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光电子导论考试复习资料

普朗克是德国物理学家，量子物理学的开创者和奠基人，被尊称为“量子之父”1918年诺贝尔物理学奖金的获得者。

他的伟大成就，就是创立了量子理论，这是物理学史上的一次巨大变革。

从此结束了经典物理学一统天下的局面。

1900年，普朗克抛弃了能量是连续的传统经典物理观念，导出了与实验完全符合的黑体辐射经验公式。

在理论上导出这个公式，必须假设物质辐射的能量是不连续的，只能是某一个最小能量的整数倍。

普朗克把这一最小能量单位称为“能量子”。

普朗克的假设解决了黑体辐射的理论困难。

普朗克还进一步提出了能量子与频率成正比的观点，并引入了普朗克常数h。

量子理论现已成为现代理论和实验的不可缺少的基本理论。

普朗克由于创立了量子理论而获得了诺贝尔奖金。

光的波粒二象性-----普朗克量子假设

构成物体的分子、原子可视为在各自平衡位置附近振动的带电线性谐振子，这些振子既可以发射辐射能，也可以吸收辐射能。

谐振子发射和吸收辐射能量是某些分立状态，是最小能量单位hν的整数倍，即发射或吸收电磁辐射只能以量子方式进行，每个能量子能量为ε=hν其中h是普朗克常量，ν为谐振子的振动频率。

一个频率为ν的谐振子的最小能量是hν，它与周围的辐射场交换能量时，也只能整个地吸收或放出一个能量子。

“量子”的概念

量子（化）：

微观世界的一个特殊概念，按某种规律取分立值的物理量。

如：

电荷量子（化）

量量子（化）

普朗克公式：

能量不连续的概念与经典物理学是完全不相容的！

普朗克公式：

普朗克的量子假设：

突破了经典物理学的能量连续的观念，在物理学史上第一次提出了微观粒子能量量子化的概念，这对量子物理学的诞生起了极大的推动作用。

设有一音叉，其尖端的质量为0.050kg，其频率被调到480Hz，振幅1.0mm。

试求音叉尖端振动的量子数。

由谐振子的能量公式知，谐振子的能量为

根据普朗克量子假设：

，音叉尖端的振动量子数为

光电效应

当光照到某些金属的表面时，金属内部的自由电子会逸出金属表面，这种光致电子发射现象称为光电效应。

（1887年德国物理学家赫兹首先发现光电发射现象，1888年又被俄

物理学家斯托列托夫用实验证明。

）

实验装置：

光通过石英窗口照射阴极K，光电子从阴极表面逸出。

光电子在电场加速下向

极A运动，形成光电流。

试验规律:

截止频率：

对某一种金属只有当入射光频率大于某一频率时，电子才能从金属

表面逸出（红限）。

遏止电势差：

与入射光频率具有线性关系。

光电效应瞬时性：

迟滞时间不超过10-9秒

经典理论与实验规律的矛盾：

无论何种频率的光，只要其强度足够大，电子就能获得足够的能量，从金属表面逸出；电子的动能取决于光的动能，而与频率无关；在光强很小时，即使光的频率大于截止频率，也不应有电子发射。

爱因斯坦光量子学说（1905年）：

可看成由微粒（光子）构成的粒子流（光量子），在真空中以　

运动，频率为

光子能量为爱因斯坦光电效应方程：

式　

中为逸出功，　

为电子从表面上逸出时初动能。

。

光频率ν>A/h时，电子吸收一个光子即可克服逸出功A逸出

电子最大初动能和光频率ν成线性关系单位时间到达单位垂直面积的光子数为N，

Nhν。

I越强,到阴极的光子越多,则逸出的光电子越多。

电子吸收一个光子即可逸出，不

需要长时间的能量积累

3、光的波粒二象性:

光具有波动性和粒子性两个侧面，是微观粒子的基本属性，在某些情

况下突出显示某一个侧面。

光具有波动性和粒子性两个侧面

作为粒子：

有　

　　　　　　和能量

由相对论知

对于光　　

　，则有　　

　　或

作为波：

两者关系为：

光子的波动性和粒子性是光子本性在不同条件下表现出来的两个侧面：

波动性突出呈现在其传播过程中，粒子性突出呈现在其与物质的相互作用中。

光的波动性和粒子性随频率范围的不同而有不同的表现：

在低频或长波区，光的波动性比较显著；而在高频或短波区，粒子性却比较突出。

普朗克常量把光的波动性　　

　　和粒子性

联系起来了。

要对波粒二象性进行完善描述，必须采用量子力学方法（波函数）。

计算波长为600nm的红光与波长为0.1nm的X光的光子能量。

红光光子能量为：

X光光子能量为

原子的发射光谱是线状光谱每种原子有其独特的发射光谱——识别不同原子的标志分子

射光谱:

若干光谱带组成的带状光谱,分子能级结构非常复杂

分子的能量

能级间隔满足

分子的转动能级间的跃迁发出远红外辐射；振动能级间的跃迁发出中红外辐射；而电子

级间的跃迁发出可见光和紫外辐射。

二、发光过程的类型按照激发方式分类,热辐射太阳、白炽灯等电致发光闪电、霓虹灯以及半导体、PN结的发光过程等光致发光日光灯、荧光、磷光等化学发光燃烧发光、生物发光等,,按照辐射方式分类:

自发辐射,自发辐射所发出的光没有相干性原子在某一能级停留的平均时间能级的平均寿命（）处于高能级的原子中，在单位时间内从高能级E2自发跃迁到低能级E1的原子数比率A21，称为原子自发跃迁的概率，它与高能级E2的平

寿命τ之间存在如下关系

受激辐射,,,,,受激吸收受激辐射这两个光子再引起其它原子产生受激辐射，就会得到更多的相同特征的光子，这个现象称为光放大光放大。

区别:

激光光源或是普通光源

三、激光原理受激辐射光放大简称为激光。

粒子数反转，在温度为T的平衡态下，原子中的电子处于高、低两个能级上的数目之比为

正常分布：

N1>>N2。

光吸收比光辐射占优势。

粒子数反转：

N2>>N1。

光通过物质得到光放大。

粒子数反转必须具备的条件：

能量的供应过程激励（光泵浦）工作物质内必须存在亚稳态能级

光学谐振腔；使某一方向、某一频率的辐射不断得到加强，其它方向、其它频率的辐射受到抑制的装置

激光器的基本构成及激光的形成

具有亚稳态能级结构的工作物质、激励系统和光学谐振腔，，，，光束在谐振腔内来回震荡，在工作物质中的传播使光得以放大，并输出激光。

四、激光的特性与应用，，特性方向性强强度高单色性好相干性好

应用：

可用于精密加工，医学，核聚变等。

激光加工—6KWCO2激光加工机在进行金属表面涂敷合金粉末的作业

汤斯1954年在量子电子学研究中实现了氨分子的粒子数反转，研制了微波激射器和激光器；普罗霍洛夫和巴索夫1958年几乎同时在量子电子学的基础研究中，根据微波激射器和激光器原理研制了振荡器和放大器。

以上工作导致了激光器的发明。

光的吸收吸收光谱：

当光波在媒质中传播时，由于光波和物质的相互作用，一般呈现两种效应--------光波和物质作用的两种效应：

折射和双折射现象（速度减慢）和消光现象：

散射（scattering）现象（部分光波沿其它方向传播）和吸收（absorption）现象（光能转换成其它形式的能量）

一、光吸收的类型：

一般吸收（generalabsorption）在给定的波段范围内，若介质对光的吸收很少，而且光吸收量与波长无关。

在可见光范围内，一般吸收意味着光通过介质后不改变颜色而只改变强度。

选择吸收（selectiveabsorption）在给定的波段范围内，媒质吸收某种波长的光能比较显著。

在可见光范围内，选择吸收意味着光通过介质后既改变颜色也改变强度。

如果不把光局限于可见光范围以内，可以说一切物质都具有一般吸收和选择吸收两种特性。

选择吸收性是物体呈现颜色的主要原因。

二、朗伯定律比尔定律

朗伯定律称为吸收系数，“－”号表示随x增加I减小。

将上式积分：

（朗伯定律的数学形式）引入透光率T和吸收度A，并定义

上式表示为

实验表明，在光强变化相当大的范围（约1020倍）内，透射光强度满足朗伯定律的数学形式。

因此，朗伯定律适用于光强变化相当大的场合。

比尔定律：

比尔定律是朗伯定律在溶液情形下的应用。

稀溶液的吸收系数与溶液浓度有关，即朗伯定律可变为：

是一个与浓度无关的常数，它表征了吸收物质的分子特性，C为溶液的

吸收度A与浓度C呈线性关系

实际测量中观察到吸收度与浓度关系偏离线性的情况，说明比尔定律的成立是有条件的。

比尔定律只在溶质分子的吸收本领不受它周围邻近分子的影响时才成立。

光的反射、散射、温度、时间、压力等都会对比尔定律产生影响。

朗伯定律始终成立，但比尔定律有时不一定成立。

考虑loge＝1/2.303

令

，

，上式被简化为

式中，D称为吸光度，ε称为消光系数。

这种方法称为分光光度分析或比色分析。

当一束复色光透过一定厚度的介质时，利用介质对光的吸收作用因波长而异，可产生吸收光谱。

产生连续光谱的光源所发的光，通过具有选择吸收特性的物质后，用光谱仪可以观察到，在连续的发射光谱中，呈现出与发生吸收的波长区域相对应的一些暗线或暗带，这就是吸收光谱。

若用原子化装置代替样品室，就可得到某元素的原子吸收光谱。

所谓原子化就是使待测样品中的原子达到雾化状态，并保证雾化原子处于基态。

这样一旦有外来光照，原子便可吸收外来光，产生吸收光谱。

每种元素都有其特征吸收波长和吸收光谱，，，，原子吸收光谱广泛应用于定量分析中

对于气体、液体和固体而言，一般在红外区有选择吸收。

吸收谱线宽度增大且组成连续谱带，称为带状光谱。

红外光谱分析常用于科学研究及生产实践中。

植物对光的吸收主要靠色素系统来实现，这些色素对300～750nm的可见光有不同的吸收率。

光束在介质中传播时，部分光线偏离原方向分散传播的现象称为光的散射。

光散射的基本规律：

从分子理论来看，光波射入介质后，将激起介质中的电子作受迫振动，从而发散出相干次波。

只要分子密度是均匀的，次波相干迭加的结果，只剩下遵从几何光学规律的沿原方向传播的光线，其余方向的振动完全抵消；若介质是不均匀的，它能够破坏次波的干涉相消，从而引起光的散射。

光通过介质时，散射会使透射光的强度减弱，当仅考虑散射时，透射光遵从指数衰减规律：

式中I0为入射光强，

为散射系数。

实际上介质对光的吸收和散射同时存在，故透射光的强度为：

式中

为吸收系数，（

+

）为衰减系数。

光散射的基本类型

据介质不均匀性质的起因，散射分为两类：

延德尔散射：

光通过悬浮质点（或微粒）的散射，如光在胶体、乳浊液以及含有烟、雾、灰尘的大气中的散射。

分子散射：

在表面看来十分纯净、均匀的液体和气体中，也能观察到较微弱的散射。

这种因介质分子的密度涨落而引起的散射称为分子散射。

物质处于气、液二相的临界点时，密度涨落很大，在光线照射下会的出现强烈散射，亦属分子散射。

瑞利散射与喇曼散射

瑞利首先研究了第二类散射的规律，发现散射光与入射光的频率相同，因此，这类散射又称瑞利散射。

利用瑞利散射定律可以解释旭日与夕阳的色彩，，散射原理广泛应用于饮料与药物纯度的检

喇曼散射：

1928年，印度科学家喇曼在研究溶液对光的散射时，发现散射光中除了有与入射光频率ν0相同的瑞利光外，还有一部分散射光的频率与入射光不同，这种散射光的频率为

这种散射光的波长不同于入射光的波长的散射现象称喇曼散射，相应的光谱称为喇曼光谱。

应用：

研究分子结构、化学成分的一种主要方法。

激光的出现，使喇曼光谱技术获得了新生，从而得以迅速发展。

喇曼在喇曼散射方面卓有成效的研究，使他荣获1930年诺贝尔物理学奖。

他是印度，也是亚洲第一位获此殊荣的科学家。

散射现象的量子解释：

在散射过程中，入射光子与介质分子发生弹性碰撞，分子吸收并且立即发射光子，大多数分子在这过程中仍回到原来能级，光子能量不变，散射光的频率与入射光的频率相同，这就是瑞利散射。

在喇曼散射中，光子与分子之间是非弹性碰撞。

有些分子吸收光子的一部分能量，回到较高的振动能级，散射光子减少了能量，增加了波长（减少了频率），这就形成喇曼散射的红伴线。

有一些分子原先处于较高的振动能级，给予光子一部分能量后回到较低能级，散射光子增加了能量，减少波长（增加频率）这就形成喇曼散射的紫伴线。

由于光子失去或获得的能量等于分子振动能级差，所以入射光子与散射光子的频率差正好等于分子的振动频率。

光的色散，，，色散率

光在物质中传播时，其速度将比真空中小，而且不同频率的光在同一物质中的传播速度不同。

因此，物质的折射率随光的波长的不同而改变，这一现象称为色散。

色散现象也是光和物质相互作用的结果。

对于给定的介质而言，折射率n是波长λ的函数，即n＝n（λ）。

。

。

。

。

色散率

棱镜折射率与顶角

和最小偏向角

关系

测得不同波长的光线通过棱镜的最小偏向角，可以按照上式计算出棱镜对不同波长的光的折射率，从而可绘出棱镜的色散曲线（即折射率n与波长的关系曲线）。

正常色散，，，曲线特点：

波长λ越短，折射率n越大；波长λ越短，色散率ν越大；波长λ很长时，折射率n趋于定值；不同物质的色散曲线没有简单的相似关系。

具有以上特点的色散称为正常色散。

科希于1836年给出了正常色散的折射率与波长的函数关系：

式中λ为真空中的波长，A、B、C为取决于介质性质的常量，其数值可由实验测定。

当波长变化范围不大时，上式可简化为

介质的色散率

上式表明dn/dλ<0（常数B始终为正），并且色散率的数值随波长的增加而减小，与实验测得的正常色散曲线相符。

反常色散：

1862年，勒鲁用碘蒸气充满三棱柱形容器研究光的折射现象，观察到紫光的折射率比红光的小，因这一现象与正常色散相反，勒鲁称其为反常色散。

反常色散总是发生在物质的选择吸收带。

（孔脱）

曲线上从M点到N点为选择吸收区域，在此区域内，折射率随着波长的减小而减小，即反常色散。

在吸收区域外，折射率随着波长的减小而增大，是正常色散。

可见光区的折射率满足科希公式（曲线PQ段），因此，在可见光区域是正常色散

向红外区域延伸，在吸收带（图中R点）附近，明显偏离正常色散曲线过了吸收带重新进入透明波段时，曲线又逐渐恢复为正常色散曲线

物质的色散曲线都是由正常色散区域和反常色散区域所构成的。

不论是气体、液体或固体介质，在一定的波长区域内，都会有选择吸收，在这些区域中总是表现出反常色散。

6激光的生物学效应

激光生物效应一般是指激光作用于生物体可能产生的物理、化学或生物学的反应。

热效应实现的两种途径：

碰撞吸收

热效应的强弱既取决于激光的强度、照射面积和照射时间，也取决于生物组织的吸光率、比热、热导率等物理参数。

光化学效应光化学效应是指在光的作用下产生的生物化学反应。

光能可提高某些生物化学反应的速率。

光合作用、光敏化作用、视觉作用等都是典型的光化学反应。

机械效应当生物组织吸收激光能量时，如果能量密度超过某一确定阑值时，就会产生汽化并伴有机械波，若能量密度低于该阈值，就只产生机构波，这就是所谓的机械效应。

光不仅具有波动性，还具有粒子性，即光子有质量有动量，因而光子撞击（照射）物体时必然会给受照处施以压力，称为光压。

激光是高强度光源，它对生物体可产生一次压力和二次压力，辐射压强为一次压力，热膨胀压强、声波和蒸发压强、电致伸缩压强等为二次压力。

电磁场效应激光作用于生物组织引起生物组织变化称之为激光生物电磁场效应

电磁场作用于生物组织时起作用的只是电场。

激光的电场强度与激光的功率密度有关。

三种类型：

喇曼散射受激喇曼散射受激布里渊散射

刺激效应

当激光照射生物组织时，如果强度不是很高，就不会对生物组织直接造成不可逆性的损伤，而只是产生某种刺激作用，这与超声波、针刺、艾炙及热辐射等因子所产生的效应相类似，称为激光生物刺激效应。

刺激效应是低功率激光作用的结果，无法用前述的作用来解释。

一般把产生生物刺激效应的激光称为“弱激光”

当用弱激光照射生物机体时，激光本身只是一种刺激源。

生物机体对这种刺激的应答反应可能是兴奋，也可能是抑制。

总结：

据机理划分：

热效应通过发热与生物体发生作用

非热效应通过光压、电磁、光化学等方式与生物体发生作用

据强度划分：

强光生物学效应：

生物材料一般会发生汽化、蒸发、热凝、热杀、切断等变化

弱光生物学效应：

生物组织一般不会出现大的损伤，仅可能在遗传、代谢等方面出现变化

激光在现代农业与生物科学中的应用

激光检测技术低强度激光照射生命物质后，被吸收、反射或产生荧光辐射，这对生命物质的作用不是很大。

但这种吸收、反射或荧光辐射与生物物质的组成，结构和状态有关，因而带有大量与生命物质特性有关的信息。

对其进行分析就可以了解被辐射生命物质结构、组成状态。

激光荧光光谱技术利用元素的特征荧光光谱进行化合物中的痕量成分分析，在激光出现前就已是行之有效的经典方法之一。

应用：

检测生物体内的痕量元素，灵敏度一般在10-8～10-10g正常状态下的动植物组织与处于病态的组织吸收同一激光后产生不同的荧光光谱，所以用荧光分析技术，诊断动物的疾病及植物的病虫害不同营养状况的植物的荧光光谱也有区别，所以可用激光荧光光谱分析技术诊断植物的营养状况，以便合理施肥测定生物大分子的基本参数

激光喇曼光谱技术喇曼光谱反映了生物大分子的振动和转动模式。

分子的振动模式不但能提供分子的组分信息，而且还能帮助人们研究生物大分子的结构。

激光光声光谱技术激光光声光谱技术是20实际70年代才发展起来的一门新型技术。

用它进行物质的定性、定量及化学变化中成分变化的分析时，灵敏度比一般吸收光谱方法高出几个数量级。

激光微束技术激光微束技术是将高密度的激光聚集成很细的微束，用于破坏、切割特定的生物组织。

光钳技术是借助一种称为“光学镊子”的操作工具，利用其聚焦激光束和物质的作用，即光子和物质中粒子的作用，使光子将动量传递给被作用的粒子，对它产生一辐射压，即可“抓住”或“操作”微小的粒子。

利用这一手段，能成功地对尺寸为10nm～10μm的粒子进行捕捉、定位和操作。

激光微束技术和光钳技术主要应用于细胞工程和基因工程两个方面。

细胞融合外源基因注入光激微外科手术

激光遗传育种成活率高，与γ射线育种相比较，成活率高一倍左右第一代能发现遗传性变异无明显半死剂量

突变类型多，有株形突变、粒形突变、品质突变以及生育期突变等

激光对其它辐射损伤有复活作用等

激光在畜牧兽医上的应用

激光照射某些动物外周神经，通过感觉神经纤维传输至中枢神经后，可呈现全身性镇痛作用，且对心脏功能无不良影响。

激光照射不育奶牛卵巢部位，其刺激作用可改善奶牛生殖激素失调现象，治愈奶牛的不育症

内蒙古农牧学院等的学者用激光处理鸡卵等提高了禽卵的孵化率，他们还在鸡的良种培育方面作了大量的工作。

由于激光与生命物质相互作用的机理等问题还未研究清楚，所以在使用之前，必须作大量的实验，找出最佳条件，即最佳激光波长、处理时间、激光的功率等。

光学是研究光的本性、光的传播和接收、光与物质的相互作用及其应用的一门学科。

光学和几何学、天文学、力学一样，是一门有悠久历史的学科，也是当前科学领域中最活跃的前沿阵地之一

光学的发展，大体可分为五个时期。

1．萌芽时期。

2．几何光学时期。

3．波动光学时期4．量子光学时期。

5．现代光学时期。

与之相对我们课程中涉及到的有：

应用光学、物理光学、激光原理、原子分子光谱、光电器件、光电检测、光纤通讯、光纤传感、激光器件与技术

萌芽时期最早且有据可查的是我国春秋战国时期的墨翟及其弟子的工作。

从我国春秋战国的墨翟（公元前468－376）开始直到以后的二千年之间，可谓光学的萌芽时期。

《墨经》是战国时期墨家学派的学术著作，集中反映了墨家在物理、数学和逻辑学等方面的成就。

其中有一部分讨论了几何光学知识。

包括影的形成、影与物的关系，还对光的直线传播、反射和折射现象进行了实验和观察；由于生产和生活的需要，发明了透镜、凹面镜，并应用于实际。

古希腊的欧几里德（公元前330—275）也提出了光的直线传播性，他在《光学》一书中写道：

“我们假想光是以直线进行的，在线与线间还留出一些空隙来，光线自物体到人眼成为一个锥体，锥顶在人眼，锥底在物体，只有被光线碰上的东西才给我们看见，没有碰上的东西就看不见了”。

公元二世纪，托勒密（希腊人，公元70－147）研究了折射现象，写了《光学》一书，书中记载光由空气进入水中的入射角和折射角，得出一系列数据。

他认为折射角和入射角成正比。

阿尔一哈金（阿拉伯人，公元965－1038）首先发明了凸透镜，并对它进行了实验研究，所得的结果接近于近代关于凸透镜的理论。

1299年，阿玛蒂（十三世纪）发明了眼镜。

因此到15世纪和16世纪纪，凹面镜，凸面镜，眼镜，透镜等光学元件已相继出现。

我国宋代的沈括（1031—1095）在《梦溪笔谈》中，记载了极为丰富的几何光学知识。

我国元代的自然科学家赵友钦（1279—1368）著有《革象新书》，书中记有“小罅光景”的大型光学实验，其中讨论了物体表面照度与光源发光强度以及距离之间的关系。

从时间上来看，大约包括十七、十八两个世纪，这是光学的转折时期。

在这期间建立了光的反射定律和折射定律，为几何光学奠定了基础。

同时为了扩大人眼的观察能力，出现了一些光学仪器。

如李普塞（荷兰人，1587－1619）所制作的第一架望远镜的诞生、促进了天文学和航海事业的发展。

延森（1588—1632）和冯特纳（1580－1656）最早制作了复合显微镜，为生物学的研究提供了强有力的工具。

1609年，伽里略（意大利人，1564—1642）制造了用凸透镜做物镜，用凹透镜做目镜的伽里略望远镜。

他的不朽的功勋之一是第一个把望远镜指向天空，当时的目的是为了证实哥白尼（波兰人。

1473—1543）的日心说。

开普勒（德国人，1571—1630）汇集前人的光学知识，于1611年发表了《屈光学》一书。

书中记载：

他研究了折射现象，断定托勒密关于折射定现的结论并不正确，

自制望远镜（1609年）

为纪念他首先用望远镜观察星空这一壮举，2009年为国际天文年。

发现木星的4颗卫星；发现太阳黑子；定出太阳自转周期

折射定律的建立有两个创始人，一个是荷兰数学家斯涅耳（荷兰人，1591－1626），斯涅耳于1621年，从实际测量中抽象出这一定律，这一定律的表述是在斯涅耳去世后，于1626年在他的遣稿中找到的。

另一个是笛卡儿（法国人，1596—1650），笛卡儿虽然倾向于光的波动说，但在解释光的折射时，又把光看作由无数小球组成。

因此，他是从光的微粒观念中推导出折射定律的。

在1637年出版的《折光学》一书中，他第一个正式公布具有现代形式的折射定律，把余割之比换成了正弦之比。

几何光学时期费马（法国人，1601一1665）在1657年，首先指出光在介质中传播时，所走路程取极值的原理，并根据这个原理，推导出光的反射定律和折射定律。

到十七世纪中叶，已经建立了光的反射和折射定律，从而奠定了几何光学的基础。

以上理论是从光的直线传播作为基础的，但在实际观察中也存在违背这一原则的现象。

如格里马（意大利人，1618—1663）等人首先观察到衍射现象。

胡克（英国人，1635－1703）也观察到了衍射现象，并和玻义耳（英国人，1627—1691）独立地研究了薄膜所产生的彩色干涉条纹。

以上这些都是波动光学的萌芽。

到了十七世纪后半叶，牛顿（英国人，1643－1727）和惠更斯（荷兰人，1629一1695）等对光的研究，才真正把光学引上了发展的道路。

牛顿光学上的伟大贡献在