

光学的研究又开始向能源与生命科学领域发展。

在新能源领域，光伏效应的太阳能电池正在发展成为一个大产业，人们正在探索不断提高光电转换效率的新材料与新器件。

同时激光核聚变技术的发展也为新能源技术的发展提供了一条新途径。

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、高分辨率光谱和飞秒超短脉冲，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。

光合作用的研究也是人类不断推进的光学与光子技术在生命科学中应用的一个重要环节。

以基因芯片技术带动各项光学与光子技术的发展必将为生命科学与技术的发展提供更为重要技术手段与及技术支撑。

光学的编年史*：

~1700-1100BC

中国殷商之前期的铜镜（出土，齐家文化）

~1100BC

中国圭表西周

~400BC

中国《墨经》这是人类历史上有史可查的文字记载光学知识的最早文献

~400BC

希腊的剧作家阿里斯托芬Aristophanes在他的剧本中描述了太阳光线的反射

460-370BC

Democritus（古希腊哲学家）是最早论述到颜色的前辈，作为早期的哲学家，他在论述物质世界时提出原子论提出了颜色的概念是由于原子组分的不一致。

380-320BC

Aristotle（古希腊大哲学家,科学家）提出光线的概念，认为视觉是因为眼镜发出的光线接触到你看的物体

~300BC

Euclid（Alexandria）在他的《Optica》，提出光波走直线，描述反射定律，认为眼睛发出光线碰到物体所以人能看到物体

290-212BC

Archimedes论述了反射与折射现象

~230-100BC

汉朝，《史记》《汉书》中国皮影戏的雏形，西汉刘安《淮南万毕术》中就有关于冰透镜的记载，水中成像的条件，铜镜抛光技术。

~公元140

ClaudiusPtolemy托勒密（Alexandria）.Inatwelfth-centurylatintranslationfromthearabicthatisassignedtoPtolemy,研究了反射与折射包括空气折射，提到了折射时入射角与折射角的比例是常数，同时他还是认为看到物体是因为眼睛发出的光线碰到了物体。

~630

唐初孔颖达《礼记.月令》记载了彩虹的原理“云薄漏雨，日照雨滴则虹生”

907-960

唐末《谭子化书》论述了四种透镜（或凹、凸反射镜）及成像关系

965-1020

Ibn-al-Haitham（alsoknownasAlhazen）（Basra）.发明透镜；他研究了球面与抛物面的反射镜的反射原理，知道了球差，反驳了托勒密的折射关系以及视觉的理论。

他的工作后来被翻译成拉丁文成为欧洲学术的重要参考与来源

1086-1095

沈括，北宋，《梦溪笔谈》对小孔成像与透镜成像进行了比对分析

1116

北宋药学家寇宗奭所著『本草衍义』提到：

菩萨石映日射之，有五色光。

这是日光经过棱形的石英晶体，所折射散出的各种色光。

~1220

RobertGrosseteste（England）.提出黑白颜色的原因

~1267

RogerBacon（England）.提出光速是无限的就像声波一样，另外在他的书《OpusMaius》记载了他用凸透镜放大小物体并有用其矫正视力应用的描述他解释了彩虹是由于太阳光被小雨点的反射缘故。

~1270

Witelo（Silesia）.他描述了制备金属抛物镜的方法，仔细研究了折射现象，认为折射角不与入射角成正比。

但没有发现全反射。

~1250

赵友钦（字子恭自号缘督）宋末《革象新书》中《小罅光景》论述了小孔成像的实验，照度规律与影像。

1303

BernardofGordon（France）.他论述了用眼镜矫正视力（远视）

1304~1310

Theodoric（Dietrich）ofFreiberg.理论上解释了彩虹是由于光线在雨滴的折射与内反射所致，解释了第一与第二道彩虹。

~1590

ZachariusJensen（Netherlands）.发明了第一台用会聚物镜与一个发散目镜组合的微镜，

1589

利玛窦（MatteoRicci）来华，西学引入中国

1604

JohannesKepler（Germany）.在他的书《tellionemParalipomena》提出光强与传播距离的平方成反比，光速是无限的光可以传无限距离。

解释了人眼视觉是在视网膜上成像，提出了远视与近视的矫正方法。

1608

HansLippershey（Netherlands）.用会聚物镜与发散目镜建立了望远镜

1609

GalileoGalilei（Italy）.建立他自己的Lippershey'型望远镜，并开始天文观测

1610

GalileoGalilei（Italy）.用自己的望远镜发现木星的四个月亮

1611

JohannesKepler（Germany）.在其《Dioptrice》中，解释了会聚/发散透镜组成的望远镜与显微镜的工作原理，并论述了一种用会聚透镜与会聚透镜组合的望远镜，他发现了全反射，但是仍然没有找到折射角与入射角之间的关系。

~1618

ChristopherScheiner.建立开普勒型望远镜并从此第一台天文望远镜产生

1621

WillebrordSnell（Leiden）.发现折射定律

1641

徐光启,中国制备了第一批望远镜

1647

BCavalieri.推到了薄透镜的曲率与焦距的关系

1657

PierredeFermat（France）.阐明了最短时间原理，光走最短时间的路径

1663

JamesGregory（England）.提出用聚光反射镜做望远镜的物镜以矫正像差。

1665

FrancescoMariaGrimaldi（Italy）.观察到了光经过小孔的衍射效应，提出光像流体一样有波动性

1665

RobertHooke（England）.发现了云母片上的彩色以及水面油膜的彩色，他发现色彩与云母与油膜的厚度相关，他是波动性的支持者

1666

IsaacNewton（England）.发现白光经过棱镜时分裂成多种颜色的光

1668

IsaacNewton（England）.提出折射型望远镜的色差矫正方法。

建立了第一台反射式望远镜

1669

ErasmusBartholinus（Denmark）.发现方解石中双折射现象

1672

IsaacNewton（England）.解释了太阳光的色散现象

1676

OlafRoer（Denmark）推导出光速是有限的，从对木星月亮的月食现象的观察，光速为2x108m.s-1

1678

ChristiaanHuygens（Netherlands）.提出他的光波波动理论，解释了很多现象包括双折射

1704

IsaacNewton（England）.在他的书《Opticks》,提出了光的粒子论，认为光是粒子但在其周边的以太中激发波。

1727

JamesBradley（England）.根据地球运动的轨道通过天文观测测试光速。

1733

ChesterMoreHall.建立组合不同折射率的透镜构成消色差的镜头

1752

ThomasMelvill（Scotland）.观察金属与盐的火焰光谱，发现特征谱

1801

ThomasYoung（b.England）.通过对光的干涉的解释提出支持波动论的证据

1802

WilliamHydeWollaston（England）.发现太阳光谱中的诸多暗线，但内有解释[Phil.Trans.Roy.Soc.,London.p365,1802]

1808

EtienneLouisMalus（France）.观察当光旋转时从巴黎卢森堡宫的窗玻璃上从方解石晶体的反射光，得出反射光的偏振效应。

1814

JosephFraunhofer（Germany）.再次发现并更精确测试了太阳暗线光谱

Charles（france）第一台相机，JNNiepce拍了第一张照片

1815

DavidBrewster（Scotland）.解释了反射光的偏振现象

1816

AugustinJeanFresnel（France）.给出了衍射与干涉严格分析，说明光具有波动性。

1816-1817

FresnelandDominiqueFrancoisArago在干涉与偏振光方面的研究结果被ThomasYoung的波动论所解释，并证实光波是横波，而不是先前认识的纵波。

1819

JosephFraunhofer（Germany）.描述了光栅的衍射研究，当时是用细线平行绕制在螺丝上。

1821

AugustinJeanFresnel（France）.提出完整的折射反射强度与偏振的计算方法。

1823

JosephFraunhofer（Germany）.发表衍射理论

1828

WilliamNicol（Scotland）.发明了利用两个方解石组成的偏振棱镜，称"nicolprism"

1830-1839

郑光复（清）《镜镜詅痴》中国第一部光学物理专著

1834

JohnScottRussell（Scotland）.在苏格兰的水道中观察到水波中的孤立波现象，水波可以保持形状传播很远距离。

该现象极为孤子在光纤传输中也