關于光量子傳播規(guī)律的深入研究關于古斯?jié)h申位移的啟發(fā)性觀

1、關于光量子傳播規(guī)律的深入研究-關于古斯-漢申位移的啟發(fā)性觀  關鍵字：光量子傳播寬度偏轉半波損失光程論文摘要：1947年goos和hänchen兩位物家發(fā)現(xiàn)：光束在兩種介質界面上發(fā)生全反射時，反射點相對于入射點在相位上有一突變，而反射光線相對于入射光線在空間上有一段距離。這一現(xiàn)象稱為：古斯-漢申位移（goos-hanchen shift）。另外，光束在兩種界面上發(fā)生全反射時，入射波的能量不是在界面處立即反射的，而是穿透到另一介質一定深度后逐漸反射的，而且在此深度內(nèi)能量流還沿界面切向傳播了一個波長數(shù)量級的距離。人們把這樣一種波稱為隱失波。再次，掠入射時，光從光疏介質到光密介質

2、時反射光有半波損失，從光密介質到光疏介質時反射光無半波損失，在任何情況下透射光都沒有半波損失。以上各種現(xiàn)象表明對于光量子仍有一些性質不為我們所掌握。如果我們拋棄了光量子的沒有形狀的觀點而認為光量子在傳播過程中始終存在寬度（此寬度不同于振幅，對于同頻率的光量子是一個定值，并且光量子的寬度可以互相疊加），就能很好的理解以上這些現(xiàn)象。按照這種假設，光從光源發(fā)出后，每個光量子在均勻的各向同性介質中傳播時的路徑就不能簡單的看作一條直線或一列波，而是時刻保持一定寬度的波帶的直線傳播過程。下面我將敘述一下我的假設性觀點，援引并解釋一下能用此觀點解釋的一些事實，我希望我的這個觀念對一些研究工作者在他們的研究中

3、或許會顯得有用。1 用惠更斯原理論證光的反射定律和折射定律時需要的條件和忽略的事實我們首先通過惠更斯原理論證光的反射定律和折射定律。如圖1所示，設想有一束平行光線（平行波）以入射角由介質1射向它與介質2的界面上，其邊緣光線1到達點。作通過點的波面，它與所有的入射光線垂直。光線1到達點的同時，光線2、3、n到達此波面上的點、點。設光在介質1中的速度為，則光線2、3、n分別要經(jīng)過一段時間、后才能到達分界面、各點，每條光線到達分界面上時都同時發(fā)射兩個次波，一個是向介質1內(nèi)發(fā)射的反圖1射次波，另一個是向介質2內(nèi)發(fā)射的透射次波。設光在介質2內(nèi)速度為,在第n條光線到達的同時，由點發(fā)射的反射次波面和透射次波

4、面分別是半徑為和的半球面。在此同時，光線2、3、傳播到、各點后發(fā)出的反射次波面的半徑分別為、，而透射次波面的半徑為、。這些次波面一個比一個小，直到處縮成一個點。根據(jù)惠更斯原理，這些總擾動波面是這些次波面的包絡面。不難證明反射次波和透射次波的包絡面都是通過的平面。設反射次波總擾動的波面與各次波面相切于、各點，而透射次波總擾動的波面與各次波面相切于、各點，聯(lián)接次波源和切點，既得到總擾動的波線，亦即，、為反射光線，、為折射光線。由于，直角三角形和全同，因而=，由圖1不難看出，=入射角，=反射角，故得到這樣便導出了反射定律。由圖1還可以看出=折射角，因此 此外，于是.由此可見，入射角與折射角

5、正玄之比為一常數(shù)，這樣我們便通過惠更斯原理導出了折射定律。用惠更斯原理論證光的反射定律和折射定律是以1、2、3、n條平行光線為研究對象，這就是論證需要的條件。如果不以多條平行光線為研究對象，而只給定一個光量子，比如此量子沿光線1傳播，以上論證中將無法確定點和點的位置，就不能確定次波的總擾動波線，就無法確定反射光線和折射光線，再用惠更斯原理來解釋這一個光量子在界面處的反射定律和折射定律，將顯得無從下手。所以說，用惠更斯原理論證光的反射定律和折射定律至少需要兩個或兩個以上的光量子，這就是用惠更斯原理解釋光的反射定律和折射定律時需要的條件。另外如果考慮到古斯-漢申位移和半波損失，用惠更斯原理作出的光

6、的反射光線將不是光的實際路線，而是反射光線的平行光線，雖然不影響論證光的反射定律，但是這也確實是它忽略的一個事實。2用光量子的傳播寬度解釋光的折射定律如果假設光量子在傳播過程中始終保持一定的寬度（此寬度不同于振幅，且不隨電場振動而變動），此寬度遠大于原子直徑，并且光量子傳播過程中的每個邊緣都平行等光程且能體現(xiàn)光量子在介質中傳播的所有特性，那么折射定律就可以做如下論證：如圖2設想有一個光量子（任意的一個）以入射角，由介質1射向它與介質2的分界面上，光量子邊緣1到達介質分界面上，同時邊緣2到達，聯(lián)接，則即為光量子的傳播寬度且垂直邊緣1和邊緣2，設光在介質1中速度大于光在介質2中速度，當光量子邊緣1

7、由進入介質2后速度突變?yōu)椋吘?速度仍為，由于光量子傳播寬度的邊緣必須保持同等光程，于是光量子傳播方向向法線方向發(fā)生偏轉，當邊緣2經(jīng)過時間到達介質分圖2界面上時邊緣1到達，又因為邊緣2速度和邊緣1速度之比為定值且光量子寬度不變，所以邊緣1的路徑和邊緣2的路徑是以延長線上某點為圓心的同心圓弧，且同等圓心角，所以延長線定過圓心。邊緣2經(jīng)過后進入介質2速度突變?yōu)?，與邊緣1變?yōu)橥?，光量子傳播方向不再偏轉，邊緣1和邊緣2分別沿、上、點的切線方向傳播，可以看出光量子完全進入介質2后邊緣1和邊緣2依然平行。設邊緣1在介質2內(nèi)以后的路徑上有一點，我們過點向下作法線的平行線并取這條線上下方一點，則垂直于介質分

8、界面，且為光量子的折射角，設為，再過作分界面的垂線交與分界面于點。在圖2中不難證明：和又有于是，由于相等圓心角的同心圓弧半徑之比等于弧長之比，又得到于是我們得到由此可見，對于任意一光量子的入射角與折射角的正玄之比為一常數(shù)，這樣我們便通過光量子寬度的假設用一個光量子導出了光的折射定律。3在光的全反射現(xiàn)象中用光量子傳播寬度解釋古斯-漢申位移、隱失波以及光的反射定律和折射定律光從光密介質射向光疏介質時，當入射角增大至某一數(shù)值時，折射光線消失，光線全部反射，這種現(xiàn)象稱為全反射，此時的入射角度稱為全反射臨界角。如圖3，設想有一光量子以全反射臨界角入射，由介質2射向它與介質1的分界面上，設光在介質1中的速

9、度大于光在介質2中速度，當光量子邊緣1到達介質分界面上時，邊緣2到達，聯(lián)接，則即為光量子的傳播寬度且垂直于邊緣1和邊緣2，當邊緣1通過進入介質1后速度突變?yōu)椋吘?速度仍為，由于光量子傳播寬度的邊緣必須保持同等光程，于是光量子傳圖3播發(fā)生偏轉，當邊緣2經(jīng)過時間到達分界面時，光量子邊緣1到達，因為邊緣1速度和邊緣2速度之比為定值且光量子寬度不變，所以、是以延長線上某點為圓心的同心圓弧，又由于為全反射臨界角，所以此時恰好與分界面相切與點，也就是說此時光量子邊緣1與邊緣2傳播方向都與分界面平行。此后光量子的傳播可能發(fā)生兩種情況：1、發(fā)生反射，反射光線發(fā)位移如果邊緣2速度沒有發(fā)生突變，就是說邊緣2恰好與分界面相切于介質2的界面上一點，則光量子傳播就會繼續(xù)偏轉，當邊緣1經(jīng)過時間到達分界面上一點時，邊緣2到達，邊緣1經(jīng)過點后重新回到介質2，速度又突變?yōu)?，與邊緣2同速，光量子傳播方向不再發(fā)生偏轉。因為此前邊緣1速度和邊緣2速度之