【分享】光 学

1922年发现的康普顿效应，1928年发现的喇曼效应，以及当时已能从实验上获得的原子光谱的超精细结构，它们都表明光学的发展是与量子物理紧密相关的。光学的发展历史表明，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关于光的研究中诞生和发展的。

此后，光学开始进入了一个新的时期，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。其中最重要的成就，就是发现了爱因斯坦于1916年预言过的原子和分子的受激辐射，并且创造了许多具体的产生受激辐射的技术。

爱因斯坦研究辐射时指出，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。1960年，梅曼用红宝石制成第一台可见光的激光器；同年制成氦氖激光器；1962年产生了半导体激光器；1963年产生了可调谐染料激光器。由于激光具有极好的单色性、高亮度和良好的方向性，所以自1958年发现以来，得到了迅速的发展和广泛应用，引起了科学技术的重大变化。

光学的另一个重要的分支是由成像光学、全息术和光学信息处理组成的。这一分支最早可追溯到1873年阿贝提出的显微镜成像理论，和1906年波特为之完成的实验验证；1935年泽尔尼克提出位相反衬观察法，并依此由蔡司工厂制成相衬显微镜，为此他获得了1953年诺贝尔物理学奖；1948年伽柏提出的现代全息照相术的前身——波阵面再现原理，为此，伽柏获得了1971年诺贝尔物理学奖。

自20世纪50年代以来，人们开始把数学、电子技术和通信理论与光学结合起来，给光学引入了频谱、空间滤波、载波、线性变换及相关运算等概念，更新了经典成像光学，形成了所谓“博里叶光学”。再加上由于激光所提供的相干光和由利思及阿帕特内克斯改进了的全息术，形成了一个新的学科领域——光学信息处理。光纤通信就是依据这方面理论的重要成就，它为信息传输和处理提供了崭新的技术。

在现代光学本身，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。它为凝聚态物理学、分子生物学和化学的动态过程的研究提供了前所未有的技术。

光学的研究内容

我们通常把光学分成几何光学、物理光学和量子光学。

几何光学是从几个由实验得来的基本原理出发，来研究光的传播问题的学科。它利用光线的概念、折射、反射定律来描述光在各种媒质中传播的途径，它得出的结果通常总是波动光学在某些条件下的近似或极限。

物理光学是从光的波动性出发来研究光在传播过程中所发生的现象的学科，所以也称为波动光学。它可以比较方便的研究光的干涉、光的衍射、光的偏振，以及光在各向异性的媒质中传插时所表现出的现象。

波动光学的基础就是经典电动力学的麦克斯韦方程组。波动光学不详论介电常数和磁导率与物质结构的关系，而侧重于解释光波的表现规律。波动光学可以解释光在散射媒质和各向异性媒质中传播时现象，以及光在媒质界面附近的表现；也能解释色散现象和各种媒质中压力、温度、声场、电场和磁场对光的现象的影响。

量子光学 1900年普朗克在研究黑体辐射时，为了从理论上推导出得到的与实际相符甚好的经验公式，他大胆地提出了与经典概念迥然不同的假设，即“组成黑体的振子的能量不能连续变化，只能取一份份的分立值”。

1905年，爱因斯坦在研究光电效应时推广了普朗克的上述量子论，进而提出了光子的概念。他认为光能并不像电磁波理论所描述的那样分布在波阵面上，而是集中在所谓光子的微粒上。在光电效应中，当光子照射到金属表面时，一次为金属中的电子全部吸收，而无需电磁理论所预计的那种累积能量的时间，电子把这能量的一部分用于克服金属表面对它的吸力即作逸出功，余下的就变成电子离开金属表面后的动能。

这种从光子的性质出发，来研究光与物质相互作用的学科即为量子光学。它的基础主要是量子力学和量子电动力学。

光的这种既表现出波动性又具有粒子性的现象既为光的波粒二象性。后来的研究从理论和实验上无可争辩地证明了：非但光有这种两重性，世界的所有物质，包括电子、质子、中子和原子以及所有的宏观事物，也都有与其本身质量和速度相联系的波动的特性。

应用光学 光学是由许多与物理学紧密联系的分支学科组成；由于它有广泛的应用，所以还有一系列应用背景较强的分支学科也属于光学范围。例如，有关电磁辐射的物理量的测量的光度学、辐射度学；以正常平均人眼为接收器，来研究电磁辐射所引起的彩色视觉，及其心理物理量的测量的色度学；以及众多的技术光学：光学系统设计及光学仪器理论，光学制造和光学测试，干涉量度学、薄膜光学、纤维光学和集成光学等；还有与其他学科交叉的分支，如天文光学、海洋光学、遥感光学、大气光学、生理光学及兵器光学等。

好东西。谢谢.

光学分支学科主要包括以下方面

光学、几何光学、波动光学、大气光学、海洋光学、量子光学、光谱学、生理光学、电子光学、集成光学、空间光学

稍后给大家做一一介绍。

多谢分享,我们期待.

几何光学是光学学科中以光线为基础，研究光的传播和成像规律的一个重要的实用性分支学科。在几何光学中，把组成物体的物点看作是几何点，把它所发出的光束看作是无数几何光线的集合，光线的方向代表光能的传播方向。在此假设下，根据光线的传播规律，在研究物体被透镜或其他光学元件成像的过程，以及设计光学仪器的光学系统等方面都显得十分方便和实用。

但实际上，上述光线的概念与光的波动性质相违背，因为无论从能量的观点，还是从光的衍射现象来看，这种几何光线都是不可能存在的。所以，几何光学只是波动光学的近似，是当光波的波长很小时的极限情况。作此近似后，几何光学就可以不涉及光的物理本性，而能以其简便的方法解决光学仪器中的光学技术问题。

光线的传播遵循三条基本定律：光线的直线传播定律，既光在均匀媒质中沿直线方向传播；光的独立传播定律，既两束光在传播途中相遇时互不干扰，仍按各自的途径继续传播，而当两束光会聚于同一点时，在该点上的光能量是简单的相加；反射定律和折射定律，既光在传播途中遇到两种不同媒质的光滑分界面时，一部分反射另一部分折射，反射光线和折射光线的传播方向分别由反射定律和折射定律决定。

基于上述光线传播的基本定律，可以计出光线在光学系统中的传播路径。这种计算过程称为光线追迹，是设计光学系统时必须进行的工作。

几何光学中研究和讨论光学系统理想成像性质的分支称为高斯光学，或称近轴光学。它通常只讨论对某一轴线(即光轴)具有旋转对称性的光学系统。如果从物点发出的所有光线经光学系统以后都交于同一点，则称此点是物点的完善像。

如果物点在垂轴平面上移动时，其完善像点也在垂轴平面上作线性移动，则此光学系统成像是理想的。可以证明，非常靠近光轴的细小物体，其每个物点都以很细的、很靠近光轴的单色光束被光学系统成像时，像是完善的。这表明，任何实际的光学系统(包括单个球面、单个透镜)的近轴区都具有理想成像的性质。

为便于一般地了解光学系统的成像性质和规律，在研究近轴区成像规律的基础上建立起被称为理想光学系统的光学模型。这个模型完全撇开具体的光学系统结构，仅以几对基本点的位置以及一对基本量的大小来表征。

根据基本点的性质能方便地导出成像公式，从而可以了解任意位置的物体被此模型成像时，像的位置、大小、正倒和虚实等各种成像特性和规律。反过来也可以根据成像要求求得相应的光学模型。任何具体的光学系统都能与一个等效模型相对应，对于不同的系统，模型的差别仅在于基本点位置和焦距大小有所不同而已。

高斯光学的理论是进行光学系统的整体分析和计算有关光学参量的必要基础。

利用光学系统的近轴区可以获得完善成像，但没有什么实用价值。因为近轴区只有很小的孔径(即成像光束的孔径角)和很小的视场(即成像范围)，而光学系统的功能，包括对物体细节的分辨能力、对光能量的传递能力以及传递光学信息的多少等，正好是被这两个因素所决定的。要使光学系统有良好的功能，其孔径和视场要远比近轴区所限定的为大。

当光学系统的孔径和视场超出近轴区时，成像质量会逐渐下降。这是因为自然点发出的光束中，远离近轴区的那些光线在系统中的传播光路偏离理想途径，而不再相交于高斯像点(即理想像点)之故。这时，一点的像不再是一个点，而是一个模糊的弥散斑；物平面的像不再是一个平面，而是一个曲面，而且像相对于物还失去了相似性。所有这些成像缺陷，称为像差。

用单色光成像时，有五种不同性质的像差，即球差彗差、像散、场曲和畸变。前三种像差破坏了点点对应。其中，球差使物点的像成为圆形弥散斑，彗差造成彗星状弥散斑，而像散则导致椭圆形弥散斑。场曲使物平面的像面弯曲，畸变使物体的像变形。

此外，当用较宽波段的复色光成像时，由于光学媒质的折射率随波长而异，各色光经透镜系统逐面折射时，必会因色散而有不同的传播途径，产生被称为色差的成像缺陷。色差分两种：位置色差和倍率色差。前者导致不同的色光有不同的成像位置，后者导致不同的色光有不同的成像倍率。两者都使像带色而严重影响成像质量，即使在近轴区也不能幸免。

各种像差的实际值需通过若干条光线的追迹而得知。但是，在稍大于近轴区的范围(称赛德耳区)内，成像缺陷可以用初级像差(也称赛德耳像差)来描述。初级像差值只需通过对二条近轴光线的追迹就能全部计算出来。像差，特别是初级像差已有相当完整的理论，是光学系统设计的理论基础。

为使光学系统在具有大的孔径和视场时能良好成像，必须对像差作精细校正和平衡，这不是用简单的系统所能实现的。所以，高性能的实际光学系统需要有较复杂的结构形式。

一个光学系统须满足一系列要求，包括：放大率、物像共轭距、转像和光轴转折等高斯光学要求；孔径和视场等性能要求，以及校正像差和成像质量等方面的要求。这些要求都需要在设计时予以考虑和满足。因此，光学系统设计工作应包括：对光学系统进行整体安排，并计算和确定系统或系统的各个组成部分的有关高斯光学参量和性能参量；选取或确定系统或系统各组成部分的结构形式并计算其初始结构参量；校正和平衡像差；评价像质。

像差与光学系统结构参量(如透镜厚度、透镜表面曲率半径等)之间的关系极其复杂，不可能以具体的函数式表达出来，因而无法采用解方程之类的办法直接由像差要求计算出系统的精确结构参量。现在能做到的是求得满足初级像差要求的解。

初级像差是实际像差的近似表示，仅在孔径和视场较小时能反映实际的像差情况，因此，按初级像差要求求得的解只是初始的结构参量，需对其进行修改才能达到像差的进一步校正和平衡，在这一过程中，传统的做法是根据追迹光线得到的像差数据及其在系统各面上的分布情况，进行分析、判断，找出对像差影响大的参量，加以修改，然后再追迹光线求出新的像差数据加以讦价。如此反复修改，直到把应该考虑的各种像差都校正和平衡到符合要求为止。这是一个极其繁复和费时很多的过程。

电子计算机的问世和应用，给光学设计工作以很大的促进。光学自动设计能根据系统各个结构参量对像差的影响，同时修改对像差有校正作用的所有参量，使各种像差同时减小，因此能充分发挥各个结构参量对像差的校正作用，不仅加快了设计速度，也提高了设计质量。

在光学自动设计中，需构造一个既便于计算机作判断又能反映所设计系统像质优劣的评价函数，以引导计算机对结构参量的修改。通常，用加权像差的二次方之和构成评价函数，它是系统结构参量的函数。每修改一次结构参数(称为一次迭代)都会引起评价函数值的变化，如果有所降低，就表示像差有所减小，像质有所提高。

结构参量的改变要有一定的约束，以保证有关边界条件得到满足。所以，所谓光学自动设计，就是在满足边界条件的前提下，经过若干次迭代，由计算机自动找出一组结构参量，使其评价函数为极小值。现在用于光学自动设计的数学方法很多，较为有效、已为大家所采用的有阻尼最小二乘法，标准正交化法和适应法等。

波动光学是以波动理论研究光的传播及光与物质相互作用的光学分支。17世纪，R.胡克和C.惠更斯创立了光的波动说。惠更斯曾利用波前概念正确解释了光的反射定律、折射定律和晶体中的双折射现象。这一时期，人们还发现了一些与光的波动性有关的光学现象，例如F.M.格里马尔迪首先发现光遇障碍物时将偏离直线传播，他把此现象起名为“衍射”。胡克和R.玻意耳分别观察到现称之为牛顿环的干涉现象。这些发现成为波动光学发展史的起点。17世纪以后的一百多年间，光的微粒说（见光的二象性）一直占统治地位，波动说则不为多数人所接受，直到进入19世纪后，光的波动理论才得到迅速发展。

1800年，T.杨提出了反对微粒说的几条论据，首次提出干涉这一术语，并分析了水波和声波叠加后产生的干涉现象。杨于1801年最先用双缝演示了光的干涉现象（见杨氏实验），第一次提出波长概念，并成功地测量了光波波长。他还用干涉原理解释了白光照射下薄膜呈现的颜色。1809年E.L.马吕斯发现了反射时的偏振现象（见布儒斯特定律），随后A.-J.菲涅耳和D.F.J.阿拉戈利用杨氏实验装置完成了线偏振光的叠加实验，杨和菲涅耳借助于光为横波的假设成功地解释了这个实验。1815年，菲涅耳建立了惠更斯-菲涅耳原理，他用此原理计算了各种类型的孔和直边的衍射图样，令人信服地解释了衍射现象。1818年关于阿拉戈斑（见菲涅耳衍射）的争论更加强了菲涅耳衍射理论的地位。至此，用光的波动理论解释光的干涉、衍射和偏振等现象时均获得了巨大成功，从而牢固地确立了波动理论的地位。

19世纪60年代，J.C.麦克斯韦建立了统一电磁场理论，预言了电磁波的存在并给出了电磁波的波速公式。随后H.R.赫兹用实验方法产生了电磁波。光与电磁现象的一致性使人们确信光是电磁波的一种，光的古典波动理论与电磁理论融成了一体，产生了光的电磁理论。把电磁理论应用于晶体，对光在晶体中的传播规律给出了严格而圆满的解释。19世纪末，H.A.洛伦兹创立了电子论，他把物质的宏观性质归结为构成物质的电子的集体行为，电磁波的作用使带电粒子产生受迫振动并产生次级电磁波，根据这一模型解释了光的吸收、色散和散射等分子光学现象。这种经典的电磁理论并非十全十美，因在关于光与物质相互作用的问题上涉及微观粒子的行为，必须用量子理论才能得到彻底的解决。

波动光学的研究成果使人们对光的本性的认识得到了深化。在应用领域，以干涉原理为基础的干涉计量术为人们提供了精密测量和检验的手段（见干涉仪），其精度提高到前所未有的程度；衍射理论指出了提高光学仪器分辨本领的途径（见夫琅和费衍射）；衍射光栅已成为分离光谱线以进行光谱分析的重要色散元件；各种偏振器件和仪器用来对岩矿晶体进行检验和测量，等等。所有这些构成了应用光学的主要内容。

20世纪50年代开始，特别在激光器问世后，波动光学又派生出傅里叶光学、纤维光学和非线性光学等新分支，大大地扩展了波动光学的研究和应用范围。

大气光学是研究光通过大气时的相互作用和由此产生的各种低层大气的光学现象的一门学科。它是大气物理学的一个分支。大气光学的研究可从两个角度出发：一是把大气当作一种连续介质；二是把大气当作由空气分子、气溶胶和水汽凝成物组成的混和物。

因为大气光学和许多光学(包括红外激光)工程的研制有密切的关系，所以它在国民经济和国防建设中都有重要地位。

大气光学的发展历史

某些大气光学现象常常是天气现象的前兆，因此自古以来，大气的光学现象就引起人们了的注意。中国远在3000多年以前的殷墟甲骨文中，就有关于虹的记载，《诗经》中也写到过“朝脐于西，崇朝其雨”，意为早晨太阳东升时，如果西方出现了虹，到中午就要下雨了。关于晕、宝光环、海市蜃楼等大气光象，中国古代都有观测和解释。

而大气光学作为现代科学的研究和发展，则和光学的研究进展有着密切的联系。19世纪末，英国科学家瑞利首先解释了天空的蓝色：在清洁大气中，起主要散射作用的是大气气体分子的密度涨落。分子散射的光强度和入射波长四次方成反比，因此在发生大气分子散射的日光中，紫、蓝和青色彩光比绿、黄、橙和红色彩光为强，最后综合效果使天穹呈现蓝色。从而建立了瑞利散射理论。

20世纪初，德国科学家米从电磁理论出发，进一步解决了均匀球形粒子的散射问题，建立了米散射理论。这两个理论能够解释许多大气光象。60年代激光的出现，使光学大气遥感得到迅速的发展。以激光大气遥感为重点的光学大气遥感，已发展成为大气遥感的重要分支。卫星遥感对大气透明度的要求，吸收光谱法和激光光谱学的发展，也有力地促进了高分辨率大气吸收光谱的研究。

大气光学的内容

大气光学首先研究大气折射、大气散射等的基本规律，它们是大气光学的基础，也是物理学的一部分；而后是对大气光学特性的研究，如大气消光、大气吸收、大气能见度、大气浑浊度、大气透明度、天空亮度等；另外大气光象还研究包括朝晚霞、曙暮光、天空颜色等大气光象，虹、晕、华等云中光象，并研究它们的成因，以及它们与大气状态和天气过程之间的联系。

大气中的光现象是指发生在大气中，并用肉眼所能直接感觉到的光现象。它可以分为三类：

首先是光在大气中的折射引起的光现象。当光线入射到低层大气时，由于光线折射，改变了径迹，这样在水平面以上，天体和物体的实际高度角与测出的高度角有明显的差异，即所谓天文折射和地球折射现象。一旦大气密度出现异常分布，使来自远处目标物的光线在另一高度发生全反射，那么除能看到本身实物外，还可以看到它的反射像，这就是我们通常称为的“海市蜃楼”。

其次是大气散射引起的光现象。天穹色彩的变化就是大气散射引起的光现象之一，比如清洁的大气使天穹呈现蓝色。当大气十分浑浊、大气中悬浮粒子大量增加时，天穹呈现青灰色，在天边甚至出现不透明的灰白色。曙暮光是大气散射的另一现象。当太阳在地平面以下时，太阳光无法直接到达地面，但是它能照亮地面以上的大气层，使天空明亮。曙暮光指的就是黎明和黄昏这段时间的光亮。

还有就是大粒子(如水滴、冰晶等)对光的折射、反射与衍射引起的光现象，最常见的有虹、华和晕。虹是由于太阳光线在大气水滴里的折射与反射产生的围绕反日点的彩色圆弧；华是由于云中的水滴与冰针分别起小孔与狭缝的作用，使光衍射引起的围绕太阳(或月亮)的许多彩色圆环；晕是由于太阳(或月亮)光在冰晶上折射与反射引起的一系列光学现象的总称。根据着色的性质，有由于折射而引起的略带色彩的晕(如彩虹圆环、幻日等)以及由反射引起的白色晕(如水平环、侧日等)之分。

能见度是指人眼在大气中观察到的最远距离。它取决于下列各种因素，如物体和背景的属性、物体和背景照度的属性、大气属性以及观测仪器(包括肉眼)的属性等等。

近几年来发展了一种能见度仪，它直接测量大气透过率和背景亮度等气象要素，通过计算机进行综合分析来计算能见距离。该仪器可以比较客观地反映大气实际的能见度，目前在一些机场已被采用。

天空背景是指来自天空的向下辐射通量，其中包括大气和云对太阳光的散射辐射以及大气气体的自发辐射，夜间还包括少量的月光和星光的散射。

一般而言，对太阳光的散射辐射主要集中在短波部分。在晴天，最大辐射通量的波长为0.45微米左右，而气体的自发辐射主要集中在长波部分，最大辐射通量的波长为10.5微米左右。天空背景辐射通量的大小及其空间分布是十分复杂的，它主要取决于几种影响因子的组合。这些影响因子包括太阳的高度、下垫面的反射率、观测点离地面的高度、云量、云状、大气透明度以及大气状态等。

光在大气中的传输性能是指光波通过大气所引起的光学特性的变化。它主要包括由于大气散射与吸收造成的辐射能量损失的大气衰减；由于大气折射率的随机起伏造成的光束的光强起伏(闪烁)、漂移扩展以及相干性破坏等的大气湍流效应；以及光在大气中传输的非线性光学效应，这种效应必须在强激光传输中才能显示出来，因此又称为强激光大气传输的非线性效应。

根据大气光学现象以及光的传输特性，利用自然光或人工光源可以遥感大气某些物理量。例如对太阳辐射衰减的测量确定斜程大气的混浊度；通过对太阳光紫外辐射衰减的测量，确定大气臭氧的总量；利用多波长红外辐射计测量太阳的散射辐射强度，可以推断整层大气气溶胶浓度与谱分布等等。

大气光学的理论和光波传播的规律，在大气辐射学环境科学、天气预报、天文、航空、遥感等许多方面，已得到广泛的应用。随着红外和激光技术的迅速发展，近几年来大气光学的研究迅速的开展起来。目前和今后一段时间内，大气气体分子高分辨率吸收光谱的研究、大气气溶胶光学特性的研究、强湍流效应的研究、云雾粒子的不同形状对散射特性的影响及其多次散射的研究、激光和红外大气遥测的研究等方面将成为大气光学的主要研究方向。

海洋光学是光学与海洋学之间的边缘科学。它主要研究海洋的光学性质、光辐射与海洋水体的相互作用、光在海洋中的传播规律，以及和海洋激光探测、光学海洋遥感、海洋中光的信息传递等应用技术有关的基础研究。

海洋光学的发展简史

早在19世纪初，就有人用透明度盘目测自然光在海中的铅直衰减。不过直到19世纪末，海洋学家才开始注意研究海洋的光学性质，并结合海洋初级生产力的研究，用光电方法测量海洋的辐照度。到了20世纪30年代，瑞典等国的科学家设计制造了测定海水的线性衰减系数、体积散射系数和光辐射场分布的海洋光学仪器，进行了一系列现场测量。

从第二次世界大战后到20世纪60年代中期，是海洋光学的形成时期，人们研制了各种测定海洋水体光学性质的海洋光学仪器，对各大洋光学性质进行了现场测量和调查。

1947～1948年，瑞典科学家在环球深海调查中，首次将海洋光学调查列入海洋调查计划，测量了海水中光的辐照度、衰减和散射等；1950～1952年，丹麦人在环球深海调查中，致力研究了重要海区的初级生产力和光辐照之间的关系；1957～1958年，在国际地球物理年的调查中，测量了北大西洋的水文要素和光学参数，并研究其相互的关系；美国普赖森多费尔提出了比较系统的海洋光学理论，发展了海洋辐射传递理论；一些学者对水中能见度理论、海洋光学测量模型、光辐射场与海水固有光学性质之间的关系，进行了比较系统的研究。

20世纪60年代中期以后，是海洋光学的发展阶段。随着近代光学、激光、计算机科学、光学遥感和海洋科学的发展，开拓了海洋光学研究的新领域。特别是结合信息传递的要求，理论上用蒙特-卡罗法定量地计算各种复杂模型的海洋辐射传递过程，使海洋辐射传递基础研究日趋完善，并较好地解决了激光在水中的传输、海面向上光辐射与海水固有光学性质之间的关系等问题。

目前，海洋光学已发展成为一门内容丰富、有相当应用价值的光学分支学科，使海洋光学从传统的唯象研究转入物理的和技术的研究。

海洋光学的研究内容

海洋光学主要研究海洋水体对光辐射的散射、吸收、光谱等性质及光辐射在海洋中的传播规律。海水对光具有强散射和强吸收，其散射系数比大气约高4～6个数量级。其散射函数前向性很强，海水的光谱透射分布主要决定于吸收。

海中光传播规律主要决定于多次散射，研究海中光传播规律的海洋辐射传递理论是海洋光学的核心问题。已知海洋水体的散射函数和吸收系数，对海洋辐射传递方程求解，即可得到日光、人工光源和激光在海水中的传播规律。反之，由辐射场确定海水基本性质，是遥测海洋技术的基本方法。

海洋光学的应用基础研究主要包括水中对比度及图像传输研究，海洋水体光学传递函数研究，激光与海洋水体相互作用研究和探测海洋的光学遥感模式研究等。

激光与海洋水体的相互作用主要是研究海水激光荧光光谱、受激喇曼散射。海洋激光雷达所激起的海水激光荧光光谱是探测海水化学组分的基本遥测方法。海水受激喇曼散射随温度增高而红移，这种物理现象是激光雷达遥测海洋表层温度剖面的有效方法，精度可达±0.5摄氏度。

利用多光谱遥感资料，根据海水中叶绿素强吸收光谱和透射光谱的比值，探测海洋叶绿素含量的方法称为光谱比值法。根据海水光谱透射特性及浅水海底反射光反映在多光谱遥感信息的差异，可大面积获取浅水水深的资料。河口泥沙分布、海区峰面运动、水团分布等都可由多光谱遥感信息经过数据处理获取。

对海洋光学的开发研究也称为海洋光学工程。60年代以来比较活跃的领域有：水下摄影系统，包括潜水员操纵的水下摄像系统、水下照相系统以及深潜球装备的水下观察系统；海洋探测激光雷达系统，包括激光测深仪、激光荧光光谱仪、激光喇曼光谱仪等；海洋光学仪器，包括水中照度计、水中准直光透射率计、水中光散射仪、水中分光光度计等。

海洋光学与物理海洋学的研究密切相关。通过测定海水的光学性质，为研究海流、上升流、海洋峰、水团等海洋细微结构提供了一种有效的手段；随机海面的光学研究，为遥测海浪方向谱建立了物理模型，并为现场测定海浪要素提供了快速而又有效的手段。

海洋生物初级生产力的研究和调查，与海中辐照度的分布、海水辐射能密度分布海中辐射能的贮存等有直接的关系。例如，探测海洋的光学遥感传感器的波段、视场角和动态范围等参数，都要根据海面光谱辐射的数据来确定。

海洋光学的发展与近代光学的发展密切相关，光电子学方法是海洋光学测量的主要手段。激光技术的发展，例如可调谐激光、水中新型蓝-绿激光、高时间分辨率激光技术等，已成为海水激光光谱研究的重要手段，是发展海洋探测激光雷达的技术基础。近代光学信息处理和信息传递理论，为海洋中光信息传递的研究及随机量的统计分析研究奠定了基础。

在现代海洋光学的基础理论和实验技术方面的研究中，还有不少课题有待于深入研究。例如，鉴于单色光辐射传递模型已不能满足多光谱水色遥感的要求，必须进一步研究海洋辐射传递的逆问题，尤其是浅海和表层光谱辐射传递、非均匀水体光谱辐射传递、海-气系统光谱辐射传递逆问题的物理模型和计算方法；激光在水中单程的平衡态的传输过程的研究，已不能满足激光雷达探测海洋的要求，必须深入研究窄光束反向多次散射的辐射传递，和非平衡态辐射传递模型及其计算方法。

再如，传统的船测方法已不能满足近代海洋光学发展的要求，必须发展海洋光学参数的遥测方法，研究新的海洋光学测量模型，以发展新的测量技术和测量仪器。同时，应着重加强应用研究，在海洋光学中不断引入近代光学方法和激光新技术，继续开拓海洋光学在海洋开发、海洋要素的探测及海洋技术中的应用。

海洋光学的基础研究和应用研究不断沿用现代光学方法，应用范围日益扩大。海洋光学是许多学科的交叉点，其发展将与现代光学、海洋学、空间遥感技术、信息科学等密切相关。海洋光学所取得的成就及其发展，使它已成为一门新的光学分支学科。

量子光学是以辐射的量子理论研究光的产生、传输、检测及光与物质相互作用的学科。

到了19世纪，特别在光的电磁理论建立后，在解释光的反射、折射、干涉、衍射和偏振等与光的传播有关的现象时，光的波动理论取得了完全的成功（见波动光学）。19世纪末和20世纪初发现了黑体辐射规律和光电效应等另一类光学现象，在解释这些涉及光的产生及光与物质相互作用的现象时，旧的波动理论遇到了无法克服的困难。1900年，M.普朗克为解决黑体辐射规律问题提出了能量子假设，并得到了黑体辐射的普朗克公式，很好地解释了黑体辐射规律（见普朗克假设）。1905年，A.阿尔伯特·爱因斯坦提出了光子假设，成功地解释了光电效应。阿尔伯特·爱因斯坦认为光子不仅具有能量，而且与普通实物粒子一样具有质量和动量（见光的二象性）。1923年，A.H.康普顿利用光子与自由电子的弹性碰撞过程解释了X射线的散射实验（见康普顿散射）。与此同时，各种光谱仪的普遍使用促进了光谱学的发展，通过原子光谱来探索原子内部的结构及其发光机制导致了量子力学的建立。所有这一切为量子光学奠定了基础。

20世纪60年代激光的问世大大地推动了量子光学的发展，在激光理论中建立了半经典理论和全量子理论。半经典理论把物质看成是遵守量子力学规律的粒子集合体，而激光光场则遵守经典的麦克斯韦电磁方程组。此理论能较好地解决有关激光与物质相互作用的许多问题，但不能解释与辐射场量子化有关的现象，例如激光的相干统计性和物质的自发辐射行为等。在全量子理论中，把激光场看成是量子化了的光子群，这种理论体系能对辐射场的量子涨落现象以及涉及激光与物质相互作用的各种现象给予严格而全面的描述。对激光的产生机理，包括对自发辐射和受激辐射更详细的研究，以及对激光的传输、检测和统计性等的研究是目前量子光学的主要研究课题。