基本介紹
- 中文名：光波
- 外文名：light wave
- 類別：電磁波
- 波長範圍：0.3～3μm（真空）
- 性質：波粒二象性
- 測量工具：光元器件分析儀、偏振分析儀
- 套用領域：數碼領域 通信領域 保健領域
光波介紹,光學史,光源,光的具體套用,
光波介紹
基本概念
光波，通常是指電磁波譜中的可見光。可見光通常是指頻率範圍在3.9×1014~7.5×1014Hz之間的電磁波，其真空中的波長約為400~760nm。光在真空中的傳播速度為c=3×108m/s，是自然界中物質運動的最快速度。光波是橫波，其中電場強度E和磁感應強度B（或磁場強度H）彼此相互垂直，並且都與傳播方向垂直。
光波具有波粒二象性（是指某物質同時具備波的特質及粒子的特質）：也就是說從微觀來看，由光子組成，具有粒子性；從巨觀來看又表現出波動性。根據量子場論（或者量子電動力學），光子是電磁場量子化之後的直接結果。光的粒子性揭示了電磁場作為一種物質，是與分子、原子等實物粒子一樣，有其內在的基本結構（組成粒子）的。而在經典的電動力學理論中，是沒有“光子”這個概念的。
光波是一種特定頻段的電磁波
光波是一種特定頻段的電磁波紅外線頻率比紅光低，波長更長。
紫外線、X射線等頻率比紫光高，波長更短。
測量工具
對於光的測量可以用到很多測量工具，比如：光元器件分析儀、偏振分析儀、偏振控制器、大功率光衰減器、光譜分析儀、數字通信分析儀、脈衝碼型發生器、並行比特誤碼率測試儀、光接收機強化測試器。
光的傳播形態分類
TEM波：在傳播方向上沒有電場和磁場分量，稱為橫電磁波。
TE波：在傳播方向上有磁場分量但無電場分量，稱為橫電波。
TM波：在傳播方向上有電場分量而無磁場分量，稱為橫磁波。
光學史
印度教和佛教的理論
早在公元前6至5世紀的古印度，數論派（Samkhya）和勝論派（Vaisheshika）的學者已形成了光的理論。數論派認為光是組成世間萬物的五微塵（tanmatra，即“五唯”——香、味、色、觸、聲）之一。這五種元素的粒子性並沒有被特別說明，並且似乎是被作為連續狀態來理解的。
在公元前5世紀，恩培多克勒（Empedocles）提出假設，認為萬物由火、空氣、土、水四種元素構成。他相信人類的眼睛是阿佛洛狄忒（Aphrodite）以這四種元素所造，並且阿佛洛狄忒在人眼中燃炎，從而照亮外物形成視覺。但如果真是這樣，那無論晝夜人都該有同等視力。對於這個問題，恩培多克勒假想了一種太陽光線和視線互感的機制來加以解釋。另一種觀點來自勝論派，他們提出了一種原子理論，認為物理世界是由非原子的以太、時間和空間所構成。最基本的原子分別是土（prthivı），水（pani），火（agni）和空氣（vayu），這裡的意思和通常意義上的這幾種物質並不等價。這些原子結合形成雙原子分子，然後進一步結合以形成更大的分子。這些實物原子被視作是運動的，這種運動似乎還被理解為非瞬時性的。他們認為光線是高速的火（tejas）原子流。當火原子以不同速度運動、以不同形式組合時，光粒子可以展現不同的特徵。在公元前一世紀左右的《毗濕奴往世書》（Vishnu Purana）里，陽光被稱為“太陽的七輝線”。
印度佛教徒，比如五世紀的陳那菩薩（Dignāga）和七世紀的法稱（Dharmakirti），發展出了一種原子論哲學，認為組成現實世界的原子實體其實是光或能量的瞬間流動。光被認為是和能量等同的原子整體，類似於現代光子概念，但是他們把所有物質都一概視作由這些光能粒子所構成。
希臘和泛希臘時期的理論
在公元前300年左右，歐幾里得在著作《光學》（Optica）中寫到了他對光性質的研究。歐幾里得構想光線筆直傳播，並用數學方法研究並闡述了反射定律。他質疑視覺產生於眼睛內發光的觀點，因為它不能解釋為什麼在夜晚眨一下眼睛後還能立刻看到星星，除非眼睛發出的光以極速傳播。
在公元前55年，羅馬人盧克萊修將早期希臘原子論者的觀點進一步作了發揚，即使和之後的粒子理論相近似，盧克萊修的理論在當時並沒有被廣泛接受。他寫道：“太陽的光和熱都是由微小原子組成，發射後將沒有損耗地穿過空氣介質背離光源前進” ——《關於宇宙的本質》
物理學理論
勒內·笛卡兒（1596~1650）認為光是發光物的一種機械屬性，這不同於海什木（Ibn al-Haytham）和威特羅（Witelo）的“形態”說，也不同於羅吉爾·培根，格羅斯泰斯特（Grosseteste）和克卜勒的“種類”說。他在1637年發表的光折射理論中，類比聲波的傳播行為，錯誤地得出了光速和傳播介質密度成正比的結論。雖然笛卡爾在相對速度上判斷錯誤，但他正確地假設了光的波狀性質，還成功地用不同介質下光速的差異解釋了折射現象。雖然笛卡爾並不是第一個嘗試用機械分析解釋光的人，但他明確堅持光僅是發光體和傳播介質的機械波性質，而因此使他的理論被視作現代物理光學的起點。
光微粒說
法國數學家皮埃爾·伽桑狄（Pierre Gassendi）提出了他的光粒子假設，他的這一假設在他死後發表，並且在艾薩克·牛頓早年引起了他的興趣。牛頓本人傾向於笛卡爾的實空理論（plenum）。他在他1675年的《解釋光屬性的假說》（An Hypothesis explaining the Properties of Light）中提到，光是由光源向四面八方發射的微粒組成。牛頓反對光波動說的一個理由是，波會繞開障礙物，而光卻是直線傳播的。但對於格里馬爾迪（Francesco Grimaldi）觀察到的衍射現象，牛頓甚至也稍作妥協，解釋為光粒子移動於以太所產生的局部波造成。
牛頓的理論和光的反射現象相吻合，但對於折射現象，牛頓錯誤地認為是因為進入高密度介質時所受引力更大使光加速而成的。牛頓在1704年發表了他集大成的《光學》一作。牛頓本人的權威使光的粒子理論在18世紀甚囂塵上。但皮埃爾-西蒙·拉普拉斯（Laplace）反駁說，人的密度既然這么大，那光幾乎不可能逃脫人的引力了。用現在的說法，人將成為一個黑洞。
光波動說
在1660年代，羅伯特·胡克發表了他的光波動說。克里斯蒂安·惠更斯在1678年得出了他自己的波動學說，並在1690年發表在他的《光的專著》（Treatise on light）里。他認為光線在一個名為發光以太（Luminiferous ether）的介質中以波的形式四射，並且由於波並不受引力影響，他假設光會在進入高密度介質時減速。光波動說預言了1800年托馬斯·楊發現的干涉現象以及光的偏振性。楊用衍射實驗展現了光的波動性特徵，還提出顏色是由光波波長不同所致，用眼睛的三色受體解釋了色覺原理。
萊昂哈德·歐拉也是光波動說的支持者之一，他在《光和色彩的新理論》（Nova theoria lucis et colorum）中闡述了他的這一觀點，他認為波理論更容易解釋衍射現象。
之後，奧古斯丁·菲涅耳也獨立完成了他的波動理論的建立，並於1817年上遞給法國科學院。西莫恩·泊松完善了菲涅耳的數學證明，給了光粒子說致命一擊。在1821年，菲涅耳使用數學方法使光的偏振在波動理論上得到了唯一解釋。
但波動理論的弱點在於，波，類似於聲波，傳播需要介質。雖然曾有過發光以太的假想，但這也因為19世紀邁克耳遜—莫雷實驗陷入了強烈的質疑。
牛頓推測光速在高密度下變高（而實際光速在高密度介質變低），惠更斯和其他人覺得正相反。但當時並沒有準確測量光速的條件。1802年，托馬斯·楊做實驗發現，當光波從較低密度介質移動進入較高密度介質之後，光波的波長會變短，他因此推論光波的運動速度會降低。1850年，萊昂·傅科的實驗得到了和波動理論同樣的結果。
光的電磁說
1845年，麥可·法拉第（Michael Faraday）發現當偏振光穿過施加了磁場的透明介質時，會發生偏振旋轉。這後來被稱為法拉第效應，它首次發現了光和電、磁的關係。在1846年，他推測光可能是沿磁感線衍生的某種形式的擾動。次年，法拉第提出光是一種高頻電磁振動，不需要介質也能衍生。
法拉第的研究啟發了詹姆斯·麥克斯韋（James Clerk Maxwell）研究電磁輻射和光。麥克斯韋發現自生電磁波會以恆定速度傳播，而且這個速度恰好等於光速。正是從這一點出發，麥克斯韋得出了光是一種電磁波的結論。20多年後，赫茲用實驗證實了電磁波的存在，測得電磁波的傳播速度的確與光速相同，同時電磁波也能夠產生反射、折射、干涉、衍射、偏振等現象，從實驗中證明了光是一種電磁波。
式中c為真空中的光速。ν為在介電常數為ε和導磁係數為μ的介質中的光速。由折射率的定義n=c/v，知n=√(εμ)。
這個關係式給出了物質的光學常數，電學常數和磁學常數之間的關係。當時從上述的公式中看不出n應隨著光的波長λ而改變，因而無法解釋光的色散現象。後來洛倫茲在1896年創立了電子論。從這一理論看，介電常數ε是依賴於電磁場的頻率，即依賴于波長而變的，從而搞清了光的色散現象。光的電磁理論能夠說明光的傳播、干涉、衍射、色散、散射、偏振等許多現象，但不能解釋光與物質相互作用中的能量量子化轉換的性質，所以還需要近代的量子理論來補充。
光波的電場強度E與磁感應強度M
光波的電場強度E與磁感應強度M粒子理論的新生
波動理論幾乎在所有光學和電磁學的現象中得到了驗證，這是19世紀物理學的一個重大成果。但到19世紀末期，有一些實驗現象要不是無法解釋，就是違反當時理論，其中一個爭議即為光電效應。實驗數據的結果指出，放出的電子能量與光線的頻率成正比，而非強度。更特別的是，當光線小於某一個最小頻率後，無論再加大強度，都不會產生感應電流，這現象似乎是違反了波動理論。許多年來，物理學家們嘗試尋找答案都無功而返，直到1905年愛因斯坦讓粒子理論重回歷史舞台。由於太多的實驗現象為波動理論佐證，使得愛因斯坦的想法，在當時的物理學界受到了巨大質疑。然而愛因斯坦對光電效應的解釋最終得到了認同，並開啟了波粒二象性和量子力學兩扇大門。
光的波粒二象性
根據量子場論（或者量子電動力學），光子是電磁場量子化之後的直接結果。光的粒子性揭示了電磁場作為一種物質，是與分子、原子等實物粒子一樣，有其內在的基本結構（組成粒子）的。而在經典的電動力學理論中，是沒有“光子”這個概念的。
光源
發射（可見）光的物體叫做（可見）光源。太陽是人類最重要的光源。可見光源有熱輻射高壓光源（如白熾燈）、氣體放電光源（如霓虹燈、螢光燈）等。光源有分自然光、人造光。有生命的一定是自然光，如水母、螢火蟲等，沒有生命的不一定是人造光，如恆星、太陽等。
熱輻射光源是利用熱輻射來發光的。由熱輻射理論可知，溫度越高，發光效率也越高。白熾燈是愛迪生於1879年首先試製成功的。他選擇熔點高的碳做材料，製成碳絲，密封在抽成真空的玻璃管內，通以電流，碳絲就發熱發光。由於碳易揮發，工作溫度不能超過2100K。後來，選用熔點稍低於碳，但不易揮發的鎢做材料，工作溫度可達2400K，從而提高了發光效率。現代熱輻射的新光源有碘鎢燈、溴鎢燈，發光效率還要高。
氣體放電光源是利用電子在兩電極間加速運行時，與氣體原子碰撞，被撞的氣體原子受激，把吸收的電子動能又以輻射發光形式釋放出來，這叫做電致發光。不同氣體受激發光的頻率不同，利用這點可製成各種顏色的霓虹燈。
有的氣體放電光源，玻璃管中充的氣體受激發射的是不可見光。如水銀蒸氣在電場中受激發射的就是紫外線。我們可在玻璃管內壁上塗螢光粉，紫外線射到螢光粉上，再激發出可見光來，日光燈就是採用這一原理製成的。日光燈是電致發光和光致發光的綜合，它的發光效率比白熾燈好，但顯色性不好。現代新型的氣體放電照明光源有低壓鈉燈、高壓鈉燈等。
光源按發光原理分，除熱輻射發光、電致發光、光致發光外，還有化學發光、生物發光等。化學發光是在化學反應中以傳熱發光形式釋放其反應能量時發射的光；生物發光是在生物體內由於生命過程中的變化所產生的發光，如螢火蟲體內的螢光素在螢光素酶作用下與空氣發生氧化反應而發光。
光波