光学（英文名：optics），光学是研究光的本性，研究光的发射、传播以及和物质相互作用规律的学科，是物理学各科中最古老的学科之一。狭义上来说，光学是关于光和视见的科学，“optics”一词早期只限于研究与眼睛和视觉相联系的自然现象。而现代的光学是研究从微波、太赫兹辐射、红外线、可见光、紫外线直到射线线和射线的宽广波段范围内的电磁辐射的产生、传播、接收和显示，以及与物质相互作用的科学，是研究电磁辐射的产生、传播、接收和显示，以及与物质相互作用的学科，着重研究的范围是从红外到紫外波段。

光学的起源于二三千年前。公元前4世纪，中原地区的《墨经》中便记载了许多光学现象。公元前300年，欧几里得的《反射光学》记载了关于球面镜的焦点的最早论述。光学科学与天文学、各类工程领域、摄影与医学（尤其是眼科和验光学，被称为生理光学）等众多相关学科相关，并在这些学科中得到研究。光学的实际应用可见于各种技术和日常用品中，包括人眼、大气光学、透镜、望远镜、显微镜、激光器和光纤。

光学是一门有悠久历史的学科，它的发展史可追溯到公元前2000多年前。约在公元前400多年，中原地区的《墨经》中记录了世界上最早的光学知识，古希腊的欧几里得（Euclid，约公元前330～260年）的《反射光学》（Catoptrica）研究了光的反射；阿拉伯帝国学者阿勒·哈增（人工智慧Hazen，965～1038年）写过一部《光学全书》，讨论了许多光学的现象。光学真正形成一门学科，应该从建立光的反射定律和折射定律的时代算起，这两个定律奠定了几何光学的基础。

公元前约2000年，中原地区齐山文化出土股商时期的铜镜，是人类早期应用光学原理仪器的例证。

公元前约1000年，中国西周公国承相周公在登封市县设置了世界上最早的计时器圭表，开启了人类利用太阳照射的影子来计时的先河。

春秋战国时期墨子（公元前 468—376 年）及其弟子所著《墨经》中记载：直线传播、光在镜面上的反射等现象，并提出了一系列的实验规律。这是有关光学知识的最早纪录。

公元前424年，希腊喜剧作家阿里斯托芬（Aristophanes，前446—前385年）在喜剧《云》的第二幕编写中，写了一段关于“用透明度极好的石头（玻瑞）点火”的对话，把这种石头放在阳光下，人们就能够“通过某一距离熔化那全部刻写”在蜡面上的“稿本”。

约公元前300年，古希腊数学家欧几里得（Euclid，前330—前275年）的著作《反射光学》（Catoptrics）中探讨了反射现象。在这本著作中发现了关于球面镜的焦点的最早论述。在该书的定理30中讲到，凹镜对准太阳时也能点火。

1世纪，制造玻璃的技术由埃及传到罗马，罗马人发明了吹管和吹制技术，从而生产出透明而美观的玻璃制品，罗马人开始用各种形状的透明玻璃做实验，逐步形成透镜形式。“透镜”这个词就是从拉丁语“lentil”演化过来的。

约10世纪，阿拉伯帝国学者阿勒·哈增（人工智慧Hazen，965 1038）写过一部《光学全书》，讨论了许多光学现。

11世纪，阿拉伯人伊本·海赛姆（AbuAliHasanbnAl—Haitham）发明透镜；他研究了球面与抛物面的反射镜的反射原理，奠定了光学成像的基础。

1299年，意大利人尼古拉·阿玛蒂（Amati）发明并制造了最早的眼镜。

1589年，波特（G.BD.Pa）研究了成像暗箱，并在论文《自然的魔法》中讨论了凸透和凸透镜组的组合成像问题。

1608年，荷兰科学家汉斯·李普希（Hans Lippershey）用会聚物镜与发散天文望远镜目镜建立了望远镜，1609年，意大利物理学家伽利略·伽利莱（Galileo Galilei）建立了他自己的李普希型望远镜并开始天文观测。1611年德国天文学家约翰尼斯·开普勒（Johannes Kepler）在其《折光学》（Dioptrics）中解释了会聚/发散透镜组成的望远镜与显微镜的工作原理，并论述了一种用凸透镜与会聚透镜组合的望远镜。1618年，德国天文学家克里斯多夫·沙伊纳（Christopher Scheiner）建立开普勒型望远镜并从此产生了第一台天文望远镜，望远镜技术的发展拓展了人类对宇宙的观测能力。

1657年，皮耶·德·费玛（Fermat）得出著名的费马原理，并从原理出发推出了光的反射和折射定律。这两个定律奠定了几何光学的基础，光学开始真正形成一门科学。

1665年，牛顿进行太阳光的光谱实验，他用棱镜把太阳光分解成单色组成部分，形成一个颜色按一定顺序排列的光分布一光谱。牛顿还发现了把曲率半径很大的凸透镜放在光学平玻瑞板上，当用白光照射时，则见透镜与玻璃平板接触处出现一组彩色的同心环状条纹；当用某一单色光照射时，则出现一组明暗相间的同心环条纹，后人把这种现象称为“牛顿环”。借助这种现象可以用第一暗环的空气隙的厚度来定量地表征相应的单色光牛顿在发现这此重要现象的同时，根据光的直线传播性，认为光是一种微粒流。微粒从光源飞出来，在均匀媒质内遵从力学定律做匀速直线运动。艾萨克·牛顿用这种观点对折射和反射现象进行了解释。

17世纪，光学发展出光的微粒说、光的波动说两大学说。光的微粒说的代表是英国科学家牛顿（Issac Newton，1642一1727年），他认为光是发光体所射出的微小粒子，所以是沿着直线行进的。这种学说只要假定光在水中的速度比空气中大，就很容易解释光的反射和折射现象；光的波动说以荷兰科学家克里斯蒂安·惠更斯（Cristian Huygens，1629一1695年）为代表，他认为光是一种称为“以太”的介质的快速振动，当以太受到光照而振动时，每一个以太点可以作为新的振动中心而向四周传播球面次波，这些次波组合后所形成的包络面是下一瞬间的新的波前，这就是著名的“惠更斯原理”。按照这个原理，波动说也顺利地解释了光的反射和折射定律。

1802年，英国科学家杨（Thomas Young，1773一1829年）利用波动说确切而完善地闹明了光的干涉现象，并对薄膜产生的彩色图案作出了解释，使光的波动说又前进了一步。

1818年，法国科学家非涅耳（Augustin J Fresnel，1788一1827年）参加了巴黎科学院征求关于闸明光的衍射现象这一有奖问题的辩论，使光的波动说开始为大多数学者所接受。菲涅耳以光的波动说为基础，把杨氏干涉的思想与惠更斯原理相结合，解释了在圆孔、直边、狭缝等物体边缘存在的光的衍射现象。菲涅耳的理论还完满地解释了光波的直线传播性。菲涅耳由此又进一步建立了一整套以“以太”振动维持横波性传递的理论，推导出两种不同偏振态的光波在界面上反射、折射的光强与入射角之间的关系式，即菲涅耳反射、折射公式，这一理论解决了一些光波在非均匀晶体中的传播问题，并在以后被许多学者进一步完善而称为光的“弹性以太理论”。

1845年，英国物理学家迈克尔·法拉第（Miohael Faraday，1791一1867年）发现了光的偏振面在强磁场中会发生旋转的现象，揭示了光和电磁现象之间的内在联系。1852年，德国物理学家韦伯（Wilhelm Eduard Weber）发现并测定了电荷的电磁单位与静电单位的比值等于光在真空中的传播速度，进一步说明了光和电磁之间的内在联系。1849年，法国物理学家菲索（A.Fizeau）测定了光速，1862年，傅科又使用旋转镜法得到了更加精确的测定值，并测定了光在水中的速度小于在空气中的速度，从而给光的波动说以充分精确的实验证明。光速的测定也为光的电磁理论提供了有力的证据。

1864年，詹姆斯·麦克斯韦（James Olerk 麦克斯威（上海）商贸有限公司，1831一1879年）电磁场理论的建立使光的波动说达到了成功的顶峰。麦克斯韦方程组对电磁规律作了高度的数学概括，其中引入位移电流的概念是对电磁场理论的重要发展。后来麦克斯韦又根据这些方程从理论上得出电磁波存在的预言和光是电磁波的论断。1888年，赫兹（HR Hertz，1857一1894年）用实验证明了电磁波在空间的传播。此后电磁波在无线电通讯中得到广泛的应用，成为当代文明生活的重要组成部分。詹姆斯·麦克斯韦关于光是电磁波的论断把电学、磁学和光学统一了起来。这一发展是19世纪科学史上最伟大的成就。

1896年，荷兰物理学家亨德里克·洛伦兹（Hendrik Antoon Lorentz，1853—1928年）创立了电子论。他假设物质是由带正负电荷的粒子组成：粒子在光场或其它交变电场的作用下，产生振动的偶极子，发出次波。用这样模型来说明光的吸收、色散、散射、磁光、电光等现象，甚至光的发射也是一般波动光学的内容。电磁波理论应用到品体称晶体光学。

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。他认为各种频率的电磁波，包括光，只能以各自确定分量的能量从振子射出，这种能量微粒称为量子，光的量子称为光子。量子论很自然地解释灼热体辐射能量按波长分布的规律， 以全新的方式提出了光与物质相互作用的整个问题。量子论不但给光学，也给整个物理学提供了新的概念，所以通常把它的诞生视为近代物理学的起点。

1905 年爱因斯坦发展了光的量子理论，成功地解释了光电效应，提出了波粒二象性。至此，光到底是“粒子”还是“波动”的争论得到解决：在某些方面，光表现的象经典的“波动”，在另一些方面表现的象经典的“粒子”，光有“波粒二象性”。这样，在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。

1916年，阿尔伯特·爱因斯坦预言原子和分子可以产生受激辐射。他在研究辐射时指出，在一定条件下，如果能使受激辐射继续去激发其他粒子，造成连锁反应，雪崩似地获得放大效果，最后就可得到单色性极强的辐射，即激光。这为现代光学的发展奠定了理论基础。

1922年，美国物理学家康普顿（A.H.Compton）一单色射线照射在石墨样品上，研究被石墨散射的射线他发现，虽然入射的射线是单一波长，但是被散射的射线包含两种波长，其中之一与原来的单射波波长相同，另一波长比射波波长要长，两波长差随散射角而变，这就是康普顿效应。同年，马克斯·普朗克（Planck）提出了一种新的理论—量子理论，他认为辐射不是连续的，而是量子化的。

1923年，康普顿发现当射线被物质散射时，其中有些散射光的波长比入射光的长长，他应用光子理论给予圆满地解释并提出了完整的散射论。

1950年，英国科学家伽柏（Daniel Gabor，1900一1979年）发明全息摄影技术，伽柏考虑到光波在物体上经反射和散射后，改变了它的振幅和相位。光波携带了该物体的信息，组成了一个新的波面而被接收或检测。所以，如能把这个新的波面设法在照相感光天然橡胶上记录下来，并在以后用特定的光照而使之再现那么便可以接收或检测到构成这个波面的物体的全部信息，这种方法又称为“波前重建”，伽柏进行了十分仔细而巧妙的实验研究，成功地摄制了包括光波强度与相位信息的全息照片。

1958年，美国科学家通斯（Charles Townes）及苏联科学家巴索夫（NikolaiG.Basov）、普洛赫洛夫（AleksandrMProkhorov）相继发表了在可见光波段的谐振腔大小并不一定要与光的波长尺寸相当这种可能性的设想。通斯提出，因为这样小的谐振腔是难于制造的，但是可以允许一个驻波在较大的腔内谐振。

1960年，西奥多·梅曼用红宝石制成第一台激光器；同年制成氦激光器；1962年产生了半导体激光器；1963年产生了可调谐染料激光器此后，光学开始进入了一个新的发展时期，以致于成为现代物理学和现代科学技术前沿的重要组成部分。激光具有极好的单色性、高亮度和良好的方向性，所以自发现以来得到迅速的发展和广泛应用，引起了光学领域和科学技术的重大变革。由于激光技术的发展突飞猛进，激光已经广泛应用于打孔、切割、导向、测距、医疗、通讯等方面，在核聚变等方面也有广阔的应用前景。同时光学也被相应地划分成不同的分支学科，组成一张庞大的现代光学学科网络。

1962年，由莱思（E.NLeith）及阿帕特内克斯（J.Opatnieks）改进了的全息术，由此形成了个新的学科领域一一光学信息处理领域。

在现代光学中，光子概念并不与光的波动概念相排斥，不过需要借助于由奥格·玻尔、马克斯·玻恩、埃尔温·薛定谔、海森伯格、沃尔夫冈·泡利、保罗·狄拉克、费密以及列夫·达维多维奇·朗道等人创建和发展起来的量子力学和量子电动力学，才能把两者统一起来。应用他们的理论可以阐明原子光谱、分子光谱和离子光谱，能解释电场、磁场和声场对光谱的效应，能建立激发条件和光谱特性的关系。光学历史表明，现代物理学中的两个最重要的基础理论--量子力学和狭义相对论都是在人类关于光的研究中诞生和发展的。

光学可以分为经典光学和现代光学两种。经典光学通常将光学为三类：几何光学（应用光学）、物理光学（波动光学和光子学）、量子光学。现代光学则主要分为傅里叶光学以及非线性光学。生理光学是研究光照对人体生理特别对人眼的作用和影响的学科。

经典光学则包括几何光学、波动光学和量子光学三种。

几何光学是一种以光直线传播规律、独立传播性质为基础的光学理论，在这一理论中还包括了光的折射光的反射定律，在几何光学中以光线概念为基础，将组成物体的物点看作集合点，将发出的光看作无数几何光线的集合，光线的方向就是传播方向。主要采用的光学仪器包括：透镜、棱镜、显微镜等。

波动光学是以光的电磁理论为主的一种光学分支理论，又称物理光学。将光的波长和位相作为基础，从光的波动出发，主要针对光在媒介中传播的各种规律，包括光的干涉、衍射、偏振等内容。

量子光学是基于激光提出来的一种光学分支理论，以光子流为基本观点，基于能量子假设、阿尔伯特·爱因斯坦光子理论的物理光学，主要表现出来的就是量子特征，在激光领域中得到了广泛应用。

现代光学以量子光学、激光理论与技术、非线性光学、以及现代光学信息处理技术与光电子技术等为标志，它们多是综合性很强的交叉学科。在现代光学阶段，人们更深刻地认识到光的基本属性是波粒二象性，量子电动力学理论能够对光场的波动—粒子二象性给出较为严格合理的表述，并经受了一系列精确实验的检验，仍是现代光学的理论基础。现代光学有两个重要分支，一支是信息光学又称傅里叶光学；另一支是强光光学，又称非线性光学。

傅里叶光学是在光学中引进傅里叶变换的概念之后所形成的近代光学的一部分。用傅里叶变换讨论物和象的变换关系是傅里叶光学重要内容之一。傅里叶光学仍是以波动光学原理为基础，讨论光的传播（干涉、衍射）及成象规律，而其基本思想却是用空间频谱的概念分析光信息，从而对光的衍射，成象规律，成象质量的评价有了新的认识。

在强光源激光作用下，介质中将出现很多新现象如谐波的产生光参量振荡、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，研究这些现象的学科称为非线性光学。

生理光学是研究光照对人体生理特别对人眼的作用和影响的学科。生理光学包括眼电生理，形觉、色觉、立体视觉，眼肌与斜视、调节与辐；病理光学包括屈光不正，屈光参差、弱视；应用光学包括眼镜学、验光学、近视眼的各种防治，同视机的应用等，眼的屈光系统是相当于一组综合的凸透镜。光线到达视网膜前必须经过一系列屈光间质。为此Helmholtz提出了模型眼的设计，把复杂的光学系统简化成模型眼，再将模型眼简化成一个简单的光学系统。简化眼的结点是整个眼屈光系统的光学中心，穿过此点的光线不被屈折，视网膜上所形成的物像正同凸透镜所形成的一样，是倒置了缩小的实像，左右两眼物像经过扣带皮层视中枢的分析，综合生理性回转，使人们在主觉上成为直立之正像。

通过光学的研究，可以引出许多重要的理论，如：根据惠更斯原理可以较好的解释光的直线传播，光的反射，折射等现象，其中费马原理是几何光学的基础原理；麦克斯韦方程组就是波动光学的基础，从麦克斯韦方程组出发，可以推出几何光学的主要内容；普朗克能量子假设、光子论的提出也为量子光学的发展打下基础；傅里叶光学的数学基础是傅里叶积分变换。

光通过两种介质的分界面时，单射光线、折射光线、法线在同一平面内；入射光线、折射光线分居于法线异侧；且折射角，与入射角满足关系：

式中，比例常数称为第二种介相对于第一种的相对折射率。某种介质相对于真空的折射率，称为该介质的（绝对）折射率；可以证明其中分别为光在真空和某种介质中的传播速度；，与介质特性及光波波长有关。由，可得：。

光通过两种介质的分界面时，单射光线、反射光线、法线在同一平面内；入射光线、反射光线分居于法线异侧；且反射角与人射角相等，即。

几何光学中最重要的原理是费马原理：在给定的两点间，光总是沿着光程为极值的路径传播。这个极值包括极大值、极小值和恒定值三种情况。

，式中，为介质的折射率。利用费马原理可以推导出光的直线传播定律、光的反射定律、折射定律以及光路可逆原理（如果光沿某一路径传播，则当光倒逆方向时，必将沿同一路径传播）。

克里斯蒂安·惠更斯原理可表述为任何时刻波面上的每一点都可作为次波的波源，各自发出球面波，在以后的任何时刻，所有这些次波的包络面形成整个波在该时刻的新波面。从此原理出发可由某一时刻己知的波面，用几何作图的方法求出另一时刻波面的位置。根据惠更斯原理可以较好的解释光的直线传播，光的反射，折射等现象，但无法具体解释光的衍射等现象。

波面上每个面积元都可看成新的波源，它们均发出次波，波面前方空间某一点的振动可以由面上所有面积元所发出的次波在该点迭加后的合振幅来表示。其中面积元所发出的各次波的振幅和位相符合下列四个假设：

第一，在波动理论中，波面是一个等位相面，所有次波具有相同的初相位。第二，次波在点处的振幅与成反比。第三，从面元所发出的次波在处的振幅正比于的面积，且与转轴倾角有关。第四，次波在点处的位相，由光程决定，依据上述原理，可以算出，己知面积元发出的次波在点的合振动可表示为：

其中，为随着角增大而级缓慢减小的函数，为比例常数。将波面上所有面积元在点的作用加起来即可求得波面在点所产生的合振动：

利用惠更斯—费涅耳原理原理不仅可以解释惠更斯原理所能解释的现象，还可以较好地解释光束通过各种障碍物所发生的衍射现象。

波动光学中，当两列频率相同、振动方向相同、相位相同或相位差恒定的简谐波的叠加，这样的两列波在空间相遇时，两个分振动有相同的频率、相同的振动方向和恒定的相位差，这样在两波相遇区域内的不同点，有的合振动始终加强，有的合振动始终减弱甚至完全抵消，呈现一幅稳定的振动图像，这种现象称为波的干涉。能产生干涉现象的波称为相干波，它们满足的条件称为相干条件，相应的波源为相干波源。

下面分析两列相干波在相遇区域干涉加强和减弱的条件。设有两个相干波源、，如下图所示，它们的简谐振动方程分别为

若这两个波源发出的波在同一介质中传播，则其波速相同，波长也相同，设介质对波的能量没有吸收，两波源到点的距离分别为、，则两列波在点的振动方程分别为：

这是两个同方向、同频率的简谐振动，其合振动也是简谐振动。设合振动方程为式中为合振动振幅，可得（1）

合振动的初相位由式，即

两个分振动的相位差为（2）可以看出，点处合振动振幅的大小与两分振动的相位差密切相关，式（2）所示的相位差是由波源的初相位和波源到点的波程差决定的，不随时间发生变化，故合振幅也不随时间变化，空间各处的振幅和强度是稳定的。由式（1）可知，当相位差满足，则，合振幅最大，这些点振动始终加强，称为干涉加强。若，则，合振幅最小，这些点振动始终减弱，称为干涉减弱。

波动光学中，光在传播的过程中，偏离直线传播方向而绕到障碍物的后面的现象称为光的衍射现象。只有障碍物的尺寸跟波长差不多时，才能观察到明显的衍射现象。可见光波长的数量级是，比一般的障碍物或孔要小得多，所以难以观察到明显的光的衡射现象，光在遇到障码物时都会留下清晰的影子。衍射条纹和干涉条纹的最大不同，是衍射条纹为不等间距的明暗条纹，中间最亮最宽，边缘变窄变暗。中央明纹的宽度常以中央明纹中心与第一级所对应的衍射角表示，称为中央明纹的半角宽度，设狭缝的宽度为，入射光波长为，有：

约瑟夫·冯·夫琅和费圆孔衍射工程图由轴对称的中心亮斑（爱里斑）和一些同心亮环组成，爱里斑的半角宽度为：，此式也称为圆孔衍射的反比关系，式中为圆孔直径，爱里斑的中心是几何光学像点。根据夫琅禾费圆孔衍射规律和瑞利判据，可以得出圆孔光学仪器（望远镜）的最小分辨角为：，式中为圆孔直径，上式就是爱里斑的半角宽度。

偏振指的是振动方向对于传播方向的不对称性，偏振是横波区别于纵波的一个最明显的标志。根据光矢量振动方向的分布，将光分为自然光和偏振光，而偏振光又可分为线偏振光部分振光、圆及圆偏振光。无论是自然光还是偏振光通过偏振片后均成为光振动沿偏振化方向的线偏振光，利用偏振片产生线偏振光的过程称为起偏。偏振片还可以用来检测入射光的偏振状态，称为检偏。马吕斯定律给出了线偏振光通过偏振片后其强度变化的规律。

偏振光透过检偏器后透射光的光强时，如果入射线偏振光的光强为，则透射光的光强为：，式中，为检偏器的偏振化方向和入射线偏振光的光矢量振动方向之间的夹角。这就是马吕斯定律。

麦克斯韦方程组就是波动光学的基础，从麦克斯韦方程组出发，可以推出几何光学的主要内容。詹姆斯·麦克斯韦方程是电磁场理论的基石，它是一组描述电场、磁场与电荷密度、电流密度之间关系的偏微分方程，由四个定律组成：描述电荷如何产生电场的高斯定律、论述磁单极子不存在的高斯磁定律、描述电流和时变电场怎样产生磁场的麦克斯韦—安培定律、描述时变磁场如何产生电场的迈克尔·法拉第感应定律。麦克斯串方程由四个方程组成，其微分形式如下：

，式中，为磁场强度；为电场强度；为电位移矢量，用于描述电场的辅助物理量，用符号表示，其定义式为：，式中，为电场强度；为极化强度；为真空介电常数，；为电位移；为磁感应强度；为总电荷密度。

绝对黑体是指在任何温度下全部吸收一切外来电磁辐射的物体。黑体辐射的理论研究涉及到热力学、统计物理和电磁学，19世纪末，维恩瑞利（Lord Rayleigh）和金斯（J.HJeans）推出的公式皆不能使人满意，德国物理学家马克斯·普朗克（M Panck）以维恩瑞利—金斯两公式为基础首先提出了一个试探性的公式：

上式就是普朗克公式，这公式是以频率为变量写出的，也可以换算到以波长为变量。式中是玻尔兹曼常数，称普朗克常数，其精确值是

在高频区，马克斯·普朗克公式与维恩公式一致；在低频区又与瑞利—金斯公式一致，普朗克认为公式与实验数据如此符合绝不是偶然的，公式中一定包含有某种合理的因素，因此，他开始着手寻找这个公式的理论根据，他把腔壁上的据动原子看作是振荡电偶极子，由它们发射或吸收腔内的电磁波，并导出

（1）

式中为振动原子的平均能量。从经典物理学可知原子振动能量遵守玻尔兹曼分布，考虑到能量可以连续地取值，平均值应由下列公式计算：

积分后得到

这显然是能量均分定理的结果，如将代式（1）即能得到瑞利和金斯曾推导出的公式，实验已表明这公式在高频区是不正确的，因为按公式率高的能量越多，则热辐射主要应是紫外线和射线，而实际并非如此，此外，还会得到黑体的辐出度

的荒谬结果，在历史上曾将瑞利一金斯公式遇到的困难戏称为“紫外灾难”。马克斯·普朗克为摆脱上述困难，他发现必须使腔壁上原子的振动能量取分立值才能得到上述普朗克公式，由此他提出以下假设：原子的振动能量不是连续地取值，只能取最小能量的整数倍而能量同频率成正比，可写成振动的原子在发射和吸收能量时，是以为单元，一份一份进行的，可称为能量子，以上假设称为普朗克能量子假设。

1905年，阿尔伯特·爱因斯坦为了解释光电数应，在普朗克能量子假设的基础上提出了光量子概念。他认为，光不仅在发射和吸收时具有粒子性，而且在空间传播时也具有粒子性，光在真空中是以光速传播的粒子流，这些粒子称为光量子，简称光子。对于频率为的光束，每一个光子的能量（为普朗克常数）。

频率越高的光束，其光子能量越大；对给定频率的光束来说，光的强度越大，就表示光子的数目越多，由此可见，对单个光子来说.其能量决定于频率，而对一束光来说，其能量既与频率有关，而且还与光子数有关。阿尔伯特·爱因斯坦认为，当频率为的光束照射在金属表面上时，一个电子一次吸收一个光子。电子获得光子的全部能量，当入射光的频率足够高时，可以使电子具有足够的能量从金属表面逸出，逸出时所需要做的功，称为逸出功，多余的能量则转化为电子逸出后的初动能。根据能量守恒定律。应有

此方程称为爱因斯坦光电效应方程，逸出功与金属的种类有关。利用阿尔伯特·爱因斯坦光电效应方程，可以圆满地解释光电效应的实验规律。第一，当光子的频率增为时电子的初动能为0，电子刚好能逸出金属表面，即为前述的红限频率，其值为。显然，只有当频率大于的入射光照射在金属上，电子才能逸出金属表面，如果入射光的频率小于，电子吸收光的能量小于逸出功，则无法逸出金属表面；第二，只要，电子就能从金属表面出而无需积累能量的时间，光电子的逸出和光的照射几乎是同时发生的；第三，光的强度越大，光束中所含光子的数量就越多，因此只要入射光的频率大于红限频率，随着光子数的增加，单位时间内吸收光子的电子数也增多，光电流就增大，因此光电流与人射的强度成正比。

傅里叶光学的数学基础是傅里叶积分变换，而光的标量衍射理论是其物理基础。傅里叶积分变换

数学分析中的许多函数都可以表示为形如的勒贝格积分或反常黎曼积分，由这种类型的等式（其中可以是实的，也可以是复的）定义的函数称为的积分变换，在被积函数当中出现的函数称为变换的核，积分变换在纯粹数学和应用数学中使用得都非常广泛，它们在解某些边值问题和某些类型的积分方程时尤为有用，下面列举了几种使用更为普遍的变换：

指数傅里叶变换：

傅里叶余弦变换：

傅里叶正弦变换：。

1755年，德国哲学家伊曼努尔·康德发表《自然通史和天体论》，提出了关于太阳系起源的星云假说，康德的星云假说，第一次把自然界看成是一个发展和变化的过程。18、19世纪，伴随着物理学，尤其是牛顿力学的确立，以及观测手段的改进，天文学的观测视野也在逐渐扩展，天文学领域获得了一系列发现，观测视野更从太阳系拓展到了银河系。而天体物理学的兴起则让天文学家开始了对天体进行光谱研究与分类的新探索。人类对宇宙天体的认识有了质的飞越，对宇宙的认识又跨人了一个新阶段。法国科学家皮埃尔-西蒙·拉普拉斯的《天体力学》达到了数理天文学的又一高峰。其次，英国的天文学家在天文观测方面又有新的进展，其中突出的有詹姆斯·布拉德雷发现了光行差，赫舍尔发现了天王星和双星。19世纪，随着光学由几何光学向物理光学的发展，以光学仪器为主要观测工具的天文学也由方位天文学进入了天体物理学。

光学测量是一种非常重要的计量方法。尽管光学测量技术发展迅速，但它并不是一门新的学科。光学测量技术的出现，对物理科学的发展产生了很大影响。随着16世纪末显微镜的发明和17世纪早期望远镜的出现，光学测量技术为深入研究微观和宏观世界发挥了重要作用。19世纪，摄影和光谱学的发展也可认为是光学测量的里程碑，特别是光谱学为研究物质的微观结构提供了重要手段。在20世纪，光学测量为自然科学的发展做出了重要贡献，一系列荣获诺贝尔奖的成果就证明了这一点。这些成果包括：用于光谱和计量研究的精密干涉仪（A.Michelson）、相差显微镜（F.Zernike）、全息学（D.Gabor）、激光非线性学（N.Bloembergen、A.Schawlow）、超精密激光光谱技术（J.Hall、T.Hansch）和CCD传感器（检测光辐射的电荷耦合元件，W.Boyle、G.Smith）等。

利用光学构像的原理，将被摄景物反射的光线通过物镜在像面上构成光学影像，然后利用感光材料真实地记录此光学影像，再经摄影处理以获得稳定影像的全过程，叫做摄影。在理论上和实践上分析和探讨各种获得摄影影像的过程及操作技术称为摄影学。在一定意义上讲，摄影就是一门以光学和化学为基础的技术科学。它的物质构成和活动过程都离不开光学、化学、物理学、电子学、色彩学，及至数学等所提供的各种可能和条件。现代的红外线摄影、显微摄影、全息摄影、立体摄影等，以及各种高性能镜头和感光材料等，都是由于科学技术的高度发展而出现的。

强飞秒脉冲可以对于特定的材料进行最佳脉冲宽度优化，可以大大提高破坏或烧蚀的可靠性和定位精度，随着超短激光脉冲的发展，结构光学可以对化学和生物学的进展发挥重要作用，以激光为基础的光电子光谱学和飞秒化学在研究跃迁状态、控制反应途径以及选键化学等许多领域内已经产生了新的结果，飞秒激光、巧妙的脉冲成形方法、理论和计算能力的结合，使光控制化学成为一种可能方式，截至2007年，用固体激光产生超短脉冲方法使飞秒技术的快速发展，固体技术为科学应用带来更高的可靠性、更短的脉冲和更大的功率，对超快激光的光学材料和飞秒脉冲处理器件的研究继续起着关键的作用。

激光发明后，半导体砷化镓的激光二极管有了广泛的应用，二极管激光的应用包括数据存储、光学显示、远距离通讯、地区网络通讯、传感器以及医学。截至2007年，研究的关键课题是将激光二极管的波长扩展到蓝色，蓝色激光二极管如果在将来研究成功，它可以在信息存储、光学显示、生物学得道广泛应用。

一般天文望远镜的实际分辨率远劣于光学系统的理论分辨率，大气运动的不稳定性使得这种波面畸变随时间不断变化，人们为实时校正这种波面畸变，提出了适应光学的概念，其基本思想是用一个阵列式传感器来探测波面畸变，使反射镜各小面元的高度和方位与该处的波面畸变相配合，从而将反射波修正为一平面波，组成一闭合反馈环路。为达到此种目的，人们需要在太空中设置一个作为比较的参考点源（灯标），如果该灯标所成像点达到最清晰，则位于该方向的观测目标的畸变也得到了较好的修正，21世纪以来，适应光学和激光灯标技术得到了迅速的发展，并在天文望远镜中得到了成功的应用。

光学的应用十分广泛。几何光学是各种光学仪器设计的基础；光的干涉可用于精密测量；光栅是重要的分光仪器，光谱分析是物质成分分析中的先进方法。

人眼与照相机原理相同，即在视网膜上对周围环境成倒立实像，眼球的屈光能力是由角膜和可变形的晶状体带来的，并通过晶状体对近距离物体进行调节，人们眼球的屈光度随年龄增加而降低，50岁以后屈光度逐变接近0dpt，需要佩戴眼镜以进行矫正，视力正常的人眼接近于受衍射限制的光瞳直径最高达3mm（视觉最清晰时的直径）的光学系统。

大气光学的现象在日常生活中都可以见到，如：彩虹、晕轮、海市蜃楼日冕、光环、天空颜色、日落与黎明现象、绿闪光、夜光云、极光等现象，这些现象都是由光与大气中存在的物质相互作用造成的。这些光学现象基于分子和粒子对光的散射，如：在纯均质空气中发生的折射现象产生的“海市蜃楼”，散射现象产生的“蓝天”；在非均质大气中，由于折射和反射，产生的“彩虹”，由于前后散射/衍射，产生的“日冕”等。

透镜是光学系统中最基本也是最常见的光学元件，它甚至可以独立构成最简单的光学系统。透镜具有广泛的成像特性，能够满足各种成像要求。透镜是由两个折射面包围的一种透明介质构成的光学元件，折射面可以是球面、平面或非球面。透镜可以分为两大类，一类为正透镜，一类为负透镜。透镜光焦度大于零的常称为正透镜（或凸透镜），光焦度小于零的常称为负透镜（或凹透镜）。一般情况下，正透镜对入射光束起会聚作用，如图（a）所示；负透镜对人射光束起发散作用，如图（b）所示。按照透镜形状的不同，正透镜又可分为双凸透镜、平凸透镜及月凸透镜，其统一的特征是中心厚度（或沿光轴厚度）要比边缘厚度厚；负透镜又分为双凹透镜、平凹透镜及月凹透镜，其特征是中心厚度比边缘厚度薄。

望远镜是一种特殊的光学放大镜。它由镜筒、物镜、天文望远镜目镜及调节系统组成。其主要原理是利用物镜和目镜，对所视目标进行一定的放大。它在天文观察和地面观察中具有广泛的应用。有两种不同类型的望远镜，即天文望远镜（也称开普勒式望远镜）和伽利略望远镜（也称荷兰望远镜）。

天文望远镜由两个正透镜组成，第一个透镜（称为物镜）对远距离的物体在焦平面附近成实像。接着，第二个透镜（称为目镜）也成无限远的像，但角放大率可能增大或减小。由于焦距和均为正，角放大率根据式（2.200）为。因此，所成的像上下颠倒，没有加装倒像系统的天文远镜对于地面观察是不实用的。不过，对于天文学目标或光学系统中的成像传递则没有任何不利。此外，天文望远镜的优势在于对无限远处的物体成像时，入射光瞳与物镜重合。

伽利略望远镜由一个焦距的正透镜（物镜）和一个焦距满足或且的负透镜（天文望远镜目镜）组成。当然，可以将望远镜旋转180°以减少角放大率。伽利略望远镜的另一个优势是角放大率根据式（2.200）为正，有。因此，成像是正立的，可以直接用于地面观察。伽利略望远镜的缺点是物镜通过第二个透镜的成像在两个透镜之间。因此，观察眼无法接触伽利略望远镜的出射光瞳，观察眼自身的光瞳作为整个系统的孔径光阑，反而物体的直径限制了视场。因此，伽利略望远镜视场有限，且只能使用2~5倍的较小放大率。另一个缺点是加利略望远镜无法传递实物的实像。因此，伽利略望远镜无法用于将中间实像传递到光学系统的另一个平面。

显微镜的出现突破了人眼天然的生理限制，把人类的视觉廷伸到了肉眼所不能看到的微观世界，对生产、医疗及各种科学研究起到了重大的推动作用。显微镜是一种重要的目视光学仪器，广泛应用于各种科研领域和精密测量中。显微镜主要用于观察近处的微小物体，其光学系统也主要由正物镜光组和正天文望远镜目镜光组两个部分构成，光路原理如图所示。

光导纤维（光纤）是现代光学中最重要的应用之一。光纤的基本结构是两层同轴圆柱形透明介质，内层为纤芯，散逸层为包层。纤芯的折射率大于包层的折射率，它利用全内反射将光约束在其内，从而，使光线沿着光纤轴线方向传播。光纤是信息时代极其重要的光通信技术的基础，还广泛应用于工业、医疗等领域的传感、传光和传能等，它已与现代社会生活密不可分，并将在信息社会发挥越来越重要的作用。

1657年，法国数学家费马提出了关于光的传播的一个基本原理，即费马原理。费马原理的具体表述为：光在空间两定点间传播，实际路径是光程为平稳的路径。这里的“平稳”是指极小值、极大值或恒定值。费马原理在激光技术中有重要应用。产生激光的一个必要条件是“泵浦”，许多激光器采用光泵浦，为使泵浦光尽可能多地汇聚到工作物质上，必须采取特殊的聚光腔。常用固体激光器如YAG激光器、红宝石激光器、玻璃激光器等就是巧妙地根据费马原理设计聚光腔的。

光信息处理在照相显示、干涉测量、显微术和信息存贮与处理等实际应用中得道广泛引用，如在综合孔径雷达技术、现代象质评价和图像特征识别之中，利用空间光调制器就能进行实时图像处理；激光用于记录高精度声频和视频；在实时射频频谱分析仪中应用的声光学和集成光学等。激光的出现，使人们相继发现强光物质的新效应，如超莹光现象、光学双稳现象以及光在原子分子体系中选择性的激发等，此外，非线性光学中的激光分离同位素凭借其分离系数高、成本低和能耗小的优点在军事和经济上具有特别的意义。