光學的就業方向
光學是研究從微波、紅外線、可見光、紫外線直到X射線和γ射線的寬廣波段範圍內的電磁輻射的產生、傳播、接收和顯示,以及與物質相互作用的科學,著重研究的範圍是從紅外到紫外波段。
光學專業研究方向
該專業研究方向主要有:量子光學與量子信息、光電子科學與技術、光信息處理與計算設計、強激光與激光生物。
光學專業培養目標
本專業培養具有堅實的光學理論基礎和基本實驗技能,具有較強的創新能力;了解本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;能從事科研、教學或承擔專門技術工作,具有較強的綜合能力、語言表達能力及寫作能力的高級人才。
光學專業就業方向
本專業畢業生除有壹定比例考取博士研究生繼續深造外,還可到高等學校從事相關的教學科研,或在光電企業從事研發、工程技術和銷售等工作。
光學專業發展歷史
光學(optics)是壹門有悠久歷史的學科,它的發展史可追溯到2000多年前。人類對光的研究,最初主要是試圖回答“人怎麽能看見周圍的物體”等類問題。約在公元前400多年,中國的《墨經》中記錄了世界上最早的光學知識。它有8條關於光學的記載,敘述影的定義和生成,光的直線傳播性和針孔成像,並且以嚴謹的文字討論了在平面鏡、凹球面鏡和凸球面鏡中物和像的關系(見中國物理學史)。
自《墨經》開始,在2,000多年的歷史時期中,經過了11世紀阿拉伯人伊本·海賽姆發明制作了凸透鏡,1590年到17世紀初H.詹森和H.李普希同時相互獨立地發明顯微鏡,直到17世紀上半葉才由W.斯涅耳和R.笛卡爾將光的反射和折射的觀察結果,歸結為今天所慣用的光的反射定律和折射定律。
1665年牛頓進行太陽光的實驗,它能把太陽光分解成簡單的組成部分,形成壹個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光的客觀的和定量的特征,各單色光在空間上的分離是由光的本性決定的。牛頓還發現了把曲率半徑很大的凸透鏡放在光學平玻璃板上,當用白光照射時,則見透鏡與玻璃平板接觸處出現壹組彩色的同心環狀條紋;當用某壹單色光照射時,則出現壹組明暗相間的同心環條紋,後人把這種現象稱牛頓環。借助這種現象可用第壹暗環的空氣隙的厚度來定量地表征相應的單色光。
牛頓在發現這些重要現象的同時,根據光的直線傳播性,認為光是壹種微粒流,微粒從光源飛出來,在均勻介質內遵從力學定律作等速直線運動,並且用這種觀點對折射和反射現象作了解釋。惠更斯是光的微粒說的反對者,他創立波動說,1690年在《光論》壹書中寫道:“光同聲壹樣,是以球形波面傳播的。” 並且指出光振動所達到的每壹點都可視為次波的振動中心,次波的包絡面為傳播著的波的波陣面(波前)。在整個18世紀中,光的微粒流理論和光的波動理論都被粗略地提了出來,但都不很完整。
19世紀初,波動光學初步形成,其中以T.楊和A.菲涅耳的著作為代表。楊圓滿地解釋了“薄膜的顏色”和雙狹縫幹涉現象。菲涅耳於1818年以楊氏幹涉原理補充了惠更斯原理,由此形成了今天為人們所熟知的惠更斯-菲涅耳原理,用它可圓滿解釋光的幹涉和衍射現象,也能解釋光的直線傳播。在進壹步的研究中,觀察到了光的偏 振和偏振光的幹涉。為了解釋這些現象,菲涅耳假定光是壹種在連續介質(以太)中傳播的橫波。但是由此不得不把彈性固體的特性強加於以太,如此性質的以太是難以想象的,並且即使承認以太也沒有能把光學現象同其他物理現象聯系起來。
1846年法拉第發現了光的振動面在磁場中發生旋轉;1856年W.韋伯發現光在真空中的速度等於電流強度的電磁單位與靜電單位的比值。它們表示光學現象與電磁學現象間有壹定的`內在關系。
1860年前後麥克斯韋的理論研究指出,電場和磁場的改變,不能局限於空間的某壹部分,而是以等於電流的電磁單位與靜電單位的比值的速度傳播著,光就是這樣壹種電磁現象。這個結論在1888年為赫茲的實驗證實。按麥克斯韋的理論,若以c代表光在真空中的速度,v代表光在介電常數為ε和磁導率為μ的透明介質中的速度,則有:
c/v=(εμ)1/2
式中c/v恰為介質的折射率,所以有:
n=(εμ)1/2
上式給出了透明介質的光學常數n跟電學常數ε和磁學常數μ的關系。在認識光的物理性質方面,麥克斯韋理論較以前各種理論向前邁進了壹大步。
然而,這種理論不能說明產生頻率高達光的頻率的電振子的性質,也不能解釋折射率隨光的頻率而變所引起的光的色散。到了1896年H.洛倫茲創立電子論,才解釋了發光和物質吸收光的現象,也解釋了光在物質中傳播的各種特點,包括對色散現象的解釋。洛倫茲的理論中以太乃是廣袤無限的不動的介質,其唯壹特點是,這種介質中光振動具有壹定的傳播速度。
對於像熾熱的黑體的輻射中能量按波長分布這樣重要的問題,洛倫茲理論還不能給出滿意的解釋。並且,如果認為洛倫茲關於以太的概念是正確的,則可將運動的以太選作參照系,使人們能區別出絕對運動。而事實上,1887年A.邁克耳孫等用幹涉儀測“以太風”得否定的結果,這表明到了洛倫茲的電子論時期,人們對光本性的認識仍然有不少片面性。
1900年,普朗克從物質的分子結構理論中借用不連續性的概念,提出了輻射的量子論,認為各種頻率的電磁波(包括光),只能以各自確定分立的能量從振子射出,這種能量微粒稱為量子,光的量子稱為光子。量子論不僅很自然地解釋了灼熱體輻射能量按波長分布的規律,而且以全新的概念提出了光與物質相互作用的問題。量子論不但給光學,也給整個物理學提供了新的概念,通常把它的誕生視為近代物理學的起點。
1905年,愛因斯坦運用量子論於光電效應之中,給光子作了十分明確的表示。他特別指出光與物質相互作用時,光也是以光子為最小單位進行的。此外,在19世紀末及20世紀初的許多實驗都很好地證明了光的量子性。1905年9月,德國《物理學年鑒》發表了愛因斯坦的《關於運動介質的電動力學》壹文。第壹次提出了狹義相對論基本原理。文中闡明了從伽利略和牛頓時代以來占統治地位的古典物理學,其應用範圍只限於速度遠遠小於光速的情況,而他的新理論可解釋與高速運動有關的過程的特征。他根本上放棄了以太的概念,圓滿地解釋了運動物體的光學現象。
這樣在20世紀初,壹方面從光的幹涉、衍射、偏振以及運動物體的光學現象確證了光是電磁波;而另壹方面又從熱輻射、光電效應、光壓以及光的化學作用等無可懷疑地證明了光的量子性——微粒性。
1922年發現的康普頓效應,1928年發現的拉曼效應以及當時已能從實驗上獲得的原子光譜的超精細結構,它們無疑地表明光學的發展不能獨立於量子物理。
現代光學中光量子概念並不與光的波動概念相排斥,不過需要借助於由海森伯、薛定諤、狄拉克、費因曼、施溫格和朝永振壹郎等人創建和發展起來的量子力學和量子電動力學,才能把兩者統壹起來。應用他們的理論可闡明原子光譜、分子光譜和離子光譜;能解釋電場、磁場和聲場對光譜的效應;能建立激發條件和光譜特性的關系。光學歷史表明,現代物理學中的兩個最重要的基礎理論——量子力學和狹義相對論都是在人類關於光的研究中誕生和發展的。
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