物理光学导论(第二版)

　　引言 　　物理光学是光学的重要内容，它从物理本质上对光学现象进行分析和理解。本书主要讲授经典物理光学内容，部分讲授近代物理光学内容。 　　物理光学研究光学现象的物理本质或物理原理。就本课程学习的内容而言，其基本理论在1880年前已经大体上形成了较完整体系。此后，由于量子力学的出现，光学经历了一场革命，尽管这场革命深深影响了人们对光的本性的理解，但早期的理论并没有失去作用。旧的原理和方法及其在诸多方面的应用一直不断扩展，而且还在继续扩展，势头不减。 　　光是人类生存与活动*重要的因素。在*基本的光合作用中，生命本身的产生与生成是因为有了太阳光的作用。在现代，光学与光子学技术的应用使人类社会和人们的生活发生了巨大变化，比如因特网、气象与天气监测、计算机芯片的制造等。 　　正是认识到光在人们生活的每个方面的重要性，联合国全体大会宣布2015年为“光和光基技术国际年”。通过光学年的纪念活动，使全世界人们认识到光的科学与技术对人类的重要性。国际年是联合国教育、科学及文化组织（联合国教科文组织）与多科学团体联合倡导的、针对某一学科进行的国际年活动，它将许多不同的科学学会、教育团体、技术平台、非营利组织，以及民间社团等组级和机构结合一起共同参与国际年活动。 　　很早以前，哲学家和科学家就思考光是什么这个问题。2000年前欧几里得(Euclid)的光学试图理解视觉几何。从哈增（哈增被认为是现代光学之父）到哥白尼、伽利略、牛顿、麦克斯韦、爱因斯坦、列文虎克、普朗克等，许多思想家和科学家把他们的毕生经历都贡献于对光本质的研究和利用上。正是他们的好奇心和创新性的思想，才有我们今天关于光的知识。 　　现在我们知道光是能量的一种形式，它可以表现为波，也可以表现为粒子（光子）。光在许多形式下包含整个电磁谱，从伽马射线、X射线到微波、无线电波。而仅仅非常小的一部分光人眼可以感觉到，而在技术和应用的更多重要的部分，人眼是看不到这些光的。在许多著作和文献中将人眼能感觉到的那部分光波定义为光(light)。在本书中我们将人眼看不到的电磁波也包含在光的内涵内。 　　光学（现代称为光子学）是关于光的科学和应用，从光子产生、控制并探测光到先进机器人、先进制造、医学成像、新一代显示器、国防科技、生物识别安全、图像处理、通信、航天等，都离不开光学与光子学。光子学构成现代互联网的支柱，光子学引导能源勘探，通过夜视技术、GPS、生理反馈技术保证军人在战场土的安全。光子学涉及和解决当今世界的诸多挑战，提高我们的生活质量，改善健康、安全状况，并推动经济发展、创造就业和提高全球竞争力。 　　光学作为一门科学，主要是从17世纪笛卡儿的光在以太中的直线传输思想、斯涅尔折射定律、费马的光传输*小时间原理开始，到光的干涉、衍射和散射理论，直到19世纪将这些思想和原理以麦克斯韦电磁场理论为基础完成光的经典理论基础的建立。1900年普朗克能量量子的提出成为量子理论和原子分子理解的开端。1960年激光的发明，使得当时由爱因斯坦、伍德等建立的有关光的各种看似不同基本原理，形成统一的理论并聚焦到了一起。本章主要叙述人们关于光的本性的认识发展过程中的几个主要里程碑。 　　0.1 17世纪前的光学 　　0.1.1 古希腊人对光的认识 　　在17世纪之前，人们对光学现象的描述只是只言片语的记载，还谈不上是科学。在埃及发现的希腊文稿中记载了许多光的幻觉现象。例如，太阳在地平线上比在近天顶时显得更大。 　　在希腊，阿里斯托芬在《云》（公元前424年）中描述了“用透明度极好的石头点火”的对话。书中描述，把这种石头放在阳光下，人们就能够“通过某一种距离熔化那全部刻写”在蜡面上的“稿本”。 　　柏拉图学派曾经讲授过关于光的直线性、入射角相反射角相等的知识。公元139年，天文学家托勒密(Ptolemy)测量了入射角和折射角，他发现入射角和折射角成比例。 　　古代制造过金属镜。在《圣经?出埃及记》中记载，“窥镜”——（铜锡合金）铜锡比例为38：8，在《圣经?约伯记》中记载为37：18。在古埃及人的木乃伊墓中已发掘出这种镜子。希腊人对球形和抛物面形的镜子进行过探讨，在欧几里得的著作《反射光学》(Catoptrics)中探讨了反射现象，发现了关于球面镜焦点的*早论述。书中讲到了凹镜对准太阳时也能点火。在一份可能是特拉耳斯的安塞缪斯写的稿本“博比安瑟殊篇”（Fragmentun Bobiense）中，论证了抛物面形反射镜的聚焦性质。传说当罗马人包围叙拉古(Syracusae)时，阿基米德用具有聚光能力的反射镜，反射太阳光使敌船起火，来保卫城池，但这个故事可能是虚构的。 　　希腊人探讨过关于视觉的理论，按照毕达哥拉斯(Pythagoras)等的说法，视觉是由所见的物体射出的微粒进入眼睛引起的。柏拉图、欧几里得主张眼睛发射说，认为眼睛本身发射出某种东西，一旦这些东西遇到物体发出的别的东西就产生视觉。 　　0.1.2 阿拉伯人对光学的贡献 　　阿拉伯民族的成长茌思想史中显得格外壮丽。散居的部落在宗教的熔炉中突然融合为强大的民族。大约在公元8世纪开始，阿拉伯人把希腊的古典书籍翻译成阿拉伯文，自然科学成为人们爱好的研究课题。一般来讲，他们在创造性研究方面并不突出。只有阿勒?哈增在光学方面有独特性的贡献。哈增曾身居要职，由于犯了错误，在哈里发(Kaliph)面前失宠，一直佯装精神错乱并寻找避难处。其后以复制稿本维持生活，写了关于天文学、数学和光学方面的书。 　　哈增对反射定律做了研究，并加上了“这两个角都在同一个平面”的法则。对球面镜和抛物面镜做了深入研究。重复托勒密的工作，测量了入射角和折射角，并证明托勒密入射角和折射角之比是常数的说法是错误的，但没有给出正确的折射定律。他认为当太阳和月亮靠近地平线时，其直径显著增大是一种幻觉，是由于它们的大小是以地面物体的较小的距离来做估计造成的。这种解释今天仍流行，但没有普遍接受。哈增是**个详细叙述和描绘人眼的物理学家。今天普遍使用的描述眼睛一些部位的名称起源于他的拉丁文著作，如“网膜”“角膜”“玻璃状液”“前房液”等术语。 　　0.1.3 中世纪的光学 　　13世纪欧洲人消化了阿拉伯人的光学知识，威特洛在哈增著作基础上，整理了一本精练而系统的光学著作。他把星星的闪烁解释为空氕的运动所致，并证明若通过运动着的水观察星星，则星星的闪烁更为强烈。他指出虹霓是由于反射和折射共同作用形成的。杰出的思想家罗吉尔?培根在他的书中提出一种设想的仪器的可能性，通过它眼睛“辨认出在相当远距离的*小的文字”。曾经存在一种说法，折射望远镜就是罗吉尔?培根发明的。 　　0.1.4 16世纪——文艺复兴的光学 　　文艺复兴时期光学的*大成就是发明了望远镜和显微镜。关于这两种神奇仪器的发明人，英、意、荷、德等国都努力寻找证据，争取有利于自己同胞的决定。直到目前也没有足够证据肯定谁是*先的发明者。 　　伽利略是**个把望远镜应用于天文观察和研究的人，用的望远镜也是他自己制造的。他改造望远镜，使之可以看到非常小又非常近的物体，即显微镜。开普勒的《折光学》（1611年）是*早尝试去阐明望远镜理论的著作，这需要有关折射定律的知识，他获得的近似经验表示，当以小角度i入射时，有i=nr，n是个常数，光线从空气射到玻璃时它等于1.5。这个值已准确到足以使他能够概括地建立关于望远镜的正确理论。 　　0.2 17世纪的光学 　　1．发现折射定律 　　斯涅尔在未公布的手稿中把折射定律叙述如下：在相同的介质里，入射角和折射角的余割之比总是保持相同的值。他用实验进行了验证。1637年笛卡儿在他的《屈光学》一书中，假设不同介质光速不同，从理论上推导了这个定律，给出了现代书本中看到的折射定律的表达形式，他认为光本质上是一种压力，在一种完全弹性、充满一切空间的介质[即以太(ether)]之中传播。 　　1657年，费马在证明笛卡儿的假设时，提出了著名的*小时间原理：“自然界的行为永远以路程*短为准则。”由这一原理，在假设不同介质中“阻力”不同的条件下，可得到折射定律。 　　2．光传播速度的发现 　　1675年，罗麦(0．Romer)通过对木星卫星蚀的观测，发现了光的速度为有限，并被布拉德雷通过测量天体的光行差所证明。 　　胡克(R.Hooke)1665年做出关于光的波动理论的粗略轮廓，他指出光是一种介质的快速振动，并以极大速度进行传播；他还进一步指出，发光体每一脉冲或振动将产生一球面波(every pulse or vibration of the luminous body will generate a sphere)。惠更斯(C．Huygens)提出了一个原理（惠更斯原理），用这一原理，他成功推导出反射定律和折射定律。他还说明巴托莱纳斯在1669年发观的冰洲石的双折射现象。在研究这些现象时，他还发现了光的基本现象——偏振。但当时认为光是纵波，不能理解光的偏振。 　　玻意耳(R.Boyle)和胡克各自独立发现了薄膜产生彩色的干涉现象（今天称为“牛顿环”）。1666年，牛顿发现用三棱镜可将白光分解成各种颜色，并且确定每一种纯颜色各由一个折射率来标志，颜色的基本性质才搞清楚。当时，牛顿提出了光是以微小粒子的形式从发光物体传播出来的，即微粒理论。由于当时的波动理论在光的直线传播和偏振方面无法解释，以及牛顿的权威，粒子学说占据主要地位，波动理论被摈弃，并停滞一个世纪。 　　0.3 19世纪的光学 　　直到19世纪初，人们获得一些决定性的发现，开始普遍接受波动理论。1801年，托马斯?杨(Thomas Young)迈出了**步，他提出了干涉原理并对薄膜彩色做出解释。由于杨的见解大部分是定性的表达，因此没有赢得普遍承认。 　　与此同时，马吕斯(E．I—Malus)发现了反射光的偏振。1808年的一天傍晚，他通过冰洲石晶体观察落日从窗户玻璃上的反射，发现当把晶体绕视线转动时，双折射产生的两个像的相对强度在改变。 　　而当时光的微粒学说拥护者[如拉普拉斯(P．S．Laplace)等]，提出如何解释光衍射，将其作为1818年巴黎科学院有奖征文的题目，期望对这个题目的论述使微粒说获得*后胜利。*后获奖者为以波动理论为其论述的作者——菲涅耳(A.T．Fresnel)。 　　菲涅耳的主要思想是将惠更斯包络面作图法同杨氏干涉原理相结合，不仅能解释光的直线传播，还能解释光线的微小偏离——衍射现象。特别是泊松(S．D．Poisson)从这一理论推出了在小圆盘阴影中心应该出现一个亮的斑点，阿拉果(D．F．Arago)对此进行了实验验证。 　　1818年，菲涅耳还研究了地球的运动对光波传播影响的重要问题，这就是来自星源的光和地球上的光究竟有什么不同。阿拉果从实验上确定，它们没有什么不同。菲涅耳根据这些发现，发展了他的以太波物质部分漂移理论。他还和阿拉果一起研究了偏振光的干涉，并在1816年发现偏振方向相互垂直的两条光线从不干涉。这个事实，与光被认为理所当然为纵波的假设无法调和。杨从阿拉果那里听到了这个发现，他于1817年找到了解决疑难的钥匙：假设振动是横向的。菲涅耳立即理解到这个假设的全部意义，他尝试给它设置一个比较牢固的动力学基础，他从这个假设得到了许多结论。菲涅耳于1821年首先指出了色散的起因，他认为这要考虑物质的分子结构。他还从以太振动机构的动力学模型，推导了反射光线、折射光线的强度和偏振服从的定律——菲涅耳公式。 　　随后的数十年，是弹性以太理论的发展时期，人们以牛顿力学为基础，把以太看作弹性固体，来讨论光的性质。许多大物理学家都对它有过员献，这个时期，许多光学问题得到了解决，但光学的基础还是不能令人满意。 　　几乎同时，电磁学的研究几乎独立于光学而发展着，法拉第(M.Faraday)的发现使它达到*高峰，麦克斯韦成功地