光的旅程：从古老奥秘到现代光学的辉煌

2024 年10 月 17 日，河南大学学术副校长陈雪波在科普中国说·河南专场“魅力化学 无限可能”主题场带来演讲《像素背后的魔法：一探屏幕发光材料的奥秘》。

以下为陈雪波的演讲节选：

光学是物理学中最古老的一个基础学科，又是当前科学研究中最活跃的学科之一。随着人类对自然的认识不断深入，光学的发展大致经历了萌芽时期、几何光学时期、波动光学时期、量子光学时期、现代光学时期等5个时期。

萌芽时期主要指公元前5世纪-16世纪，这一时期主要是“看见光”。春秋战国时期，墨子及其弟子在《墨经》中记载了小孔成像的实验，体现了对光直线传播的早期认识。《墨经》中提到“目以火见”，表明古人已意识到视觉依赖于光照。大气光学现象是中国古代光学最有成效的领域之一，早在周代由于占卜的需要，已建立了官方的观测机构，虽然他们的工作蒙上了一层神秘的色彩，但是对晕、虹、海市蜃楼、北极光等大气光学现象的观测与记载是长期、系统而又深入细致的，世所罕见。

在萌芽时期，光学发展比较缓慢。到15世纪末和16世纪初，凹面镜、凸面镜、眼镜、透镜以及暗箱和幻灯等光学元件相继出现，进入几何光学时期。

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几何光学时期主要指16世纪-18世纪初，这一时期可以称为光学发展史上的转折点。在这个时期建立了光的反射定律和折射定律，奠定了几何光学的基础。同时为了提高人眼的观察能力，人们发明了光学仪器，第一架望远镜的诞生促进了天文学和航海事业的发展，显微镜的发明给生物学的研究提供了强有力的工具。

19世纪初，波动光学初步形成，其中托马斯·杨圆满地解释了“薄膜颜色”和双狭缝干涉现象。菲涅耳于1818年以杨氏干涉原理补充了惠更斯原理，用它可圆满地解释光的干涉和衍射现象，也能解释光的直线传播。菲涅耳原理后来被进一步发展，成为现代波动光学中的一个核心概念，它能够解释光的干涉、衍射等现象，并在光学设计和光通信等领域有着广泛的应用。

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19世纪末到20世纪初，光学的研究深入到光的发生、光和物质相互作用的微观机制中。1900年，普朗克从物质的分子结构理论中借用不连续性的概念，提出了辐射的量子论。1905年，爱因斯坦运用量子论解释了光电效应。

20世纪初，一方面从光的干涉、衍射、偏振以及运动物体的光学现象确证了光是电磁波；而另一方面又从热辐射、光电效应、光压以及光的化学作用等无可怀疑地证明了光的量子性微粒性。光和一切微观粒子都具有波粒二象性，这个认识促进了原子核和粒子研究的发展，也推动人们去进一步探索光和物质的本质。

1960年美国休斯研究实验室的物理学家梅曼制造了第一台红宝石激光器，这台激光器的问世标志着激光技术的诞生，后来，联合国教科文组织还将每年的5月16日设为“国际光日”。激光问世以后，光学开始进入了一个新的时期。

在现代光学时期，由强激光产生的非线性光学现象正为越来越多的人们所注意。激光光谱学，包括激光喇曼光谱学、高分辨率光谱和皮秒超短脉冲，以及可调谐激光技术的出现，已使传统的光谱学发生了很大的变化，成为深入研究物质微观结构、运动规律及能量转换机制的重要手段。