波动光学 - DGSO百科
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波动光学 百科内容来自于: 百度百科

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。

简介

波动光学
wave optics
波动光学是光学中非常重要的组成部分,内容包括光的干涉、光的衍射、光的偏振等,无论理论还是应用都在物理学中占有重要地位。粒子在光场或其他交变电场的作用下,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晶体称晶体光学光波波长约为3.9-7.6×10 cm ,一般的障碍物或孔隙都远大于此,因而通常都显示出光的直线传播现象。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。
波动光学

波动光学

详细介绍

18世纪

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

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

波动光学

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

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。

发展史

十七世纪

牛顿

牛顿

从十七世纪开始,就发现有与光的直线传播不完全符合的事实。意大利人格里马第(1618-1663年)首先观察到光的衍射现象,他发现在点光源的照射下,一根直竿形成的影子要比假定光以直线传播所应有的宽度稍大一些,也就是说光并不严格按直线传播,而会绕过障碍物前进。接着,1672 年 -1675年间胡克(1635-1703年)也观察到衍射现象,并且和玻意耳(1627-1691)独立的研究了薄膜所产生的彩色干涉条纹,所有这些都是光的波动理论的萌芽。 十七世纪下半叶,牛顿(1642-1727年)和惠更斯(1629-1695年)等把光的研究引向进一步发展的道路。牛顿的白光实验以及牛顿圈的发现,使光学由几何光学进入了波动光学。惠更斯最早比较明确的提出了光的波动说。在《论光》(1690年)一书中,他认为光的运动不是物质微粒的运动而是媒质的运动即波动,运用波动说,他很好的解释了光的反射,折射以及方解石的双折射现象

十九世纪

19世纪的光学是由英国医生托马斯·杨以复兴波动说的论文揭开序幕的。1801年,杨向皇家学会宣读了关于薄片颜色的论文,文中正式将干涉原理引入到光学之中,并且用这一原理解释薄片上的颜色和条纹面的衍射。在这篇论文中,杨还系统提出了波动光学的基本原理,提出了光波长的概念,并给出了测定结果。正是由于光波长太短,以至遇障碍物拐弯能力不大,这也是人们很难观察到这类现象的原因。又于1803年发表了物理光学的实验和计算,对双缝干涉现象进一步作出了解释。在1807年出版的《自然哲学讲义》中,杨系统阐述了他提出的波动光学的基本原理。
几乎独立的提出的波动说的还有法国物理学家菲涅尔(1788-1827年)。1815年,他向科学院提交了第一篇光学论文,文中仔细研究了光的衍射现象,并提出了光的干涉原理。后来,菲涅尔与杨齐心协力,在波动学说基础上的光学实验大量涌现,使19世纪在波动光学方面取得了重大发展。

折射现象

光的折射

波动光学

波动光学

光的衍射是光的波动性的重要标志之一,光在传播过程中所呈现的衍射现象,进一步揭示了光的波动本性。同时衍射也是讨论现代光学问题的基础。 波在传播中表现出衍射现象,既不沿直线传播而向各方向绕射的现象。窗户内外的人,虽然彼此不相见,都能听到对方的说话声,这说明声波(机械波)能饶过窗户边缘传播。水波也能绕过水面上的障碍物传播。无线电波能绕过山的障碍,使山区也能接受到电台的广播。这些现象表明,当波遇到障碍物时,它将偏离直线传播,这种现象叫做波的衍射

光的传播

光的传播看来是沿直线进行的,遇到不透明的障碍物时,会投射出清晰的影子,粗看起来,衍射和直线传播似乎是彼此矛盾的现象

光的干涉

光的干涉现象是几束光相互叠加的结果。实际上即使是单独的一束光投射在屏上,经过精密的观察,也有明暗条纹花样出现。例如把杨氏干涉实验装置中光阑上两个小孔之一遮蔽,使点光源发出的光通过单孔照射到屏上,仔细观察时,可看到屏上的明亮区域比根据光的直线传播所估计的要大得多,而且还出现明暗不均匀分布的照度。光通过狭缝,甚至经过任何物体的边缘,在不同程度上都有类似的情况。把一条金属细线(作为对光的障碍物)放在屏的前面,在影的中央应该是最暗的地方,实际观察到的却是亮的,这种光线绕过障碍物偏离直线传播而进入几何阴影,并在屏幕上出现光强不均匀的分布的现象叫做光的衍射
光的衍射现象的发现,与光的直线传播现象表现上是矛盾的,如果不能以波动观点对这两点作统一的解释,就难以确立光的波动性概念。事实上,机械波也有直线传播的现象。超声波就具有明显的方向性。普通声波遇到巨大的障碍物时,也会投射清楚的影子,例如在高大墙壁后面就听不到前面的的声响。在海港防波堤里面,巨大的海浪也不能到达。微波一般也同样是以直线传播的。衍射现象的出现与否,主要决定于障碍物线度和波长大小的对比。只有在障碍物线度和波长可以比拟时,衍射现象才明显的表现出来。声波的波长可达几十米,无线电波的波长可达几百米,它们遇到的障碍物通常总远小于波长,因而在传播途中可以绕过这些障碍物,到达不同的角度。一旦遇到巨大的障碍物时,直线传播才比较明显。超声波的波长数量级小的只有几毫米,微波波长的数量级也与此类似,通常遇到的障碍物都远较此为大,因而它们一般都可以看作是直线传播。

光波波长

光波波长约为3.9-7.6×10 cm ,一般的障碍物或孔隙都远大于此,因而通常都显示出光的直线传播现象。一旦遇到与波长差不多数量级的障碍物或孔隙时,衍射现象就变的显著起来了。

与几何光学关系

波动光学

波动光学

与可见光传播相关联的电磁场,其特点是振动非常之快(频率数量级为10 秒),或者说是波长非常短(数量级为10 -15厘米)。因此可以预期,在这种情况下,完全忽略波长的有限大小,可以得到光传播定律的良好一级近似。人们发现,对很多光学问题而言,这样处理是完全适合的。在光学中,可以忽略波长,即相当于λ0→0 极限情况的这一分支,通常称为几何光学,因为在这种近似处理下,光学定律可以用几何学的语言来表述。衍射现象的一个最简单的典型例子-单狭缝的夫琅和费衍射。它包含着衍射现象的许多主要特征。来自光源S的光(例如激光)经望远镜系统构成的扩束器L1扩束直接投射到一狭缝上。在狭缝后面放置一透镜L2,那么在透镜L2的焦平面上放置的屏幕F'F上将产生明暗交替的衍射花样。其特点是在中央具有一特别明亮的亮条纹,两侧排列着一些强度较小的亮条纹。相邻的亮条纹之间有一暗条纹。如以相邻暗条纹之间的间隔作为亮条纹的宽度,则两侧亮条纹为等宽的,而中央亮条纹的宽度为其它条纹的两倍。人们将亮条纹到透镜中心所张的角度称为角宽度。中央亮条纹和其它亮条纹的角宽度不相等。中央亮条纹的角度等于 2λ/b(b 为缝宽) ,即等于其它亮条纹角宽度的二倍。那么中央亮纹的半角宽度 Δθ=λ/b,正好等于其它亮纹的角宽度。
由于中央亮斑集中了大部分光能,所以它的半角宽度 的大小可作为衍射效应强弱的量度。式子Δθ=λ/b, 告诉人们,对给定的波长,Δθ与缝宽b成反比,即在波前上对光束限制越大,衍射场越弥散,衍射斑铺开的越宽;反之当缝宽很大,光束几乎自由传播时,Δθ→0,这表明衍射场基本上集中在沿直线传播的方向上,在透镜焦平面上衍射斑收缩为几何光学象点。式子Δθ=λ/b还告诉人们,在保持缝宽不变的条件下,Δθ与λ成正比,波长越长,衍射效应越显著;波长越短,衍射效应越可忽略。所以说几何光学是b>>λ时的一种近似,或说λ→0的近似。除了直线传播定律之外,作为几何光学基础的另外两条定律-反射定律折射定律,也都只在入很小的条件下才近似成立,所以几何光学原理的适用范围是有限度的,在必要的时候需要用更严格的波动理论来代替它。不过由于几何光学处理问题的方法要简单的多,并且它对各种光学仪器中遇到的许多实际问题已足够精确,所以几何光学并不失为各种光学仪器的重要理论基础。

相关学科

静力学、动力学、流体力学、分析力学运动学固体力学、材料力学、复合材料力学流变学、结构力学、弹性力学、塑性力学爆炸力学磁流体力学空气动力学理性力学物理力学、天体力学、生物力学物理学、力学、热学、光学、声学电磁学、核物理学、固体物理学