1 光學發展史 幾何 光學 波動 光學 量子 光學 現代 光學 牛頓 惠更斯愛因斯坦 德布羅意 粒子說波動說光子說 二象性

2 光學理論體系 幾何光學 ： 反射、折射、透鏡 經典光學 波動光學 ： 干涉、繞射、偏振 光學 量子光學 ： 光的發射、吸收、相互作用 鐳射原理及應用 傅立葉光學、全像光學 現代光學 鐳射光譜學 非線性光學

3 光學發展簡史 _ 反射定律 墨翟 （ 468 ～ 376 B.C. ） 所著的 墨子一書，載有光的直線傳 播、面鏡成像等現象，並對 面鏡成像提出一些經驗規則 歐幾里德 （ Euclid, 330 ～ 275 B.C. ，希臘人） 在光學一書中對 平面鏡成像進行研究，並指 出反射角與入射角相等的關 係

4 光學發展簡史 _ 折射定律 阿爾哈金 （ Alhazen, 965 ～ 1038 ， 阿拉伯人） 研究球面鏡、拋物 面鏡，並發明凸透鏡以及描 繪眼構造 伽利略首先使用天文望遠鏡 1607 年還嘗試測量光速但 未成功； 司乃耳 （ Willebrord Snell, 1591 ～ 1626 ，荷蘭人） 由實驗歸納出 折射定律

5 光學發展簡史 格里馬第（ Francesco Grimaldi, 1618 ～ 1663 ，義大利人）首先觀 察到光的繞射（ diffraction ）現象。 牛頓曾以稜鏡進行光的色散實驗， 發現白光是由數種色光所組成 _ 色 散現象。 隆美耳（ Ole RÖmer, 1644 ～ 1710 ， 丹麥人）由觀測木星的衛星，首 次測定光速約為 2.15×10 8 m/s

6 光學發展簡史 _ 光的粒子說 牛頓開始思考光的本質究竟為何？ 他從自己所建立的力學觀點出發， 發表光的「粒子說」，認為光是 由微小粒子組成，並遵守力學定 律，因而可解釋光的直線傳播， 並推導出光的反射與折射定律。 同時也預測了光在介質中（如水 或玻璃等）的光速比在空氣中快。

7 光學發展簡史 _ 光的波動說 惠更斯（ Christiaan Huygens, 1629 ～ 1695 ，荷蘭人）則提出光的「波動 說」，經由充滿在宇宙空間中的以太 （ ether ），像水波般向四面八方傳播。 由波的現象也可以說明反射定律及折 射定律，並且預測光在介質中的速率 應較空氣中慢。

8 光學發展簡史 _ 光的波動說 ( 干涉 實驗 ) 十九世紀初期，楊氏 （ Thomas Young, 1773 ～ 1829 ，英國人） 以實驗 證實了光的干涉現象，這是波 動說才能解釋的現象

9 粒子與波的爭論 _ Poisson's spot (1) Fresnel and Poisson In 1818 the French Academy held a competition for scientists. Fresnel entered with a paper about diffraction of light. Diffraction is when a wave bends to get behind something. Particles don't do that. If you hold a shield in front of you, you don't have to worry about things bending around it to get at you. However, waves do diffract. If you watch a wave go past something like a big rock in the water, you see that it bends and gets in behind the rock. If light diffracts then it is a wave. One of the judges, Poisson, hated the wave theory. He was sure that light was made of particles. Fresnel's paper was brilliant, but Poisson was determined that it couldn't win. So Poisson thought about it and said that it light diffracts then shadows can't be completely black, some of the light bends to get behind. If you look at the shadow of a small circular object, the light bending from all sides would add up especially strongly in the middle. This means that in the middle of the shadow, there would be a faint bright spot. Poisson was now convinced that he had shown how ridiculous the wave theory really was. He presented his idea to the other judges to prove that they couldn't possible make Fresnel the winner.

10 粒子與波的爭論 _Poisson's spot (2) Another judge, Arago, decided to test it for himself. He did the experiment as Poisson had described and discovered - to everybody's surprise - that there was indeed a bright spot in the middle of the shadow! So instead of proving that Fresnel was wrong, Poisson had done something very important for proving that Fresnel was right - he had used Fresnel's theory to make a prediction that was so wild sounding that if it was true it almost certainly meant that Fresnel's theory was right. Poisson had to give up! He had proven the thing he wanted to show was wrong. Fresnel won the contest, and the spot was named Poisson's Spot. This gives him the credit he deserves for his part of proving the theory to be true, but it was also very embarrassing for him.

11 光學發展簡史 _ 測量光的速度 1850 年兩位法國人菲左（ Armand Fizeau, 1819 ～ 1896 ）和傅科（ Jean Foucault, 1819 ～ 1868 ）分別 測出光在空氣中及水中的速率，確認在水中的光速較 慢，使光的「波動說」得以確立

12 光學發展簡史 _ 電磁學理論 馬克士威建立了電磁學理論，推導 出電磁波的存在，並算出電磁波以 光速傳播，因而認為光是一種電磁 波。

13 光學發展簡史 _ 證實電磁波存在 1888 年赫茲以實驗證實了電磁波的存在。 電磁波的波長範圍極廣，由伽傌射線約 m 到無線電 波約 10 9 m 。可見光也屬於電磁波，波長範圍僅為電磁波 譜中極窄的一段，約在 400nm （紫光）到 750nm （紅光） 之間

14 光學發展簡史 _ 光波有粒子性 二十世紀初期，因電磁波理論無法 解釋光電效應（ photo-electric effect ） 的結果，而由愛因斯坦（ Albert Einstein, 1879 ～ 1955 ，德裔美國人） 提出「光子說」才得到圓滿的解釋， 他認為電磁波是由許多「光子」組 成，具有粒子性

15 光學發展簡史 _ 光的二象性 今天，我們認為光有時呈現波動性，有時 呈現粒子性需要視光與周遭所處狀況來決 定其性質。光的粒子性與波動性須交互使 用，才能完整地描述光的現象。

16 西元前 400 年 《墨經》︰ 光的幾何性質記錄 西元前 300~400 年 歐幾裡德︰ 光的直線傳播 開普勒（德）︰光照、光疏密性質、全反射 1621 年 斯涅爾（荷）︰折射定律 1655 年 格拉馬蒂（意）︰繞射、薄膜干涉現象 牛頓 ( 英 ) ︰提出光的粒子說 惠更斯（荷）︰提出光的波動學說。（以太介質） 1801 年 湯馬斯. 楊（英）︰楊氏雙縫干涉 1808 年 馬呂斯（法）︰光的偏振（光是橫波） 1811 年 布儒斯特（英）︰雙軸晶體 結論

17 結論 1818 年 菲涅爾（法）︰惠更斯 ─ 菲涅爾原理 洛埃︰洛埃鏡實驗 半波損失 ─> 為波動說奠定基礎。 1849─62 年 菲索和傅科（法）光速測量︰ ─> 證實波 動說 1872 年 麥克遜和莫雷（美）︰以太尋找實驗 1872 年 麥斯威爾︰建立 Maxwell 方程，光速，光是電 磁波 1886 年 赫茲（德）︰證實電磁波 1905 年 愛因斯坦︰光的量子學說 ─> 光的粒子性 相對論 ─> 光速