绪论

1. 物理光学的研究对象和内容

物理光学研究光这种物质的物理属性，它的传播规律以及它与其他物质之间的相互作用。物理光学可以分为波动光学和量子光学两大部分，前者研究光的波动性，后者研究光的量子性，它们分别以光的波动理论和量子理论去阐明相关光学现象。

具体说来，波动光学研究的传统内容主要有：光的干涉、衍射和偏振现象，光在各向同性介质中的传播规律（包括光的反射和折射，光的吸收、色散和散射规律），光在各向异性晶体中的传播规律等。但是，自1960年以后，由于激光的问世，波动光学的各个领域都有了突飞猛进的发展，一批新的分支学科相继建立起来。例如，光学薄膜技术的发展形成了薄膜光学、集成光学等新学科。激光技术的发展，出现了非线性光学。把数学、通信理论和光的衍射结合起来，建立起了傅里叶光学。傅里叶光学的一些应用课题，如光学信息处理、光学传递函数和全息照相等，是当今科学技术中十分引人瞩目的课题。本书在波动光学部分，尽管重点是讨论波动光学的传统内容，但是对于它的近代发展也给予了充分的关注。例如，在第2章中讨论了薄膜光学理论；在第3章中讨论了全息照相和光学信息处理；在第6章中讨论了非线性光学。我们特别注意把现代内容和传统内容结合、融汇好，把它们的内在联系沟通起来。

量子光学研究光与物质相互作用微观过程发生的一些现象（如黑体辐射、光电效应、原子的线状光谱等），光与物质相互作用可能发生的三种过程——自发辐射、受激辐射和受激吸收，光的波动性和量子性的有机的统一（光的波粒二象性）。量子光学的理论基础是量子电动力学。鉴于本书是一本基础教材，学生还没有掌握量子力学和量子电动力学的知识，所以本书对量子光学的讨论是非常初步的。从应用的角度和激光的重要性考虑，我们将重点介绍激光。

2. 物理光学的应用

物理光学是一门应用性很强的学科。它在科学技术各部门中的应用十分广泛，尤其是在生产和国防上有着重要的应用。特别是激光问世后，大大扩展了它的应用领域。今天，它已经被应用到通信、医疗、受控热核反应、航天、信息处理等高新技术领域，为科学技术的发展、生产的发展和巩固国防做出了贡献。

以光学仪器工业和光电信息产业的发展来说，物理光学的应用非常广泛和重要。在精密测量方面，各种光学零件的表面粗糙度、平面度，以及长度、角度的测量，至今最精确的方法仍然是物理光学方法。另外，还用物理光学方法测量光学系统的各种像差，评价光学系统的成像质量等。以光的干涉原理为基础的各种干涉仪器，是光学仪器中数量颇多且最为精密的一个组成部分。根据衍射原理制成的光栅光谱仪，在分析物质的微观结构（原子、分子结构）和化学成分等方面起着最为主要的作用。近几十年来，由于现代光学的崛起，发展了一批新型的光学仪器，如相衬显微镜、光学传递函数仪、傅里叶变换光谱仪，以及各种全息和信息处理装置、电光和光电转换（光电池、CCD）装置、激光器等。它们在物质结构分析、光通信、光计算（光学计算机）、成像和显示技术、材料加工、医学和军事等方面的应用越来越重要。由此可见，学好物理光学对于光学工程专业、光电信息工程专业的学生在专业上的发展是何等重要。

除了上述这些具体的应用外，物理光学对于整个物理学和其他学科发展的推动作用值得写上一笔。在历史上，对光的波动性和量子性的研究，最终成为建立量子力学的一个重要基础。著名的迈克耳孙-莫雷（Michelson-Morley）实验，除了否定存在“以太”的假设外，还启发了洛伦兹（H.A.Lorentz，1853—1928）做出运动物体尺寸的缩短的假设，成为爱因斯坦（A.Einstein，1879—1955）提出相对论的重要依据之一。在近代，激光技术和医学、化学的结合，产生了激光医学和激光化学，推动了医学和化学学科的发展；激光和通信技术、材料科学的结合，产生了光纤激光通信，这种通信方式使通信技术发生了一场革命性的变革；物理光学与电子学的结合，形成了光电子学。此外，生物学、环境科学新近的发展也得益于与物理光学的结合。

3. 物理光学的发展简史

在物理学中，光学和力学一样，是最早发展起来的学科。光学的萌芽时期可以追溯到2000多年前，墨子在其所著的《墨经》中记载了光的直线传播、小孔成像等光学规律；古希腊的欧几里德（Euclid）在其著作中也有光的直线传播和反射定律的记载。不过，对光的物理本性进行认真研究（即物理光学的真正发展时期）却是从17世纪开始的。当时，有两种关于光的本性的学说：以牛顿（I.Newton，1642—1727）为代表的微粒说和以惠更斯（C.Huygens，1629—1695）为代表的波动说。前者认为光是具有有限速度的粒子流，后者认为光是在“以太”（一种假想的弹性媒质）中传播的波。虽然微粒说在对光的折射解释时得出后来才知道是错误的结论：光在水中的传播速度大于在空气中的传播速度。但由于当时牛顿在物理学界享有至高无上的权威，人们还是普遍地接受了光的微粒说。只是到了19世纪前半叶，一连串的实验事实和根据波动说对这些实验的成功解释，才使人们完全地抛弃微粒说，确信光的波动说。这些实验主要是：杨氏（Thomas Young，1773—1829）和菲涅耳（A.J.Fresnel，1788—1827）等人的干涉实验、衍射实验；马吕斯（E.L.Malus，1775—1812）的反射光偏振实验；傅科（L.Foucault）测量水中光速的实验（结果是水中光速小于空气中的光速）。这样，在19世纪，光是波动的问题似乎最后被解决了。

但是，惠更斯、菲涅耳等人的波动说在光波的传播媒质——“以太”问题上却遇到了困难。为了说明光具有极大传播速度的实验事实，必须假想“以太”的一些奇特性质：密度极小和弹性模量极大。这显然是荒谬的，同时也表明物理光学的基础还停留在不能令人满意的状态。这种状态的改变一直延续到19世纪60年代，其时，麦克斯韦（J.C.Maxwell，1831—1879）在总结前人在电磁学方面的研究成果的基础上，建立了一套完整的电磁场理论。他预言了电磁波的存在，并指出光是一种波长很短的电磁波。由于按照光的电磁波理论去阐明光学现象非常成功，也由于后来迈克耳孙和莫雷的实验否认了“以太”的存在，所以人们就自然地放弃了惠更斯、菲涅耳的机械波理论，而接受光的电磁波理论。历史表明，建立在电磁波理论基础上的物理光学学说是物理光学发展进程中的一个重大飞跃。

尽管如此，物理光学的发展并没有停顿下来。在19世纪末和20世纪初，当科学实验深入到微观领域时，在一些新的实验事实面前，光的电磁波理论就暴露出了它的缺陷。它无法解释黑体辐射的实验结果，在光电效应的基本规律面前也是无能为力的。为了解释这些现象，普朗克（M.Planck，1858—1947）在1900年提出了能量子假说，爱因斯坦于1905年在普朗克假说的基础上提出了光的量子理论，认为光的能量不是连续分布的，光由一粒粒运动着的光子组成，每个光子具有确定的能量。爱因斯坦的理论给我们描述的完全是一幅光的粒子性的图像。于是，在实验事实面前，我们不得不同时接受光的波动理论和光的量子理论，承认光在许多方面表现出波动性，而在另一些方面表现出粒子性。自20世纪中叶起，物理光学发展的目标之一，正是致力于把光的波粒二象性统一在一个理论框架内，这方面的成果有量子力学、量子电动力学等。

在光的量子理论向前发展的同时，波动光学在20世纪也有了长足的发展，尤其是激光问世后，发展的势头很猛。这些在前面已经提及，不再赘述了。

纵观物理光学数百年的发展史，我们清楚地认识到，自然科学的发展是无止境的，任何时候对某一学科的认识都只具有相对真理性。随着时间的推移，我们对该学科的认识将会更加深入，更加向前发展。对于物理光学是这样，对其他学科同样也是这样。我们现在学习物理光学的发展史，学习关于光的本性的认识过程的历史，对于培养我们的科学的思维方法，树立科学的发展观是很有好处的。今天的莘莘学子，如果立志在崎岖的科学道路上求索，是一定能够在新世纪取得一个又一个科学硕果的。