基本介紹
簡介,詳細介紹,18世紀,19世紀,20世紀,發展史,十七世紀,十九世紀,折射現象,光的折射,光的傳播,光的干涉,光波波長,衍射現象,與幾何光學關係,相關學科,
簡介
波動光學是光學中非常重要的組成部分，內容包括光的干涉、光的衍射、光的偏振等，無論理論還是套用都在物理學中占有重要地位。粒子在光場或其他交變電場的作用下，形成振盪的偶極子，發出次波。利用這種觀點來說明光的色散、吸收、散射、磁光效應、電光效應等現象，甚至光的發射也是一般波動光學的內容。電磁波理論套用到晶體稱晶體光學。光波在真空中的波長約為（3.9～7.6）×10-5cm，一般的障礙物或孔隙都遠大於此，因而通常都顯示出光的直線傳播現象。這一時期，人們還發現了一些與光的波動性有關的光學現象，例如F.M.格里馬爾迪首先發現光遇障礙物時將偏離直線傳播，他把此現象起名為“衍射”。胡克和R.玻意耳分別觀察到現稱之為牛頓環的干涉現象。這些發現成為波動光學發展史的起點。17世紀以後的一百多年間，光的微粒說（見光的二象性）一直占統治地位，波動說則不為多數人所接受，直到進入19世紀後，光的波動理論才得到迅速發展。
晶體光學詳細介紹
18世紀
1800年，T. 楊提出了反對微粒說的幾條論據，首次提出干涉這一術語，並分析了水波和聲波疊加後產生的干涉現象。楊於1801年最先用雙縫演示了光的干涉現象（見楊氏實驗），第一次提出波長概念，並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的顏色。1809年E. L.馬呂斯發現了反射時的偏振現象（見布儒斯特定律），隨後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，楊和菲涅耳藉助於光為橫波的假設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直邊的衍射圖樣，令人信服地解釋了衍射現象。1818年關於阿拉戈斑（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。
19世紀
19世紀60年代，J. C.麥克斯韋建立了統一電磁場理論，預言了電磁波的存在並給出了電磁波的波速公式。隨後H. R.赫茲用實驗方法產生了電磁波。光與電磁現象的一致性使人們確信光是電磁波的一種，光的經典波動理論與電磁理論融成了一體，產生了光的電磁理論。將電磁理論套用於晶體，對光在晶體中的傳播規律給出了嚴格而圓滿的解釋。19世紀末，H. A.洛倫茲創立了電子論，他把物質的巨觀性質歸結為構成物質的電子的集體行為。電磁波的作用使帶電粒子產生受迫振動並產生次級電磁波，根據這一理論解釋了光的吸收、色散和散射等分子光學現象。這種經典的電磁理論並非十全十美，因在關於光與物質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。
偏振片20世紀
發展史
十七世紀
從十七世紀開始，就發現有與光的直線傳播不完全符合的事實。義大利人格里馬第（1618～1663）首先觀察到光的衍射現象，他發現在點光源的照射下，一根直竿形成的影子要比假定光以直線傳播所應有的寬度稍大一些，也就是說光並不嚴格按直線傳播，而會繞過障礙物前進。接著，1672 ～1675年間胡克（1635～1703）也觀察到衍射現象，並且和玻意耳（1627～1691）獨立的研究了薄膜所產生的彩色干涉條紋，所有這些都是光的波動理論的萌芽。 十七世紀下半葉，牛頓（1642～1727）和惠更斯（1629～1695）等把光的研究引向進一步發展的道路。牛頓的白光實驗以及牛頓圈的發現，使光學由幾何光學進入了波動光學。惠更斯最早比較明確的提出了光的波動說。在《論光》（1690）一書中，他認為光的運動不是物質微粒的運動而是媒質的運動即波動，運用波動說，他很好的解釋了光的反射，折射以及方解石的雙折射現象。
牛頓
牛頓十九世紀
19世紀的光學是由英國醫生托馬斯·楊以復興波動說的論文揭開序幕的。1801年，楊向皇家學會宣讀了關於薄片顏色的論文，文中正式將干涉原理引入到光學之中，並且用這一原理解釋薄片上的顏色和條紋面的衍射。在這篇論文中，楊還系統提出了波動光學的基本原理，提出了光波長的概念，並給出了測定結果。正是由於光波長太短，以至遇障礙物拐彎能力不大，這也是人們很難觀察到這類現象的原因。又於1803年發表了物理光學的實驗和計算，對雙縫干涉現象進一步作出了解釋。在1807年出版的《自然哲學講義》中，楊系統闡述了他提出的波動光學的基本原理。
幾乎獨立的提出的波動說的還有法國物理學家菲涅爾（1788～1827）。1815年，他向科學院提交了第一篇光學論文，文中仔細研究了光的衍射現象，並提出了光的干涉原理。後來，菲涅爾與楊齊心協力，在波動學說基礎上的光學實驗大量湧現，使19世紀在波動光學方面取得了重大發展。
折射現象
光的折射
光的衍射是光的波動性的重要標誌之一，光在傳播過程中所呈現的衍射現象，進一步揭示了光的波動本性。同時衍射也是討論現代光學問題的基礎。 波在傳播中表現出衍射現象，既不沿直線傳播而向各方向繞射的現象。窗戶內外的人，雖然彼此不相見，都能聽到對方的說話聲，這說明聲波（機械波的一種）能饒過窗戶邊緣傳播。水波也能繞過水麵上的障礙物傳播。無線電波能繞過山的障礙，使山區也能接受到電台的廣播。這些現象表明，當波遇到障礙物時，它將偏離直線傳播，這種現象叫做波的衍射。
光由一種介質進入到另一介質而偏離直線傳播的現象，叫做光的折射。
光的傳播
光的干涉
複色光的衍射光的衍射現象的發現，與光的直線傳播現象表現上是矛盾的，如果不能以波動觀點對這兩點作統一的解釋，就難以確立光的波動性概念。事實上，機械波也有直線傳播的現象。超聲波就具有明顯的方向性。普通聲波遇到巨大的障礙物時，也會投射清楚的影子，例如在高大牆壁後面就聽不到前面的的聲響。在海港防波堤裡面，巨大的海浪也不能到達。微波一般也同樣是以直線傳播的。衍射現象的出現與否，主要決定於障礙物線度和波長大小的對比。只有在障礙物線度和波長可以比擬時，衍射現象才明顯的表現出來。聲波的波長可達幾十米，無線電波的波長可達幾百米，它們遇到的障礙物通常總遠小于波長，因而在傳播途中可以繞過這些障礙物，到達不同的角度。一旦遇到巨大的障礙物時，直線傳播才比較明顯。超聲波的波長數量級小的只有幾毫米，微波波長的數量級也與此類似，通常遇到的障礙物都遠較此為大，因而它們一般都可以看作是直線傳播。
光波波長
衍射現象
光的衍射是光的波動性的重要標誌之一，光在傳播過程中所呈現的衍射現象，進一步揭示了光的波動本性。同時衍射也是討論現代光學問題的基礎。
波在傳播中表現出衍射現象，既不沿直線傳播而向各方向繞射的現象。窗戶內外的人，雖然彼此不相見，都能聽到對方的說話聲，這說明聲波（機械波）能饒過窗戶邊緣傳播。水波也能繞過水麵上的障礙物傳播。無線電波能繞過山的障礙，使山區也能接受到電台的廣播。這些現象表明，當波遇到障礙物時，它將偏離直線傳播，這種現象叫做波的衍射。
光的傳播看來是沿直線進行的，遇到不透明的障礙物時，會投射出清晰的影子，粗看起來，衍射和直線傳播似乎是彼此矛盾的現象。
光的干涉現象是幾束光相互疊加的結果。實際上即使是單獨的一束光投射在屏上，經過精密的觀察，也有明暗條紋花樣出現。例如把楊氏干涉實驗裝置中光闌上兩個小孔之一遮蔽，使點光源發出的光通過單孔照射到屏上，仔細觀察時，可看到屏上的明亮區域比根據光的直線傳播所估計的要大得多，而且還出現明暗不均勻分布的照度。光通過狹縫，甚至經過任何物體的邊緣，在不同程度上都有類似的情況。把一條金屬細線（作為對光的障礙物）放在屏的前面，在影的中央應該是最暗的地方，實際觀察到的卻是亮的，這種光線繞過障礙物偏離直線傳播而進入幾何陰影，並在螢幕上出現光強不均勻的分布的現象叫做光的衍射。
光的衍射現象的發現，與光的直線傳播現象表現上是矛盾的，如果不能以波動觀點對這兩點作統一的解釋，就難以確立光的波動性概念。事實上，機械波也有直線傳播的現象。超音波就具有明顯的方向性。普通聲波遇到巨大的障礙物時，也會投射清楚的影子，例如在高大牆壁後面就聽不到前面的的聲響。在海港防波堤裡面，巨大的海浪也不能到達。微波一般也同樣是以直線傳播的。衍射現象的出現與否，主要決定於障礙物線度和波長大小的對比。只有在障礙物線度和波長可以比擬時，衍射現象才明顯的表現出來。聲波的波長可達幾十米，無線電波的波長可達幾百米，它們遇到的障礙物通常總遠小于波長，因而在傳播途中可以繞過這些障礙物，到達不同的角度。一旦遇到巨大的障礙物時，直線傳播才比較明顯。超音波的波長數量級小的只有幾毫米，微波波長的數量級也與此類似，通常遇到的障礙物都遠較此為大，因而它們一般都可以看作是直線傳播。
與幾何光學關係
與可見光傳播相關聯的電磁場，其特點是振動非常之快（頻率數量級為10s），或者說是波長非常短（數量級為10-15cm）。因此可以預期，在這種情況下，完全忽略波長的有限大小，可以得到光傳播定律的良好一級近似。人們發現，對很多光學問題而言，這樣處理是完全適合的。在光學中，可以忽略波長，即相當於λ0→0 極限情況的這一分支，通常稱為幾何光學，因為在這種近似處理下，光學定律可以用幾何學的語言來表述。 衍射現象的一個最簡單的典型例子——單狹縫的夫琅和費衍射。它包含著衍射現象的許多主要特徵。來自光源S的光（例如雷射）經望遠鏡系統構成的擴束器L1擴束直接投射到一狹縫上。在狹縫後面放置一透鏡L2，那么在透鏡L2的焦平面上放置的螢幕F'F上將產生明暗交替的衍射花樣。其特點是在中央具有一特別明亮的亮條紋，兩側排列著一些強度較小的亮條紋。相鄰的亮條紋之間有一暗條紋。如以相鄰暗條紋之間的間隔作為亮條紋的寬度，則兩側亮條紋為等寬的，而中央亮條紋的寬度為其它條紋的兩倍。人們將亮條紋到透鏡中心所張的角度稱為角寬度。中央亮條紋和其它亮條紋的角寬度不相等。中央亮條紋的角度等於 2λ/b（b為縫寬），即等於其它亮條紋角寬度的2倍。那么中央亮紋的半角寬度 Δθ=λ/b，正好等於其它亮紋的角寬度。
光的折射
光的折射由於中央亮斑集中了大部分光能，所以它的半角寬度 的大小可作為衍射效應強弱的量度。式子Δθ=λ/b告訴我們，對給定的波長，Δθ與縫寬b成反比，即在波前上對光束限制越大，衍射場越彌散，衍射斑鋪開的越寬；反之當縫寬很大，光束幾乎自由傳播時，Δθ→0，這表明衍射場基本上集中在沿直線傳播的方向上，在透鏡焦平面上衍射斑收縮為幾何光學象點。式子Δθ=λ/b還告訴我們，在保持縫寬不變的條件下，Δθ與λ成正比，波長越長，衍射效應越顯著；波長越短，衍射效應越可忽略。所以說幾何光學是b>>λ時的一種近似，或說λ→0的近似。除了直線傳播定律之外，作為幾何光學基礎的另外兩條定律-反射定律和折射定律，也都只在入很小的條件下才近似成立，所以幾何光學原理的適用範圍是有限度的，在必要的時候需要用更嚴格的波動理論來代替它。不過由於幾何光學處理問題的方法要簡單的多，並且它對各種光學儀器中遇到的許多實際問題已足夠精確，所以幾何光學並不失為各種光學儀器的重要理論基礎。
