光学杂记

通常把光学分成几何光学、物理光学、量子光学。

几何光学 Geometrical optics

从几个由实验得来的基本原理出发来研究光的传播问题的学科。基于光线的概念和光线的折射、反射定律来描述光在介质中传播规律的学科。

物理光学 Physical optics

从光是一种波动出发，研究光的属性和光在介质中传播规律的学科，也称为波动光学。

可用来研究光的干涉、光的衍射、光的偏振及其在各向异性介质中传播所呈现出的现象。由于光速和电磁波传播速度相同，从而推测光也是电磁波，这一推测被以后所有实验所证实。而利用几何光学所得的结果，通常总是波动光学在某些条件下的近似或极限。

与几何光学不同，波动光学不仅考察孔径大于波长情况下的光的传播过程，而且研究任何孔径情况下的光的传播过程。波动光学总能得出正确的解，但是有时用波动光学方法较为复杂，所以通常根据问题的性质来决定采用几何光学还是波动光学，或者两者兼而用之。

波动光学可解释光在散射介质和各向异性介质中传播时所伴随产生的过程和在介质界面附近的表现；也能解释色散现象和各种介质中压力、温度、声场、电场、磁场对光学现象的影响。

虽然波动光学能对光的传播做出满意的解释，但一般不能说明光的发射和吸收过程，表现出经典物理的困难。

量子光学 Quantum optics

以辐射的量子理论为基础研究光的产生、传输、监测及光与物质相互作用的学科。

19世纪末20世纪初，发现了黑体辐射规律和光电效应等另一类光学现象，在解释这些涉及光的产生及光与物质相互作用现象时，旧的波动理论遇到无法克服的困难，普朗克假设应运而生。

1905年，爱因斯坦提出光子假设，成功地解释光电效应。爱因斯坦认为光子不仅仅具有能量，而且与普通实物粒子一样具有质量与动量（见光的二象性）。1923年，A.H.康普顿利用光子和自由电子的弹性碰撞过程解释了X射线的散射实验（见康普顿散射）。与此同时，各种光谱仪的普遍使用促进光谱学的发展，通过原子光谱来探索原子内部的结构及其发光机制导致量子力学的建立。

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光子与光线

光子（Photon）是一种基本粒子，是电磁辐射的量子。在量子场论里是负责传递电磁力的力载子。这种作用力的效应在微观层次或宏观层次都可以很容易的观察到。

由于光子的静止质量为0，它可以移动至很远的距离，这也意味着它在真空中的传播速度是光速。

如同其他微观粒子，光子具有波粒二象性（Wave-particle duality），能够展现出波动性与粒子性。例如，它能在双缝实验（Double-slit experiment）里展现出波动性，也能在光电效应（Photoelectric Effect）实验里展现出粒子性。

双缝实验

光子的运动集合构成了光线，也就是人们常说的光（Light），光的入射、折射、反射都是大量光子运动的集体表现。光（Light）是由光子（Photon）的基本粒子组成的粒子流。