光學設計-全53集 | 易學族自學網

幾何光學

幾何光學，又稱射線光學，描述了光的波動傳播。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」是抽像的物體，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：衍射、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（如鐳射光束）。即使仍然使用近軸近似，這一技術可以部分描述衍射，能夠精確計算鐳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

物理光學是從光的波動性出發來研究光在傳播過程中所發生的現象的學科，所以也稱為波動光學。它可以比較方便的研究光的干涉、光的衍射、光的偏振，以及光在各向異性的媒質中傳插時所表現出的現象。波動光學的基礎就是經典電動力學的麥克斯韋方程組。波動光學不詳論介電常數和磁導率與物質結構的關係，而側重於解釋光波的表現規律。波動光學可以解釋光在散射媒質和各向異性媒質中傳播時現象，以及光在媒質界面附近的表現；也能解釋色散現象和各種媒質中壓力、溫度、聲場、電場和磁場對光的現象的影響。
　

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（包括振幅與相位）通過光學系統的模型。這一技術能夠利用計算機數值仿真模擬或計算衍射、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，現代計算機硬件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。

量子光學

量子光學是以輻射的量子理論研究光的產生、傳輸、檢測及光與物質相互作用的學科。1900年普朗克在研究黑體輻射時，為了從理論上推導出得到的與實際相符甚好的經驗公式，他大膽地提出了與經典概念迥然不同的假設，即「組成黑體的振子的能量不能連續變化，只能取一份份的分立值」。
　

1905 年，愛因斯坦在研究光電效應時推廣了普朗克的上述量子論，進而提出了光子的概念。他認為光能並不像電磁波理論所描述的那樣分佈在波陣面上，而是集中在所謂光子的微粒上。在光電效應中，當光子照射到金屬表面時，一次為金屬中的電子全部吸收，而無需電磁理論所預計的那種累積能量的時間，電子把這能量的一部分用於克服金屬表面對它的吸力即作逸出功，餘下的就變成電子離開金屬表面後的動能。

這種從光子的性質出發，來研究光與物質相互作用的學科即為量子光學。它的基礎主要是量子力學和量子電動力學。

光的這種既表現出波動性又具有粒子性的現象既為光的波粒二象性。後來的研究從理論和實驗上無可爭辯地證明了：非但光有這種兩重性，世界的所有物質，包括電子、質子、中子和原子以及所有的宏觀事物，也都有與其本身質量和速度相聯繫的波動的特性。

古代中國光學認識

虹是一種大氣光學現象，從公元6世紀開始，我國古代對虹就有了比較正確的認識。唐初的孔穎達（574-648）曾概括了虹的成因，他認為「若雲薄漏日，日照雨滴則虹生。」明確指出產生虹的3個條件，即雲、日、「日照雨滴」。沉括對此也作過細緻的研究，並作實地考察。在《夢溪筆談選注》中寫道：「是時新雨霽，見虹下帳前澗中。」予與同職扣澗觀之，虹兩頭皆垂澗中。使人過澗，隔虹對立，相去數丈，中間如隔綃觳，自西望東則見；蓋夕虹也。立澗之東西望，則為日所鑠，都無所睹。」指出虹和太陽的位置正好是相對的，傍晚的虹見於東方，而對著太陽是看不見虹的。地虹有了認識之後，便可以人工造虹。8世紀中葉，唐代曾有過這樣的試驗：「背日噴呼水成虹霓之狀」，表示背向太陽噴出小水珠，便能看到類似虹霓的情景。