緒論

1.物理光學(xué)的研究對象和內(nèi)容

物理光學(xué)的研究對象是光這種物質(zhì)的基本屬性，它的傳播規(guī)律和它與其他物質(zhì)之間的相互作用。物理光學(xué)可以分為波動光學(xué)和量子光學(xué)兩部分。前者研究光的波動性，后者研究光的量子性。由于在第2版前言里已經(jīng)說明過的原因（量子光學(xué)的主要內(nèi)容將安排在激光課程中講述），本書第3版也只限于討論波動光學(xué)的內(nèi)容。

物理光學(xué)（波動光學(xué)）討論的內(nèi)容是相當(dāng)廣泛的。傳統(tǒng)的內(nèi)容主要有光的干涉、衍射和偏振現(xiàn)象，光在各向同性介質(zhì)中的傳播規(guī)律（包括光的反射和折射，光的吸收、色散和散射規(guī)律），光在各向異性晶體中的傳播規(guī)律等。20世紀(jì)60年代以后，由于激光的出現(xiàn)，古老的光學(xué)又重新煥發(fā)了青春，物理光學(xué)的各個領(lǐng)域都有了突飛猛進的發(fā)展，一批新的分支學(xué)科相繼建立起來。例如，光學(xué)薄膜技術(shù)的發(fā)展形成了薄膜光學(xué)、集成光學(xué)等新的學(xué)科。激光技術(shù)的發(fā)展，出現(xiàn)了非線性光學(xué)。把數(shù)學(xué)、通信理論和光的衍射結(jié)合起來，建立起了傅里葉光學(xué)。傅里葉光學(xué)的一些應(yīng)用課題，如光學(xué)信息處理、光學(xué)傳遞函數(shù)和全息術(shù)等，是當(dāng)今科學(xué)技術(shù)領(lǐng)域中十分引人注目的課題。本教材除了討論物理光學(xué)的傳統(tǒng)內(nèi)容外，對于它的近代發(fā)展也給予了充分的關(guān)注。其中在第4章中討論了薄膜波導(dǎo)（它是集成光學(xué)的基礎(chǔ)）；在第5章中討論了全息照相；在第7章中討論了非線性光學(xué)。第6章則全用來介紹傅里葉光學(xué)。

縱觀現(xiàn)代物理光學(xué)，它是以兩種理論方法為基礎(chǔ)的。一是光的電磁理論，把光看做是一種電磁波，用電磁波的系統(tǒng)理論來描述光的各種現(xiàn)象；二是傅里葉分析（頻譜分析）方法，用頻譜分析的觀點來看待光傳播的各種現(xiàn)象。本教材在內(nèi)容安排上是從加強這兩個基礎(chǔ)出發(fā)的。與此有關(guān)的數(shù)學(xué)知識，為了便于查閱，我們把它寫成了幾個附錄，安排于書后。

2.物理光學(xué)的應(yīng)用

物理光學(xué)在科學(xué)技術(shù)各部門中的應(yīng)用十分廣泛，尤其在生產(chǎn)和國防上有著重要的應(yīng)用。特別是激光問世以來，大大擴充了它的應(yīng)用領(lǐng)域。今天，它已經(jīng)被應(yīng)用到精密測量、通信、醫(yī)療、受控?zé)岷朔磻?yīng)、信息處理等眾多技術(shù)領(lǐng)域，為科學(xué)技術(shù)的發(fā)展、生產(chǎn)的發(fā)展和鞏固國防做出了貢獻。

以光學(xué)儀器工業(yè)和光電信息產(chǎn)業(yè)的發(fā)展來說，物理光學(xué)的應(yīng)用非常廣泛和重要。各種光學(xué)零件的表面粗糙度、平面度，以及長度、角度的測量，至今最精密的方法仍然是物理光學(xué)方法。另外，還用物理光學(xué)方法測量光學(xué)系統(tǒng)的各種像差，評價光學(xué)系統(tǒng)的成像質(zhì)量等。以光的干涉原理為基礎(chǔ)的各種干涉儀器，是光學(xué)儀器中數(shù)量頗多且最為精密的一個組成部分。根據(jù)衍射原理制成的光柵光譜儀，在分析物質(zhì)的微觀結(jié)構(gòu)（原子、分子結(jié)構(gòu)）和化學(xué)成分等方面起著最為重要的作用。由于近代光學(xué)的崛起，發(fā)展起來的一些新型的光學(xué)儀器，如相襯顯微鏡、光學(xué)傳遞函數(shù)儀、傅里葉變換光譜儀，以及各種全息和信息處理裝置、電光和光電變換裝置、激光器等，更是離不開物理光學(xué)的基本原理?？梢姡瑢W(xué)好物理光學(xué)對于光學(xué)工程專業(yè)、光電信息工程專業(yè)的學(xué)生在專業(yè)上的發(fā)展是很重要的。

通常，人們把物理光學(xué)和幾何光學(xué)看成是光學(xué)的兩大組成部分。幾何光學(xué)，在我們的專業(yè)課程安排中又叫做應(yīng)用光學(xué)，它把光看做是沿著一根根光線傳播的，它們遵從直線傳播和反射、折射定律。幾何光學(xué)在光學(xué)系統(tǒng)的設(shè)計方面起著不可替代的作用。但是幾何光學(xué)只是波動光學(xué)的極限情況，當(dāng)波動效應(yīng)不可忽略時，幾何光學(xué)的結(jié)果與實際的偏離就會很明顯。這時只有掌握物理光學(xué)的手段，才能對幾何光學(xué)結(jié)果的近似程度做出正確的判斷?？梢姡词故菍τ谝话愕墓鈱W(xué)系統(tǒng)的設(shè)計，僅有幾何光學(xué)的知識也是不夠的。

3.光的波粒二象性

物理光學(xué)包括波動光學(xué)和量子光學(xué)兩部分，它們分別研究光的波動性質(zhì)和量子（粒子）性質(zhì)。我們已經(jīng)指出，波動光學(xué)確認(rèn)光是一種電磁波，并根據(jù)電磁波理論來描述光學(xué)現(xiàn)象。用這一理論來描述光的反射、折射、干涉、衍射、偏振等一系列現(xiàn)象是非常成功的，自19世紀(jì)60年代由麥克斯韋（J.C.Maxwell，1831—1879）提出這一理論后，很快就贏得了普遍的公認(rèn)。但是，在19世紀(jì)末與20世紀(jì)初，當(dāng)科學(xué)實驗深入到微觀領(lǐng)域時，在一些新的光學(xué)實驗事實面前，光的電磁理論遇到了巨大的困難。例如，它無法解釋熒光的波長為什么總比入射光的長；在光電效應(yīng)的基本規(guī)律面前，它也是無能為力的。所有這些微觀光學(xué)現(xiàn)象的發(fā)現(xiàn)，使光學(xué)（以及物理學(xué)）的概念產(chǎn)生了從連續(xù)到量子化的飛躍。1905年愛因斯坦（A.Einstein，1879—1955）在普朗克（M.Planck，1858—1947）量子論的基礎(chǔ)上提出了光的量子理論，認(rèn)為光的能量不是連續(xù)分布的，光由一粒粒運動著的光子組成，每個光子具有確定的能量。利用愛因斯坦的量子理論，上述實驗事實可以很完滿地得到解釋。但是，愛因斯坦給我們描繪的完全是一幅光的粒子性的圖像。于是，在實驗事實面前，人們不得不同時接受光的波動理論和光的量子理論，承認(rèn)光在許多方面表現(xiàn)出波動性，而在另一些方面表現(xiàn)出粒子性。這就是所謂光的波粒二象性。

關(guān)于光的波粒二象性，回憶一下300年前光學(xué)發(fā)展初期的一段歷史是很有意思的。當(dāng)時，也有兩個關(guān)于光的本性的學(xué)說：一是牛頓（I.Newton，1642—1727）的微粒說；二是惠更斯（C.Huygens，1629—1695）的波動說。在當(dāng)時的物理學(xué)的概念里，“波”與“粒子”是截然不同的，人們從來沒有見過在單一事物中同時表現(xiàn)出波動性與粒子性。顯然，上述兩種學(xué)說是勢不兩立的。這種經(jīng)典物理學(xué)的偏見，一直延續(xù)到20世紀(jì)初。盡管光的波動理論和光的量子（粒子）理論都比牛頓、惠更斯的理論完美、深入得多，但是對于那些抱著經(jīng)典偏見不放的人還是覺得不可思議。

現(xiàn)在，我們知道，不僅光具有波粒二象性，一切的微觀粒子（像電子、質(zhì)子、中子等）也都具有波粒二象性。波粒二象性是一切微觀粒子（包括光子）的普遍屬性。自然，我們對光的本性的這種認(rèn)識只具有相對真理性，對光的認(rèn)識并沒有完結(jié)。隨著自然科學(xué)和光學(xué)的不斷發(fā)展，我們對光的本性的認(rèn)識一定會更加深入、更加向前發(fā)展。今天，我們學(xué)習(xí)光學(xué)的發(fā)展史，學(xué)習(xí)關(guān)于光的本性的認(rèn)識過程的歷史，對于培養(yǎng)我們的科學(xué)的思維方法，樹立科學(xué)的發(fā)展觀是很有好處的。