光学 Optics

2022-11-03 10:49:07 浏览:290

定义

处理光的性质和传播的科学技术。

光学学早在几个世纪前就开始了,作为处理光的性质的科学 -物理学学科的一部分。 它在实际应用中也变得越来越重要,因此现在也可以被视为一个重要的技术领域。 由于几十年来已经非常精确地知道光的特性,因此当前的大多数光学研究都集中在应用上。 例如,可以研究技术光学,其重点是各种光学元件和器件的工作原理和进一步优化。

光学在光子学领域起着至关重要的作用,主要涉及光的各种性质及其传播,例如通过透明光学材料。 作为许多其他现代技术的推动者,它也具有非常重要的经济重要性。 然而,光的产生和检测的许多细节都在光学领域之外,光学领域主要涉及光的传播。 光子学包含其他重要领域,如激光物理学,它与光学物理学相联系。

如今,光学不仅处理可见光,还处理红外和紫外线,因为它们与可见光具有许多共同的特性,并且通常与类似的光学组件一起使用。

经典光学

几何光学

在某种程度上,光的传播可以用射线光学或几何光学来描述,其中光被认为是由沿直线传播的光线组成的,至少在均匀的光学介质中是这样。 光学元件对光线的影响通常用ABCD矩阵算法来描述。

图1:光线在球面曲面镜上的反射。

尽管几何光学具有严重的局限性 - 例如,它无法描述涉及衍射或干涉的各种重要物理现象 - 但它仍然有用。 例如,包含反射镜、透镜、棱镜等的光学成像系统的许多特性可以用几何光学很好地理解,尽管它们的性能局限性不能用射线光学完全解释。

物理光学、波动光学

图2:可变输入光束位置的多模光纤末端的强度分布,显示为动画图形。这种计算需要基于波动光学;射线光学是不够的。该图像来自软件RP光纤电源的案例研究。

一些物理现象非常清楚地表明光具有波的性质,尽管光的波长相当短并不总是很明显。 然而,如果没有光波,干涉和衍射过程尤其难以解释。 大约在1865年,詹姆斯·克拉克·麦克斯韦(James Clerk Maxwell)设法证明,光确实可以用数百太赫兹量级频率的横向电磁波来识别。 这很快解释了许多现象,例如在衍射和偏振的背景下。 一些最初的实际结果是对显微镜和望远镜等有限光学性能的解释,并暗示了进一步优化其性能。

光纤中的光传播也只能用射线光学器件很好地描述;有关示例,请参见图 2。

除了提高理解之外,物理光学和波动光学的发展还产生了许多新型设备和操作原理。 例如,基于衍射光栅的强大光谱仪已经实现,介电涂层(薄膜涂层)在光子学的各个领域变得非常重要,光学谐振器在光学滤光片和激光谐振器等中发挥着重要作用。

物理光学的大部分需要相当复杂和部分抽象的数学方法,尽管大大简化的数学方法仍然足以满足许多目的。 数值计算方法变得非常重要,在许多情况下大大简化了工作。

量子光学

尽管在19世纪发展起来的将光描述为经典电磁波非常成功,但在20世纪初,很明显,有些现象很难在此基础上解释。 例如,阿尔伯特·爱因斯坦意识到光电效应似乎表明光能不是连续传递的,而是在某些离散的封装中传递的,这些封装现在被称为光子。 量子力学的进一步发展导致了一种物理描述,该描述很好地调和了光的波性质和明显的粒子特性,尽管由此产生的物理模型很难与直觉思想结合在一起,量子物理学的某些方面仍然是一个有争议的问题,基本上是关于解释的。 然而,请注意,在无法正确描述或预测现象的意义上,似乎不存在逻辑缺陷或理解差距。

专门处理量子效应的光学领域称为量子光学。 近年来,量子光学导致了有趣的技术发展;重要的关键词是量子密码学(用于基于物理原理的安全数据传输)和量子计算。

技术光学

技术光学基于光学物理学,但侧重于转换和利用光的光学组件和系统,而不是研究光本身的性质。 活动领域和技术光学的一些示例包括:

  • 开发光学系统的建模和设计方法仍在进一步完善和优化中。 虽然在早期定义了复杂的数学方法,但数值计算方法变得越来越重要。 部分地,它们基于先前开发的数学方法,部分地,它们用数值方法取代分析方法,有时数值方法更实用。
  • 光学材料及其制造得到进一步优化,偶尔会开发新材料。
  • 各种光学元件和设备也得到了进一步发展,并引入了新的概念。 光学技术的一些进步是基于新材料或改进的制造技术,这些技术可用于例如提高光学系统的性能或使其更简单,更紧凑和更便宜。 例如,用于非球面光学元件和高质量塑料光学元件的新制造技术使人们能够实现具有惊人性能数据的极其紧凑的相机。

许多技术光学都是基于经典光学,即不涉及量子效应。

现代光学不仅处理光在“简单”人造介质中的传播,而且还处理例如在大气(大气光学)和强散射生物材料中的光传播。

基础光学

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