光学发展简史2.docx

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光学发展简史2

光学发展简史

光学是物理学中最古老的一个基础学科，又是当前科学研究中最活跃的学科之一。

随着人类对自然的认识不断深入，光学的发展大致经历了萌芽时期、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5个时期

萌芽时期：

中国古代对光的认识是和生产、生活实践紧密相连的。

人们对于光的直线传播、视觉和颜色、光的反射和镜的利用、对大气光学的探讨、关于成影成像现象的认识。

在西方：

●克莱门德和托勒密研究了光的折射现象；

●罗马哲学家塞涅卡指出充满水的玻璃泡具有强大功能；从阿拉伯的巴斯拉来到埃与的学者阿尔哈雷认为光线来自所观察的物体，并对球面镜、抛物面镜和人眼构造进行了研究；

●14世纪，波特研究了成像暗箱；

●从15世纪末到16世纪初，凹面镜、凸面镜、眼镜、透镜以与暗箱和幻灯等光学元件相继出现。

几何光学时期〔光学发展史上的转折点〕：

时期概况：

建立了光的反射定律和折射定律，奠定了集合光学的基础，同时为了提高科研能力，人们发明了光学仪器〔望远镜和显微镜〕；

●1608年，荷兰的李普塞发明了第一架望远镜。

●从十五世纪开始一直到十七世纪中叶，开普勒、斯涅耳和笛卡尔、费马经过一系列的研究，推出了光的反射定律和折射定律，基本奠定了几何光学的基础。

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十七世纪开始，光的直线传播这一基础受到了冲击：

意大利人格里马首先观察到了光的衍射现象，接着胡克也观察到了这一现象，并和波意耳独立地研究了薄膜所产生的彩色条纹干涉，光的波动理论从此萌芽。

●1672年，牛顿完成了著名的三棱镜色散实验，发现了牛顿圈〔但最早观测到牛顿圈的是胡克〕，并从牛顿圈现象中确定了光是具有周期性的。

1704年，牛顿提出了光是微粒流的理论，并以此观点解释光的反射和折射定律，但却难以说明牛顿圈和光的衍射现象。

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波动光学时期：

●十七世纪初，托马斯·杨圆满地解释了“薄膜颜色”和双狭缝干涉现象。

●1818年，菲涅耳以杨氏干涉原理补充了惠更斯原理，形成了如今人们熟知的惠更斯-菲涅耳原理，可以圆满地解释光的干涉和衍射现象，也能解释光的直线传播。

●1846年，法拉第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。

他们的发现表明了光学、磁学、电学间一定存在内在关系。

1860年前后，麦克斯韦指出光是一种电磁现象，并在1888年被赫兹用实验证实。

然而这些理论并不能解释光的色散现象。

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1896年，洛仑兹创立电子论，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，但在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上，洛仑兹理论还不能给出令人满意的解释。

1887年迈克尔逊用干涉仪测“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。

●光的电磁论在物理学的发展中起着很重要的作用，它指出了光和电磁现象的一致性并且证明了各种自然现象之间存在这相互联系这一辩证唯物论的基本原理，使人们在认识光的本性方面向前迈进了一大步。

在此期间，科学家用多种方法对光速进行了测定。

1849年斐索〔A.H.L.Fizeau，1819--1896〕运用了旋转齿轮的方法与1862年傅科〔J.L.Foucault，1819--1868〕使用旋转镜法测定了光在各种不同介质中的传播速度。

量子光学时期：

发展因素：

19世纪末到20世纪初，光学的研究深入到光的发生、光和物质相互作用的围观机制中。

光的电磁理论主要困难是不能解释光和物质相互作用的某些现象，例如，炽热黑体辐射中能量按波长分布的问题，特别是1887年赫兹发现的光电效应。

●1900年，普朗克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，光的量子称为光子。

●1905年，爱因斯坦运用量子论解释了光电效应，同年九月，他第一次提出了狭义相对论基本原理

现代光学时期：

20世纪中叶激光问世，光学开始进入了一个新的时期。

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。

激光器的发展：

●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

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。

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、线性变换与相关运算等概念，更新了经典成像光学，形成了所谓“傅里叶光学”。

再加上由于激光所提供的相干光和由利思与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。

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。

光电子技术的发展历史应从1960年激光器的诞生算起，尽管其历史可追溯到19世纪70年代，但那时期到1960年，光学和电子学仍然是两门独立的学科，因而只能算作光电子学与光电子技术的孕育期。

回顾历史

1888年，德国H.R.赫兹观察到紫外线照射到金属上时，能使金属发射带电粒子，当时无法解释。

1890年，P.勒纳通过对带电粒子的电荷质量比的测定，证明它们是电子，由此弄清了光电效应的实质。

1900年，德国物理学家普朗克在黑体辐射研究中引入能量量子，提出了著名的描述黑体辐射现象的普朗克公式，为量子论奠定了基础。

1929年，L.R.科勒制成银氧铯光电阴极，光电管随之出现。

1939年，前苏联V.K.兹沃雷金制成实用的光电倍增管。

20世纪30年代末，硫化铅〔PbS〕红外探测器问世，它可探测到3µm辐射。

40年代出现用半导体材料制成的温差电型红外探测器和测辐射热计。

50年代中期，可见光波段的硫化镉〔CdS〕、硒化镉〔CdSe〕、光敏电阻和短波红外硫化铅光电探测器投入使用。

50年代末，美国军队将探测器用于代号为“响尾蛇”的空空导弹，取得明显作战效果。

1958年，英国劳森等发明碲镉汞〔HgCdTe〕红外探测器。

在军事需求牵引和半导体工艺等技术发展的推动下，红外探测器自60年代以来迅速发展。

1964年，美国RCA公司发现了液晶的多种光电效应、宾主效应、动态散射效应和相移存储效应，为液晶显示器、液晶光阀等器件的研制奠定了技术基础。

平板显示器技术以液晶显示器发展最快，其他平板显示器，包括等离子体显示器、有机电致发光显示器等许多品种也相继问世并不断发展。

1966年，光纤技术开始发展。

当年英籍华人科学家高锟等提出了实现低损耗光学纤维的可能性，为光纤通信开辟了道路。

20世纪70年代，光电子技术领域的标志性成果是低损耗光纤的实现，半导体激光器的成熟以与CCD的问世。

1970年，美国研制出损耗为20dB/km的石英光纤和室温下连续工作的半导体激光器，使光纤通信实现成为可能。

这一年被公认为“光纤通信元年”。

自此，光纤通信得到迅猛发展。

技术发展的同时，应用也在展开。

70年代初，美国激光制导炸弹投入使用，1972年，荷兰飞利浦公司演示了其模拟式激光视盘。

70年代中后期，日本、美国、英国开始建设光纤通信骨干网。

 20世纪80年代，人们对超晶格量子阱结构材料和工艺的深入研究，导致了超大功率量子阱阵列激光器的出现；对量子阱结构材料的非线性光学研究，使得以往只有在激光作用下的介电材料中才能观测到的非线性光学效应，发展到在弱光激发的量子阱材料中也可以观察到很强的三次非线性，从而导致半导体光学双稳态功能器件的迅速发展；对光纤物理特性的深入研究，出现了利用光纤的偏振和相位敏感特性制作的光纤传感器；对光纤非线性光学效应和色散特性的研究，形成了光孤子的概念，进一步推动了对特种光纤的研究，并于80年代末研制成功了参稀土的光纤放大器与光纤激光器。

应用方面，80年代初，日、美、英等国的光纤通信骨干网相继建成，其他国家也竞相开始自己的光纤干线网建设；1982年，第一台数字式激光唱机诞生。

20世纪90年代，光电子技术在通信领域取得了极大成功，无论是器件还是系统，均有大量产品走出实验室，形成了光纤通信产业。

另外，光电子技术在光储存方面也取得了很大进展，光盘已成为计算机储存的重要手段，CD、VCD已深入到千家万户，DVD也于90年代中期走进了家庭。

光计算机的研究也开展了起来，加拿大多伦多大学等都报道了其光计算机研究的重大进展。

在21世纪，研究转换效能更高的新型光伏电池是目前科研领域的热门项目。

21世纪以来，世界光电产业发展迅速产品市场十几年来始终保持在两位数的高速增长速度。

电子发展史：

1、1904年，J.A.Fleming发明了最简单的二极管〔diode或valve〕，用于检测微弱的无线电信号。

2、1905年，爱因斯坦提出光子假设，成功解释了光电效应，因此获得1921年诺贝尔物理奖。

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3、1906年，L.D.Forest在二极管中安上了第三个电极〔栅极，grid〕发明了具有放大作用的三极管，这是电子学早期历史中最重要的里程碑。

4、1940年帕金森和洛夫尔研制成电子模拟计算机

5、1948年用半导体材料做成了第一只晶体管，叫“半导体器件”或“固体器件”〔solid-statedevice〕。

1951年有了商品，这是出现分立元件的有一个里程碑

6、1959年Kilby在IRE〔美国无线电工程师学会〕的一次会议上宣布“固体电路”〔solidcircuit〕的出现，以后叫“集成电路”〔integratedcircuit〕。

7、、1964年：

汤斯〔美国〕在量子电子学领域的基础研究成果，为微波激射器、激光器的发明奠定理论基础；巴索夫、普罗霍罗夫〔苏联〕发明微波激射器

8、1966年进入“中规模集成”〔medium-scaleintegration〕阶段，每个芯片上有100～1000个元器件。

1969年进入“大规模集成”〔large-scaleintegration〕阶段，每个芯片上的元器件达到10000个以下。

1975年更进一步跨入“超大规模集成”

电子计算机的发展

世界上第一台电子计算机于1946年在美国研制成功，取名ENIAC〔ElectronicNumericalIntegratorandCalculator〕。

第一代〔1946~1957年〕是电子计算机，它的基本电子元件是电子管，内存储器采用水银延迟线，外存储器主要采用磁鼓、纸带、卡片、磁带

第二代〔1958~1970年〕是晶体管计算机。

晶体管计算机的基本电子元件是晶体管，内存储器大量使用磁性材料制成的磁芯存储器。

第三代〔1963~1970年〕是集成电路计算机。

第三代集成电路计算机的基本电子元件是小规模集成电路和中规模集成电路，磁芯存储器进一步发展，并开始采用性能更好的半导体存储器，运算速度提高到每秒几十万次基本运算。

第四代计算机的基本元件是大规模集成电路，甚至超大规模集成电路，集成度很高的半导体存储器替代了磁芯存储器，运算速度可达每秒几百万次，甚至上亿次基本运算。

光电大事件