（由于惠更斯研究过Bartholin发现的双折射现象，而Bartholin又是根据笛卡尔的光的波动理论加以研究的双折射）.他进一步提出光是发光体中微小粒子的振动在弥漫于宇宙空间的以太中的传播过程.光的传播方式与声音类似，而不是微粒说所设想的像子弹或箭那样的运动.1678年他向巴黎的法国科学院报告了自己的论点（当时惠更斯正留居巴黎），并于1690年取名《光论》（Traite de laLumiere）正式发表.他写道：“假如注意到光线向各个方向以极高的速度传播，以及光线从不同的地点甚至是完全相反的地方发出时，其射线在传播中一条穿过另一条而互相毫无影响，就完全可以明白：当我们看到发光的物体时，决不会是由于这个物体发出的物质迁移所引起，就象穿过空气的子弹或箭那样.”，并以此反驳牛顿的光学理论.

罗迈（Olaf Roemer， 1644—1710）在1676年根据木星卫蚀的推迟得到光速有限的结论，使惠更斯大受启发.

经度的判断对导航和绘制地图具有十分重要的实际意义，因此，1598年，西班牙国王菲利普3世设了一个奖项，以寻找一种判断船只在看不到陆地时船的经度的办法.

为了判断经度，只需要观测日落和日出就足够了，而日落和日出可以提前一年预测；如果你所处处的日落比格林尼治天文台早1个小时，那么所处之处的经度就是格林尼治以西15°.所以我们所需要的就是一个时钟.但是在1672年，人们还没有一种在上下颠簸左右摇晃的船上准确计时的时钟.惠更斯的摆钟只能在陆地上工作.因此精确的导航十分困难.伽利略曾经建议使用木星的卫星作为时钟，但是在船上观测木星的卫星的月食似乎很困难.然而，这可能在陆地上有用，并且这个方法已经被意大利天文学家Cassini领先了.Cassini被法国国王邀请到法国参与建设皇家天文台，这个天文台在1671年建成，Cassini任负责人.他立即送Jean Picard 去Uraniborg，那里有第谷所在的天文台.Cassini的目的是，通过在两个天文台观测木星的卫星Io的同一次月食的周期差异，来计算两地的经度之差.如果Picard在Uraniborg的正午后记录到Io的月食结束时间是9时43分54秒，与此同时Cassini在巴黎记录同一个月食的结束时间是9时1分钟44秒，这个时间差42分10秒，就可以用来计算两地的经度之差，即

$$\eqalign{ & \frac{{3600{\text{s}}}}{{{{15}^0}}} = \frac{{42 \times 60 + 10}}{x} \cr & x = {10.5417^0} = {10^0}32'30'' \cr} $$

这就是为什么人们要精确测定木星的卫星的轨道周期的原因.Romer是Picard的年轻助手，他必定是一个得力助手，因为Picard安排他到巴黎并在皇家天文台工作.Romer至少在1668年就已经观测过Io的月食，所以他很可能向Picard展示如何去观测.

望远镜发明后不久，伽利略就在1610年用望远镜发现了木星的四颗最大的卫星.紧接着很多天文学家对这些卫星做了详细的观察，到1660年时它们的运行周期已经被Borelli (1665) 和Cassini (1668)制作出来.他们的观测时间主要是在地球处于太阳和木星之间时，因为此时木星看起来处于夜空中的最高位置.木星的四颗最大的卫星绕木星的周期分别是1.769天、3.551天，7.155天和16.689天，这些数据十分稳定并且可以准确地根据这些时间预测这些卫星的运动，这些数据就像巨大的时钟.基于这些数据可以将月食（这些卫星被木星遮住）的预测时间精确到分钟.

到1670年的时候，人们开始从地球处于太阳另一侧观察木星，也就是木星、太阳和地球在一条直线行，且地球处于太阳外侧时，此时从地球观测，木星和太阳几乎处于同一位置，使得观测十分困难，不过在黎明和黄昏时，尽管木星和太阳看起来几乎处于同一位置，但还是可以观测。但是却出现了一个奇怪的现象，在连续6个月的时间里，木星卫星绕木星的周期都比之前地球在木星与太阳之间观测的有延迟或提前.

以其中一颗卫星Io为例，根据Olaf Roemer 的观测，在连续6个月里，Io相连2次月食所用时间都增加了3.5分钟，因此半年累积下来，就是22分钟.在接下来的6个月里，Io相连2次月食所用时间都减小3.5分钟，6个月累积下来也是22分钟.Romer在1675年前往巴黎的访问中深思这个问题，并基于一种假设找到了一个完美的解释：光的传播速度不是瞬时的.光速有限.对于木星卫星来说，当地球处于木星与太阳之间时，木星的卫星反射的光线只需要走过木星轨道到地球轨道之间的距离；当地球处于另一侧时，木星的卫星反射的光线需要走过额外距离，那就是地球公转轨道直径，于是看到的木星卫星“月食”时间变迟了.在1660年时已经有地球到太阳距离的粗糙的估计值，根据v=s/t，Romer并可得出光速的估计值.

Cassini和Picard都没有立即确信Romer的想法，因此作为初级职员的Romer没有发表他的工作.

最先测量日地距离的是古希腊天文学家Aristarchus，其后是惠更斯于1653年测量，惠更斯用金星Venus的位置来估计，即当金星被太阳照亮一半时，日，地，金星三者形成直角三角形，测出∠SEV再计算，此方法需要估计金星到地球的距离.

1672年，Giovanni Cassini用视差法parallax method计算出火星到地球的距离[5]，再利用开普勒定律得到日地距离.

1669年丹麦的巴塞林纳斯（Erasmus Bartholinus，1625—1698）发现了双折射现象.当他用方解石（也叫冰洲石）观察物体时，注意到有双像显示.经过反复试验，他确定是这种晶体对光有两种折射：寻常折射和非寻常折射.

冰洲石

这是继干涉、衍射之后发现的又一光学新现象.是否能对这种新现象作出合理的解释成了微粒理论和波动理论面临的考验.惠更斯在得知巴塞林纳斯的发现后，立即重复进行了实验.他证实了这一现象，并且观察到在其他晶体，例如石英，也有类似效应，只是效果差些.进一步他还确定寻常折射仍然遵守折射定律，非寻常折射则不遵守折射定律.至于双折射现象的解释，惠更斯很巧妙地提出了椭球波的设想，认为方解石等晶体的颗粒可能具有特殊形状，以至光波通过时，在某一方向比在另一方向传播得更快一些，于是就出现了不同的折射.

惠更斯发展了波动理论.但是由于他把光看成象声波一类的纵波，因此不能解释偏振现象.他的波动理论也不能解释干涉和衍射现象，因为那时还没有建立周期性和位相等概念.

英国物理学家托马斯•杨开始以医生为职业，但是兴趣广泛，不久之后开始研究光的性质.1801 – 1803年他在伦敦的皇家学院当自然哲学教授，在此期间他做了一系列实验证实光看起来有类似波的行为，因为光可以被分解为有颜色的边缘（参考格里马第的衍射实验现象）.

历史学家依然不知道他是否真的做过这个实验（杨氏双缝实验）.但是至少他的思维实验（thought experiment）显示了光的波的特性并且证实光不是之前牛顿和其他人认为的是微粒.

当从特定方向透过冰岛的透明方解石看一个物体时，物体会显示出两个像.1669年，哥本哈根大学的丹麦数学家Bartholin不但看到了双图像的现象，还做了一些实验并写了60页的论文集.这就是最早的光的偏振效应的科学描述.（bartholin因为对Iceland spar的研究，被选为哥本哈根大学教授.）

根据Bartholin的研究，经过冰岛方解石（Iceland spar）双折射产生的两束光线不一样.其中一束光线遵从斯涅尔折射定律（也就是光的折射定律），称之为寻常折射光线（ordinary Ray），它的折射率是1.654.另一条折射的光线却不满足折射定律.它的折射率不是常数，而是在1.654到1.483之间变化，而且入射光线与折射光线并不总是在一个平面内，因此称之为非寻常折射光线（extraordinary ray）.寻常折射光线的强度是最大的（最亮）.将一块冰岛方解石放在一点墨水上时，透过方解石会看到两个墨点，其中最明亮（the most refracted ray）的点看起来更浅（折射率最大）.旋转方解石时，另外一个墨点将绕着最亮的点转动，而最亮的点保持不动.

bartholin的发现抵达伦敦的皇家学会，并在欧洲和自然科学家之间广泛讨论，很多人希望得到Iceland spar，当时Iceland是丹麦的一部分， 欧洲人只能通过丹麦人，比如bartholin讨要Iceland spar，其中就包括惠更斯、牛顿等人.Bartholin在leiden期间与惠更斯相识，并送他及其其他学者一些Iceland spar.

Bartholin送他Iceland spar后，惠更斯花了一年时间做实验.他发现，把第二块晶体放在第一块上面后，并不能通过双折射将第一块晶体得到的两个图样变成4个.实际上，当旋转第二块晶体时，他可以让通过第一块得到的两个图像之中的任意一个消失.

惠更斯在纸上滴一点黑色墨迹，放上一块Iceland spar，此时因为双折射出现两个点的图像，此时在第一块Iceland spar 上再放置一块与第一块平行的Iceland spar，并不会产生4个点的图像，当旋转上面的一块Iceland spar 90°时，图像会出明暗变化，如下图所示

惠更斯用圆形波的椭圆形次波解释双折射现象，但是不太完美，因此没有被大众接受；牛顿认为光线由微粒组成，并且微粒像磁体一样有端，认为晶体分开了这些端sides（晶体为例与这些端有相互作用力，使端具有方向性，第一个偏振片使某个方向排列的粒子通过，第二个偏振片的角度与第一个偏振片不平行则完全无法通过光粒子，然而实验事实是，光线有通过，只是亮度变暗.这就是微粒说只能部分解释偏振光.），牛顿不能证明这种说法，但是由于他的威望，他的说法在接下来的100年里被普遍接受了.在接下来的100年里，微粒说和惠更斯的波动说都只能部分地正确解释双折射现象，直到托马斯杨杨通过一系列实验证实了光的类似波的特性，当然这些实验与Iceland spar无关.

He proved that Huygens wave theory could not really explain the double refraction of Icelandic spar. Instead, he claimed, birefringence occurred because light particles had two sides, and the crystal separated those sides. Newton couldn’t prove this, of course, but his reputation being what it was people generally accepted it for the next 100 years or so.

1808年，法国工程师马吕斯Étienne-Louis Malus获得一个意外发现.一天他在巴黎的公寓里把玩一个冰岛晶石Iceland spar，这种水晶石具有双折射特性，透过它看任何物体都会呈现两个图像.马吕斯透过这块水晶石凝视街对面的一扇窗户玻璃反射过来的太阳的图像，奇怪的是，这块水晶石只显示出一个太阳的图像，而不是马吕斯所期望看到的两个图像.当光线从一个表面反射出来时，很显然某些光线被过滤掉了，或者说被极化了，将光看做横波可以比其他理论很好地解释这个现象.

An accidental discovery in 1808 also provided more evidence for the wave theory. Étienne-Louis Malus,a French engineer, was in his Paris apartment one day toying with a piece of Iceland spar,a crystal known for its property of double refraction; anything viewed through it appeared as two images. Malus was peering through the crystal at an image of the sun that had been reflected from a window across the street. Strangely,the crystal displayed only one image, not the two that Malus was expecting to see. When light reflected off a surface,apparently some of the light was filtered,or polarized. As it turned out,the theory of light as transverse waves explained this phenomenon better than any other theory.

当马吕斯旋转Iceland spar时，看到两个图像交替地明暗变化，但是其中任何一个图像都没有完全消失，因为从窗户反射回来的光不是完全polarized的.这个变化类似于惠更斯通过重叠两块Iceland spar而旋转上面一块时得到的效果一致. 当晚在睡觉前，马吕斯直接透过Iceland spar看烛光，但是烛光依然有两个图像而且旋转Iceland spar并不会出现明暗交替的情形.当他透过Iceland spar看通过水面或玻璃面反射的光线时，只看到一个像（这决定于怎么旋转Iceland spar的方位，其实不完全只有一个图像，因为不是完全极化的.）当马吕斯旋转Iceland spar使其主截面平行于光线的反射面时，只有ordinary ray被反射.

这个发现对马吕斯来说非常重要，尽管法国科学院设立了一个到1810年到期的“用数学理论和实验求证双折射现象”的物理竞赛奖，但是马吕斯并没有等到竞赛结束的1810年，而是在1808年就联系法国科学院，详述自己的发现，并在接下来的几个月里发表了.马吕斯创造了一个词polarized来描述光的这个特性，但是没有解释成因.

马吕斯还发现，使Iceland spar 折射出的光线被水面反射，当反射角小于52°45′且Iceland spar的主截面平行于反射面时，ordinary ray 被完全折射；当主截面垂直于反射面时，extraordinary ray被完全折射.通过其他与Iceland spar类似的透明物质表面反射的光都具有类似的性质.他把这一现象称为polarization.马吕斯在1811年赢得了法国科学院设立的奖，但是由于之前参加拿破仑领导的入侵埃及的战争而导致健康恶化，于1812年去世.

马吕斯认为光微粒有类似磁体的两个极性端，当光透过具有双折射的物质后，这些具有极性的微粒会有序排列，称这种有序排列的微粒为polarized light（Wehner R,1983）.

从玻璃或其他透明物质反射的光要成为complete polarization的光，需要有不同的入射角，入射角对不同的物质不同.马吕斯尝试去找到使反射光完全极化的入射角与折射率的关系，他只找到了水的情况，当从水面反射出来的光线的反射角是52°45′时，反射光线完全被极化了，由于当时玻璃品质不良，使得玻璃表面和内部折射率不一致，所以没有得到玻璃的极化角与折射率的正确关系.1815年，David Brewster使用高品质玻璃得到了玻璃的极化角与玻璃折射率的关系，也就是Brewster’s law.

马吕斯还指出，反射光的极化（polarization）是不完全的，也就是说，透过Iceland spar的旋转而观察到的反射光的极化现象与惠更斯通过两片Iceland spar看到的不太一致.

He had noted that the polarization of reflected light is,in general,incomplete,that is, the reflected rays display only imperfectly the properties of light which has undergoes double refraction.

（When the crystal's principal section is parallel to the plane of reflection],the O ray, on being refracted, abandoned part of its molecules to partial reflection as would a bundle of direct light [i.e.,unmodified light], but the E ray entirely penetrated the liquid; none of its molecules escaped refraction. Conversely, when the principal section of the crystal was perpendicular to the plane of incidence,only the E ray produced a partial reflection, and the O ray was entirely refracted）

马吕斯的发现翻开了光学研究的新领域.光的极化实验容易重复，并且可以被改进.苏格兰实验学家David Brewster支持和肯定牛顿的光的粒子说，并且善于设计光学实验设备和仪器.尽管马吕斯没有找到极化角和物质折射率的任何普通关系，但是Brewster却发现了以他的名字命名的规律tan I = n.

1802年，当研究不同物质的折射率时，英国数学和物理学家William Hyde Wollaston (1766—1828)在太阳光谱中发现了几条平行的黑线.

在牛顿时代，折射望远镜（伽利略望远镜）产生的颜色失常是主要问题，并且有很多理论来解释是什么原因造成的.牛顿在1660年代中期在三棱镜实验基础上提出了颜色理论，认为折射望远镜的颜色失常是因为望远镜里面的透镜起到了三棱镜的作用，使白光成为彩虹颜色围绕着明亮的天体.如果这正确的话，颜色失常可以通过不使用棱镜来消除，于是就出现了反射式望远镜.牛顿也许读过格雷戈里在1663年的书optica promota，里面描写了使用抛物面镜片设计反射式望远镜.牛顿采用了球面镜简化设计，但是这样也会引入球面颜色失常（spherical aberration），不过依然可以修正颜色失常（chromatic aberration）.直到1695年，牛津大学的天文学家David Gregory受到人眼多结构组合的启发，建议chromatic aberration可以通过组合不同透镜来减小 - 两种或多种不同玻璃小心地贴合在一起的透镜.38年后的1733年，英国的律师和optical tinkerer Chester moor hall委托不同的光学仪器商构造两种不同的透镜-one a concave flint，the other a convex crown.巧合的是，这两块棱镜的制造工作都交给了同一个人George bass，他认识到这两种透镜是组合成一块完整透镜的不同部分，然后将其组合成一块后拿来看远处的物体，发现物体周围有颜色的边缘都消失了.George bass将透镜交给Hall，然后Hall将它们安装在一个望远镜里.Bass努力将这种消色差透镜使光学仪器制造商接受，但是发现他们不感兴趣.生意太好，制造商们太忙不愿意被新的发明打扰.直到1750年，bass遇到John dollond，一个前纺织工，现在是崛起的光学仪器制造商.dollond是牛顿的透镜chromatic aberration理论的坚定拥护者，然而他对Bass的报告产生了兴趣，决定自己做实验，结果证实Bass说的是正确的，后续的实验产生了这样的组合：a pair of convex crown-glass lenses enclosing a concave flint-glass lens.dollond声称是自己发明了这种组合并申请了专利.

dollond的透镜在欧洲流行了半个世纪.透镜的设计，对于大多数光学仪器制造商来说，依然是反反复复修改的事物.

设计消色差透镜需要详细的关于玻璃如何弯曲、折射一组由单色光线组成的光的知识.这样的知识显然没有.这个阻碍就是颜色的定义.在19世纪的时候，人们没有对颜色的同一定义标准，比如说一个光学仪器制造商说某块玻璃对黄光的折射率是n，另外一个光学仪器制造商也说另一块玻璃对黄光的折射率是n，由于没有对黄光的同一定义，会造成差异.

1802年，Wollaston发明了一种仪器，通过放置在透明物质上的一块玻璃打火石立方体，测量物质对光的总的反射角，从而自动地测量该物质的折射率.（in 1802,Wollaston constructed a device that automatically measured the optical index of a substance through the angle of total reflection in a flint cube placed on this substance.），在此过程中，正如牛顿所做的一样，Wollaston使阳光射入一个黑暗的房间.然而，Wollaston用狭缝代替了牛顿的圆形小孔，我们可以推测，之所以用狭缝代替圆孔，是因为细小的圆孔会在圆孔周围出现颜色的重叠而不利于获得单色光用于计算透明物质的折射率.他注意到有时候光谱中缺失了一些光 – 出现一些很细的黑线.他用一种不纯的三棱镜观看光的散射，使他推断太阳光谱只有4种颜色，这影响了托马斯杨，改变了杨自己建立的对视觉颜色的理论.

与此同时，Wollaston发现烛光的光谱不是连续的，其中有可区分的有颜色的线，这样，热气不发出连续的光，而是有一些线.Wollaston没有给出解释，用他的话说，就是 i cannot undertake to explain the dark lines.

在19世纪时，对于光学仪器制造商来说，透镜的设计依然是反反复复修改（trial and error）的事物.不同的透镜只有在满意的光学效果出来之后才会组合在一起.即便是像夫琅禾费fraunhofer这样努力寻找数学分析方法的人都被这样的问题干扰着，设计消色差透镜需要详细的关于玻璃如何弯曲、折射一组由单色光线组成的光的知识.这样的知识显然没有.这需要一种很纯的有色光源（比如黄光）来测试不同玻璃的折射率.

正是在制造消色差望远镜中需要的透镜的过程中需要精确测定玻璃的折射率，导致了夫琅禾费fraunhofer发现fraunhofer lines.

阻碍精确测定一种给定物质对光线的折射率的原因是太阳光谱中不同颜色之间没有精确的界限，因而很难分开不同颜色用来测定物质对光线的折射率，由于太阳光谱中的不同颜色的光之间没有明显精确的界限，没办法选择其中一种颜色来测定某种物质的折射率，假如有明确的界限，我们可以选择距离边界某一固定距离处的有色光线来测定物质的折射率.为了克服这个困难，fraunhofer做了很多试验来人工制造均匀的光，他用了灯和三棱镜.1814年，fraunhofer用火焰（light of fire）的光看到了橙色光谱中有明亮的固定的线出现.这条线使fraunhofer可以精确地测定不同玻璃的折射率.

夫琅禾费制成了第一台分光镜，它不仅有一个狭缝，一块棱镜，而且在棱镜前装上了准直透镜，使来自狭缝的光变成平行光，在棱镜后则装上了一架小望远镜以及精确测量光线偏折角度的装置. 夫琅禾费点燃了一盏油灯，让灯光通过狭缝，进入分光镜.

Fraunhofer's Spectroscope

他发现在暗黑的背景上，有着一条条像狭缝形状的明亮的谱线，这种光谱就是现在所称的明线光谱.在油灯的光谱中，其中有一对靠得很近的黄色谱线相当明显.夫琅禾费拿掉油灯，换上酒精灯，同样出现了这对黄线，他又把酒精灯拿掉，换上蜡烛，这对黄线依然存在；而且还在老位置上.

夫琅禾费想，灯光和烛光太暗了，太阳光很强，如果把太阳光引进来观测，那是很有意思的.于是他用了一面镜子，把太阳光反射进狭缝.他发现太阳的光谱和灯光的光谱截然不同，那里不是一条条的明线光谱，而是在红、橙、黄、绿、青、蓝、紫的连续彩带上有无数条喑线，在1814到1817这几年中，夫琅禾费共在太阳光谱中数出了五百多条暗线；其中有的较浓、较黑，有的则较为暗淡. 夫琅禾费一一记录了这些谱线的位置.并从红到紫，依次用A、B、C、D……等字母来命名那些最醒目的暗线. 夫琅禾费还发现，在灯光和烛光中出现一对黄色明线的位置上，在太阳光谱中则恰恰出现了一对醒目的暗线，夫琅禾费把这对黄线称为D线.