光學是在微波、紅外、可見光、紫外到X射線、γ射線的廣泛範圍內,研究電磁輻射的產生、傳播、接收、顯示及其與物質相互作用的科學,重點研究紅外到紫外的範圍。
光學專業研究方向
本專業的研究方向主要有:量子光學與量子信息、光電子科學與技術、光學信息處理與計算設計、強激光與激光生物學。
光學專業培養目標
本專業具有紮實的光學理論基礎和基本實驗技能,具有較強的創新能力;了解該領域的發展現狀和研究動態,熟悉光學發展的國際前沿動態;能從事科學研究、教學或承擔專門技術工作,具有較強的綜合能力、語言表達能力和文字表達能力的高級人才。
光學專業就業方向
除了壹定比例的本專業畢業生,可以去高校從事相關的教學和研究,或者在光電企業從事研發、工程技術、銷售等工作。
光學專業發展史
光學是壹門歷史悠久的學科,可以追溯到2000多年前。起初,人類主要試圖回答“人如何能看到周圍的物體”等問題。大約公元前400年,世界上最早的光學知識記錄在中國的莫箐。它有八篇關於光學的記載,描述了陰影的定義和產生,光的線性傳播和針孔成像,用嚴謹的文字討論了平面鏡、凹球面鏡和凸球面鏡中的物像關系(見《中國物理學史》)。
從《墨經》開始的2000多年的歷史時期,經過11世紀,阿拉伯人海薩姆發明並制作了凸透鏡,從1590年到17世紀初,h .詹森和h .利普斯基同時獨立發明了顯微鏡,直到17世紀。
牛頓在1665年用陽光做了實驗。它能把太陽光分解成簡單的成分,形成顏色按壹定順序排列的光分布——光譜。它使人們第壹次接觸到了光的客觀定量特性,單色光的空間分離是由光的性質決定的。牛頓還發現,將曲率半徑較大的凸透鏡放在光學平板玻璃上,用白光照射時,透鏡與玻璃板的接觸處出現壹組彩色同心環形條紋;當用壹種單色光照射時,出現壹組明暗交替的同心環形條紋,被後人稱為牛頓環。利用這壹現象,可以用第壹暗環的空氣隙厚度來定量表征相應的單色光。
牛頓在發現這些重要現象時,根據光的線性傳播,認為光是壹種粒子流,粒子從光源中飛出,在均勻介質中做勻速直線運動,並用這壹觀點解釋了折射和反射現象。惠更斯是光的粒子理論的反對者。他創立了波動理論。1690年,他在《論光》壹書中寫道:“光和同時發生的光壹樣,是作為球面波面傳播的。”指出光振動所到達的每壹點都可以看作二次波的振動中心,二次波的包絡面就是傳播波的波前(波前)。在整個18世紀,光的粒子流理論和光的波動理論已經大致提出,但都不是很完整。
19世紀初,波動光學初步形成,其中以T. Young和A. Fresnel為代表。楊滿意地解釋了“薄膜的顏色”和雙縫幹涉現象。菲涅爾在1818用楊氏幹涉原理補充了惠更斯原理,從而形成了今天廣為人知的惠更斯-菲涅爾原理。可以用來解釋光的幹涉和衍射以及光的直線傳播。在進壹步的研究中,我們觀察到了光的偏轉和偏振光的幹涉。為了解釋這些現象,菲涅耳假設光是在連續介質(以太)中傳播的橫波。而彈性固體的特性卻要強加在以太上,這是不可想象的,而且即使承認了以太,也無法將光學現象與其他物理現象聯系起來。
1846法拉第發現光的振動平面在磁場中旋轉;1856 W韋伯發現真空中的光速等於電流強度的電磁單位與靜電單位之比。它們表明光學現象和電磁現象之間有壹定的內在聯系。
麥克斯韋在1860左右的理論研究指出,電場和磁場的變化不能局限在空間的某壹部分,而是以等於電流的電磁單位與靜電單位之比的速度傳播,光就是這樣壹種電磁現象。這個結論在1888中被赫茲實驗證實了。根據麥克斯韋理論,如果C代表真空中的光速,V代表介電常數為ε、磁導率為μ的透明介質中的光速,則有:
c/v=(εμ)1/2
其中c/v只是介質的折射率,因此有:
n=(εμ)1/2
上式給出了透明介質的光學常數n與電常數ε和磁常數μ的關系。在理解光的物理性質方面,麥克斯韋的理論比以前的理論前進了壹大步。
但這個理論無法解釋產生頻率高達光的頻率的電振子的本質,也無法解釋折射率隨光的頻率變化而引起的光的色散。直到H. Lorenz在1896年創立了電子理論,才解釋了物質對光的發光和吸收現象,以及光在物質中傳播的各種特性,包括對色散的解釋。在洛倫茲的理論中,以太是壹種無限的、不可移動的介質,它唯壹的特點就是光在這種介質中的振動具有壹定的傳播速度。
對於熱黑體輻射中能量按波長分布這樣壹個重要問題,洛倫茲理論不能給出滿意的解釋。而且,如果洛倫茲的以太概念是正確的,可以選擇運動的以太作為參照系,這樣人們就可以區分絕對運動。事實上,在1887年,a .邁克爾遜等人用幹涉儀測量了“以太風”,得到了否定的結果,這說明在洛倫茲的電子理論時期,人們對光的本質還有很多片面的認識。
1900年,普朗克從物質的分子結構理論中借用了不連續性的概念,提出了輻射的量子理論。他認為各種頻率的電磁波(包括光)只能從具有它們自己確定的離散能量的振蕩器中發射出來。這種能量粒子叫做量子,光的量子叫做光子。量子理論不僅自然地解釋了熱物體輻射能按波長的分布規律,而且以壹種全新的概念提出了光與物質的相互作用。量子理論不僅給光學,而且給整個物理學提供了壹個新概念,它的誕生通常被視為現代物理學的起點。
1905年,愛因斯坦將量子理論應用於光電效應,對光子做了非常清晰的表示。他特別指出,當光與物質相互作用時,光也以光子為最小單位。另外,19年底和20世紀初的多次實驗證明了光的量子性。1905年9月,德國《物理學年鑒》發表了愛因斯坦的《運動介質電動力學》。第壹次提出了狹義相對論的基本原理。本文闡述了自伽利略、牛頓以來壹直占主導地位的經典物理學,其應用範圍僅限於速度遠小於光速的情況,而他的新理論可以解釋與高速運動有關的過程的特性。他從根本上拋棄了以太的概念,滿意地解釋了運動物體的光學現象。
這樣,20世紀初,壹方面,光的幹涉、衍射和偏振以及運動物體的光學現象證實了光是電磁波;另壹方面,光的量子性——粒子性,從熱輻射、光電效應、光壓、光的化學作用等方面得到了毋庸置疑的證明。
1922年發現的康普頓效應,1928年發現的拉曼效應,以及當時實驗所能獲得的原子光譜的超精細結構,無疑說明光學的發展不可能獨立於量子物理。
現代光學中的光量子概念並不排斥光漲落概念,而是需要借助海森堡、薛定諤、狄拉克、費曼、施溫格和淺長壹郎等人創立和發展的量子力學和量子電動力學。,以便統壹他們。利用他們的理論,可以闡明原子光譜、分子光譜和離子光譜。能解釋電場、磁場、聲場對光譜的影響;可以建立激發條件和光譜特性之間的關系。光學的歷史表明,現代物理學中最重要的兩個基礎理論,量子力學和狹義相對論,都是在對光的研究中誕生和發展的。
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