波动光学基础

　　波动光学无论理论还是应用都在物理学中占有重要地位。今天的光学经典理论为大家带来的是波动光学基础，请有兴趣的光学人们看看后收藏哦！

　　基本介绍

　　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，形成振荡的偶极子，发出次波。利用这种观点来说明光的色散、吸收、散射、磁光效应、电光效应等现象，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。

　　光波在真空中的波长约为（3.9——7.6）×10-5cm，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的干涉现象。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。

　　发展历史

　　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）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 ——1675年间胡克（1635——1703）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）和惠更斯（1629——1695）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）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。

　　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）。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

　　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（机械波的一种）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。光由一种介质进入到另一介质而偏离直线传播的现象，叫做光的折射。

　　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

　　光波在真空中的波长约为（3.9——7.6）×10-5cm ，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。

　　衍射现象

　　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。