波动光学（1690年C·惠更斯提出的学说）

正文

波动光学

简介

波动光学

如将它应用到双折射晶体就得不到正确的结果。直到1860年J·C·麦克斯韦提出电磁波理论以后，才能完全地说明光的干涉、衍射、偏振及光在晶体中传播的现象。大约在1896年，H·A·洛伦兹创立了电子论。他假设物质是由带正负电荷的粒子组成。粒子在光场或其他交变电场的作用下，产生振动的偶极子，发出次波。用这样模型来说明光的吸收、色散、散射、磁光、电光等现象，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。60年代发明了激光，产生相干光。

从光的波动性出发，结合电波通信信息理论，发展了光学信息处理、全息术等新的学科分支。由于激光强，光的电场也强，和物质起的极化作用相应也大，除正比干光场的一次项外，还有和光场的二次、三次等成比例项。因而极化与光场就不再是线性关系了。发展这种关系的光学称非线性光学。又当光在尺寸很小的媒质中传播时，它的行为和微波在波导管中传播相似。论述这类波动，有正在开始发展的纤维光学、集成光学等。

发展史

波动光学

十七世纪下半叶，牛顿（1642-1727年）和惠更斯（1629-1695年）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年）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年）。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。

衍射现象

波动光学

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。

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。

与几何光学关系

波动光学

衍射现象的一个最简单的典型例子-单狭缝的夫琅和费衍射。它包含着衍射现象的许多主要特征。来自光源S的光（例如激光）经望远镜系统构成的扩束器L1扩束直接投射到一狭缝上。在狭缝后面放置一透镜L2，那么在透镜L2的焦平面上放置的屏幕Ｆ＇Ｆ上将产生明暗交替的衍射花样。其特点是在中央具有一特别明亮的亮条纹，两侧排列着一些强度较小的亮条纹。相邻的亮条纹之间有一暗条纹。如以相邻暗条纹之间的间隔作为亮条纹的宽度，则两侧亮条纹为等宽的，而中央亮条纹的宽度为其它条纹的两倍。人们将亮条纹到透镜中心所张的角度称为角宽度。中央亮条纹和其它亮条纹的角宽度不相等。中央亮条纹的角度等于 2λ/b(b 为缝宽) ，即等于其它亮条纹角宽度的二倍。那么中央亮纹的半角宽度 Δθ=λ/b，正好等于其它亮纹的角宽度。

由于中央亮斑集中了大部分光能，所以它的半角宽度 的大小可作为衍射效应强弱的量度。式子Δθ=λ/b，告诉人们，对给定的波长，Δθ与缝宽b成反比，即在波前上对光束限制越大，衍射场越弥散，衍射斑铺开的越宽；反之当缝宽很大，光束几乎自由传播时，Δθ→0，这表明衍射场基本上集中在沿直线传播的方向上，在透镜焦平面上衍射斑收缩为几何光学象点。式子Δθ=λ/b还告诉人们，在保持缝宽不变的条件下，Δθ与λ成正比，波长越长，衍射效应越显著；波长越短，衍射效应越可忽略。所以说几何光学是b>>λ时的一种近似，或说λ→0的近似。除了直线传播定律之外，作为几何光学基础的另外两条定律-反射定律和折射定律，也都只在入很小的条件下才近似成立，所以几何光学原理的适用范围是有限度的，在必要的时候需要用更严格的波动理论来代替它。不过由于几何光学处理问题的方法要简单的多，并且它对各种光学仪器中遇到的许多实际问题已足够精确，所以几何光学并不失为各种光学仪器的重要理论基础。

相关学科

静力学、动力学、流体力学、分析力学、运动学、固体力学、材料力学、复合材料力学、流变学、结构力学、弹性力学、塑性力学、爆炸力学、磁流体力学、空气动力学、理性力学、物理力学、天体力学、生物力学、物理学、力学、热学、光学、声学、电磁学、核物理学、固体物理学。