光學(xué)的就業(yè)方向

光學(xué)的就業(yè)方向

　　光學(xué)是研究從微波、紅外線、可見(jiàn)光、紫外線直到X射線和γ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)，著重研究的范圍是從紅外到紫外波段。

　　光學(xué)專業(yè)研究方向

　　該專業(yè)研究方向主要有：量子光學(xué)與量子信息、光電子科學(xué)與技術(shù)、光信息處理與計(jì)算設(shè)計(jì)、強(qiáng)激光與激光生物。

　　光學(xué)專業(yè)培養(yǎng)目標(biāo)

　　本專業(yè)培養(yǎng)具有堅(jiān)實(shí)的光學(xué)理論基礎(chǔ)和基本實(shí)驗(yàn)技能，具有較強(qiáng)的創(chuàng)新能力;了解本領(lǐng)域的發(fā)展現(xiàn)狀和研究動(dòng)態(tài)，熟悉光學(xué)發(fā)展的國(guó)際前沿動(dòng)態(tài);能從事科研、教學(xué)或承擔(dān)專門技術(shù)工作，具有較強(qiáng)的綜合能力、語(yǔ)言表達(dá)能力及寫作能力的高級(jí)人才。

　　光學(xué)專業(yè)就業(yè)方向

　　本專業(yè)畢業(yè)生除有一定比例考取博士研究生繼續(xù)深造外，還可到高等學(xué)校從事相關(guān)的教學(xué)科研，或在光電企業(yè)從事研發(fā)、工程技術(shù)和銷售等工作。

　　光學(xué)專業(yè)發(fā)展歷史

　　光學(xué)（optics）是一門有悠久歷史的學(xué)科，它的發(fā)展史可追溯到2000多年前。人類對(duì)光的研究，最初主要是試圖回答“人怎么能看見(jiàn)周圍的物體”等類問(wèn)題。約在公元前400多年，中國(guó)的《墨經(jīng)》中記錄了世界上最早的光學(xué)知識(shí)。它有8條關(guān)于光學(xué)的記載，敘述影的定義和生成，光的直線傳播性和針孔成像，并且以嚴(yán)謹(jǐn)?shù)奈淖钟懻摿嗽谄矫骁R、凹球面鏡和凸球面鏡中物和像的關(guān)系（見(jiàn)中國(guó)物理學(xué)史）。

　　自《墨經(jīng)》開(kāi)始，在2,000多年的歷史時(shí)期中，經(jīng)過(guò)了11世紀(jì)阿拉伯人伊本·海賽姆發(fā)明制作了凸透鏡，1590年到17世紀(jì)初H.詹森和H.李普希同時(shí)相互獨(dú)立地發(fā)明顯微鏡，直到17世紀(jì)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(jié)果，歸結(jié)為今天所慣用的光的反射定律和折射定律。

　　1665年牛頓進(jìn)行太陽(yáng)光的實(shí)驗(yàn)，它能把太陽(yáng)光分解成簡(jiǎn)單的組成部分，形成一個(gè)顏色按一定順序排列的光分布——光譜。它使人們第一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(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(shí)，則見(jiàn)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(shí)，則出現(xiàn)一組明暗相間的同心環(huán)條紋，后人把這種現(xiàn)象稱牛頓環(huán)。借助這種現(xiàn)象可用第一暗環(huán)的空氣隙的厚度來(lái)定量地表征相應(yīng)的單色光。

　　牛頓在發(fā)現(xiàn)這些重要現(xiàn)象的同時(shí)，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(lái)，在均勻介質(zhì)內(nèi)遵從力學(xué)定律作等速直線運(yùn)動(dòng)，并且用這種觀點(diǎn)對(duì)折射和反射現(xiàn)象作了解釋�；莞�斯是光的微粒說(shuō)的反對(duì)者，他創(chuàng)立波動(dòng)說(shuō)，1690年在《光論》一書中寫道：“光同聲一樣，是以球形波面?zhèn)鞑サ��！?并且指出光振動(dòng)所達(dá)到的每一點(diǎn)都可視為次波的振動(dòng)中心，次波的包絡(luò)面為傳播著的波的波陣面（波前）。在整個(gè)18世紀(jì)中，光的微粒流理論和光的波動(dòng)理論都被粗略地提了出來(lái)，但都不很完整。

　　19世紀(jì)初，波動(dòng)光學(xué)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”和雙狹縫干涉現(xiàn)象。菲涅耳于1818年以楊氏干涉原理補(bǔ)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干涉和衍射現(xiàn)象，也能解釋光的直線傳播。在進(jìn)一步的研究中，觀察到了光的偏 振和偏振光的干涉。為了解釋這些現(xiàn)象，菲涅耳假定光是一種在連續(xù)介質(zhì)（以太）中傳播的橫波。但是由此不得不把彈性固體的特性強(qiáng)加于以太，如此性質(zhì)的以太是難以想象的，并且即使承認(rèn)以太也沒(méi)有能把光學(xué)現(xiàn)象同其他物理現(xiàn)象聯(lián)系起來(lái)。

　　1846年法拉第發(fā)現(xiàn)了光的振動(dòng)面在磁場(chǎng)中發(fā)生旋轉(zhuǎn)；1856年W.韋伯發(fā)現(xiàn)光在真空中的速度等于電流強(qiáng)度的電磁單位與靜電單位的比值。它們表示光學(xué)現(xiàn)象與電磁學(xué)現(xiàn)象間有一定的內(nèi)在關(guān)系。

　　1860年前后麥克斯韋的理論研究指出，電場(chǎng)和磁場(chǎng)的改變，不能局限于空間的某一部分，而是以等于電流的電磁單位與靜電單位的比值的速度傳播著，光就是這樣一種電磁現(xiàn)象。這個(gè)結(jié)論在1888年為赫茲的實(shí)驗(yàn)證實(shí)。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(shù)為ε和磁導(dǎo)率為μ的透明介質(zhì)中的速度，則有：

　　c/v=(εμ)1/2

　　式中c/v恰為介質(zhì)的折射率，所以有：

　　n=(εμ)1/2

　　上式給出了透明介質(zhì)的光學(xué)常數(shù)n跟電學(xué)常數(shù)ε和磁學(xué)常數(shù)μ的關(guān)系。在認(rèn)識(shí)光的物理性質(zhì)方面，麥克斯韋理論較以前各種理論向前邁進(jìn)了一大步。

　　然而，這種理論不能說(shuō)明產(chǎn)生頻率高達(dá)光的頻率的電振子的性質(zhì)，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(chuàng)立電子論，才解釋了發(fā)光和物質(zhì)吸收光的現(xiàn)象，也解釋了光在物質(zhì)中傳播的各種特點(diǎn)，包括對(duì)色散現(xiàn)象的解釋。洛倫茲的理論中以太乃是廣袤無(wú)限的不動(dòng)的介質(zhì)，其唯一特點(diǎn)是，這種介質(zhì)中光振動(dòng)具有一定的傳播速度。

　　對(duì)于像熾熱的黑體的輻射中能量按波長(zhǎng)分布這樣重要的問(wèn)題，洛倫茲理論還不能給出滿意的解釋。并且，如果認(rèn)為洛倫茲關(guān)于以太的概念是正確的，則可將運(yùn)動(dòng)的以太選作參照系，使人們能區(qū)別出絕對(duì)運(yùn)動(dòng)。而事實(shí)上，1887年A.邁克耳孫等用干涉儀測(cè)“以太風(fēng)”得否定的結(jié)果，這表明到了洛倫茲的電子論時(shí)期，人們對(duì)光本性的認(rèn)識(shí)仍然有不少片面性。

　　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，認(rèn)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(zhǎng)分布的規(guī)律，而且以全新的概念提出了光與物質(zhì)相互作用的問(wèn)題。量子論不但給光學(xué)，也給整個(gè)物理學(xué)提供了新的概念，通常把它的誕生視為近代物理學(xué)的起點(diǎn)。

　　1905年，愛(ài)因斯坦運(yùn)用量子論于光電效應(yīng)之中，給光子作了十分明確的表示。他特別指出光與物質(zhì)相互作用時(shí)，光也是以光子為最小單位進(jìn)行的。此外，在19世紀(jì)末及20世紀(jì)初的許多實(shí)驗(yàn)都很好地證明了光的量子性。1905年9月，德國(guó)《物理學(xué)年鑒》發(fā)表了愛(ài)因斯坦的《關(guān)于運(yùn)動(dòng)介質(zhì)的電動(dòng)力學(xué)》一文。第一次提出了狹義相對(duì)論基本原理。文中闡明了從伽利略和牛頓時(shí)代以來(lái)占統(tǒng)治地位的古典物理學(xué)，其應(yīng)用范圍只限于速度遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于光速的情況，而他的新理論可解釋與高速運(yùn)動(dòng)有關(guān)的過(guò)程的特征。他根本上放棄了以太的概念，圓滿地解釋了運(yùn)動(dòng)物體的光學(xué)現(xiàn)象。

　　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(dòng)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(wú)可懷疑地證明了光的量子性——微粒性。

　　1922年發(fā)現(xiàn)的康普頓效應(yīng)，1928年發(fā)現(xiàn)的拉曼效應(yīng)以及當(dāng)時(shí)已能從實(shí)驗(yàn)上獲得的原子光譜的超精細(xì)結(jié)構(gòu)，它們無(wú)疑地表明光學(xué)的發(fā)展不能獨(dú)立于量子物理。

　　現(xiàn)代光學(xué)中光量子概念并不與光的波動(dòng)概念相排斥，不過(guò)需要借助于由海森伯、薛定諤、狄拉克、費(fèi)因曼、施溫格和朝永振一郎等人創(chuàng)建和發(fā)展起來(lái)的量子力學(xué)和量子電動(dòng)力學(xué)，才能把兩者統(tǒng)一起來(lái)。應(yīng)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(chǎng)、磁場(chǎng)和聲場(chǎng)對(duì)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(gè)最重要的基礎(chǔ)理論——量子力學(xué)和狹義相對(duì)論都是在人類關(guān)于光的研究中誕生和發(fā)展的。

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