光學(xué)是物理學(xué)中古老的學(xué)科，又是當(dāng)前科學(xué)研究中最活躍的學(xué)科之一，推動著人類對自然的認(rèn)知和人類社會的進(jìn)步。

聯(lián)合國教科文組織宣布2015年為“光和光基技術(shù)國際年”(簡稱國際光年)，以紀(jì)念千年人類在光領(lǐng)域的重大發(fā)現(xiàn)。光科學(xué)及其應(yīng)用帶來了直接改變?nèi)祟惢顒拥母锩�性的技術(shù)，但是，這些重要的技術(shù)進(jìn)步卻常常未能吸引人們的關(guān)注。國際光年是推進(jìn)光和光基技術(shù)進(jìn)步、深化國際光學(xué)領(lǐng)域合作、促進(jìn)光學(xué)學(xué)術(shù)交流、普及光學(xué)民眾教育的一次重要契機(jī)，成為在國際光學(xué)工程領(lǐng)域產(chǎn)生廣泛深遠(yuǎn)影響的一年。

 2015 國際光年

2018年5月16日，確定每年的這一天為國際光日，以紀(jì)念1961年這一天的紅寶石激光誕生。光日的四大理念在于：1. 光在人類活動最基本的層面發(fā)揮了最核心的作用。光是生命本身的起源，比如光合作用，沒有光合作用人類將無法生存。2. 以光為基礎(chǔ)的工業(yè)是主要經(jīng)濟(jì)驅(qū)動力，光的許多應(yīng)用通過醫(yī)學(xué)、通信、娛樂和文化徹底改變了社會。例如，光基技術(shù)通訊提供信息促進(jìn)可持續(xù)發(fā)展，提高社會健康和福祉，直接影響人類的需求。3. 以光為基礎(chǔ)的技術(shù)越來越多的為全球挑戰(zhàn)提供解決方案，包括太陽能利用，特別是能源、教育、農(nóng)業(yè)和公共衛(wèi)生等領(lǐng)域，應(yīng)用光基技術(shù)改善發(fā)展中國家的生活質(zhì)量是實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展重要目標(biāo)的關(guān)鍵。4. 隨著光成為21世紀(jì)科學(xué)與工程交叉的關(guān)鍵學(xué)科，全世界已經(jīng)充分認(rèn)識到光學(xué)研究的重要性，以及光基技術(shù)對全球發(fā)展的重要性。同樣重要的是，最聰明的年輕人繼續(xù)被這個領(lǐng)域的科學(xué)和工程事業(yè)所吸引。

二、光的認(rèn)知?dú)v程

光的認(rèn)知過程可簡單劃分為兩個階段，17世紀(jì)以前的直觀體驗(yàn)階段和17世紀(jì)以后的科學(xué)認(rèn)知階段。

中國人在直觀體驗(yàn)的感性認(rèn)知上是很有創(chuàng)造力的。公元前400 年，墨子用很美的詞句來描述了光的直線傳播和小孔成像，這是最早的小孔成像技術(shù)記載�！熬�，光之人，煦若射，下者之人也高；高者之人也下，足蔽下光，故成景于上，首蔽上光，故成景于下……”。指出了小孔成倒像的根本原因是光的“煦若射”，以“射”來比喻光線徑直向、疾速似箭遠(yuǎn)的特征。西漢時期記載，我們的祖先將冰削成球狀，對著太陽，在太陽的“影子”位置點(diǎn)燃艾草生火。這是世界上最早的光的聚焦和對太陽能利用的范例。公元500年左右，唐朝記載光是有顏色的，且顏色是光照到雨滴上產(chǎn)生，是光的本質(zhì)而不是雨滴的性質(zhì)。古人很早就提出了這個概念，但很遺憾并沒有進(jìn)一步從數(shù)學(xué)角度對這些光學(xué)現(xiàn)象進(jìn)行描述，進(jìn)入17 世紀(jì)我國在光學(xué)領(lǐng)域的發(fā)展與世界水平逐漸有了差距。

17世紀(jì)光學(xué)在歐洲誕生了，歐洲成為了當(dāng)時光學(xué)研究的前沿陣地。幾何光學(xué)和波動光學(xué)，從數(shù)學(xué)和科學(xué)的角度描述了光。幾何光學(xué)闡述了光的直線傳播、反射、折射等，波動光學(xué)闡述了光是一種電磁波，光學(xué)研究進(jìn)入了科學(xué)認(rèn)知的歷程�？茖W(xué)認(rèn)知即光的科學(xué)，需要了解光的本性是什么、光是怎么產(chǎn)生的、怎么傳播的，以及與物質(zhì)的相互作用，甚至通過物質(zhì)的相互作用怎么去調(diào)控光，這些也正是光科學(xué)研究主要內(nèi)容。

幾何光學(xué)是光學(xué)發(fā)展史上的轉(zhuǎn)折點(diǎn)，在這個時期建立了光的反射定律和折射定律，奠定了幾何光學(xué)的基礎(chǔ)。其中最重要的是光的折射定律，折射率決定了光的傳播和光的相互作用，是光學(xué)研究中最基本的數(shù)值，介電常數(shù)與極化率等都是與折射率緊密關(guān)聯(lián)的常數(shù)。折射定律的出現(xiàn)和應(yīng)用奠定了光纖通訊的基礎(chǔ)。折射定律在人類生活中也經(jīng)常被發(fā)現(xiàn)，比如海市蜃樓的現(xiàn)象。當(dāng)光線在同一密度的均勻介質(zhì)內(nèi)傳播時，光的速度不變并且以直線方向前進(jìn)。可是當(dāng)光線傾斜地由一個介質(zhì)進(jìn)入另一密度不同的介質(zhì)時，光的速度就會發(fā)生改變，行進(jìn)的方向也發(fā)生曲折，這是因?yàn)檎凵渎实牟煌瑳Q定了光的傳播的角度不同。假如在地平線下有一艘輪船，一般情況下是看不到它的。如果在冰冷的海面上，下層空氣溫度低、密度大，上層空氣溫度高、密度小。由于這時空氣下密上稀的差異較大，來自船舶的光線先由密的氣層逐漸折射進(jìn)入稀的氣層，由于折射率的連續(xù)變化，光線發(fā)生彎曲，又折回到下層密的氣層中來，最后投入我們的眼中，就能看到輪船的像，即海市蜃樓的顯現(xiàn)。在沙漠里看到虛幻的樹木水源，也是同樣的原理。利用折射定律可以解釋生活中很多的科學(xué)問題和應(yīng)用問題。我們在科研實(shí)驗(yàn)中誕生的大的光學(xué)儀器也離不開折射原理的應(yīng)用，照相機(jī)，望遠(yuǎn)鏡等接連出現(xiàn)。隨著透鏡的發(fā)展，更進(jìn)一步促進(jìn)了幾何光學(xué)的發(fā)展。透鏡與物體之間的距離改變時成像會有不同，透鏡的組合還會增加放大倍率，從而實(shí)現(xiàn)了顯微鏡放大成像，人們可以看清楚微小的物體，這些對人類社會發(fā)展的影響非常大。