光学

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一束光入射於等邊棱鏡,產生反射折射透射色散

光學英语Optics),是物理學的分支,主要是研究的現象、性質與應用,包括光與物質之間的相互作用、光學儀器的製作。光學通常研究紅外線紫外線可見光的物理行為。因為光是電磁波,其它形式的電磁輻射,例如X射線微波電磁輻射無線電波等等也具有類似光的特性。[1]英文術語「optics」源自古希臘字「ὀπτική」,意為名詞「看見」、「視見」。[2]

大多數常見的光學現象都可以用古典電动力學理論來說明。但是,通常這全套理論很難實際應用,必需先假定簡單模形。幾何光學的模形最為容易使用。它試圖將光當作射線(光線),能夠直線移動,並且在遇到不同介質時會改變方向;它能夠解釋像直線傳播、反射折射等等很多光線現象。物理光學的模形比較精密,它把光當作是傳播於介質的波動(光波)。除了反射、折射以外,它還能夠以波性質來解釋向前傳播、干涉偏振等等光學現象。幾何光學不能解釋這些比較複雜的光學現象。在歷史上,光的射線模形首先被發展完善,然後才是光的波動模形。

很多現象涉及到光的波粒二象性。只有量子力學能夠解釋這些現象。在量子力學裏,光被視為由一群稱為光子粒子組成。量子光學專門研究怎樣用量子力學來解釋光學現象。

進一步將光学細分類。光的纯科学领域,通常被称为光学或「光学物理」。应用光学通常被称为光学工程。光学工程中涉及到照明系统的部分,被特别称为「照明工程」。每一个分支在应用、技术、焦点以及专业关联上,都有很大不同。在光学工程中,比较新的发现,通常被归类为光子学(photonics)。

因为光学在实际中被广泛应用,光学物理和工程光学,在领域上,有很大程度的互相交叉。光学也与电子工程、物理学、天文學、医学(尤其是眼科学視光學)等许多学科密切相关。很多關鍵科技都能找到光學的研究果實,包括鏡子透鏡望遠鏡顯微鏡激光光纖發光二極體光伏等等。

经典光學[编辑]

量子光學的重要性被揭示之前,光学的基本理论主要是经典电磁场理论以及它在光学领域的高频近似。经典光学可以分成两个主要分支:几何光学物理光学

几何光学[编辑]

几何光学,又称射线光学,描述了 传播。在几何光学中,光被称作是 "射线" (光线)。 光线会在两种不同介质的界面 改变传播方向, 并有可能在折射率随位置变化的介质中发生曲线弯折的现象。几何光学中的“光线”是抽象的物体,它的前进方向垂直于光波的波前。几何光学给出了光线通过光学系统的传播规律,以此可以预测其实际波前的位置。需要注意的是,几何光学简化了光学理论,因此它无法解释很多重要的光学效应, 例如:繞射偏振

通过近轴近似, 或者"小角近似"可以对几何光学做进一步简化,并对应于数学描述上的线性化。在近轴近似条件下,光学元件和系统可以通过简单的矩阵来表示。基于此,发展了 高斯光学 以及 近轴光线跟踪, 以用于确定光学系统的一阶特性,例如近似成像、物方位置以及放大倍率等。高斯光束传播 是近轴光学的扩展,它可以更为精确地描述相干传播(如激光光束)。即使仍然使用近轴近似,这一技术可以部分描述衍射,能够精确计算激光束随距离传播的速率以及其最小的汇聚尺寸。高斯光束传播理论因此可以沟通几何光学与物理光学。

物理光学[编辑]

物理光学,或称波动光学,建立在 惠更斯原理之上,可以建立复波前(包括振幅相位)通过光学系统的模型。这一技术能够利用计算机数值仿真模拟或计算衍射、干涉、偏振特性、像差 等各种复杂光学现象。由于仍然有所近似,因此物理光学不能像电磁波理论模型那样能够全面描述光传播。对于大多数实际问题来说,完整电磁波理论模型计算量太大,在现在的一般计算机硬件条件下并不十分实用,但小尺度的问题可以使用完整波动模型进行计算。

经典物理的相關領域[编辑]

光线在三棱镜中色散的想像图

近代光學[编辑]

近代光學的相關領域[编辑]

其他的光學領域[编辑]

光學的應用[编辑]

生活的光學[编辑]

參考資料[编辑]

  1. ^ McGraw-Hill Encyclopedia of Science and Technology 5th. McGraw-Hill. 1993. 
  2. ^ Online Etymology Dictionary. 
  • Hecht, Eugene. Optics (4th ed.). Pearson Education. 2001. ISBN 0-8053-8566-5. 
  • Serway, Raymond A.; Jewett, John W. Physics for Scientists and Engineers (6th ed.). Brooks/Cole. 2004. ISBN 0-534-40842-7. 
  • Tipler, Paul. Physics for Scientists and Engineers: Electricity, Magnetism, Light, and Elementary Modern Physics (5th ed.). W. H. Freeman. 2004. ISBN 0-7167-0810-8. 

教科書[编辑]

  • Optics — an open-source Optics textbook
  • Optics2001 — Optics library and community

Societies[编辑]