物理光学基础

绪论 　　光学既是物理学中一门古老的基础学科，又是当前科学领域中*活跃的前沿阵地之一，具有强大的生命力和不可估量的发展前景.它是研究光的产生、传播，以及光与物质相互作用的学科. 　　光学的起源可追溯到公元前，在我国《墨经》(公元前468—公元前376年)中记载了物体成影，光的反射，小孔成像，平面镜、凹面镜、凸面镜成像的实验结果，内容相当丰富.墨家认为影是由物体遮住了光而出现的，其大小与物体、光源、影屏三者之间的位置有关.并且指出，影是不会随着物体运动而移动的(“景不徙”，景，即影).当物体移动时，前影消失，后影产生.人们通常所看到的影的移动，其实只是前影不断消失，后影不断产生的连续过程.这是很科学的见解.《庄子 天下》也有“飞鸟之景，未尝动也”的见解.在西方很早就有光学知识的记载，欧几里得(Euclid，约公元前330—公元前275年)的《反射光学》(Cato声r/ca)研究了光的反射.阿拉伯学者阿尔哈增(Alhazen，965—1040年)写过一部《光学全书》，讨论了球面镜和抛物面镜，并详细描述了人眼的构造.阿玛蒂(Armati)发明了眼镜.波特(GB.D.Porta，1535—1615年)研究了暗箱成像，并在1589年的论文《自然的魔法》中讨论了复合面镜及凸透镜的组合. 　　光学真正作为一门科学加以研究则始于17世纪，斯涅耳(W.Snell，1580—1626年)于1621年从实验上发现折射定律，接着费马(P.Fermat，1601—1665年)在1662年首先指出光在介质中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，这两个定律奠定了几何光学.它以光的直线传播性质和折射、反射定律为基础，研究光在各种介质中传播的途径和成像的规律.它得出的结果通常总是波动光学在某些条件下的近似或极限.17世纪，望远镜和显微镜的应用又大大促进了几何光学的发展. 　　人们对光的认识始终贯穿着“光的本性是什么？”这一根本性问题.从17世纪开始关于光的本性就出现微粒学说和波动学说.牛顿(I.Newton，1643—1727年)在他的《光学》一书中认为光是一股微粒流，从光源飞出来，在真空或均匀介质内由于惯性而沿直线传播，光的反射、折射就是光粒子与物质作用所呈现的结果.微粒学说的反对者惠更斯(C.Huygens，1629—1695年)在他的《论光》一书中把光看成是在“以太”(ether)这种特殊介质中传播的波动，并提出了惠更斯原理，也解释了光的反射和折射.这一时期，还发现了一些与光的波动性有关的光学现象，例如，格里马尔迪(F.M.Grimaldi，1618—1663年)首先发现光遇障碍物时将偏离直线传播，他把此现象称为“衍射”.胡克(R.Hooke，1635—1703年)和玻意耳(R.Boyle，1627—1691年)各自独立观察到薄膜产生的彩色干涉现象.这些发现成为波动光学发展史的起点.然而，17世纪以后的一百多年间，由于牛顿的威信和当时对光认识的局限性，光的微粒学说一直占统治地位，而波动学说几乎销声匿迹. 　　直到进入19世纪后，光的波动学说才开始了它的英雄时期.1801年，英国的托马斯 杨(ThomasYoung，1773—1829年)首次用双缝演示了光的干涉现象，同时提出了干涉理论，圆满地解释了光的干涉现象.1818年，法国的菲涅耳(A.J.Fresnel，1788—1827年)向巴黎科学院竞赛委员会提交了一篇阐述光衍射现象的论文.并用事实证明了光射到一个不透明的圆板上，在这个圆板的中心应当有一个亮斑，即泊松斑.1873年，英国的麦克斯韦(J.C.Maxwell，1831—1879年)终于完成了他的鸿篇巨制《电磁学通论》，他把法拉第那种表面上似乎很神秘的见解化成人们所能接受的两组微分方程，即麦克斯韦方程组.方程简洁、对称、完美，不仅解决了当时已知的所有电磁学问题，概括了所有的电磁现象，而且他根据这两组微分方程预言了电磁波的存在，这种波应当按光速传播，而且具有光的一切物理性质.这就是说，光是电磁波的一种，波动说的所有高超的理论毫无例外地都包含在麦克斯韦方程组中.这些事实都为“光的波动学说”提供了重要的实验和理论依据.在这样的背景下，建立了波动光学，它是从光的波动性出发，研究光的干涉、衍射和偏振，以及光在各向异性的介质中传播时所表现出的现象.至此，光波动的所有细节经过几代人的努力被掲露得详细无遗，并完美地用庄严的数学形式表示出来. 　　科学没有永恒的理论.任何一个理论都有它的逐渐发展和成功的时期，经过这个时期以后，往往会受到新的实验事实的挑战，波动光学理论也不例外.从19世纪末到20世纪初，随着光学研究的触角向微观领域里的渗透，一个个使波动光学理论陷入困境的惊人发现接踵而来，例如，黑体辐射和光电效应等实验，用经典的波动光学理论已无法解释光与物质的相互作用，迫使人们跳出传统的物理学框架去寻找新的解决途径.1900年，普朗克(M.Planck，1858—1947年)提出了物质辐射或吸收的能量只能是某一*小能量单位(称为能量子)的整数倍的量子假说.在量子假说的启发下，1905年，爱因斯坦(A.Einstein，1879—1955年)在德国《物理学杂志》第十七期上同时发表了三篇惊世骇俗的文章，其中的一篇《关于光的产生和转化的一个启发性的观点》中提出了光的量子理论.人们对黑体辐射和光电效应等实验规律的研究，又证明了光的量子性.在量子理论基础上，深入到微观领域研究光与物质相互作用规律的分支学科称为量子光学. 　　这样，在20世纪初，一方面从光的干涉、衍射、偏振现象确证了光的波动性；而另一方面又从黑体辐射、光电效应、光压以及光的化学作用等无可怀疑地证明了光的量子性，即微粒性.至今，对光的本性得到的认识是，光是一种物质，既表现出波动性又具有微粒性，称为光的波粒二象性.人们对光的本性认识还缺乏一目了然的图像，在一些新发现面前还没有从惊奇中苏醒，例如，光子(y射线)在强电场作用下可转变成两个带相反电荷的粒子(即正电子和负电子).这一现象掲示了光子与实物粒子之间的深刻联系，同时也说明对光的本性的认识还远远没有结束. 　　尽管对光的本性的认识还没有得到令人满意的结果，但是光学本身的发展并没有停止.自20世纪60年代以来，特别是激光的问世，使得一度沉寂的古老的光学又焕发了青春，光学又开始了一个新的发展时期，派生出了与光学密切相关的成像光学、非线性光学、全息光学和光学信息处理等分支学科，称为现代光学. 　　如今，光学已成为现代物理学和现代科学技术前沿阵地的重要组成部分，无论在发展的速度上还是在发展的规模上都是史无前例的.可以预测，将来对光的本性的认识一定会有一个更完美的答案. 　　按照光学的发展顺序，通常把光学分成几何光学、波动光学、量子光学和现代光学，把它们统称为物理光学基础.期望读者通过对物理光学基础的学习，对光学的过去、现在和未来有一个粗浅的认识，并为以后光学专业的学习打下良好的基础. 　　1.1几何光学的基本定律 　　1.1.1光的直线传播 　　当光在传播方向上遇到物体时，能在物体背后形成十分清晰的影子，这一事实告诉我们：光在均匀介质中沿直线行进，称为光的直线传播定律.在几何光学中，以一条有箭头的几何线代表光的传播方向，称为光线. 　　说明光的直线传播的另一例子，是针孔照相机，如图1-1所示，在这个装置中，光通过一个小孔，使静止物体(如灯泡)成像在屏幕上.考察靠近灯泡顶部a点发出 　　的光线.在向各个方向发射的许多光线中，对着小孔传播出去的光线，射到成像屏幕上靠近底部的a点同样地，从靠近灯泡底部b点发出的光线，通过小孔后射向成像屏幕顶部的V点.这样就形成了整个灯泡的倒立像.如果把成像屏幕远离、、一小孔，成像出现按比例放大，反之，如果光学介质的折射率(用符号〃表示)定义：真空中的光速(用符号c表示)与在该种介质中的光速(用符号v表示)之比，即 　　(1-1) 　　通常把界面两边折射率较大的介质称为光密介质，折射率较小的介质称为光疏介质.由式(1-1)可以看出，光在光密介质中的速度比光疏介质中的速度小. 　　1.1.3光的反射和折射 　　当光线入射到两种不同介质的分界面上时，一部分反射回**介质，反射光的方向取决于分界面的情况，如果分界面光滑，则反射光束中的各条光线相互平行，沿同一方向反射回**介质，称为镜面反射，如图l-2(a)所示.如果分界面粗糙，则反射光束中的各条光线沿各种不同的方向反射回**介质，称为漫反射，如图1-2(b)所示.考察反射光时，把入射光线与分界面法线所构成的平面称为入射面.实验表明，反射光线总是位于入射面内，且与入射光线分居在法线的两侧，反射角z"等于入射角i，即 　　(1-2) 　　如图1-3所示，将两个平面镜垂直放置，一束光以^角入射，根据反射定律可知，入射光线经过两次反射后，反射光线将按原方向返回.如果用三个平面反射镜互成直角放置，组合成立体直角，则无论从何方向来的光都将按原路返回.由红色塑料制成的自行车尾灯，其外表是平面，在此塑料平面的背后(即朝着自行车前方的一面)上凸起许许多多整齐排列的直角锥棱镜，每个直角锥棱镜相当于立方体的一角，它是由三个互相垂直的平面镜构成.这种特殊的设计，使得在夜间骑车时，汽车灯光照在它上面时，无论入射方向如何，它都能把来自后方的光照沿原路返回.光强远大于漫反射光，像发光的红灯，足以使司机观察到，保证了行车安全. 　　当光线传播过程中遇到两种不同介质的分界面时，除了一部分被反射外，另一部分在进入第二介质时发生折射(使光线的路径偏折)，如图1-4所示.在考察折射光时，人们对光的折射现象分析和研究后总结出，入射角Z的正弦和折射角r的正弦之比为一个常数，即 　　(1-3) 　　同时，折射光线位于入射面内，且在法线的另一侧，这一规律称为光的折射定律. 　　式(1-3)中的常数恰好是第二种介质的折射率n与**种介质的折射率n之比，即 　　(1-4) 　　式中可写为，称为第二种介质对**种介质的相对折射率. 　　式(1-2)和式(1-4)中所用符号的对称性表明，如果反射光线或折射光线的方向反转，光线将循原路返回，这一规律称为光路可逆性原理. 　　由式(1-4)可知，当入射光线所在的介质折射率m大于折射光线所在的介质折射率n2时，折射角r将大于入射角i，如图1-5(a)所示，逐渐增大入射角i，并趋向于某一角度h时，折射角r将趋向于90°，此时的入射角ic称为临界角.当入射角大于临界角时，就会出现没有折射光而只有反射光的现象，这种现象称为全反射，如图1-5(b)所示.根据折射定律，可得发生全反射的临界角与周边介质的关系为 　　(1-5) 　　发展很快的光导纤维，就是利用全反射规律使光线沿着弯曲路径传播的光学元件.光导纤维是由透明的介质制成的导光管，其折射率比环境折射率大得多.当光从导光管的一端进入后，经历多次全反射，光将沿着导光管传播到另一端，因此可用于传递光信号，如图1-6所示.医学上利用柔软、不怕震的光导纤维制成各种内窥镜，对人体内部的器官(如胃、肠、支气管等)进行成像观察；通信领域中利用光导纤维制成的光缆进行信号传递.