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光学は、古代エジプト人とメソポタミア人によるレンズの開発から始まり、続いて古代ギリシャの哲学者による光と視覚に関する理論が展開され、ギリシャ・ローマ世界で幾何光学が発展しました。光学という言葉は、ギリシャ語のτα ὀπτικάに由来し、「外観、見た目」を意味します。 [ 1 ]光学は、物理光学や生理光学の始まりなど、中世イスラム世界での発展によって大きく改革され、その後、回折光学が始まった近世ヨーロッパで大きく進歩しました。これらの初期の光学研究は現在「古典光学」として知られています。「現代光学」という用語は、波動光学や量子光学など、20 世紀に大きく発展した光学研究の分野を指します。
紀元前5世紀、エンペドクレスは万物は火、空気、土、水の4つの元素から構成されていると仮定した。彼は、アフロディーテが4つの元素から人間の目を作り、目の中に火を灯し、それが目から輝き出て視覚を可能にしたと信じていた。これが真実であれば、昼間と同じように夜でも見ることができるはずなので、エンペドクレスは目からの光線と太陽などの光源からの光線との相互作用を仮定した。彼は光には有限の速度があると述べた。[ 2 ]
紀元前4世紀の中国の哲学者墨子の著作とされる文献には、ピンホールを通過する光が「集光点」または「宝庫」に反転像を作り出す様子が記述されている。[ 3 ]
ギリシャの数学者ユークリッドは著書『光学』 の中で、「より大きな角度で見たものは大きく見え、より小さな角度で見たものは小さく見え、等しい角度で見たものは等しく見える」と述べている。続く36の命題の中で、ユークリッドは物体の見かけの大きさと目からの距離の関係を明らかにし、円柱や円錐を異なる角度から見たときの見かけの形状を考察している。パップスはこれらの結果が天文学において重要であると考え、ユークリッドの『光学』を『現象』とともに、プトレマイオスの『アルマゲスト』を読む前に学ぶべき小著を集めた『小天文学』に収録した。
紀元前55年、ローマの原子論者ルクレティウスは次のように記した。
どんなに遠くからでも、炎は私たちに光を投げかけ、温かい熱を私たちの手足に吹きかけてくれますが、その炎は隙間があっても本体が損なわれることはなく、炎は視界の中で少しも縮むことはありません。[ 4 ]
アレクサンドリアのヘロンは著書『カトプトリカ』の中で、平面鏡で反射した光線が実際にたどる経路は、光源と観測点の間に引ける他のどの反射経路よりも短いことを幾何学的な方法で示した。
5世紀のディグナーガや7世紀のダルマキールティといったインドの仏教徒は、世界を構成する原子を瞬間的な光やエネルギーの閃光と定義する原子論を発展させた。彼らは光をエネルギーと同等の原子的な実体とみなしたが、同時にすべての物質はこれらの光／エネルギー粒子から構成されているとも考えていた。
ここで取り上げる初期の著述家たちは、視覚を物理的、生理学的、あるいは心理学的問題としてではなく、幾何学的な問題として捉えていた。幾何光学に関する論文を著した最初の人物として知られているのは、幾何学者のユークリッド（紀元前325年頃～紀元前265年頃）である。ユークリッドは、幾何学の研究を始めたのと同じように、自明の公理から光学の研究を始めた。
ユークリッドはこれらの光線の物理的な性質を定義しなかったが、幾何学の原理を用いて、遠近法の効果や遠くから見た物の丸みについて論じた。
ユークリッドが分析を単純な直接視覚に限定していたのに対し、アレクサンドリアのヘロン（紀元10～70年頃）は幾何光学の原理を拡張して反射（反射光学）の問題を考察した。ユークリッドとは異なり、ヘロンは時折、視覚光線の物理的性質について言及し、光線は目から対象物まで非常に速く進み、滑らかな表面で反射されるが、磨かれていない表面の多孔質部分に閉じ込められる可能性があることを示した。[ 5 ]これは放射理論として知られるようになった。[ 6 ]
ヘロンは、入射角と反射角が等しいことを、物体から観察者までの最短経路に基づいて証明した。この原理に基づき、彼は平面鏡における物体とその像との間の固定的な関係を定義することができた。具体的には、像は鏡の背後に、物体が鏡の手前にある距離と同じだけ遠くにあるように見える。
ヘロンと同様に、2世紀のクラウディオス・プトレマイオスも著書『光学』の中で、視覚光線は目から見える対象物へと向かうと考えていたが、ヘロンとは異なり、視覚光線は離散的な線ではなく、連続した円錐を形成すると考えていた。
光学の文献には、プトレマイオスの反射と屈折の研究が記録されている。[ 7 ]彼は空気、水、ガラス間の屈折角を測定したが、発表された結果から、屈折角は入射角に比例する という（誤った）仮定に合うように測定値を調整したことが分かる。[ 8 ] [ 9 ]
アル・キンディー（801年頃～873年）は、イスラム世界における初期の重要な光学研究者の1人でした。西洋では『星の放射について』として知られる著作の中で、アル・キンディーは「世界のあらゆるものが…あらゆる方向に光線を発し、それが全世界を満たしている」という理論を展開しました。[ 10 ]
光線の能動性に関するこの理論は、イブン・アル＝ハイサム、ロバート・グロステスト、ロジャー・ベーコンなどの後世の学者に影響を与えた。[ 11 ]
980年代にバグダッドで活躍した数学者イブン・サフルは、プトレマイオスの『光学』の注釈を編纂したことが知られている最初のイスラム学者である。彼の論文『Fī al-'āla al-muḥriqa』（「燃焼器具について」）は、Rashed（1993）によって断片的な写本から復元された。[ 12 ]この著作は、曲面鏡やレンズが光をどのように曲げ、集束させるかについて論じている。イブン・サフルはまた、スネルの法則と数学的に同等の屈折の法則についても述べている。[ 13 ]彼は自身の屈折の法則を用いて、光を軸上の一点に集束させるレンズや鏡の形状を計算した。
1010年代に執筆活動を行ったイブン・アル＝ハイサム（西ヨーロッパではアルハセンまたはアルハゼンとして知られる）は、イブン・サフルの論文とプトレマイオスの『光学』のアラビア語訳の一部を入手した。彼はギリシャの光学理論を包括的かつ体系的に分析した。[ 15 ] イブン・アル＝ハイサムの重要な業績は2つある。1つ目は、プトレマイオスの見解に反して、視覚は光線が目に入ることによって生じると主張したこと。2つ目は、以前の幾何光学の著述家が論じた光線の物理的性質を、光と色の形態として定義したことである。[ 16 ] 彼は幾何光学の原理に従ってこれらの物理的な光線を分析した。彼は光学に関する多くの本を執筆したが、最も重要なのは『光学の書』（アラビア語ではKitab al Manazir）で、ラテン語では『 De aspectibus』または『Perspectiva』として翻訳され、彼の考えを西ヨーロッパに広め、後の光学の発展に大きな影響を与えた。[ 17 ] [ 6 ]イブン・アル＝ハイサムは「近代光学の父」と呼ばれた。[ 18 ] [ 19 ]
アヴィセンナ（980-1037）は、アルハゼンと同様に光の速度は有限であると同意し、「光の知覚が光源からの何らかの粒子の放出によるものであるならば、光の速度は有限でなければならない」と述べている。[ 20 ]アブー・ライハーン・アル＝ビールーニー（973-1048）もまた、光には有限の速度があることに同意しており、光の速度は音速よりもはるかに速いと述べている。[ 21 ]
11世紀後半にアル＝アンダルスに住んでいたアブ・アブド・アッラー・ムハンマド・イブン・マウドは、光学に関する著作を著し、後にラテン語に翻訳されてLiber de crepisculisとなったが、これは誤ってアルハゼンに帰属された。これは「朝の薄明の始まりと夕方の薄明の終わりにおける太陽の俯角の推定と、これおよびその他のデータに基づいて太陽光線の屈折の原因となる大気中の水分の高さを計算しようとする試み」を含む短い著作であった。彼の実験により、彼は18°という値を得たが、これは現代の値に近い。[ 22 ]
13世紀後半から14世紀初頭にかけて、クトゥブ・アルディン・アルシラジ（1236年 - 1311年）とその弟子カマール・アルディン・アルファーリシー（1260年 - 1320年）はイブン・アルハイサムの研究を引き継ぎ、虹現象の正しい説明を最初に与えた人物の一人となった。アルファーリシーは、その研究成果を『キタブ・タンキーフ・アルマナジル』 （[イブン・アルハイサムの]光学の改訂）に発表した。[ 23 ]
イングランドの司教ロバート・グロステスト（1175年頃～1253年）は、中世大学の起源とアリストテレスの著作の復興の時代に、幅広い科学的主題について執筆した。グロステストは、中世初期の学問のプラトン主義と新しいアリストテレス主義の間の過渡期を反映しており、そのため、多くの著作で数学とプラトンの光のメタファーを適用する傾向があった。彼は、光の認識論、光の形而上学または宇宙論、光の原因論または物理学、そして光の神学という4つの異なる視点から光を論じたとされている。[ 24 ]
認識論や神学の問題はさておき、グロステストの光の宇宙論は、中世の「ビッグバン」理論と大まかに表現できる形で宇宙の起源を説明しています。彼の聖書注解書である『ヘクサエメロン』（1230 x 35）と科学書『光について』 （1235 x 40）は、創世記1章3節「神は言われた、『光あれ』」から着想を得ており、その後の創造の過程を、膨張（および収縮）する光の球体の生成力から生じる自然な物理的過程として説明しています。[ 25 ]
光を物理的原因の主要な媒介物としてより一般的に考察した彼の考えは、『線、角度、図形について』の中で「自然の媒介物は、その力を自身から受け手に伝播させる」と主張している箇所や、『場所の本質について』の中で「あらゆる自然の作用は、線、角度、図形の変化によって強弱が変化する」と述べている箇所に見られる。[ 26 ]
イギリスのフランシスコ会修道士ロジャー・ベーコン（1214年頃～1294年）は、グロステストの光の重要性に関する著作に強く影響を受けた。彼の光学に関する著作（『Perspectiva』、『De multiplicatione specierum 』 、『De speculis comburentibus 』）では、アルハセン、アリストテレス、アヴィセンナ、アヴェロエス、ユークリッド、アル・キンディー、プトレマイオス、ティデウス、コンスタンティヌス・アフリカヌスなど、最近翻訳された幅広い光学および哲学の著作を引用している。彼は盲目的な模倣者ではなかったが、光と視覚に関する数学的分析はアラビアの著述家アルハセンの著作から着想を得ている。しかし彼はこれに、おそらくグロステストから得たであろう、すべての物体は力（種）を放射し、それによってその種を受け取るのに適した近くの物体に作用するという新プラトン主義の概念を加えた。[ 27 ] ベーコンの「種」という用語の光学的な用法は、アリストテレス哲学に見られる属／種のカテゴリーとは大きく異なることに注意されたい。
後世のいくつかの著作、中でも影響力のあるリモージュのピエール（1240年 - 1306年）の『眼に関する道徳論』（ラテン語：Tractatus Moralis de Oculo）は、ベーコンの著作に見られる思想を普及させるのに役立った。[ 28 ]
もう一人のイギリスのフランシスコ会修道士、ジョン・ペチャム（1292年没）は、ベーコン、グロステスト、そして様々な先人たちの研究を基に、中世で最も広く使われた光学の教科書となった『ペルスペクティヴァ・コムニス』を著した。彼の著書は、光や色の本質ではなく、視覚、つまり私たちがどのように物を見るかという問題に焦点を当てていた。ペチャムはアルハセンが示したモデルに従ったが、アルハセンの考えをロジャー・ベーコン流に解釈した。[ 29 ]
先人たちと同様に、ヴィテロ（1230年頃生まれ、1280年から1314年の間に死去）は、ギリシャ語とアラビア語から最近翻訳された膨大な光学研究書を参考に、この主題に関する大著『ペルスペクティヴァ』を著した。彼の視覚理論はアルハセンの理論に従っており、ベーコンの種の概念は考慮していないが、彼の著作中のいくつかの箇所は、彼がベーコンの思想に影響を受けていたことを示している。現存する写本の数から判断すると、彼の著作はペチャムやベーコンの著作ほど影響力はなかったが、印刷術の発明とともに、彼とペチャムの重要性は高まった。[ 30 ]
フライベルクのテオドリック（1250年頃 - 1310年頃）は、虹の現象に対する正しい科学的説明をヨーロッパで最初に提供した人物の一人であり、[ 31 ]前述のクトゥブ・アルディン・アルシラジ（1236年 - 1311年）とその弟子カマール・アルディン・アルファーリシー（1260年 - 1320年）も同様である。
ヨハネス・ケプラー（1571–1630）は、1600年の月食に関する論文から光学の法則の研究を引き継いだ。[ 6 ]月食と日食の両方で、予想外の影の大きさ、皆既月食の赤い色、皆既日食の周囲に見られる異常な光など、説明のつかない現象が見られた。大気屈折に関連する問題は、すべての天体観測に関係していた。1603年の大半を通して、ケプラーは他の研究を中断して光学理論に集中した。その結果として、1604年1月1日に皇帝に提出された原稿は、『天文学の光学部分』 （Astronomiae Pars Optica）として出版された。その中で、ケプラーは光の強度を支配する逆二乗法則、平面鏡と曲面鏡による反射、ピンホールカメラの原理、そして視差や天体の見かけの大きさなど、光学の天文学的意味について説明した。 『天文学光学』は、一般的に現代光学の基礎として認識されている（ただし、屈折の法則は明らかに欠落している）。[ 32 ]
ヴィレブロルド・スネリウス（1580年 - 1626年）は、1621年に屈折の法則（現在ではスネルの法則として知られている）を発見した。その後、ルネ・デカルト（1596年 - 1650年）は、幾何学的作図と屈折の法則（デカルトの法則としても知られている）を用いて、虹の角半径が42°（つまり、虹の縁と虹の中心が目でなす角度が42°）であることを示した。[ 33 ]彼はまた、独自に屈折の法則を発見し、彼の光学に関する論文はこの法則について初めて公表されたものである。[ 34 ]
Christiaan Huygens (1629–1695) は光学の分野でいくつかの著作を書きました。これらには、オペラ聖遺物( Christiani Hugenii Zuilichemii、dum viveret Zelhemii toparchae、opuscula posthumaとしても知られています) とTraité de la lumière が含まれます。
アイザック・ニュートン（1643年～1727年）は光の屈折を研究し、プリズムによって白色光が色のスペクトルに分解され、レンズと2つ目のプリズムによって多色のスペクトルが白色光に再構成されることを実証しました。また、色のついた光線を分離して様々な物体に照射しても、色光の性質は変化しないことも示しました。ニュートンは、反射、散乱、透過のいずれの場合でも、色は同じままであることに注目しました。つまり、色は物体が色を生成するのではなく、既に色がついている光と物体が相互作用することによって生じるものであることを発見したのです。これはニュートンの色理論として知られています。この研究から、屈折望遠鏡は光が色に分散するという問題に悩まされると結論付けました。彼はその後、反射望遠鏡（今日ではニュートン望遠鏡として知られています）を発明し、鏡を使って像を形成することでこの問題を回避できることを示しました。1671年、王立協会は彼の反射望遠鏡の実演を求めました。彼らの関心に後押しされ、彼は『色彩論』というノートを出版し、後にそれを拡張して『光学論』を著した。彼は光は粒子または微粒子から成り、より密度の高い媒質に向かって加速することで屈折すると主張したが、光の回折を説明するにはそれらを波動と関連付ける必要があった（『光学論』第2巻、命題XII-L）。後の物理学者たちは、回折を説明するために、光を純粋に波動として説明することを好んだ。
ニュートンは1675年の「光の仮説」で、粒子間の力を伝達するエーテルの存在を提唱した。1704年、ニュートンは「光学」を出版し、その中で光の粒子説を詳述した。彼は光は極めて微細な粒子から成り、通常の物質はより粗大な粒子から成り、ある種の錬金術的変容によって「粗大な物体と光は互いに変換可能ではないか、…そして物体はその構成に入る光の粒子からその活動の大部分を受け取っているのではないか」と推測した[ 35 ]。ニュートンはまた、ビームエキスパンダーとしてのプリズムの使用と多重プリズムアレイについて最初に記述した人物でもあり、これらは後に初期の波長可変レーザーの開発に不可欠なものとなった[ 36 ]。
光の回折効果は、フランチェスコ・マリア・グリマルディによって注意深く観察され、特徴づけられました。彼はまた、ラテン語の diffringere「断片に砕く」から「回折」という用語を作り出し、光が異なる方向に砕けることを指しました。グリマルディの観察結果は、1665 年に死後出版されました。[ 38 ] [ 39 ]アイザック・ニュートンはこれらの効果を研究し、光線の屈折によるものとしました。ジェームズ・グレゴリー(1638 – 1675) は、鳥の羽によって引き起こされる回折パターンを観察し、これは事実上最初の回折格子でした。1803 年にトーマス・ヤングは、リップルタンクで水波の干渉を実証し、太陽光で照らされた 2 つの近接したスリットからの回折効果を説明しました。彼は、光は波として伝播しなければならないと推論しました。オーギュスタン＝ジャン・フレネルは、1815年と1818年に発表された回折の重要な数学的定式化を提供し、それによってクリスティアーン・ホイヘンスによって提唱され、ヤングによって再活性化された光の波動説を、ニュートンの粒子説に対抗する形で大きく支持した。[ 40 ]
議論の余地はあるものの、考古学的証拠は、数千年にわたる古代におけるレンズの使用を示唆している。[ 41 ]エジプト古王国時代（紀元前2686～2181年頃）の象形文字に描かれたガラス製の眼覆いは、機能的な単純なガラス製メニスカスレンズであったと提唱されている。 [ 42 ]紀元前7世紀のものとされる水晶の遺物であるいわゆるニムルドレンズは、拡大鏡として使用された可能性があるが、単なる装飾品であった可能性もある。[ 43 ] [ 44 ] [ 45 ] [ 46 ] [ 47 ]
拡大に関する最古の記録は西暦1世紀に遡り、ネロ帝の家庭教師であった小セネカが「どんなに小さく不明瞭な文字でも、水で満たされた球体やガラスを通して見ると拡大され、より鮮明に見える」と記している。[ 48 ]ネロ帝はエメラルドを矯正レンズとして用いて剣闘士の試合を観戦したとも言われている。[ 49 ]
イブン・アル＝ハイサム（アルハセン）は、11世紀の著書『光学の書』（西暦1021年）の中で、ピンホール、凹レンズ、拡大鏡の効果について記述している。[ 48 ] [ 50 ] [ 51 ] 1260年代か1270年代に、イギリスの修道士ロジャー・ベーコンは、アラブの著述家の著作に一部基づいて光学に関する著作を執筆し、視力矯正レンズや燃焼用ガラスの機能について記述した。これらの著作は、出版されなかったより大きな出版物の概要であったため、彼の考えは広く普及することはなかった。[ 52 ]
11世紀から13世紀にかけて、いわゆる「読書石」が発明されました。修道士が写本の装飾を補助するためによく使われたこれらの石は、原始的な平凸レンズで、最初はガラス球を半分に切って作られました。石の実験が進むにつれて、浅いレンズの方が効果的に拡大することが徐々に理解されました。1286年頃、おそらくイタリアのピサで、最初の眼鏡が作られましたが、発明者が誰だったかは不明です。[ 53 ]
現存する最古の実用的な望遠鏡は、 1608年にオランダで登場した屈折望遠鏡である。その発明者は不明である。ハンス・リッペルハイがその年に最初の特許を申請し、2週間後にアルクマールのヤコブ・メティウスが特許を申請した（当時、この装置の例が多数あったため、どちらも認められなかった）。ガリレオは翌年、これらの設計を大幅に改良した。アイザック・ニュートンは、 1668年に最初の実用的な反射望遠鏡、ニュートン式反射望遠鏡を製作したとされている。[ 54 ]
標本の近くに対物レンズと接眼レンズを組み合わせて実像を見る複合顕微鏡の最も初期の例は、1620 年頃にヨーロッパに現れた。[ 55 ]この設計は望遠鏡と非常によく似ており、望遠鏡と同様に、その発明者は不明である。ここでも、オランダの眼鏡製造の中心地に関する主張が中心となっており、1590 年にザカリアス・ヤンセンおよび/または彼の父ハンス・マルテンスによって発明されたという主張[ 56 ] [ 57 ] [ 58 ] 、ライバルの眼鏡製造業者ハンス・リッペルハイによって発明されたという主張[ 59 ] 、 1619 年にロンドンでバージョンを持っていたことが記録されている亡命者コルネリス・ドレッベルによって発明されたという主張[ 60 ] [ 61 ]などがある。
ガリレオ・ガリレイ（複合顕微鏡の発明者として挙げられることもある）は、1609年以降、望遠鏡の焦点を絞って小さな物体を見ることができることに気づき、1624年にローマで展示されたドレッベルが製作した複合顕微鏡を見て、改良版を自作したようだ。[ 62 ] [ 63 ] [ 64 ]顕微鏡という名称は、1625年にガリレオ・ガリレイの複合顕微鏡にその名前を付けたジョヴァンニ・ファーベルによって考案された。 [ 65 ]
光は光子と呼ばれる粒子で構成されているため、本質的に量子化されています。量子光学は、量子化された光子としての光の性質と効果を研究する学問です。光が量子化されている可能性を最初に示唆したのは、1899年にマックス・プランクが、光と物質間のエネルギーの交換は量子と呼ばれる離散的な量でのみ起こると仮定して、黒体放射を正しくモデル化したことでした。この離散性の原因が物質なのか光なのかは不明でした。[ 66 ]： 231-236 1905年、アルベルト・アインシュタインは光電効果の理論を発表しました。この効果の唯一の可能な説明は、光自体の量子化であるように思われました。後にニールス・ボーアは、原子は離散的な量のエネルギーしか放出できないことを示しました。これらの発展から得られた光と物質の相互作用の理解は、量子光学の基礎を形成しただけでなく、量子力学全体の発展にとっても重要でした。しかし、物質と光の相互作用を扱う量子力学の分野は、主に光ではなく物質の研究とみなされていたため、原子物理学や量子エレクトロニクスといった言葉が使われることが多かった。
1953年のメーザーの発明と1960年のレーザーの発明によって、状況は一変した。レーザー科学、すなわちこれらの装置の原理、設計、応用に関する研究は重要な分野となり、レーザーの原理の根底にある量子力学は、光の特性に重点を置いて研究されるようになり、「量子光学」という名称が一般的に用いられるようになった。
レーザー科学にはしっかりとした理論的基盤が必要であり、またこれらの研究がすぐに非常に実り多いことが証明されたため、量子光学への関心が高まりました。量子場理論におけるディラックの研究に続き、ジョージ・スダルシャン、ロイ・J・グラウバー、レナード・マンデルは、 1950年代と1960年代に電磁場に量子論を適用し、光検出と光の統計（コヒーレンス度を参照）についてより詳細な理解を得ました。これにより、レーザー光の量子記述としてコヒーレント状態が導入され、光の状態の中には古典的な波では記述できないものがあることが認識されました。1977年、キンブルらは、量子記述を必要とする最初の光源、すなわち一度に1つの光子を放出する単一の原子を実証しました。古典的な状態よりもいくつかの利点を持つ別の量子光状態であるスクイーズド光がすぐに提案されました。同時に、Qスイッチングやモード同期技術によって生成される短パルスおよび超短パルスレーザーの開発は、想像を絶するほど高速な（「超高速」）プロセスの研究への道を開きました。固体研究（例えばラマン分光法）への応用が見出され、光が物質に及ぼす機械的な力が研究されました。後者は、レーザービームによって原子雲や小さな生物試料を光トラップや光ピンセット内で浮遊させ、位置決めすることにつながりました。これは、ドップラー冷却とともに、有名なボーズ・アインシュタイン凝縮を実現するために必要な重要な技術でした。
その他の注目すべき成果としては、量子もつれ、量子テレポーテーション、そして（最近では1995年に）量子論理ゲートの実証が挙げられる。後者は量子情報理論において非常に重要であり、この分野は量子光学と理論計算機科学から部分的に発展したものである。
今日の量子光学研究者の関心分野には、パラメトリックダウンコンバージョン、パラメトリック発振、さらに短い（アト秒）光パルス、量子情報のための量子光学の利用、単一原子やボーズ・アインシュタイン凝縮体の操作、それらの応用、そしてそれらを操作する方法（原子光学と呼ばれることが多い分野）などがある。