光是什么?光学常识与光学发展简史

光是什么?光学常识与光学发展简史

光是一种重要的自然现象,我们所以能够看到客观世界中五彩缤纷、瞬息万变的景象,是因为眼睛接收物体发射、反射或散射的光。据统计,人类感官收到外部世界的总信息量中,至少有90%以上通过眼睛。光这种东西看得见摸不着,没有气味也没有重量,能一下子充满整个空间,阳光、月光、星光、火光、灯光,光无处不在,可光究竟怎样产生,为什么会具有如此特性?光能反射、折射、散射、衍射、辐射、光是电磁波,光是最小的能量单位。光是联系宇宙,探索人类起源的媒介。

1 光是什么

When atoms or molecules drop from a higher state of energy to a lower one, they lose energy and emit it in the form of radiation. At the microscopic level, visible light is created when an electron within an atom in an excited state drops to a low energy state and loses this excess energy. The same way, incoming light can elevate an electron to a higher state of energy by being absorbed by it.

当很多原子或分子从高能量的状态跃迁到低能量的状态,它们损失的能量以辐射的形式释放出来。在微观视角,当原子中的电子从一个兴奋状态到了一个低能量的状态,这个过程就释放了多余的能量,就产生了可见光,同样,当光被电子吸收后,电子的能量就会升高。

Microscopically, the moving charge of electron creates an oscillationg magnetic field, which creates an oscillating electric field perpendicular to it. These two fields move themselves through space, transferring energy from one place to another, carring information about its place of creating with it.

宏观角度,电子的电荷产生了一个变化的磁场,随之出现一个和它垂直的变化的电场。这两个场在空间内移动着,给对方提供能量,并包含了它们来源的信息。

So light is part of a spectrum, an elementary particle that also behaves like a wave, propelled by two perpendicular fields, travelling at the speed limit of the universe.

光就是光谱上的一部分,基本颗粒也表现得像波,由两个相互垂直的场推动,以宇宙中有限的最大速度传播。

2 光学常识

2.1 光的几何特性

光在传播过程中,表现出光的直线传播定律、反射定律(包括光路可逆原理)的折射定律,我们是用光线和波面这两个特征量来描述的,这就是几何光学,以称射线光学,也就是传统意义上的应用光学。三条基本定律是几何光学的基本原理。

指当光射到两种介质的分界面上时,有一部分光改变传播方向,回到原介质中内继续传播,这种光反射现象叫做光的反射

光从一种透明介质斜射入另一种透明介质时,传播方向一般会发生变化,这种现象叫光的折射。光的折射与光的反射一样都是发生在两种介质的交界处,只是返回原介质中,而折射光则进入到另一种介质中,由于光在在两种不同的物质里传播速度不同,故在两种介质的交界处传播方向发生变化,这就是光的折射。在两种介质的交界处,既发生折射,同时也发生反射。反射光光速与相同 ,折射光光速与入射光不同。

只有反射而无折射的现象称为全反射,光导纤维就是利用全反射规律而使光线沿着弯曲路径传播的光学元件。

反射可分为镜面反射和漫反射,若反射面比较光滑,当平行入射的光线射到这个反射面时,仍会平行地向一个方向反射出来,这种反射就属于镜面反射。漫反射是投射在粗糙表面上的光向各个方向反射的现象。如一张白纸,虽然可以反射绝大部分光线,但因表面的粗糙形成的是漫反射而不是镜面反射,所以无法成像。

反射和折射也分为平面反射与球面反射。

球面反射和折射:

2.2 光的波动特性

光的干涉、衍射和偏振现象证明了光在传播过程中具有波动特性,我们是用波长(或频率)和相位这两个特征量来描述的。

光的干涉(Interference of light):如果两波频率相等,在观察时间内波动不中断,而且在相遇处振动方向几乎沿着同一直线,那么它们叠加后产生的合振动可以在有些地方加强,在有些地方减弱,这一强度按空间周期性变化的现象称为干涉。两波相遇,如果波峰遇到波峰,波谷遇到波谷,两波叠加,互相加强。如果波峰遇到波谷,波谷遇到波峰,相互抵消,形成黑暗条纹。

衍射(diffraction)是指波遇到障碍物时偏离原来直线传播的物理现象。当一束平行光通过一比较窄的狭缝或者小的圆孔时,它不仅偏离了原来的直线传播方向,而且光强出现了类似干涉现象的明暗相间的重新分布。

偏振:波的振动方向对于传播方向的不对称性称为偏振。它是横波区别于纵波的一个最明显的标志。波的振动方向与传播方向相同的波称为纵波(声波),垂直的波称为横波,只有横波才有偏振现象。

电磁波与机械波:波是振动在空间的传播。如在空气中传播的声波,在水面传播的水波以及在地壳中传播的地震波等,它们都是由振源发出的振动在弹性介质中的传播,这些波统称为机械波。光波、热辐射、微波、无线电波等都是由振源发出的在空间的传播,这些波叫做电磁波。电磁波是由同相振荡且互相垂直的电场与磁场在空间中以波的形式移动,其传播方向垂直于电场与磁场构成的平面,故为横波(平面波)。在均匀介质中,波呈球面扩散的方式向外传播,所以可称为球面波;但是,当传播距离很远后,球面的局部的曲率很小,可以看作平面波。所以说,球面波是波传播的整体特征,平面波是波的局部特征。

收音机是接受电磁波而工作的。收音机的分类是根据电磁波的波长分的。有FM、SW、AM,FM即调频广播,SW是短波,AM是中波,又叫调幅广播。最常见的就是FM、AM。FM又叫超短波广播,波长最短,信号几乎直线传播,信号最稳定,音质最好,覆盖范围也最小,基本覆盖一个市或者周边部分市区,其电磁波的频率和电视的差不多,所以有些收音机有收电视伴音的功能。AM中波,以前对中波收音机接触应该最多,覆盖范围比FM大,晚上收的台会多一些,东部地区有时可以收到台湾、香港、日本等的中波广播。SW即国际广播,要收听国际电台就要就是靠它了!它的覆盖范围自然最大。SW通常又分为7个波段,再加上AM、FM就是九波段,短波的范围再扩展至九个波段,这样下来就共有十二个波段即全频收音机!

2.3 光的粒子特性

光在传播过程中表现出波动的特性,光在与物质相互相互作用的过程中表现出粒子的特性。光与物质的相互作用可以分为两种类型:其一是光与物质的宏观相互作用,具体表现为光在介质内传输时,介质对光强度的吸收、对不同频率光的色散以及对光的散射等宏观物理效应。其二是光与物质的微观相互作用,在热平衡状态下,物质原子对光的发射特性和吸收特性,比如,热辐射的规律、光电效应、康普顿效应,发光原子稳定性以及单质原子的线状光谱等。就光与物质相互作用现象和物理机制来看,无论是宏观还是微观相互作用,经典理论都不能够给予完整的解释,特别是光与物质的微观相互作用方面,甚至出现了严重的矛盾。正是由于经典理论在光学领域的这些困难促使科学家们经过艰苦的探索,终于在20世纪初建立了以量子论为核心、以波粒二象性和质能守恒为两块基石的控物理学。

光的吸收、散射和色散:都是由光和物质的相互作用引起的,实质上是由光和原子中的电子相互作用引起的。

光的吸收是指原子在光照下,会吸收光子的能量由低能态跃迁到高能态的现象。从实验上研究光的吸收,通常用一束平行光照射在物质上,测量光强随穿透距离衰减的。

光的散射(scattering of light)是指通过不均匀介质时一部分光偏离原方向传播的现象。

光的色散:在光学中,将复色光(如白光)分解成单色光(如红、橙、黄、绿、蓝、靛、紫)的过程,叫光的色散。色散可以利用三棱镜或光栅等作为"色散系统"的仪器来实现。

辐射指的是由场源发出的电磁能量中一部分脱离场源向远处传播,而后不再返回场源的现象,能量以电磁波或粒子(如阿尔法粒子、贝塔粒子等)的形式向外扩散。自然界中的一切物体,只要温度在绝对温度零度(-273.15摄氏度)以上,都以电磁波和粒子的形式时刻不停地向外传送热量,这种传送能量的方式被称为辐射。辐射之能量从辐射源向外所有方向直线放射。物体通过辐射所放出的能量,称为辐射能。辐射按伦琴 /小时(R)计算。辐射有一个重要特点,就是它是"对等的"。不论物体(气体)温度高低都向外辐射,甲物体可以向乙物体辐射,同时乙也可向甲辐射。一般普遍将这个名词用在电离辐射。辐射本身是中性词,但某些物质的辐射可能会带来危害。

黑体辐射:我们知道,各种物体由于结构不同,对外来辐射的吸收以及它本身对外的辐射都不相同。一个物体之所以是白色的,是因为它反射所有频率的光波。如果看上去是黑色的,那是因为它吸收了所有频率的光波(黑色的物体可吸收可见光(不反射、不穿透)),假设有这样一种物体,能够吸收所有电磁波(外来电磁辐射),也不反射和穿透,但可以辐射(释放能量),这样的物体称为黑体,当黑体吸收不同频率的电磁波时,其能量密度怎样用公式描述?后来搞出了一套分别在短波(从粒子角度出发)和长波(从电磁波角度出发推导)范围内才能起作用的公式。1900年,普朗克在研究黑体时,发现了一个普适公式,这个公式必须假定:能量在发射和吸引的时候,不是连续不断,而是分成一份一份的。

光电效应:在高于某特定频率的电磁波照射下,某些物质内部的电子会被光子激发出来而形成电流,即光生电。光电现象由德国物理学家赫兹于1887年发现,而正确的解释为爱因斯坦所提出。科学家们在研究光电效应的过程中,物理学者对光子的量子性质有了更加深入的了解,这对波粒二象性概念的提出有重大影响。

康普顿效应 :1923年,美国物理学家康普顿在研究x射线通过实物物质发生散射的实验时,发现了一个新的现象,即散射光中除了有原波长λ0的x光外,还产生了波长λ>λ0 的x光,其波长的增量随散射角的不同而变化。这种现象称为康普顿效应(Compton Effect)。用经典电磁理论来解释康普顿效应时遇到了困难,康普顿借助于爱因斯坦的光子理论,从光子与电子碰撞的角度对此实验现象进行了圆满地解释。

2.4 波粒二象性

光的干涉、衍射和偏振表明光具有波动性、光的黑体辐射、光电效应和康普顿效应又表明光是粒子,具有微粒性,那么,光空间是波还是粒子呢?事实上,这个问题已经不能用经典的波和粒子来描述它了,现在的回答是光具有波粒二象性,这里的波、粒已经不是经典理论中的概念,严格的表述将由量子电动力学给出。

波粒二象性(wave-particle duality)指的是所有的粒子或量子不仅可以部分地以粒子的术语来描述,也可以部分地用波的术语来描述。这意味着经典的有关"粒子"与"波"的概念失去了完全描述量子范围内的物理行为的能力。爱因斯坦这样描述这一现象:"好像有时我们必须用一套理论,有时候又必须用另一套理论来描述(这些粒子的行为),有时候又必须两者都用。我们遇到了一类新的困难,这种困难迫使我们要借助两种互相矛盾的的观点来描述现实,两种观点单独是无法完全解释光的现象的,但是合在一起便可以。"波粒二象性是微观的基本属性之一。1905年,提出了的解释,人们开始意识到光波同时具有波和粒子的双重性质。1924年,提出""假说,认为和光一样,一切物质都具有波粒二象性。根据这一假说,电子也会具有和等波动现象,这被后来的试验所证实。当我们用某种物质与微观客体的相互作用去探测该微观客体时,就它被集中的意义来说,它是粒子。当它在运动时,就观察到衍射现象的意义来说,它是波动。光波的传播不需要任何介质,光在传播过程中表现出波动的特性,光在与物质相互相互作用的过程中表现出粒子的特性。宏观电磁波或光波是电磁振荡产生的,实际上是原子中电子能级的跃迁而发出的。

光有时候表现的是粒子现象,有时候呈现的是波现象。如一个人有时善,有时恶,你无法定义他是一个恶人还是一个善人。

德布罗意波也叫物质波,在光具有的启发下,法国物理学家德布罗意(1892~1987)在1924年提出一个假说,指出波粒二象性不只是光子才有,一切微观粒子,包括电子和质子、中子,都有波粒二象性。他把光子的动量与波长的关系式p=h/λ推广到一切微观粒子上,指出:具有质量m 和速度v 的运动粒子也具有波动性,这种波的波长等于普朗克恒量h 跟粒子动量mv 的比,即λ= h/(mv)。这个关系式后来就叫做德布罗意公式。发现了电子、质子等微观粒子的波动性以后,对微观世界的认识统一起来了。不仅原来认为是电磁波的光具有粒子性,而且原来认为是粒子的电子、质子等也具有波动性。

机械波是周期性的振动在媒质内的传播,电磁波是周期变化的电磁场的传播(无媒质)。物质波既不是机械波,也不是电磁波。在提出物质波以后,人们曾经对它提出过各种各样的解释。到1926年,德国物理学家(1882~1970)提出了符合实验事实的后来为大家公认的统计解释:物质波在某一地方的强度跟在该处找到它所代表的粒子的几率成正比。按照玻恩的解释,物质波乃是一种。德布罗意波的统计解释粒子在某处邻近出现的概率与该处波的强度成正比。当然,应该指出,虽所有的微观粒子都具有波粒二象性,但光子跟电子、质子等粒子还是有很基本的区别的。光子没有静质量,电子、质子等都有静质量.光子的永远是c,电子、质子等却可以有低于光速c的各种不同的运动速度。

光与电子都具有波粒二象性,如何理解波粒两者的关系呢?我们来看一个实验,分别用电子流和光照射一个狭缝,当电子流的密度很小,以致电子一个一个地通过狭缝,接收屏表面上开始时出现的是一些位置并不重合而且是无规则分布着的点,随着时间延长,点的数目增多最终形成衍射图样。这提示了粒子性和波动性之间的关系,即单个光子和电子的行径是无规则的,而大量的光子和电子的分布与波动理论一致。在经典力学中,为了确定宏观物体的运动状态,必须同时知道这个物体的位置(坐标)和动量。对于微观粒子,前面已经知道它具有波粒二象性,那么还能用经典力学的位置(坐标)和却是来准确描述微观粒子的运动状态吗?1927年海森堡提出了不确定性原理,同一方向上微观粒子的动量和位置不能同时准确确定。

2.5 其它的一些光学常识

光速:波长*振动频率;(波长是光的两个波峰或波谷之间的距离),光的波长越短,波的振动频率越高。

光是一种辐射,紫外光适当有益,过多有害。

可见光。人眼不可见的光,有一些动物,如蝇却是可见的,紫外线灭蚊灯就是这一原理的应用。

人的色彩感觉:一般来说,不同波长的可见光投射到物体上,一部分波长的光被吸收,另一部分波长的光则被反射出来刺激人的眼睛,经过视神经传递到大脑后,人便形成了对物体的色彩信息。如红花在阳光下之所以呈现红色,因为它吸收了蓝色光和绿色光,反射了来自太阳的红色光。

彩虹是当太阳光照射到半空中的水滴,光线被折射及反射,在天空上形成拱形的七彩光谱,由外圈至内圈呈红、橙、黄、绿、蓝、靛、紫七种颜色。事实上彩虹有无数种颜色,比如,在红色和橙色之间还有许多种细微差别的颜色,但为了简便起见,所以只用七种颜色作为区别。彩虹是因为阳光射到空中接近球形的小水滴,造成色散及反射而成。阳光射入水滴时会同时以不同角度入射,在水滴内亦以不同的角度反射。当中以40至42度的反射最为强烈,造成我们所见到的彩虹。造成这种反射时,阳光进入水滴,先折射一次,然后在水滴的背面反射,最后离开水滴时再折射一次,总共经过一次反射两次折射。因为水对光有色散的作用,不同波长的光的折射率有所不同,红光的折射率比蓝光小,而蓝光的偏向角度比红光大。由于光在水滴内被反射,所以观察者看见的光谱是倒过来,红光在最上方,其他颜色在下。因此,彩虹和霓虹的高度不一样,颜色的层递顺序也正好反过来。彩虹意旨光线经过两次折射一次反射,霓虹则是光线经过两次折射两次反射。

云彩为什么有白色、黑色和红色呢?为什么没有其它颜色呢?这些不同颜色的云彩有什么不同吗?"这样一个非常简单的问题,很多人居然不知道如何回答。这是长期的思维惰性造成的,我们用中学的知识就可以解释这个问题了。云彩的红色来自太阳光通过大气层时的折射,因此只有早晨和傍晚才出现红色的云彩,也就是朝霞和晚霞。因为太阳光在大气层发生折射时不是单一的细光束,而是发生在大面积的折射,由于相互叠加,只能在最边缘出现红色,顶多会出现一点橙色。而云彩的白色和黑色是云层的厚度以及云层、太阳与观察者之间的相互位置造成的。

激光:普通光源是向四面八方发光。要让发射的光朝一个方向传播,需要给光源装上一定的聚光装置,如汽车的车前灯和探照灯都是安装有聚光作用的反光镜,使辐射光汇集起来向一个方向射出。激光器发射的激光,天生就是朝一个方向射出,光束的发散度极小,大约只有0.001弧度,接近平行。原子受激辐射的光,故名"激光":原子中的电子吸收能量后从低能级跃迁到高能级,再从高能级回落到低能级的时候,所释放的能量以光子的形式放出。被引诱(激发)出来的光子束(激光),其中的光子光学特性高度一致(行进方向上,波长、波峰与波谷的位置关系完全一致,叠加效应更强)。

3 光学仪器

光的干涉、衍射和偏振现象证明了光在传播过程中具有波动特性,我们是用波长(或频率)和相位这两个特征量来描述的,另一方面,光在传播过程中,又表现出光的直线传播定律、反射定律(包括光路可逆原理)的折射定律,我们是用光线和波面这两个特征量来描述的,这就是几何光学,以称射线光学,也就是传统意义上的应用光学。三条 基本定律是几何光学的基本原理,它不考虑光的波动性,即不考虑光的干涉、衍射等波动性,而只根据光能量沿着直线传播的概念来处理问题,这是光学仪器成像的理论基础。但是,实际上,光的波动性,特别是光的衍射现象会对光学仪器成像的分辨造成严重的制约,所以,光学仪器的设计、理论研究和实践应用,必须考虑光的波动性。

光学仪器的各类很多,首先,是我们的眼睛,它是一架精密的光学仪器(眼睛成像和凸透镜成像原理相同)。其他人造的光学仪器可以分为三大类:

1) 助视光学仪器:有眼镜 、目镜和照相机;

2) 放大和投影光学仪器:有放大镜、显微镜、望远镜和投影仪等;

3) 光谱分析仪器:有棱镜光谱仪、光栅光谱仪和F-P干涉仪等;

望远镜是一种或反射镜以及其他光学器件观测遥远物体的仪器。利用通过透镜的或光线被反射使之进入小孔并会聚成像,再经过一个放大而被看到。又称""。 根据望远镜原理一般分为三种。一种通过收集电磁波来观察遥远物体的电磁辐射的仪器,称之为射电望远镜,在日常生活中,望远镜主要指,但是在现代天文学中,包括了,,X射线和伽马射线望远镜。天文望远镜的概念又进一步地延伸到了,和的领域。

显微镜是由一个透镜或几个透镜的组合构成的一种光学仪器,是人类进入的标志。主要用于放大微小物体成为人的肉眼所能看到的仪器。显微镜分和:光学显微镜是在1590年由荷兰的詹森父子所首创。现在的光学显微镜可把物体放大1600倍,分辨的最小极限达波长的1/2。

光学显微镜主要由目镜、物镜、载物台和反光镜组成。目镜和物镜都是凸透镜,焦距不同。物镜的凸透镜焦距小于目镜的凸透镜的焦距。物镜相当于投影仪的镜头,物体通过物镜成倒立、放大的实像。目镜相当于普通的放大镜,该实像又通过目镜成正立、放大的虚像。经显微镜到人眼的物体都成倒立放大的虚像。反光镜用来反射,照亮被观察的物体。反光镜一般有两个反射面:一个是平面镜,在光线较强时使用;一个是凹面镜,在光线较弱时使用,可会聚光线。

4 光学发展简史

光学的发展大致可换分为5个时期:萌芽时期、几何光学时期、波动光学时期、量子光学时期、现代光学时期。

4.1 萌芽时期

光学的起源和力学等一样,可以追溯到3000年前甚至更早的时期。在中国,墨翟(公元前468—公元前376)及其弟子所著的《墨经》记载了光的直线传播和光在镜面上的反射等现象,并具体分析了物、像的正倒及大小关系。无论从时间还是科学性来讲,《墨经》可以说是世界上较为系统的关于光学知识的最早记录。约100多年后,古希腊数学家欧几里得(Euclid,约公元前330—公元前275)在其著作中研究了平面镜成像问题,提出了光的反射定律,指出反射角等于入射角,但他同时提出了将光当作类似触须的投射学说。

从墨翟开始后的两千多年的漫长岁月构成了光学发展的萌芽时期,在此期间光学发展比较缓慢。罗马帝国的灭亡(公元475年)大体上标志着黑暗时代的开始,在此之后,欧洲在很长一段时间里科学发展缓慢,光学亦是如此。除了对光的直线传播、反射和折射等现象的观察和实验外,在生产和社会需要的推动下,在光的反射和透镜的应用方面,逐渐有了些成果。

克莱门德(Clemomedes)和托勒密(C.Ptolemy,90--168)研究了光的折射现象,最先测定了光通过两证介质面时代入射角和折射角。罗马哲学家塞涅卡(Seneca,前3--65)指出充满水的玻璃泡具有强大功能。从阿拉伯的巴斯拉来到埃及的学者阿尔哈雷(Alhazen,965--1038)反对欧几里德和托勒密关于眼镜发出光线才能看到物体的学说,认为光线来自所观察的物体,并且光是以球面形式从光源发出的;反射和入射线共面且入射面垂直于界面,他研究了球面镜与抛物面镜,并详细描述了人眼的构造;他首先发明了凸透镜,并对凸透镜进行了实验研究,所得的结果接近于近代关于凸透镜的理论。

培根(R.Bacon,1214--1294)提出透镜校正视力和采用透镜组构成望远镜的可能性,并描述了透镜焦点的位置。阿玛蒂(Armati)发明了眼镜。波特(G.B.D.Porta,1535--1615)研究了成像暗箱,并在1589年的论文《自然的魔法》中讨论了复合面镜以及凸透镜和凸透镜组的组合。综上所述,到15世纪末和16世纪初,凹透镜、凸面镜、眼镜、透镜以及暗箱和幻灯等光学元件已相继出现。

4.2 几何光学时期

这一时期可以称为光学发展史上的转折点。在这个时期建立了光的反射定律和折射定律,奠定了几何光学的基础。同时为了提高人眼的观察能力,人们发明了光学仪器,第一架望远镜的诞生促进了天文学和航海事业的发展,显微镜的发明给生物学的研究提供了强有力的工具。

荷兰的李普塞(H.Lippershey,1587-1619)在1608年发明了第一架望远镜,17世纪初延森(z.Janssen,1588-1632)和冯特纳(P.Fontana,1580-1656)最早制作了复合显微镜,1610年伽利略(Galilei,1564-1642)用自己制造的望远镜观察星体,发现了绕木星运行的卫星,这给哥白尼关于地球绕太阳运转的日心说提供了强有力的证据。

开普勒(J.Kepler,1571-1630)汇集了前人的光学知识,于1611年发表了他的著作《折光学》,无论在形式上还是在内容上,该书都可与现代几何光学教材媲美,他提出了用点光源照明时,照度与受照面到光源距离的平方成反比的照度定律,他还设计了几种新型的望远镜,特别是由两块凸透镜构成的开普勒天文望远镜,他还发现当光以小角度入射到界面时,入射角和折射角近似地成正比关系,至于折射定律的精确公式则是斯涅耳(W.Snell,1591-1626)和笛卡儿(R.Descartes,1596-1650)提出的,1621年斯涅耳在他的一篇未发表的文章中指出,入射角的余弦和折射角的余弦之比是常量,而约在1630年,笛卡儿在《折光学》(1637年出版)中给出了我们现在熟悉的用正弦函数表述的折射定律,接着费马(P.de Fermat,160l-1665)在1657年首先指出光在介质中传播时所走的光程取极值的原理,并根据这个原理推出光的反射定律和折射定律,综上所述,到17世纪中叶,基本上已经奠定了几何光学的基础。

早先关于光的本性的概念,是以光的直线传播为基础的,但从17世纪开始,就发现了与光的直线传播不完全符合的事实,意大利人格里马第(F.M.Grimaldi,1618-1663)首先观察到光的衍射现象,他发现在点光源的情况下,一根直竿的影子要比假设光沿直线传播所应有的宽度稍大一点,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(R.Hooke,1635-1703)也观察到衍射现象,并且和波意耳(R.Boyle,1627——1691)独立地研究了薄膜所产生的彩色干涉条纹。这些都是光的波动理论的萌芽。

十七世纪下半页,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。在光学发展的早期,对颜色的解释显得特别困难。1672年牛顿发现白光通过三棱镜时,会在光屏上形成安一定次序排列的彩色光谱带——光谱。于是他认为白光由各种色光复合而成,各色光在玻璃中受到不同程度的折射而被分解成许多组成部分。反之,把各种组成部分复合起来会重新得到原来的白光。进一步的实验还指出,把第一棱镜所分离出的某种色光从光谱中分离出来,便不能被第二棱镜再分解,这些简单的色光特征,可用棱镜的形状和折射率来定量地描述。因此牛顿的白光实验,使对颜色的解释摆脱了主观视觉的印象而上升到客观量度的科学高度。此外,牛顿还仔细观察了白光在空气薄层上干涉时所产生的彩色条纹——牛顿环,从而首次认识了颜色和空气层厚度之间的关系。但最早发现牛顿环的却是胡克。在发现这些现象的同时,牛顿于公元1704年出版的《光学》一书中,根据光的直线传播性质,提出了光的微粒流理论。他认为这些微粒从光源飞出来,在真空或均匀物质内,由于惯性而作匀速直线运动,并以此观点解释光的反射和折射定律。然而在解释牛顿环时,却遇到了困难。同时,这种微粒流的假设也难以说明光在绕过障碍物之后所发生的衍射现象。

惠更斯反对光的微粒说,1678年他在《论光》中从生和光的某些现象的相似性出发,认为光是在"以太"中传播的波。所谓"以太"则是一种假想的弹性介质,充满整个宇宙空间,光的传播取决于"以太"的弹性和密度。运用他的波动理论中的次波原理,惠更斯不仅成功地解释了发射和折射定律,还解释了方解石的双折射现象。但是惠更斯没有把波动过程的特性给予足够的说明,没有指出光现象的周期性,没有提出波长的概念。他的次波包络面成为新的波面的理论,没有考虑到它们是由波动按一定的位相叠加所造成的。归根到底,仍旧摆脱不了几何光学的观念,因此不能由此说明光的的干涉和衍射等有关光的波动本性的现象。与次相反,坚持微粒说的牛顿,却从他发现的牛顿环现象中确信光是周期性的。

综上所述,这一时期中,在以牛顿位代表的微粒说占统治地位的同时,由于相继发现了光的干涉、衍射和偏振等光的波动现象,以惠更斯为代表的波动说也初步提出来了。因而,这个时期也可以说是几何光学向波动光学过度的时期,是人们对光的认识逐步深化的时期。

光的理论在十八世纪实际上没有什么进展。多数科学家采纳了光的微粒说,不过瑞士的笛卡儿学派的欧拉(1707~1783年)和伯努利(1700~1782年)却捍卫并发展了"以太"的波动理论。

4.3 波动光学时期

1801年,托马斯•杨(T.Young,1773~1829)最先用干涉原理另人满意地解释了白光照射下薄膜颜色的由来并做了著名的"杨氏双缝干涉实验",还第一次成功测定光的波长。

1815年,菲涅耳(A.J.Fresnel,1788-1827)用杨氏干涉原理补充了惠更斯原理,形成了人们所熟知的惠更斯-菲涅耳原理。运用这个原理不仅圆满地解释光在均匀的各向同性介质中的直线传播,而且还能解释光通过障碍物时所发生的衍射现象。因此,它成为波动光学的一个重要原理。

1808年,马吕斯(E.L.Malus,1755-1812)偶然发现光在两种介质界面上反射时的偏振现象。随后菲涅耳和阿拉果(D.F.J.Arago,1786~1853)对光的偏振现象和偏振光的干涉进行了研究。为了解释这种现象,杨氏在1817年提出了光波和弦中传播的波相仿的假设,认为它是一种横波。菲涅耳进一步完善了这一观点并提出了菲涅耳公式。至此,光的弹性波动理论既能说明光的直线传播,也能解释光的干涉和衍射现象,并且横波的假设又可以解释光的偏振现象。看来一切都十分圆满了,但这时仍把光看作是"以太"中的机械弹性波动。至于"以太"空间是什么物质,尽管人们赋予了它许多附加的性质,仍难自圆其说。这样,光的弹性波动理论存在的问题就暴露出来了。此外,这个理论既没有指出光学现象和其他物理现象间的任何联系,也没能把表征介质特性的各种光学常量和介质的其他参数联系起来。

1845年法拉第(M.Faraday,1791~1867年)发现了光的振动面在强磁场中的旋转,从而揭示光学现象和电磁现象的内在联系。

1856年,韦伯(W.E.Weber,1804-1891)和柯尔劳斯(R.Kohlrausch,1809-1858)通过在莱比锡做的电学实验发现电荷的电磁单位和静电单位的比值等于光在真空中的传播速度,既3*10^8m/s。从这些发现中,人们得到启示,即在研究光学现象时,必须把光学现象和其他物理现象联系起来考虑。

1865年,麦克斯韦(J.C.Maxwell,1831-1879)指出电场和磁场的改变不会局限在空间的某一部分,而是以数值等于电荷的电磁单位与静电单位的比值的速度传播的。即电磁波以光速传播,说明光是一种电磁现象。

这理论在1888年被赫兹(H.R.Hertz,1857-1894)的实验所证实。他直接通过频率和波长来测定电磁波的传播速度,好现它恰好等于光速。至此,确立了光的电磁理论基础,尽管关于以太的问题,要在相对论出现以后才得到完全解决。

另一方面,当时已经发现了折射率随光波波长而改变的色散现象。根据当时物质结构的观念,已经可以从电子的运动过程更深入地研究物质和光相互作用的各种过程。

1896年,洛仑兹(H.A.Lorentz,1853-1928)创立电子论,认为在外力的作用下,电子做阻尼振动而产生光的辐射。当光通过介质且介质中电子的固有频率和外场的频率相同时,则束缚电子便成为较显著的光的吸收体。解释了物质发射和吸收光的现象,以及光在物质中的传播过程以及光的色散现象。

随着新光源的探索,光学的研究深入到光的发生、光和物质相互作用的微观机构中,光的电磁理论又发生了一些困难。"黑体辐射"的能量按波长分布的问题,及1887年赫兹发现的光电效应,用光的电磁理论不能得出正确的结论。并且,如果认为洛伦兹关于以太的概念是正确的话,则可将不动的以太选作参照系,使人们能区别出绝对运动。而事实上,1876~1887年间,美国物理学家迈克尔逊和莫雷进行了搜索"以太风"的实验,但他们的实验得到了"负结果",即没有发现"以太风"的存在。得到否定的结果,电磁波或光的传播并不像机械波一样需要媒介。这表明到了洛伦兹电子论时期,人们对光的本性的认识仍然有不少片面性。

但是光的电磁论在整个物理学的发展中起着很重要的作用,它指出光和电磁现象的一致性,并且证明了各种自然现象之间存在着相互联系这一辩证唯物论的基本原理,使人们在认识光的本性方面向前迈进了一大步。

在此期间,人们还用多种实验方法对光速进行了多次测定。1849年斐索(A.H.L.Fizeau,1819--1896)运用了旋转齿轮的方法及1862年傅科(J.L.Foucault,1819--1868)使用旋转镜法测定了光在各种不同介质中的传播速度。

4.4 量子光学时期

19世纪末到20世纪初,光学的研究深入到光的发生、光和物质相互作用的微观机构中.光的电磁理论的主要困难是不能解释光和物质相互作用的某些现象,例如炽热黑体辐射中能量随波长分布的问题,特别是1887年赫兹发现的光电应。

1900年,普朗克(M.K.Planck,1858-1947)提出了辐射的量子论,认为各种频率的电磁波只能以一定的能量子方式从振子发射,能量子所具有的能量是不连续的,其大小只能是电磁波(或光)的频率与普朗克常量乘积的整数倍,从而成功解释黑体辐射问题,开始量子光学时期。

1905年,爱因斯坦(A.Einstein,1879-1955)发展了普朗克的能量子假设,把量子论贯穿到整个辐射和吸收过程中,提出了光量子(光子)理论,圆满解释了光电效应,并被后来的许多实验(如康普顿效应)证实。但这里的光子不同于牛顿的微粒说的粒子,光子是和光的频率(波动特性)联系着的,光同时具有微粒和波动两种属性。

至此,人们一方面通过光的干涉、衍射、偏振等光学现象证实了光的波动性;而另一方面通过热辐射、光电效应和康普顿效应等又证实了光的量子性——粒子性。为了将有关光的本性的两个完全不同的概念统一起来,人们进行了大量的探索工作。

1924年,德布罗意(L.V.de Broglie,1892-1987)创立物质波学说,大胆设想每一物质的粒子都和一定的波相联系。

这一假设在1927年被戴维孙(C.J.Davisson,1881-1958)和革末(L.H.Germer,1896-1971)的电子束衍射实验所证实。事实上,不仅光具有波动性和微粒性,也就是所谓波粒二象性,而且一切习惯概念上的实物粒子同样具有这种二重性.也就是说这是微观物质所共有的属性。

1925年,波恩(M.Born,1882-1970)提出波粒二象性的概率解释建立了波动性和微粒性之间的联系。光和一切微观粒子都具有波粒二象性,这个认识促进了原子核和粒子研究的发展,也推动了人们去进一步探索光和物质的本质,包括实物和场的本质问题。

4.5 现在光学时期

1935年,荷兰物理学家泽尼克(Z.Zernike)提出相衬显微术。

1948年,伽柏(D.Gabor)提出波前记录与在现的全息术。

1955年,光学传递函数理论创立。

1960年,梅曼(T.H.Maiman,1927- )的激光问世,标志光学迅速迈入现代光学时期。

1958年,肖洛(A.L.Schawlow,1921-1999)和汤斯(C.H.Towns,1915- )等提出把微波量子放大器的原理推广到光频段中去。

20世纪中叶,特别是激光问世以后,光学开始进入了一个新的时期,以致于成为现代物理学和现代科学技术前沿的重要组成部分。其中最重要的成就,就是发现了爱因斯坦于1916年预言过的原子和分子的受激辐射,并且创造了许多具体的产生受激辐射的技术。 爱因斯坦研究辐射时指出,在一定条件下,如果能使受激辐射继续去激发其他粒子,造成连锁反应,雪崩似地获得放大效果,最后就可得到单色性极强的辐射,即激光。1960年,梅曼用红宝石制成第一台可见光的激光器;同年制成氦氖激光器;1962年产生了半导体激光器;1963年产生了可调谐染料激光器。由于激光具有极好的单色性、高亮度和良好的方向性,所以自1958年发现以来,得到了迅速的发展和广泛应用,引起了科学技术的重大变化。

1960年,梅曼首先成功制成红宝石激光器。

自此,激光科学技术的发展突飞猛进,现已广泛用于打孔、切割、导向、测距、医疗和育种等方面,在化学催化、同位素分离、光通讯、光存储、光信息处理、生命科学以及引发核聚变等方面也有广阔的发展前景。

同步辐射的电磁波谱从红外线到X射线,强度高,指向性特佳,在科学研究和高技术诸如表明物理学、生物学和化学以及半导体制备和集成电路制造等领域都有广泛应用。

全息摄影术已在全息显微术、信息存储、像差平衡、信息编码、全息干涉亮度、声波全息和红外全息等方面获得了越来越广泛的应用。

光导纤维已发展成为一种新型的光学元件。光纤通讯具有使用范围广、容量大、抗干扰能力强、便于保密和节约钢材等优点。

由于采取光信息存储,并充分吸收了光并行处理的特点,光计算机的运算速度将会成千倍地增加,信息存储能力可望获得极大的提高,更完善的人工智能便可成为现实。

红外线技术成功应用于夜视、导弹制导、环境污染监测、地球资源考察及遥感遥测技术等。

将数学中的傅立叶变换和通讯中的线性系统理论引入光学,形成了傅立叶光学。

高度时间和空间相干性的高强度激光的出现,为研究强光作用下非线性光学(属光子学范畴)的发展创造了条件。

光子可像电子一样与物质相互作用,成为探测物质内部微观信息的一种灵敏的探针。由于描述光波的参量,诸如振幅、相位、频率及偏振态等均会在光与物质相互作用的过程中发生变化,这种变化正是传递了物质中的诸多信息。

现代光学技术与信息光学技术、纳米技术和生命科学技术密切关联。

现代光学和其他学科和技术的结合,在人们的生产和生活中发挥这日益重大的作用和影响,正在成为人们认识自然、改造自然以及提高劳动生产率的越来越强有力的武器。

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