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[转载]光学发展与光学仪器的应用 [复制链接]

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只看楼主倒序阅读楼主发表于: 2009-03-06

关键词：光学激光光源激光器透镜

一.中国古人对光的认识和简单光学仪器

　　与古老的力学一样，中国古人对光现象的认识及光学仪器的发明创造应用方面，走在了世界的前列。中国最古老的文字“明”就是由人类最原始的光源“日”和“月”构成的，成语“形影不离”和“形影相吊”形象地说明了物体与影子的关系。早在公元前五世纪,学者墨翟对几何光学就有了较全面的研究,他在《墨经》一书中较为详细地记叙了影的定义和生成,光与影的关系以及平面镜、球面镜中的物像关系。其中引用了物点和像点的概念沿用至今，他用光的直线传播原理成功地解释了小孔成像现象，他在书中写道：“景，光之人，煦（照）若射。下者之人也高；高者之人也下。足敝（蔽）下光，故成景于上；首敝（蔽）上光，故成景于下。”意思是说：“光向人照去，好像射箭那样直进，通过小孔成像，见到人的下部在高处，人的高部在低处。其原因是：足遮住了下部的光线所以成影在上，头遮住了上部的光线所以成影在下。”这是迄今为止发现的最早最详实的有关光成影现象最科学的文字记录。

    我国古人在相当长的时间里还把影子当作“时钟”来使用，我国古代称之为“晷”，至今在北京的故宫里还可以看到这种日晷。三国时期的孙策取信于太史慈，“立杆于营门以候日影”约定日中等他的故事家喻户晓。我国不但有人类最早的日月蚀记录，而且在日月蚀观测和推算预报方面的成就也是举世公认的，这虽然属于天文学的范畴，但它的基本原理却是成影理论的具体应用。

    在原始社会初期，火的发明不亚于近代的蒸汽机和现代的原子能，人们除了用火作为燃料和取暖外，火显然是一种主要的人造光源。然而古人还发现了一种“有火之用，无火之热”的冷光源---山间丛林的磷光（俗称“鬼火”）和萤火虫儿的萤光。我国古代小说中就有穷书生无钱买油，聚萤为灯，彻夜攻读而功成名就的故事。

    到了周代有人就利用“阳遂”（凹面镜）进行取火，《庄子》里记载道：“阳遂见日，燃而为火”。至于利用静止的水面作为镜子的例子则更多，有西施浣沙的传说，猴子捞月的故事，《儒林外史》中的范进，他的岳父胡屠户则要范进“撒泡尿照照自己”。晋朝有一个“杯弓蛇影”的成语故事，乐广他就知道是墙上挂着的弓在酒杯里产生了折射引起的影子，吓坏了他的朋友，于是他再次请客说明原委，终于治好了客人的心病。

    北宋时代的科学家沈括留给后人的综合性科学巨著《梦溪笔谈》，堪称是我国古代的一本百科全书，他把小孔成像归纳为“影入窗隙则倒，乃其常理。”沈括在书中对凸面镜和凹面镜的成像规律进行了详实的记载，并最早揭开了被世人称为“魔镜”的“透光”原理。关于光的色散现象的研究和实验可以说是到了普及的地步，如果说唐朝诗人孔颖达的“日照雨滴则生虹”是正确地诠释了虹的成因的话，那么同时代文人张志和的一句“背日喷水成虹霓”，则实在是一个精彩绝伦的“人造虹”演示实验。

　　对于平面镜成复合像的情况，西汉《淮南万毕术》中说“取大镜高悬，置水盆于其下，则四邻见矣”，这可以说是世界上最早的潜望镜了。至于前几年市场上流行的一种“美人杯”，其实早在宋朝就发明了，当时称为鲫鱼杯，当杯子盛酒后见杯内“有一鲫长寸许，游泳可爱…… ”其原理是，杯子不盛酒时，绘制的鲫鱼在杯底的凸透镜焦点之外，眼睛看不到鲫鱼的实像。盛酒后，酒与杯底凸透镜组合成一个复合透镜，使焦距增大，鲫鱼的画在复合透镜焦点之内，这时人眼就看到了杯底被放大了的鲫鱼虚像。

　　几何光学的逐步建立和完善，实际上是和成像光学仪器特别是复合透镜的开发应用是相辅相成的，古人在制造和使用简单的光学仪器(平面镜、球面镜及透镜)的过程中逐渐加深了对光的认识。现今涉及人类各个领域的光学成像仪器，包括放大镜、望远镜、显微镜、电影机、幻灯机、照相机等，其原理与结构与几百年前大同小异。只不过在使用范围和制造工艺上有了很大的提高，使人们能够“看”得更远，“看”得更小。当今世界上最著名的光学成像设备，首推哈勃空间望远镜，它的重量达11.75吨，自从1990年送入太空轨道后已经拍摄了几十万张天体图像，为人类带来了许多包括土星在内的许多新发现，经过93年的维修后至今还在为人类服务。

二. 十七世纪后光学研究与光学仪器的使用

　　在十七世纪以前，人们对光的认识还是比较粗浅的，简单的光学仪器开始在日常生活中加以应用。1608年，荷兰眼镜工匠李普赛从两个顽童偷玩他的两个镜片，无意中小孩发现了一只苍蝇被高倍放大的像，聪明的眼镜师发明了世界上第一架望远镜并申请了专利权，有关资料至今还保存在海牙档案馆。四十四岁的伽利略，当时已经是一位名气很大的意大利物理学家，当他听到李普塞发明了望远镜后，亲自磨制透镜，几个月内就研制成由凸透镜当目镜，凹透镜当物镜，能放大三十多倍的精巧望远镜，后人称“伽利略望远镜”。与伽利略同时代的德国天文学家开普勒则设计了一种物镜和目镜都是凸透镜的新型望远镜，人们称为“开普勒望远镜”。望远镜的发明和使用，不仅缩短了人类与天体的距离，而且对天文学的发展有着不可估量的贡献，世界上第一架显微镜则是有荷兰眼镜制造商詹森在1625年发明的。

    奠定几何光学实验基础的人也是开普勒，他所处的时代正是意大利文艺复兴时期，当时的画家们为了提高绘画的透视感，就把光线比作几何直线。开普勒受到这些启发，用几何学的原理去研究光学，1611年他发表了几何光学的经典著作《折光学》。1642年伽利略因宣传哥白尼日心说被教会长期监禁，这位对几何光学做出重大贡献的天文学家含冤去世。就在这年的圣诞节，一位划时代的科学巨匠、经典力学的创始人牛顿诞生了，他对光学发展所起的作用也同样被载入史册。

　　1666年，年轻的牛顿在做光的折射实验时，偶然发现同一玻璃棱镜对不同颜色光有不同的折射率。进一步的研究他发现了光的色散现象,牛顿用三棱镜把太阳光（白光）分成了七种颜色,又把三棱镜将七种颜色合成为白光，这个实验的成功开创了现代“光谱分析学”的基础。牛顿关于光的颜色的解释理论，摆脱了人们的主观视觉印象对物体颜色认识的长期困扰。1668年，26岁的牛顿因研制成世界上第一台反射式望远镜而被入选为英国皇家学会会员。他的另一个精彩实验是用一个精密磨制的曲率半径很大的凸透镜的凸面，压在一个十分光洁的平面玻璃板上，在日光的照射下，中心的接触点是一暗点，周围是一些明暗相间的彩色同心圆。后人称它为“牛顿环”。

　　当时以牛顿为代表的光的微粒说和惠更斯领导的波动说，对光本性的解说是十分对立的，表面上看来互不相容，但它们还是有共同点,即承认光是一种物质并且处于运动状态以特定速度传播。那么光的速度究竟有多大？如何测出光速，许多科学家一直为之探索。

　　最早用实验方法测定光速的是伽利略，虽然未成功，但其原理被法国人菲索所采用，1849年他测出的光速与1676年丹麦天文学家罗默用天文学方法测出的结果相似，已经与现代测量的数值非常接近。光速的成功测定，使人们对光的本性认识起到了很大的推动作用。

　　随着对电磁波理论的进一步研究和无线电技术的广泛应用，人们发现电磁波与光有很多类似的性质，如反射、折射、干涉、衍射、偏振等，不同颜色的光只是对应于不同的频率。继后随着红外光、紫外光、X光、γ射线的陆续发现，人们才逐渐地明白了整个电磁波谱就象是一个庞大的“家族”，人们才知道自己的眼睛所能看到的可见光，只不过是这个大家族的一个很小的部分。因些人类的眼睛从某种意义上可以这样认为，它是一个电磁波接收仪器，只不过它的接收的频率范围很窄罢了。人们从透镜成像实验规律中逐渐地了解到了自己的眼睛，它的光学成像系统就像一只可以变焦的照相机，所以现代医学保护和修复眼睛的方法实际上把一个透镜光学镜头与人眼本身的晶状体镜头组合进来的复合光学成像系统。

　　人们对光的认识远没有达到十分满意的结果，但人们对光的研究和它的应用却从来没有停止过，特别是近几十年来，光学发展进入了一个日新月异的新时代，无论在发展的速度上还是在发展的规模上都是史无前例的。现代光学的发展促进并产生了一系列新的学科分支，同时也极大地推动了现代光学系统在各个领域的广泛应用。

三.现代光学的迅速发展及广泛应用

　　现代光学已经发展成为一门相互交叉相互渗透，涉及到各个领域的综合性学科。其中包括研究光学成像系统的像差、色差、像散、畸变和校正的成像光学仪器学；研究光的照度、亮度等的光度学；把数字技术和通讯理论相结合的“傅里叶光学”；并且产生了信息光学和纤维光学；还有量子光学、非线性光学、相干光学、激光光谱学等等。光学已经成为现代科学技术最活跃前沿领域之一。

　　光学的应用是与光学实验仪器的不断改进和光学理论的逐渐完善同步产生的。十八世纪以前几何光学的形成，促进了成像光学仪器的发展，现代只不过在制造工艺和应用范围上有了新的突破。光的干涉和衍射的波动性质，为现代科学技术中的精密测量提供了重要方法。利用光的偏振性质还可以测定某些物质的浓度，它被广泛地应用于化学、制糖、制药行业。红外线的热效应被人们用作烘烤食品。红外遥感技术应用则更加广泛，小到各种家电的遥控器，大到卫星勘测地球资源、预报天气、军事侦察等。红外线夜视仪、红外线瞄准器和红外线追踪导弹的使用，可以大大提高部队的战斗力。紫外线具有杀菌脱水及激发萤光作用。X光的强大穿透能力在医学上用作人体骨骼和内脏器官检查的照相，更高级的立体X光检查就是我们常说的做“CT”，X光还可用来探测金属内部是否存在缺陷。光电效应现象的应用，可以将可见或不可见的辐射转化为可以观察、记录、传输、存贮的图像。各种波长的电磁波被广泛应用在远距离的通讯、导航、广播、雷达、电视、卫星控制、宇宙研究等。

    全息照相技术是根据现代信息光学原理“拍摄”出来的一种能够记录物体的全部信息的三维立体图像。这种全息拍摄技术曾经做过多次试验，但终因缺少一种高强度的相干单色光源，所以进展一直相当缓慢。激光的问世正好解决了全息照相所需要的理想光源。全息照相具有逼真的立体图像，同一张照片可以多次曝光而景物可以独立再现。全息照片还有一个令常人不可思议的特点，如果将全息照片的“底片”撕得很碎，其中的每一小片完全可以完整地再现原像。这时因为全息片上的每一个局部都“记录”了物体各点的全部光信息。

    激光器的诞生和激光学的理论研究被人们认为是本世纪最伟大的发明之一。激光光束具有高亮度、高能量，方向性、单色性、相干性好、传递信息容量大。这些特性都是其它光源不能与之相比的。因而被广泛用于精密金属加工和医疗上代替传统手术刀。用激光雷达进行超远距离的测量误差很小，如用激光束测出的地球与月亮间距离误差只有三米。大功率的激光武器不但可以在瞬间“照”毁敌方的飞机坦克，甚至可以造就局部区域的“核爆炸中心环境”所能达到的高压高温，使核聚变能够按照人们的意愿去操纵它。可见激光应用的想象空间是无法预料的。

    光导纤维能够传递声音图像和其它各种信息，它的发明促进了现代光学的一个重要分支——纤维光学的发展。最初人们利用了光在光导纤维中能够“转弯”这一特性，为内窥光学仪器在工业和医疗上的应用带来生机。七十年代以来，光导纤维在通信上的应用使有线通信发生了一场前所未有的革命。

    光纤是非金属材料，与传统的金属电缆比较具有通信容量大、传送频带宽、传输损耗小、中继距离长、保密性好抗干扰性强及重量轻、成本低和资源广等诸多优点。光缆正在取代电缆广泛地用于通信、电视、广播、交通、军事和医疗等领域。我国的光纤通信发展举世瞩目，随着国际跨海光缆和全国主干光缆网及本地C3光缆接入网的相继建成，为我国数字电视和数字通信宽带业务等“高速信息公路”工程打下了坚实的基础。

　　现代光学的飞速发展加快了信息网络时代的形成，激光数字唱盘（CD片）和激光视频唱盘（VCD、DVD）已经家喻户晓，一张普通的光盘所储存的文字信息量就好比是一个小型图书馆。电子计算机的广泛使用，人们对它惊讶已经成为历史。不久的将来“光子计算机”将取代现在的“电子计算机”。到那时最酷的“网虫”也不会嫌它的速度慢了。

（文章来源：网络转载，作者：陈建平）