波動光學與幾何光學

1、波動光學與幾何光學波動光學，以波動理論研究光的傳播及光與物質(zhì)相互作用的光學分支。17 世紀，R.胡克和C.惠更斯創(chuàng)立了光的波動說?；莞乖貌ㄇ案拍钫_解釋 了光的反射定律、折射定律和晶體中的雙折射現(xiàn)象。波動光學是光學中非常重要的組成部分，內(nèi)容包括光的干涉、光的衍射、 光的偏振等，無論理論還是應(yīng)用都在物理學中占有重要地位。F.M.格里馬爾迪 首先發(fā)現(xiàn)光遇障礙物時將偏離直線傳播，他把此現(xiàn)象起名為“衍射”。胡克和 R.玻意耳分別觀察到現(xiàn)稱之為牛頓環(huán)的干涉現(xiàn)象。這些發(fā)現(xiàn)成為波動光學發(fā)展 史的起點。17世紀以后的一百多年間，光的微粒說（見光的二象性）一直占統(tǒng) 治地位，波動說則不為多數(shù)人所接受，直到進

2、入19世紀后，光的波動理論才得 到迅速發(fā)展。資料個人收集整理，勿做商業(yè)用途1800年，T.楊提出了反對微粒說的幾條論據(jù)，首次提出干涉這一術(shù)語， 并分析了水波和聲波疊加后產(chǎn)生的干涉現(xiàn)象。楊于1801年最先用雙縫演示了光的干涉現(xiàn)象（見楊氏實驗），第一次提出波長概念，并成功地測量了 光波波長。他還用干涉原理解釋了白光照射下薄膜呈現(xiàn)的顏色。1809年E.L. 馬呂斯發(fā)現(xiàn)了反射時的偏振現(xiàn)象，隨后 A.-J.菲涅耳和D.F.J.阿拉戈利用 楊氏實驗裝置完成了線偏振光的疊加實驗，楊和菲涅耳借助于光為橫波的 假設(shè)成功地解釋了這個實驗。1815年，菲涅耳建立了惠更斯-菲涅耳原理， 他用此原理計算了各種類型的孔和

3、直邊的衍射圖樣，令人信服地解釋了衍 射現(xiàn)象。1818年關(guān)于阿拉戈斑（見菲涅耳衍射）的爭論更加強了菲涅耳衍 射理論的地位。至此，用光的波動理論解釋光的干涉、衍射和偏振等現(xiàn)象 時均獲得了巨大成功，從而牢固地確立了波動理論的地位。資料個人收集整理19世紀60年代，J.C.麥克斯韋建立了統(tǒng)一電磁場理論，預(yù)言了電磁波 的存在并給出了電磁波的波速公式。隨后H.R.赫茲用實驗方法產(chǎn)生了電磁波。光與電磁現(xiàn)象的一致性使人們確信光是電磁波的一種，光的古典波動 理論與電磁理論融成了一體，產(chǎn)生了光的電磁理論。把電磁理論應(yīng)用于晶 體，對光在晶體中的傳播規(guī)律給出了嚴格而圓滿的解釋。19世紀末，H.A.洛倫茲創(chuàng)立了電子論，

4、他把物質(zhì)的宏觀性質(zhì)歸結(jié)為構(gòu)成物質(zhì)的電子的集體 行為，電磁波的作用使帶電粒子產(chǎn)生受迫振動并產(chǎn)生次級電磁波，根據(jù)這 一模型解釋了光的吸收、色散和散射等分子光學現(xiàn)象。這種經(jīng)典的電磁理 論并非十全十美，因在關(guān)于光與物質(zhì)相互作用的問題上涉及微觀粒子的行 為，必須用量子理論才能得到徹底的解決。資料個人收集整理，勿做商業(yè)用途。mmni資料個人收集整理，勿做商業(yè)用途波動光學的研究成果使人們對光的本性的認識得到了深化。在應(yīng)用領(lǐng) 域，以干涉原理為基礎(chǔ)的干涉計量術(shù)為人們提供了精密測量和檢驗的手段 （見干涉儀），其精度提高到前所未有的程度；衍射理論指出了提高光學 儀器分辨本領(lǐng)的途徑（見夫瑯和費衍射）；衍射光柵已成為分

5、離光譜線以 進行光譜分析的重要色散元件；各種偏振器件和儀器用來對巖礦晶體進行 檢驗和測量，等等。所有這些構(gòu)成了應(yīng)用光學的主要內(nèi)容。資料個人收集整理， 勿做商業(yè)用途20世紀50年代開始，特別在激光器問世后，波動光學又派生出傅里葉 光學、纖維光學和非線性光學等新分支，大大地擴展了波動光學的研究和 應(yīng)用范圍。資料個人收集整理，勿做商業(yè)用途光的衍射是光的波動性的重要標志之一，光在傳播過程中所呈現(xiàn)的衍射現(xiàn) 象，進一步揭示了光的波動本性。同時衍射也是討論現(xiàn)代光學問題的基礎(chǔ)。波 在傳播中表現(xiàn)出衍射現(xiàn)象，既不沿直線傳播而向各方向繞射的現(xiàn)象。窗戶內(nèi)外的 人，雖然彼此不相見，都能聽到對方的說話聲，這說明聲波（機械

6、波）能饒過窗 戶邊緣傳播。水波也能繞過水面上的障礙物傳播。無線電波能繞過山的障礙，使 山區(qū)也能接受到電臺的廣播。這些現(xiàn)象表明，當波遇到障礙物時，它將偏離直線 傳播，這種現(xiàn)象叫做波的衍射資料個人收集整理，勿做商業(yè)用途幾何光學是光學學科中以光線為基礎(chǔ)，研究光的傳播和成像規(guī)律的一個重要 的實用性分支學科。在幾何光學中，把組成物體的物點看作是幾何點，把它所發(fā) 出的光束看作是無數(shù)幾何光線的集合，光線的方向代表光能的傳播方向。在此假 設(shè)下，根據(jù)光線的傳播規(guī)律，在研究物體被透鏡或其他光學元件成像的過程，以 及設(shè)計光學儀器的光學系統(tǒng)等方面都顯得十分方便和實用。幾何光學以光的直線傳播為基礎(chǔ)，用光線、波面的概念和

7、幾何方法來近似描 述光的傳播行為；利用費馬原理和新笛卡爾符號法則，研究光在平面、球面介面 上的成像規(guī)律。資料個人收集整理，勿做商業(yè)用途本世紀后半葉發(fā)展起來的幾何光學當代理論，經(jīng)歷了經(jīng)典光線力學與量子光 線力學兩大階段。經(jīng)典光線力學是從初期的舊幾何光學與牛頓力學相似性研究中 脫穎出來的。資料個人收集整理，勿做商業(yè)用途19世紀末到20世紀初，牛頓力學與麥克斯韋的電磁理論都發(fā)展到日臻完善， 以麥克斯韋電磁理論為基礎(chǔ)的波動力學逐漸趨于成熟，經(jīng)典物理學已形成一套完 整的理論體系，當時的絕大部分物理學家深信，物理學中的各種基本問題在原則 上已都得到圓滿的解決，此時，確實如薛定諤在諾貝爾獎演講中所說，發(fā)展得

8、最 早的費馬原理、莫培丟最小作用原理以及其后的哈密頓原理與費馬原理之間的 相似性，在相當長的時間里被人們所遺忘。70年代以來，隨著纖維光學的發(fā)展， 處理介質(zhì)中光的傳輸與發(fā)射問題時，光的波粒二象性，尤其是光的量子特性突 出地表現(xiàn)出來，只計入光的波動性已使問題陷入了局限性。此外，在用波動方 程解決具體問題時，由于情況的復(fù)雜，已經(jīng)不可能找到適當?shù)慕馕鼋?，這使人們 陷入困境。因此，迫使人們在幾何光學理論的發(fā)展中，另辟蹊徑，從幾何光學與 經(jīng)典力學的相似性出發(fā)，建立光的量子理論，并逐步建成經(jīng)典光線力學的理論體 系。資料個人收集整理勿做商業(yè)田途但實際上，上述光線的概念與光的波動性質(zhì)相違背，因為無論從能量 的觀點，還是從光的衍射現(xiàn)象來看，這種幾何光線都是不可能存在的。所 以，幾何光學只是波動光學的近似，是當光波的波長很小時的極限情況。 作此近似后，幾何光學就可以不涉及光的物理本性，而能以其簡便的方法 解決光學儀器中的光學技術(shù)問題。除了直線傳播定律之外，作為幾何光學 基礎(chǔ)的另外兩條定律-反射定律和折射定律，也都只在入很小的條件下才近