光學(xué)（英文名：optics），光學(xué)是研究光的本性，研究光的發(fā)射、傳播以及和物質(zhì)相互作用規(guī)律的學(xué)科，是物理學(xué)各科中最古老的學(xué)科之一。狹義上來說，光學(xué)是關(guān)于光和視見的科學(xué)，“optics”一詞早期只限于研究與眼睛和視覺相聯(lián)系的自然現(xiàn)象。而現(xiàn)代的光學(xué)是研究從微波、太赫茲輻射、紅外線、可見光、紫外線直到射線線和射線的寬廣波段范圍內(nèi)的電磁輻射的產(chǎn)生、傳播、接收和顯示，以及與物質(zhì)相互作用的科學(xué)，是研究電磁輻射的產(chǎn)生、傳播、接收和顯示，以及與物質(zhì)相互作用的學(xué)科，著重研究的范圍是從紅外到紫外波段。
光學(xué)的起源于二三千年前。公元前4世紀(jì)，中國的《墨經(jīng)》中便記載了許多光學(xué)現(xiàn)象。公元前300年，歐幾里得的《反射光學(xué)》記載了關(guān)于球面鏡的焦點(diǎn)的最早論述。光學(xué)科學(xué)與天文學(xué)、各類工程領(lǐng)域、攝影與醫(yī)學(xué)（尤其是眼科和驗(yàn)光學(xué)，被稱為生理光學(xué)）等眾多相關(guān)學(xué)科相關(guān)，并在這些學(xué)科中得到研究。光學(xué)的實(shí)際應(yīng)用可見于各種技術(shù)和日常用品中，包括人眼、大氣光學(xué)、透鏡、望遠(yuǎn)鏡、顯微鏡、激光器和光纖。
歷史沿革
光學(xué)是一門有悠久歷史的學(xué)科，它的發(fā)展史可追溯到公元前2000多年前。約在公元前400多年，中國的《墨經(jīng)》中記錄了世界上最早的光學(xué)知識，古希臘的歐幾里得（Euclid，約公元前330～260年）的《反射光學(xué)》（Catoptrica）研究了光的反射；阿拉伯學(xué)者阿勒·哈增（AI-Hazen，965～1038年）寫過一部《光學(xué)全書》，討論了許多光學(xué)的現(xiàn)象。光學(xué)真正形成一門學(xué)科，應(yīng)該從建立光的反射定律和折射定律的時代算起，這兩個定律奠定了幾何光學(xué)的基礎(chǔ)。
公元前約2000年—1世紀(jì)
公元前約2000年，中國齊山文化出土股商時期的銅鏡，是人類早期應(yīng)用光學(xué)原理儀器的例證。
公元前約1000年，中國西周公國承相周公在登封市縣設(shè)置了世界上最早的計(jì)時器圭表，開啟了人類利用太陽照射的影子來計(jì)時的先河。
春秋戰(zhàn)國時期墨子（公元前 468—376 年）及其弟子所著《墨經(jīng)》中記載：直線傳播、光在鏡面上的反射等現(xiàn)象，并提出了一系列的實(shí)驗(yàn)規(guī)律。這是有關(guān)光學(xué)知識的最早紀(jì)錄。
公元前424年，希臘喜劇作家阿里斯托芬（Aristophanes，前446—前385年）在喜劇《云》的第二幕編寫中，寫了一段關(guān)于“用透明度極好的石頭（玻瑞）點(diǎn)火”的對話，把這種石頭放在陽光下，人們就能夠“通過某一距離熔化那全部刻寫”在蠟面上的“稿本”。
約公元前300年，古希臘數(shù)學(xué)家歐幾里得（Euclid，前330—前275年）的著作《反射光學(xué)》（Catoptrics）中探討了反射現(xiàn)象。在這本著作中發(fā)現(xiàn)了關(guān)于球面鏡的焦點(diǎn)的最早論述。在該書的定理30中講到，凹鏡對準(zhǔn)太陽時也能點(diǎn)火。
1世紀(jì)—19世紀(jì)
1世紀(jì)，制造玻璃的技術(shù)由埃及傳到羅馬，羅馬人發(fā)明了吹管和吹制技術(shù)，從而生產(chǎn)出透明而美觀的玻璃制品，羅馬人開始用各種形狀的透明玻璃做實(shí)驗(yàn)，逐步形成透鏡形式。“透鏡”這個詞就是從拉丁語“l(fā)entil”演化過來的。
約10世紀(jì)，阿拉伯學(xué)者阿勒·哈增（AI-Hazen，965 1038）寫過一部《光學(xué)全書》，討論了許多光學(xué)現(xiàn)。
11世紀(jì)，阿拉伯人伊本·海賽姆（AbuAliHasanbnAl—Haitham）發(fā)明透鏡；他研究了球面與拋物面的反射鏡的反射原理，奠定了光學(xué)成像的基礎(chǔ)。
1299年，意大利人尼古拉·阿瑪?shù)?/a>（Amati）發(fā)明并制造了最早的眼鏡。
1589年，波特（G.BD.Pa）研究了成像暗箱，并在論文《自然的魔法》中討論了凸透和凸透鏡組的組合成像問題。
1608年，荷蘭科學(xué)家漢斯·李普希（Hans Lippershey）用會聚物鏡與發(fā)散天文望遠(yuǎn)鏡目鏡建立了望遠(yuǎn)鏡，1609年，意大利物理學(xué)家伽利略·伽利萊（Galileo Galilei）建立了他自己的李普希型望遠(yuǎn)鏡并開始天文觀測。1611年德國天文學(xué)家約翰尼斯·開普勒（Johannes Kepler）在其《折光學(xué)》（Dioptrics）中解釋了會聚/發(fā)散透鏡組成的望遠(yuǎn)鏡與顯微鏡的工作原理，并論述了一種用會聚透鏡與會聚透鏡組合的望遠(yuǎn)鏡。1618年，德國天文學(xué)家克里斯多夫·沙伊納（Christopher Scheiner）建立開普勒型望遠(yuǎn)鏡并從此產(chǎn)生了第一臺天文望遠(yuǎn)鏡，望遠(yuǎn)鏡技術(shù)的發(fā)展拓展了人類對宇宙的觀測能力。
1657年，皮耶·德·費(fèi)瑪（Fermat）得出著名的費(fèi)馬原理，并從原理出發(fā)推出了光的反射和折射定律。這兩個定律奠定了幾何光學(xué)的基礎(chǔ)，光學(xué)開始真正形成一門科學(xué)。
1665年，牛頓進(jìn)行太陽光的光譜實(shí)驗(yàn)，他用棱鏡把太陽光分解成單色組成部分，形成一個顏色按一定順序排列的光分布一光譜。牛頓還發(fā)現(xiàn)了把曲率半徑很大的凸透鏡放在光學(xué)平玻璃板上，當(dāng)用白光照射時，則見透鏡與玻璃平板接觸處出現(xiàn)一組彩色的同心環(huán)狀條紋；當(dāng)用某一單色光照射時，則出現(xiàn)一組明暗相間的同心環(huán)條紋，后人把這種現(xiàn)象稱為“牛頓環(huán)”。借助這種現(xiàn)象可以用第一暗環(huán)的空氣隙的厚度來定量地表征相應(yīng)的單色光牛頓在發(fā)現(xiàn)這此重要現(xiàn)象的同時，根據(jù)光的直線傳播性，認(rèn)為光是一種微粒流。微粒從光源飛出來，在均勻媒質(zhì)內(nèi)遵從力學(xué)定律做勻速直線運(yùn)動。牛頓用這種觀點(diǎn)對折射和反射現(xiàn)象進(jìn)行了解釋。
17世紀(jì)，光學(xué)發(fā)展出光的微粒說、光的波動說兩大學(xué)說。光的微粒說的代表是英國科學(xué)家牛頓（Issac 艾薩克·牛頓，1642一1727年），他認(rèn)為光是發(fā)光體所射出的微小粒子，所以是沿著直線行進(jìn)的。這種學(xué)說只要假定光在水中的速度比空氣中大，就很容易解釋光的反射和折射現(xiàn)象；光的波動說以荷蘭科學(xué)家克里斯蒂安·惠更斯（Cristian Huygens，1629一1695年）為代表，他認(rèn)為光是一種稱為“以太”的介質(zhì)的快速振動，當(dāng)以太受到光照而振動時，每一個以太點(diǎn)可以作為新的振動中心而向四周傳播球面次波，這些次波組合后所形成的包絡(luò)面是下一瞬間的新的波前，這就是著名的“惠更斯原理”。按照這個原理，波動說也順利地解釋了光的反射和折射定律。
1802年，英國科學(xué)家楊（Thomas Young，1773一1829年）利用波動說確切而完善地闡明了光的干涉現(xiàn)象，并對薄膜產(chǎn)生的彩色圖案作出了解釋，使光的波動說又前進(jìn)了一步。
1818年，法國科學(xué)家非涅耳（Augustin J Fresnel，1788一1827年）參加了巴黎科學(xué)院征求關(guān)于闡明光的衍射現(xiàn)象這一有獎問題的辯論，使光的波動說開始為大多數(shù)學(xué)者所接受。菲涅耳以光的波動說為基礎(chǔ)，把楊氏干涉的思想與惠更斯原理相結(jié)合，解釋了在圓孔、直邊、狹縫等物體邊緣存在的光的衍射現(xiàn)象。菲涅耳的理論還完滿地解釋了光波的直線傳播性。菲涅耳由此又進(jìn)一步建立了一整套以“以太”振動維持橫波性傳遞的理論，推導(dǎo)出兩種不同偏振態(tài)的光波在界面上反射、折射的光強(qiáng)與入射角之間的關(guān)系式，即菲涅耳反射、折射公式，這一理論解決了一些光波在非均勻晶體中的傳播問題，并在以后被許多學(xué)者進(jìn)一步完善而稱為光的“彈性以太理論”。
1845年，英國物理學(xué)家邁克爾·法拉第（Miohael Faraday，1791一1867年）發(fā)現(xiàn)了光的偏振面在強(qiáng)磁場中會發(fā)生旋轉(zhuǎn)的現(xiàn)象，揭示了光和電磁現(xiàn)象之間的內(nèi)在聯(lián)系。1852年，德國物理學(xué)家韋伯（Wilhelm Eduard Weber）發(fā)現(xiàn)并測定了電荷的電磁單位與靜電單位的比值等于光在真空中的傳播速度，進(jìn)一步說明了光和電磁之間的內(nèi)在聯(lián)系。1849年，法國物理學(xué)家菲索（A.Fizeau）測定了光速，1862年，傅科又使用旋轉(zhuǎn)鏡法得到了更加精確的測定值，并測定了光在水中的速度小于在空氣中的速度，從而給光的波動說以充分精確的實(shí)驗(yàn)證明。光速的測定也為光的電磁理論提供了有力的證據(jù)。
1864年，詹姆斯·麥克斯韋（James Olerk 麥克斯威（上海）商貿(mào)有限公司，1831一1879年）電磁場理論的建立使光的波動說達(dá)到了成功的頂峰。麥克斯韋方程組對電磁規(guī)律作了高度的數(shù)學(xué)概括，其中引入位移電流的概念是對電磁場理論的重要發(fā)展。后來麥克斯韋又根據(jù)這些方程從理論上得出電磁波存在的預(yù)言和光是電磁波的論斷。1888年，赫茲（HR Hertz，1857一1894年）用實(shí)驗(yàn)證明了電磁波在空間的傳播。此后電磁波在無線電通訊中得到廣泛的應(yīng)用，成為當(dāng)代文明生活的重要組成部分。詹姆斯·麥克斯韋關(guān)于光是電磁波的論斷把電學(xué)、磁學(xué)和光學(xué)統(tǒng)一了起來。這一發(fā)展是19世紀(jì)科學(xué)史上最偉大的成就。
1896年，荷蘭物理學(xué)家亨德里克·洛倫茲（Hendrik Antoon Lorentz，1853—1928年）創(chuàng)立了電子論。他假設(shè)物質(zhì)是由帶正負(fù)電荷的粒子組成：粒子在光場或其它交變電場的作用下，產(chǎn)生振動的偶極子，發(fā)出次波。用這樣模型來說明光的吸收、色散、散射、磁光、電光等現(xiàn)象，甚至光的發(fā)射也是一般波動光學(xué)的內(nèi)容。電磁波理論應(yīng)用到品體稱晶體光學(xué)。
20世紀(jì)以后
1900年，普朗克從物質(zhì)的分子結(jié)構(gòu)理論中借用不連續(xù)性的概念，提出了輻射的量子論。他認(rèn)為各種頻率的電磁波，包括光，只能以各自確定分量的能量從振子射出，這種能量微粒稱為量子，光的量子稱為光子。量子論很自然地解釋灼熱體輻射能量按波長分布的規(guī)律，以全新的方式提出了光與物質(zhì)相互作用的整個問題。量子論不但給光學(xué)，也給整個物理學(xué)提供了新的概念，所以通常把它的誕生視為近代物理學(xué)的起點(diǎn)。
1905 年愛因斯坦發(fā)展了光的量子理論，成功地解釋了光電效應(yīng)，提出了光的波粒二象性。至此，光到底是“粒子”還是“波動”的爭論得到解決：在某些方面，光表現(xiàn)的象經(jīng)典的“波動”，在另一些方面表現(xiàn)的象經(jīng)典的“粒子”，光有“波粒二象性”。這樣，在20世紀(jì)初，一方面從光的干涉、衍射、偏振以及運(yùn)動物體的光學(xué)現(xiàn)象確證了光是電磁波；而另一方面又從熱輻射、光電效應(yīng)、光壓以及光的化學(xué)作用等無可懷疑地證明了光的量子性—微粒性。
1916年，阿爾伯特·愛因斯坦預(yù)言原子和分子可以產(chǎn)生受激輻射。他在研究輻射時指出，在一定條件下，如果能使受激輻射繼續(xù)去激發(fā)其他粒子，造成連鎖反應(yīng)，雪崩似地獲得放大效果，最后就可得到單色性極強(qiáng)的輻射，即激光。這為現(xiàn)代光學(xué)的發(fā)展奠定了理論基礎(chǔ)。
1922年，美國物理學(xué)家康普頓（A.H.Compton）一單色射線照射在石墨樣品上，研究被石墨散射的射線他發(fā)現(xiàn)，雖然入射的射線是單一波長，但是被散射的射線包含兩種波長，其中之一與原來的單射波波長相同，另一波長比射波波長要長，兩波長差隨散射角而變，這就是康普頓效應(yīng)。同年，馬克斯·普朗克（Planck）提出了一種新的理論—量子理論，他認(rèn)為輻射不是連續(xù)的，而是量子化的。
1923年，康普頓發(fā)現(xiàn)當(dāng)射線被物質(zhì)散射時，其中有些散射光的波長比入射光的長長，他應(yīng)用光量子理論給予圓滿地解釋并提出了完整的散射論。
1950年，英國科學(xué)家伽柏（Daniel Gabor，1900一1979年）發(fā)明全息攝影技術(shù)，伽柏考慮到光波在物體上經(jīng)反射和散射后，改變了它的振幅和相位。光波攜帶了該物體的信息，組成了一個新的波面而被接收或檢測。所以，如能把這個新的波面設(shè)法在照相感光天然橡膠上記錄下來，并在以后用特定的光照而使之再現(xiàn)那么便可以接收或檢測到構(gòu)成這個波面的物體的全部信息，這種方法又稱為“波前重建”，伽柏進(jìn)行了十分仔細(xì)而巧妙的實(shí)驗(yàn)研究，成功地?cái)z制了包括光波強(qiáng)度與相位信息的全息照片。
1958年，美國科學(xué)家通斯（Charles Townes）及蘇聯(lián)科學(xué)家巴索夫（NikolaiG.Basov）、普洛赫洛夫（AleksandrMProkhorov）相繼發(fā)表了在可見光波段的諧振腔大小并不一定要與光的波長尺寸相當(dāng)這種可能性的設(shè)想。通斯提出，因?yàn)檫@樣小的諧振腔是難于制造的，但是可以允許一個駐波在較大的腔內(nèi)諧振。
1960年，西奧多·梅曼用紅寶石制成第一臺激光器；同年制成氦氖[nǎi]激光器；1962年產(chǎn)生了半導(dǎo)體激光器；1963年產(chǎn)生了可調(diào)諧染料激光器此后，光學(xué)開始進(jìn)入了一個新的發(fā)展時期，以致于成為現(xiàn)代物理學(xué)和現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)前沿的重要組成部分。激光具有極好的單色性、高亮度和良好的方向性，所以自發(fā)現(xiàn)以來得到迅速的發(fā)展和廣泛應(yīng)用，引起了光學(xué)領(lǐng)域和科學(xué)技術(shù)的重大變革。由于激光技術(shù)的發(fā)展突飛猛進(jìn)，激光已經(jīng)廣泛應(yīng)用于打孔、切割、導(dǎo)向、測距、醫(yī)療、通訊等方面，在核聚變等方面也有廣闊的應(yīng)用前景。同時光學(xué)也被相應(yīng)地劃分成不同的分支學(xué)科，組成一張龐大的現(xiàn)代光學(xué)學(xué)科網(wǎng)絡(luò)。
1962年，由萊思（E.NLeith）及阿帕特內(nèi)克斯（J.Opatnieks）改進(jìn)了的波陣面再現(xiàn)——全息術(shù)，再加上激光所提供的相干光，由此形成了一個新的學(xué)科領(lǐng)域一一光學(xué)信息處理領(lǐng)域。
在現(xiàn)代光學(xué)中，光量子概念并不與光的波動概念相排斥，不過需要借助于由奧格·玻爾、馬克斯·玻恩、埃爾溫·薛定諤、海森伯格、沃爾夫?qū)づ堇?/a>、保羅·狄拉克、費(fèi)密以及列夫·達(dá)維多維奇·朗道等人創(chuàng)建和發(fā)展起來的量子力學(xué)和量子電動力學(xué)，才能把兩者統(tǒng)一起來。應(yīng)用他們的理論可以闡明原子光譜、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(yīng)，能建立激發(fā)條件和光譜特性的關(guān)系。光學(xué)歷史表明，現(xiàn)代物理學(xué)中的兩個最重要的基礎(chǔ)理論--量子力學(xué)和狹義相對論都是在人類關(guān)于光的研究中誕生和發(fā)展的。
主要內(nèi)容
光學(xué)可以分為經(jīng)典光學(xué)和現(xiàn)代光學(xué)兩種。經(jīng)典光學(xué)通常將光學(xué)為三類：幾何光學(xué)（應(yīng)用光學(xué)）、物理光學(xué)（波動光學(xué)和光子學(xué)）、量子光學(xué)。現(xiàn)代光學(xué)則主要分為傅里葉光學(xué)以及非線性光學(xué)。生理光學(xué)是研究光照對人體生理特別對人眼的作用和影響的學(xué)科。
經(jīng)典光學(xué)
經(jīng)典光學(xué)則包括幾何光學(xué)、波動光學(xué)和量子光學(xué)三種。
幾何光學(xué)
幾何光學(xué)是一種以光直線傳播規(guī)律、獨(dú)立傳播性質(zhì)為基礎(chǔ)的光學(xué)理論，在這一理論中還包括了光的折射光的反射定律，在幾何光學(xué)中以光線概念為基礎(chǔ)，將組成物體的物點(diǎn)看作集合點(diǎn)，將發(fā)出的光看作無數(shù)幾何光線的集合，光線的方向就是傳播方向。主要采用的光學(xué)儀器包括：透鏡、棱鏡、顯微鏡等。
波動光學(xué)
波動光學(xué)是以光的電磁理論為主的一種光學(xué)分支理論，又稱物理光學(xué)。將光的波長和位相作為基礎(chǔ)，從光的波動出發(fā)，主要針對光在媒介中傳播的各種規(guī)律，包括光的干涉、衍射、偏振等內(nèi)容。
量子光學(xué)
量子光學(xué)是基于激光提出來的一種光學(xué)分支理論，以光子流為基本觀點(diǎn)，基于能量子假設(shè)、阿爾伯特·愛因斯坦光子理論的物理光學(xué)，主要表現(xiàn)出來的就是量子特征，在激光領(lǐng)域中得到了廣泛應(yīng)用。
現(xiàn)代光學(xué)
現(xiàn)代光學(xué)以量子光學(xué)、激光理論與技術(shù)、非線性光學(xué)、以及現(xiàn)代光學(xué)信息處理技術(shù)與光電子技術(shù)等為標(biāo)志，它們多是綜合性很強(qiáng)的交叉學(xué)科。在現(xiàn)代光學(xué)階段，人們更深刻地認(rèn)識到光的基本屬性是波粒二象性，量子電動力學(xué)理論能夠?qū)鈭龅牟▌印Ｗ佣笮越o出較為嚴(yán)格合理的表述，并經(jīng)受了一系列精確實(shí)驗(yàn)的檢驗(yàn)，仍是現(xiàn)代光學(xué)的理論基礎(chǔ)。現(xiàn)代光學(xué)有兩個重要分支，一支是信息光學(xué)又稱傅里葉光學(xué)；另一支是強(qiáng)光光學(xué)，又稱非線性光學(xué)。
信息光學(xué)（傅里葉光學(xué)）
傅里葉光學(xué)是在光學(xué)中引進(jìn)傅里葉變換的概念之后所形成的近代光學(xué)的一部分。用傅里葉變換討論物和象的變換關(guān)系是傅里葉光學(xué)重要內(nèi)容之一。傅里葉光學(xué)仍是以波動光學(xué)原理為基礎(chǔ)，討論光的傳播（干涉、衍射）及成象規(guī)律，而其基本思想?yún)s是用空間頻譜的概念分析光信息，從而對光的衍射，成象規(guī)律，成象質(zhì)量的評價有了新的認(rèn)識。
強(qiáng)光光學(xué)（非線性光學(xué)）
經(jīng)典波動光學(xué)中，介質(zhì)參量被認(rèn)為與光的強(qiáng)度無關(guān)，光學(xué)過程通常用線性微分方程來表述。但在強(qiáng)光源激光作用下，介質(zhì)中將出現(xiàn)很多新現(xiàn)象如諧波的產(chǎn)生、光參量振蕩、光的受激散射、光束自聚焦、多光子吸收、光致透明和光子回波等，研究這些現(xiàn)象的學(xué)科稱為非線性光學(xué)。
生理光學(xué)
生理光學(xué)是研究光照對人體生理特別對人眼的作用和影響的學(xué)科。生理光學(xué)包括眼電生理，形覺、色覺、立體視覺，眼肌與斜視、調(diào)節(jié)與輻；病理光學(xué)包括屈光不正，屈光參差、弱視；應(yīng)用光學(xué)包括眼鏡學(xué)、驗(yàn)光學(xué)、近視眼的各種防治，同視機(jī)的應(yīng)用等，眼的屈光系統(tǒng)是相當(dāng)于一組綜合的凸透鏡。光線到達(dá)視網(wǎng)膜前必須經(jīng)過一系列屈光間質(zhì)。為此Helmholtz提出了模型眼的設(shè)計(jì)，把復(fù)雜的光學(xué)系統(tǒng)簡化成模型眼，再將模型眼簡化成一個簡單的光學(xué)系統(tǒng)。簡化眼的結(jié)點(diǎn)是整個眼屈光系統(tǒng)的光學(xué)中心，穿過此點(diǎn)的光線不被屈折，視網(wǎng)膜上所形成的物像正同凸透鏡所形成的一樣，是倒置了縮小的實(shí)像，左右兩眼物像經(jīng)過大腦皮層視中樞的分析，綜合生理性回轉(zhuǎn)，使人們在主覺上成為直立之正像。
主要理論
通過光學(xué)的研究，可以引出許多重要的理論，如：根據(jù)惠更斯原理可以較好的解釋光的直線傳播，光的反射，折射等現(xiàn)象，其中費(fèi)馬原理是幾何光學(xué)的基礎(chǔ)原理；麥克斯韋方程組就是波動光學(xué)的基礎(chǔ)，從麥克斯韋方程組出發(fā)，可以推出幾何光學(xué)的主要內(nèi)容；普朗克能量子假設(shè)、光量子論的提出也為量子光學(xué)的發(fā)展打下基礎(chǔ)；傅里葉光學(xué)的數(shù)學(xué)基礎(chǔ)是傅里葉積分變換。
折射定律
光通過兩種介質(zhì)的分界面時，單射光線、折射光線、法線在同一平面內(nèi)；入射光線、折射光線分居于法線異側(cè)；且折射角，與入射角滿足關(guān)系：
式中，比例常數(shù)稱為第二種介相對于第一種的相對折射率。某種介質(zhì)相對于真空的折射率，稱為該介質(zhì)的（絕對）折射率；可以證明其中分別為光在真空和某種介質(zhì)中的傳播速度；，與介質(zhì)特性及光波波長有關(guān)。由，可得：。
反射定律
光通過兩種介質(zhì)的分界面時，單射光線、反射光線、法線在同一平面內(nèi)；入射光線、反射光線分居于法線異側(cè)；且反射角與人射角相等，即。
費(fèi)馬原理
幾何光學(xué)中最重要的原理是費(fèi)馬原理：在給定的兩點(diǎn)間，光總是沿著光程為極值的路徑傳播。這個極值包括極大值、極小值和恒定值三種情況。
，式中，為介質(zhì)的折射率。利用費(fèi)馬原理可以推導(dǎo)出光的直線傳播定律、光的反射定律、折射定律以及光路可逆原理（如果光沿某一路徑傳播，則當(dāng)光倒逆方向時，必將沿同一路徑傳播）。
惠更斯原理
克里斯蒂安·惠更斯原理可表述為任何時刻波面上的每一點(diǎn)都可作為次波的波源，各自發(fā)出球面波，在以后的任何時刻，所有這些次波的包絡(luò)面形成整個波在該時刻的新波面。從此原理出發(fā)可由某一時刻己知的波面，用幾何作圖的方法求出另一時刻波面的位置。根據(jù)惠更斯原理可以較好的解釋光的直線傳播，光的反射，折射等現(xiàn)象，但無法具體解釋光的衍射等現(xiàn)象。
波面上每個面積元都可看成新的波源，它們均發(fā)出次波，波面前方空間某一點(diǎn)的振動可以由面上所有面積元所發(fā)出的次波在該點(diǎn)迭加后的合振幅來表示。其中面積元所發(fā)出的各次波的振幅和位相符合下列四個假設(shè)：
第一，在波動理論中，波面是一個等位相面，所有次波具有相同的初相位。第二，次波在點(diǎn)處的振幅與成反比。第三，從面元所發(fā)出的次波在處的振幅正比于的面積，且與轉(zhuǎn)軸傾角有關(guān)。第四，次波在點(diǎn)處的位相，由光程決定，依據(jù)上述原理，可以算出，己知面積元發(fā)出的次波在點(diǎn)的合振動可表示為：
其中，為隨著角增大而級緩慢減小的函數(shù)，為比例常數(shù)。將波面上所有面積元在點(diǎn)的作用加起來即可求得波面在點(diǎn)所產(chǎn)生的合振動：
利用惠更斯—費(fèi)涅耳原理原理不僅可以解釋惠更斯原理所能解釋的現(xiàn)象，還可以較好地解釋光束通過各種障礙物所發(fā)生的衍射現(xiàn)象。
干涉
波動光學(xué)中，當(dāng)兩列頻率相同、振動方向相同、相位相同或相位差恒定的簡諧波的疊加，這樣的兩列波在空間相遇時，兩個分振動有相同的頻率、相同的振動方向和恒定的相位差，這樣在兩波相遇區(qū)域內(nèi)的不同點(diǎn)，有的合振動始終加強(qiáng)，有的合振動始終減弱甚至完全抵消，呈現(xiàn)一幅穩(wěn)定的振動圖像，這種現(xiàn)象稱為波的干涉。能產(chǎn)生干涉現(xiàn)象的波稱為相干波，它們滿足的條件稱為相干條件，相應(yīng)的波源為相干波源。
下面分析兩列相干波在相遇區(qū)域干涉加強(qiáng)和減弱的條件。設(shè)有兩個相干波源、，如下圖所示，它們的簡諧振動方程分別為
若這兩個波源發(fā)出的波在同一介質(zhì)中傳播，則其波速相同，波長也相同，設(shè)介質(zhì)對波的能量沒有吸收，兩波源到點(diǎn)的距離分別為、，則兩列波在點(diǎn)的振動方程分別為：
這是兩個同方向、同頻率的簡諧振動，其合振動也是簡諧振動。設(shè)合振動方程為式中為合振動振幅，可得（1）
合振動的初相位由式，即
兩個分振動的相位差為（2）可以看出，點(diǎn)處合振動振幅的大小與兩分振動的相位差密切相關(guān)，式（2）所示的相位差是由波源的初相位和波源到點(diǎn)的波程差決定的，不隨時間發(fā)生變化，故合振幅也不隨時間變化，空間各處的振幅和強(qiáng)度是穩(wěn)定的。由式（1）可知，當(dāng)相位差滿足，則，合振幅最大，這些點(diǎn)振動始終加強(qiáng)，稱為干涉加強(qiáng)。若，則，合振幅最小，這些點(diǎn)振動始終減弱，稱為干涉減弱。
衍射
波動光學(xué)中，光在傳播的過程中，偏離直線傳播方向而繞到障礙物的后面的現(xiàn)象稱為光的衍射現(xiàn)象。只有障礙物的尺寸跟波長差不多時，才能觀察到明顯的衍射現(xiàn)象。可見光波長的數(shù)量級是，比一般的障礙物或孔要小得多，所以難以觀察到明顯的光的衡射現(xiàn)象，光在遇到障碼物時都會留下清晰的影子。衍射條紋和干涉條紋的最大不同，是衍射條紋為不等間距的明暗條紋，中間最亮最寬，邊緣變窄變暗。中央明紋的寬度常以中央明紋中心與第一級所對應(yīng)的衍射角表示，稱為中央明紋的半角寬度，設(shè)狹縫的寬度為，入射光波長為，有：
約瑟夫·馮·夫瑯和費(fèi)圓孔衍射圖樣由軸對稱的中心亮斑（愛里斑）和一些同心亮環(huán)組成，愛里斑的半角寬度為：，此式也稱為圓孔衍射的反比關(guān)系，式中為圓孔直徑，愛里斑的中心是幾何光學(xué)像點(diǎn)。根據(jù)夫瑯禾費(fèi)圓孔衍射規(guī)律和瑞利判據(jù)，可以得出圓孔光學(xué)儀器（望遠(yuǎn)鏡）的最小分辨角為：，式中為圓孔直徑，上式就是愛里斑的半角寬度。
偏振
偏振指的是振動方向?qū)τ趥鞑シ较虻牟粚ΨQ性，偏振是橫波區(qū)別于縱波的一個最明顯的標(biāo)志。根據(jù)光向量振動方向的分布，將光分為自然光和偏振光，而偏振光又可分為線偏振光部分振光、圓及圓偏振光。無論是自然光還是偏振光通過偏振片后均成為光振動沿偏振化方向的線偏振光，利用偏振片產(chǎn)生線偏振光的過程稱為起偏。偏振片還可以用來檢測入射光的偏振狀態(tài)，稱為檢偏。馬呂斯定律給出了線偏振光通過偏振片后其強(qiáng)度變化的規(guī)律。
偏振光透過檢偏器后透射光的光強(qiáng)時，如果入射線偏振光的光強(qiáng)為，則透射光的光強(qiáng)為：，式中，為檢偏器的偏振化方向和入射線偏振光的光向量振動方向之間的夾角。這就是馬呂斯定律。
麥克斯韋方程
麥克斯韋方程組就是波動光學(xué)的基礎(chǔ)，從麥克斯韋方程組出發(fā)，可以推出幾何光學(xué)的主要內(nèi)容。詹姆斯·麥克斯韋方程是電磁場理論的基石，它是一組描述電場、磁場與電荷密度、電流密度之間關(guān)系的偏微分方程，由四個定律組成：描述電荷如何產(chǎn)生電場的高斯定律、論述磁單極子不存在的高斯磁定律、描述電流和時變電場怎樣產(chǎn)生磁場的麥克斯韋—安培定律、描述時變磁場如何產(chǎn)生電場的邁克爾·法拉第感應(yīng)定律。麥克斯串方程由四個方程組成，其微分形式如下：
，式中，為磁場強(qiáng)度；為電場強(qiáng)度；為電位移向量，用于描述電場的輔助物理量，用符號表示，其定義式為：，式中，為電場強(qiáng)度；為極化強(qiáng)度；為真空介電常數(shù)，；為電位移；為磁感應(yīng)強(qiáng)度；為總電荷密度。
普朗克能量子假設(shè)
絕對黑體是指在任何溫度下全部吸收一切外來電磁輻射的物體。黑體輻射的理論研究涉及到熱力學(xué)、統(tǒng)計(jì)物理和電磁學(xué)，19世紀(jì)末，維恩瑞利（Lord Rayleigh）和金斯（J.HJeans）推出的公式皆不能使人滿意，德國物理學(xué)家馬克斯·普朗克（M Panck）以維恩瑞利—金斯兩公式為基礎(chǔ)首先提出了一個試探性的公式：
上式就是普朗克公式，這公式是以頻率為變量寫出的，也可以換算到以波長為變量。式中是玻爾茲曼常數(shù)，稱馬克斯·普朗克常量，其精確值是
在高頻區(qū)，馬克斯·普朗克公式與維恩公式一致；在低頻區(qū)又與瑞利—金斯公式一致，普朗克認(rèn)為公式與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如此符合絕不是偶然的，公式中一定包含有某種合理的因素，因此，他開始著手尋找這個公式的理論根據(jù)，他把腔壁上的據(jù)動原子看作是振蕩電偶極子，由它們發(fā)射或吸收腔內(nèi)的電磁波，并導(dǎo)出
（1）
式中為振動原子的平均能量。從經(jīng)典物理學(xué)可知原子振動能量遵守玻爾茲曼分布，考慮到能量可以連續(xù)地取值，平均值應(yīng)由下列公式計(jì)算：
積分后得到
這顯然是能量均分定理的結(jié)果，如將代式（1）即能得到瑞利和金斯曾推導(dǎo)出的公式，實(shí)驗(yàn)已表明這公式在高頻區(qū)是不正確的，因?yàn)榘垂铰矢叩哪芰吭蕉啵瑒t熱輻射主要應(yīng)是紫外線和射線，而實(shí)際并非如此，此外，還會得到黑體的輻出度
的荒謬結(jié)果，在歷史上曾將瑞利一金斯公式遇到的困難戲稱為“紫外災(zāi)難”。馬克斯·普朗克為擺脫上述困難，他發(fā)現(xiàn)必須使腔壁上原子的振動能量取分立值才能得到上述普朗克公式，由此他提出以下假設(shè)：原子的振動能量不是連續(xù)地取值，只能取最小能量的整數(shù)倍而能量同頻率成正比，可寫成振動的原子在發(fā)射和吸收能量時，是以為單元，一份一份進(jìn)行的，可稱為能量子，以上假設(shè)稱為普朗克能量子假設(shè)。
光量子論
1905年，阿爾伯特·愛因斯坦為了解釋光電數(shù)應(yīng)，在普朗克能量子假設(shè)的基礎(chǔ)上提出了光量子概念。他認(rèn)為，光不僅在發(fā)射和吸收時具有粒子性，而且在空間傳播時也具有粒子性，光在真空中是以光速傳播的粒子流，這些粒子稱為光量子，簡稱光子。對于頻率為的光束，每一個光子的能量（為普朗克常數(shù)）。
頻率越高的光束，其光子能量越大；對給定頻率的光束來說，光的強(qiáng)度越大，就表示光子的數(shù)目越多，由此可見，對單個光子來說.其能量決定于頻率，而對一束光來說，其能量既與頻率有關(guān)，而且還與光子數(shù)有關(guān)。阿爾伯特·愛因斯坦認(rèn)為，當(dāng)頻率為的光束照射在金屬表面上時，一個電子一次吸收一個光子。電子獲得光子的全部能量，當(dāng)入射光的頻率足夠高時，可以使電子具有足夠的能量從金屬表面逸出，逸出時所需要做的功，稱為逸出功，多余的能量則轉(zhuǎn)化為電子逸出后的初動能。根據(jù)能量守恒定律。應(yīng)有
此方程稱為愛因斯坦光電效應(yīng)方程，逸出功與金屬的種類有關(guān)。利用阿爾伯特·愛因斯坦光電效應(yīng)方程，可以圓滿地解釋光電效應(yīng)的實(shí)驗(yàn)規(guī)律。第一，當(dāng)光子的頻率增為時電子的初動能為0，電子剛好能逸出金屬表面，即為前述的紅限頻率，其值為。顯然，只有當(dāng)頻率大于的入射光照射在金屬上，電子才能逸出金屬表面，如果入射光的頻率小于，電子吸收光的能量小于逸出功，則無法逸出金屬表面；第二，只要，電子就能從金屬表面出而無需積累能量的時間，光電子的逸出和光的照射幾乎是同時發(fā)生的；第三，光的強(qiáng)度越大，光束中所含光子的數(shù)量就越多，因此只要入射光的頻率大于紅限頻率，隨著光子數(shù)的增加，單位時間內(nèi)吸收光子的電子數(shù)也增多，光電流就增大，因此光電流與人射的強(qiáng)度成正比。
傅里葉光學(xué)
傅里葉光學(xué)的數(shù)學(xué)基礎(chǔ)是傅里葉積分變換，而光的標(biāo)量衍射理論是其物理基礎(chǔ)。傅里葉積分變換
數(shù)學(xué)分析中的許多函數(shù)都可以表示為形如的勒貝格積分或反常黎曼積分，由這種類型的等式（其中可以是實(shí)的，也可以是復(fù)的）定義的函數(shù)稱為的積分變換，在被積函數(shù)當(dāng)中出現(xiàn)的函數(shù)稱為變換的核，積分變換在純粹數(shù)學(xué)和應(yīng)用數(shù)學(xué)中使用得都非常廣泛，它們在解某些邊值問題和某些類型的積分方程時尤為有用，下面列舉了幾種使用更為普遍的變換：
指數(shù)傅里葉變換：
傅里葉余弦變換：
傅里葉正弦變換：。
與其它學(xué)科的聯(lián)系
光學(xué)與天文學(xué)
1755年，德國哲學(xué)家伊曼努爾·康德發(fā)表《自然通史和天體論》，提出了關(guān)于太陽系起源的星云假說，康德的星云假說，第一次把自然界看成是一個發(fā)展和變化的過程。18、19世紀(jì)，伴隨著物理學(xué)，尤其是牛頓力學(xué)的確立，以及觀測手段的改進(jìn)，天文學(xué)的觀測視野也在逐漸擴(kuò)展，天文學(xué)領(lǐng)域獲得了一系列發(fā)現(xiàn)，觀測視野更從太陽系拓展到了銀河系。而天體物理學(xué)的興起則讓天文學(xué)家開始了對天體進(jìn)行光譜研究與分類的新探索。人類對宇宙天體的認(rèn)識有了質(zhì)的飛越，對宇宙的認(rèn)識又跨人了一個新階段。法國科學(xué)家皮埃爾-西蒙·拉普拉斯的《天體力學(xué)》達(dá)到了數(shù)理天文學(xué)的又一高峰。其次，英國的天文學(xué)家在天文觀測方面又有新的進(jìn)展，其中突出的有詹姆斯·布拉德雷發(fā)現(xiàn)了光行差，赫舍爾發(fā)現(xiàn)了天王星和雙星。19世紀(jì)，隨著光學(xué)由幾何光學(xué)向物理光學(xué)的發(fā)展，以光學(xué)儀器為主要觀測工具的天文學(xué)也由方位天文學(xué)進(jìn)入了天體物理學(xué)。
光學(xué)與工程領(lǐng)域
光學(xué)測量是一種非常重要的計(jì)量方法。盡管光學(xué)測量技術(shù)發(fā)展迅速，但它并不是一門新的學(xué)科。光學(xué)測量技術(shù)的出現(xiàn)，對物理科學(xué)的發(fā)展產(chǎn)生了很大影響。隨著16世紀(jì)末顯微鏡的發(fā)明和17世紀(jì)早期望遠(yuǎn)鏡的出現(xiàn)，光學(xué)測量技術(shù)為深入研究微觀和宏觀世界發(fā)揮了重要作用。19世紀(jì)，攝影和光譜學(xué)的發(fā)展也可認(rèn)為是光學(xué)測量的里程碑，特別是光譜學(xué)為研究物質(zhì)的微觀結(jié)構(gòu)提供了重要手段。在20世紀(jì)，光學(xué)測量為自然科學(xué)的發(fā)展做出了重要貢獻(xiàn)，一系列榮獲諾貝爾獎的成果就證明了這一點(diǎn)。這些成果包括：用于光譜和計(jì)量研究的精密干涉儀（A.Michelson）、相差顯微鏡（F.Zernike）、全息學(xué)（D.Gabor）、激光非線性學(xué)（N.Bloembergen、A.Schawlow）、超精密激光光譜技術(shù)（J.Hall、T.Hansch）和CCD傳感器（檢測光輻射的電荷耦合元件，W.Boyle、G.Smith）等。
光學(xué)與攝影學(xué)
利用光學(xué)構(gòu)像的原理，將被攝景物反射的光線通過物鏡在像面上構(gòu)成光學(xué)影像，然后利用感光材料真實(shí)地記錄此光學(xué)影像，再經(jīng)攝影處理以獲得穩(wěn)定影像的全過程，叫做攝影。在理論上和實(shí)踐上分析和探討各種獲得攝影影像的過程及操作技術(shù)稱為攝影學(xué)。在一定意義上講，攝影就是一門以光學(xué)和化學(xué)為基礎(chǔ)的技術(shù)科學(xué)。它的物質(zhì)構(gòu)成和活動過程都離不開光學(xué)、化學(xué)、物理學(xué)、電子學(xué)、色彩學(xué)，及至數(shù)學(xué)等所提供的各種可能和條件。現(xiàn)代的紅外線攝影、顯微攝影、全息攝影、立體攝影等，以及各種高性能鏡頭和感光材料等，都是由于科學(xué)技術(shù)的高度發(fā)展而出現(xiàn)的。
現(xiàn)代光學(xué)進(jìn)展
飛秒光學(xué)
強(qiáng)飛秒脈沖可以對于特定的材料進(jìn)行最佳脈沖寬度優(yōu)化，可以大大提高破壞或燒蝕的可靠性和定位精度，隨著超短激光脈沖的發(fā)展，結(jié)構(gòu)光學(xué)可以對化學(xué)和生物學(xué)的進(jìn)展發(fā)揮重要作用，以激光為基礎(chǔ)的光電子光譜學(xué)和飛秒化學(xué)在研究躍遷狀態(tài)、控制反應(yīng)途徑以及選鍵化學(xué)等許多領(lǐng)域內(nèi)已經(jīng)產(chǎn)生了新的結(jié)果，飛秒激光、巧妙的脈沖成形方法、理論和計(jì)算能力的結(jié)合，使光控制化學(xué)成為一種可能方式，截至2007年，用固體激光產(chǎn)生超短脈沖方法使飛秒技術(shù)的快速發(fā)展，固體技術(shù)為科學(xué)應(yīng)用帶來更高的可靠性、更短的脈沖和更大的功率，對超快激光的光學(xué)材料和飛秒脈沖處理器件的研究繼續(xù)起著關(guān)鍵的作用。
半導(dǎo)體激光和新型的固體激光
激光發(fā)明后，半導(dǎo)體砷化鎵的激光二極管有了廣泛的應(yīng)用，二極管激光的應(yīng)用包括數(shù)據(jù)存儲、光學(xué)顯示、遠(yuǎn)距離通訊、地區(qū)網(wǎng)絡(luò)通訊、傳感器以及醫(yī)學(xué)。截至2007年，研究的關(guān)鍵課題是將激光二極管的波長擴(kuò)展到藍(lán)色，藍(lán)色激光二極管如果在將來研究成功，它可以在信息存儲、光學(xué)顯示、生物學(xué)得道廣泛應(yīng)用。
適應(yīng)光學(xué)
一般天文望遠(yuǎn)鏡的實(shí)際分辨率遠(yuǎn)劣于光學(xué)系統(tǒng)的理論分辨率，大氣運(yùn)動的不穩(wěn)定性使得這種波面畸變隨時間不斷變化，人們?yōu)閷?shí)時校正這種波面畸變，提出了適應(yīng)光學(xué)的概念，其基本思想是用一個陣列式傳感器來探測波面畸變，使反射鏡各小面元的高度和方位與該處的波面畸變相配合，從而將反射波修正為一平面波，組成一閉合反饋環(huán)路。為達(dá)到此種目的，人們需要在太空中設(shè)置一個作為比較的參考點(diǎn)源（燈標(biāo)），如果該燈標(biāo)所成像點(diǎn)達(dá)到最清晰，則位于該方向的觀測目標(biāo)的畸變也得到了較好的修正，21世紀(jì)以來，適應(yīng)光學(xué)和激光燈標(biāo)技術(shù)得到了迅速的發(fā)展，并在天文望遠(yuǎn)鏡中得到了成功的應(yīng)用。
應(yīng)用
光學(xué)的應(yīng)用十分廣泛。幾何光學(xué)是各種光學(xué)儀器設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)；光的干涉可用于精密測量；光柵是重要的分光儀器，光譜分析是物質(zhì)成分分析中的先進(jìn)方法。
人眼
人眼與照相機(jī)原理相同，即在視網(wǎng)膜上對周圍環(huán)境成倒立實(shí)像，眼球的屈光能力是由角膜和可變形的晶狀體帶來的，并通過晶狀體對近距離物體進(jìn)行調(diào)節(jié)，人們眼球的屈光度隨年齡增加而降低，50歲以后屈光度逐變接近0dpt，需要佩戴眼鏡以進(jìn)行矯正，視力正常的人眼接近于受衍射限制的光瞳直徑最高達(dá)3mm（視覺最清晰時的直徑）的光學(xué)系統(tǒng)。
大氣光學(xué)
大氣光學(xué)的現(xiàn)象在日常生活中都可以見到，如：彩虹、暈輪、海市蜃樓日冕、光環(huán)、天空顏色、日落與黎明現(xiàn)象、綠閃光、夜光云、極光等現(xiàn)象，這些現(xiàn)象都是由光與大氣中存在的物質(zhì)相互作用造成的。這些光學(xué)現(xiàn)象基于分子和粒子對光的散射，如：在純均質(zhì)空氣中發(fā)生的折射現(xiàn)象產(chǎn)生的“海市蜃樓”，散射現(xiàn)象產(chǎn)生的“藍(lán)天”；在非均質(zhì)大氣中，由于折射和反射，產(chǎn)生的“彩虹”，由于前后散射/衍射，產(chǎn)生的“日冕”等。
透鏡
透鏡是光學(xué)系統(tǒng)中最基本也是最常見的光學(xué)元件，它甚至可以獨(dú)立構(gòu)成最簡單的光學(xué)系統(tǒng)。透鏡具有廣泛的成像特性，能夠滿足各種成像要求。透鏡是由兩個折射面包圍的一種透明介質(zhì)構(gòu)成的光學(xué)元件，折射面可以是球面、平面或非球面。透鏡可以分為兩大類，一類為正透鏡，一類為負(fù)透鏡。透鏡光焦度大于零的常稱為正透鏡（或凸透鏡），光焦度小于零的常稱為負(fù)透鏡（或凹透鏡）。一般情況下，正透鏡對入射光束起會聚作用，如圖（a）所示；負(fù)透鏡對人射光束起發(fā)散作用，如圖（b）所示。按照透鏡形狀的不同，正透鏡又可分為雙凸透鏡、平凸透鏡及月凸透鏡，其統(tǒng)一的特征是中心厚度（或沿光軸厚度）要比邊緣厚度厚；負(fù)透鏡又分為雙凹透鏡、平凹透鏡及月凹透鏡，其特征是中心厚度比邊緣厚度薄。
望遠(yuǎn)鏡
望遠(yuǎn)鏡是一種特殊的光學(xué)放大鏡。它由鏡筒、物鏡、天文望遠(yuǎn)鏡目鏡及調(diào)節(jié)系統(tǒng)組成。其主要原理是利用物鏡和目鏡，對所視目標(biāo)進(jìn)行一定的放大。它在天文觀察和地面觀察中具有廣泛的應(yīng)用。有兩種不同類型的望遠(yuǎn)鏡，即天文望遠(yuǎn)鏡（也稱開普勒式望遠(yuǎn)鏡）和伽利略望遠(yuǎn)鏡（也稱荷蘭望遠(yuǎn)鏡）。
天文望遠(yuǎn)鏡
天文望遠(yuǎn)鏡由兩個正透鏡組成，第一個透鏡（稱為物鏡）對遠(yuǎn)距離的物體在焦平面附近成實(shí)像。接著，第二個透鏡（稱為目鏡）也成無限遠(yuǎn)的像，但角放大率可能增大或減小。由于焦距和均為正，角放大率根據(jù)式（2.200）為。因此，所成的像上下顛倒，沒有加裝倒像系統(tǒng)的天文遠(yuǎn)鏡對于地面觀察是不實(shí)用的。不過，對于天文學(xué)目標(biāo)或光學(xué)系統(tǒng)中的成像傳遞則沒有任何不利。此外，天文望遠(yuǎn)鏡的優(yōu)勢在于對無限遠(yuǎn)處的物體成像時，入射光瞳與物鏡重合。
伽利略望遠(yuǎn)鏡
伽利略望遠(yuǎn)鏡由一個焦距的正透鏡（物鏡）和一個焦距滿足或且的負(fù)透鏡（天文望遠(yuǎn)鏡目鏡）組成。當(dāng)然，可以將望遠(yuǎn)鏡旋轉(zhuǎn)180°以減少角放大率。伽利略望遠(yuǎn)鏡的另一個優(yōu)勢是角放大率根據(jù)式（2.200）為正，有。因此，成像是正立的，可以直接用于地面觀察。伽利略望遠(yuǎn)鏡的缺點(diǎn)是物鏡通過第二個透鏡的成像在兩個透鏡之間。因此，觀察眼無法接觸伽利略望遠(yuǎn)鏡的出射光瞳，觀察眼自身的光瞳作為整個系統(tǒng)的孔徑光闌，反而物體的直徑限制了視場。因此，伽利略望遠(yuǎn)鏡視場有限，且只能使用2~5倍的較小放大率。另一個缺點(diǎn)是加利略望遠(yuǎn)鏡無法傳遞實(shí)物的實(shí)像。因此，伽利略望遠(yuǎn)鏡無法用于將中間實(shí)像傳遞到光學(xué)系統(tǒng)的另一個平面。
顯微鏡
顯微鏡的出現(xiàn)突破了人眼天然的生理限制，把人類的視覺廷伸到了肉眼所不能看到的微觀世界，對生產(chǎn)、醫(yī)療及各種科學(xué)研究起到了重大的推動作用。顯微鏡是一種重要的目視光學(xué)儀器，廣泛應(yīng)用于各種科研領(lǐng)域和精密測量中。顯微鏡主要用于觀察近處的微小物體，其光學(xué)系統(tǒng)也主要由正物鏡光組和正天文望遠(yuǎn)鏡目鏡光組兩個部分構(gòu)成，光路原理如圖所示。
光纖
光導(dǎo)纖維（光纖）是現(xiàn)代光學(xué)中最重要的應(yīng)用之一。在通信領(lǐng)域，光纖通信利用光在光纖中傳播來傳輸信息，具有大容量、高速度等優(yōu)點(diǎn)。光纖的基本結(jié)構(gòu)是兩層同軸圓柱形透明介質(zhì)，內(nèi)層為纖芯，外層為包層。纖芯的折射率大于包層的折射率，它利用全反射將光約束在其內(nèi)，從而，使光線沿著光纖軸線方向傳播。光纖是信息時代極其重要的光通信技術(shù)的基礎(chǔ)，還廣泛應(yīng)用于工業(yè)、醫(yī)療等領(lǐng)域的傳感、傳光和傳能等，它已與現(xiàn)代社會生活密不可分，并將在信息社會發(fā)揮越來越重要的作用。
激光
1657年，法國數(shù)學(xué)家費(fèi)馬提出了關(guān)于光的傳播的一個基本原理，即費(fèi)馬原理。費(fèi)馬原理的具體表述為：光在空間兩定點(diǎn)間傳播，實(shí)際路徑是光程為平穩(wěn)的路徑。這里的“平穩(wěn)”是指極小值、極大值或恒定值。費(fèi)馬原理在激光技術(shù)中有重要應(yīng)用。產(chǎn)生激光的一個必要條件是“泵浦”，許多激光器采用光泵浦，為使泵浦光盡可能多地匯聚到工作物質(zhì)上，必須采取特殊的聚光腔。常用固體激光器如YAG激光器、紅寶石激光器、玻璃激光器等就是巧妙地根據(jù)費(fèi)馬原理設(shè)計(jì)聚光腔的。
光信息處理在照相顯示、干涉測量、顯微術(shù)和信息存貯與處理等實(shí)際應(yīng)用中得道廣泛引用，如在綜合孔徑雷達(dá)技術(shù)、現(xiàn)代象質(zhì)評價和圖像特征識別之中，利用空間光調(diào)制器就能進(jìn)行實(shí)時圖像處理；激光用于記錄高精度聲頻和視頻；在實(shí)時射頻頻譜分析儀中應(yīng)用的聲光學(xué)和集成光學(xué)等。激光的出現(xiàn)，使人們相繼發(fā)現(xiàn)強(qiáng)光物質(zhì)的新效應(yīng)，如超瑩光現(xiàn)象、光學(xué)雙穩(wěn)現(xiàn)象以及光在原子分子體系中選擇性的激發(fā)等，此外，非線性光學(xué)中的激光分離同位素憑借其分離系數(shù)高、成本低和能耗小的優(yōu)點(diǎn)在軍事和經(jīng)濟(jì)上具有特別的意義。
參考資料 >
這個你在物理課本上常常見到的男人，只上過兩年小學(xué).中科院物理所.2024-01-15