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光学

文章来源:石鑫华视觉网时间:2022-07-15 11:08:26 点击:274

光学概述

光学（英语：Optics），是物理学的分支，主要是研究光的现象、性质与应用，包括光与物质之间的相互作用、光学仪器的制作。光学通常研究红外线、紫外线及可见光的物理行为。因为光是电磁波，其它形式的电磁辐射，例如X射线、微波、电磁辐射及无线电波等等也具有类似光的特性。英文术语“optics”源自古希腊字“ὀπτική”，意为名词“看见”、“视见”。

大多数常见的光学现象都可以用经典电磁学的理论来解释。但是，通常这全套理论很难实际应用，必需先假定简单模形。几何光学的模形最为容易使用。它试图将光当作射线（光线），能够直线移动，并且在遇到不同介质时会改变方向；它能够解释像直线传播、反射、折射等等很多光线现象。物理光学的模形比较精密，它把光当作是传播于介质的波动（光波）。除了反射、折射以外，它还能够以波性质来解释向前传播、干涉、偏振等等光学现象。几何光学不能解释这些比较复杂的光学现象。在历史上，光的射线模形首先被发展完善，然后才是光的波动模形。

很多现象涉及到光的波粒二象性。只有量子力学能够解释这些现象。在量子力学里，光被视为由一群称为光子的粒子组成。量子光学专门研究怎样用量子力学来解释光学现象。

进一步将光学细分类。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、天文学、医学（尤其是眼科学与视光学）等许多学科密切相关。很多关键科技都能找到光学的研究果实，包括镜子、透镜、望远镜、显微镜、激光、光纤、发光二极管、光伏等等。

一束光入射于等边棱镜，产生反射、折射、透射、色散。

经典光学

在量子光学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：几何光学与物理光学。

几何光学

几何光学，又称射线光学，描述了光的波动传播。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：衍射、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

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（包括振幅与相位）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。