光學

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一束光入射於等邊棱鏡,產生反射折射透射色散

光學英語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交互作用、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動力學理論來說明。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。在量子力學裡,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。

進一步將光學細分類。光的純科學領域,通常被稱為光學或「光學物理」。應用光學通常被稱為光學工程。光學工程中涉及到照明系統的部分,被特別稱為「照明工程」。每一個分支在應用、技術、焦點以及專業關聯上,都有很大不同。在光學工程中,比較新的發現,通常被歸類為光子學(photonics)。

因為光學在實際中被廣泛應用,光學物理和工程光學,在領域上,有很大程度的互相交叉。光學也與電子工程、物理學、天文學、醫學(尤其是眼科學視光學)等許多學科密切相關。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雷射光纖發光二極體光伏等等。

古典光學[編輯]

量子光學的重要性被揭示之前,光學的基本理論主要是古典電磁場理論以及它在光學領域的高頻近似。古典光學可以分成兩個主要分支:幾何光學物理光學

幾何光學[編輯]

幾何光學,又稱射線光學,描述了 傳播。在幾何光學中,光被稱作是 "射線" (光線)。 光線會在兩種不同介質的界面 改變傳播方向, 並有可能在折射率隨位置變化的介質中發生曲線彎折的現象。幾何光學中的「光線」是抽象的物體,它的前進方向垂直於光波的波前。幾何光學給出了光線通過光學系統的傳播規律,以此可以預測其實際波前的位置。需要注意的是,幾何光學簡化了光學理論,因此它無法解釋很多重要的光學效應, 例如:繞射偏振

通過近軸近似, 或者"小角近似"可以對幾何光學做進一步簡化,並對應於數學描述上的線性化。在近軸近似條件下,光學元件和系統可以通過簡單的矩陣來表示。基於此,發展了 高斯光學 以及 近軸光線跟蹤, 以用於確定光學系統的一階特性,例如近似成像、物方位置以及放大倍率等。高斯光束傳播 是近軸光學的擴展,它可以更為精確地描述相干傳播(如雷射光束)。即使仍然使用近軸近似,這一技術可以部分描述繞射,能夠精確計算雷射束隨距離傳播的速率以及其最小的匯聚尺寸。高斯光束傳播理論因此可以溝通幾何光學與物理光學。

物理光學[編輯]

物理光學,或稱波動光學,建立在 惠更斯原理之上,可以建立復波前(包括振幅相位)通過光學系統的模型。這一技術能夠利用計算機數值模擬模擬或計算繞射、干涉、偏振特性、像差 等各種複雜光學現象。由於仍然有所近似,因此物理光學不能像電磁波理論模型那樣能夠全面描述光傳播。對於大多數實際問題來說,完整電磁波理論模型計算量太大,在現在的一般計算機硬體條件下並不十分實用,但小尺度的問題可以使用完整波動模型進行計算。

古典物理的相關領域[編輯]

光線在三稜鏡中色散的想像圖

近代光學[編輯]

近代光學的相關領域[編輯]

其他的光學領域[編輯]

光學的應用[編輯]

生活的光學[編輯]

參考資料[編輯]

  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[編輯]

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

Societies[編輯]