波動(dòng)光學(xué)-基礎(chǔ)介紹

波動(dòng)光學(xué)

以波動(dòng)理論研究光的傳播及光與物質(zhì)相互作用的光學(xué)分支。17世紀(jì)，R.胡克和C.惠更斯創(chuàng)立了光的波動(dòng)說(shuō)。惠更斯曾利用波前概念正確解釋了光的反射定律、折射定律和晶體中的雙折射現(xiàn)象。這一時(shí)期，人們還發(fā)現(xiàn)了一些與光的波動(dòng)性有關(guān)的光學(xué)現(xiàn)象，例如F.M.格里馬爾迪首先發(fā)現(xiàn)光遇障礙物時(shí)將偏離直線傳播，他把此現(xiàn)象起名為“衍射”。胡克和R.玻意耳分別觀察到現(xiàn)稱(chēng)之為牛頓環(huán)的干涉現(xiàn)象。這些發(fā)現(xiàn)成為波動(dòng)光學(xué)發(fā)展史的起點(diǎn)。17世紀(jì)以后的一百多年間，光的微粒說(shuō)（見(jiàn)光的二象性）一直占統(tǒng)治地位，波動(dòng)說(shuō)則不為多數(shù)人所接受，直到進(jìn)入19世紀(jì)后，光的波動(dòng)理論才得到迅速發(fā)展。

1800年，T.楊提出了反對(duì)微粒說(shuō)的幾條論據(jù)，首次提出干涉這一術(shù)語(yǔ)，并分析了水波和聲波疊加后產(chǎn)生的干涉現(xiàn)象。楊于1801年最先用雙縫演示了光的干涉現(xiàn)象（見(jiàn)楊氏實(shí)驗(yàn)），第一次提出波長(zhǎng)概念，并成功地測(cè)量了光波波長(zhǎng)。他還用干涉原理解釋了白光照射下薄膜呈現(xiàn)的顏色。1809年E.L.馬呂斯發(fā)現(xiàn)了反射時(shí)的偏振現(xiàn)象（見(jiàn)布儒斯特定律），隨后A.-J.菲涅耳和D.F.J.阿拉戈利用楊氏實(shí)驗(yàn)裝置完成了線偏振光的疊加實(shí)驗(yàn)，楊和菲涅耳借助于光為橫波的假設(shè)成功地解釋了這個(gè)實(shí)驗(yàn)。1815年，菲涅耳建立了惠更斯-菲涅耳原理，他用此原理計(jì)算了各種類(lèi)型的孔和直邊的衍射圖樣，令人信服地解釋了衍射現(xiàn)象。1818年關(guān)于阿拉戈斑（見(jiàn)菲涅耳衍射）的爭(zhēng)論更加強(qiáng)了菲涅耳衍射理論的地位。至此，用光的波動(dòng)理論解釋光的干涉、衍射和偏振等現(xiàn)象時(shí)均獲得了巨大成功，從而牢固地確立了波動(dòng)理論的地位。

19世紀(jì)60年代，J.C.麥克斯韋建立了統(tǒng)一電磁場(chǎng)理論，預(yù)言了電磁波的存在并給出了電磁波的波速公式。隨后H.R.赫茲用實(shí)驗(yàn)方法產(chǎn)生了電磁波。光與電磁現(xiàn)象的一致性使人們確信光是電磁波的一種，光的古典波動(dòng)理論與電磁理論融成了一體，產(chǎn)生了光的電磁理論。把電磁理論應(yīng)用于晶體，對(duì)光在晶體中的傳播規(guī)律給出了嚴(yán)格而圓滿的解釋。19世紀(jì)末，H.A.洛倫茲創(chuàng)立了電子論，他把物質(zhì)的宏觀性質(zhì)歸結(jié)為構(gòu)成物質(zhì)的電子的集體行為，電磁波的作用使帶電粒子產(chǎn)生受迫振動(dòng)并產(chǎn)生次級(jí)電磁波，根據(jù)這一模型解釋了光的吸收、色散和散射等分子光學(xué)現(xiàn)象。這種經(jīng)典的電磁理論并非十全十美，因在關(guān)于光與物質(zhì)相互作用的問(wèn)題上涉及微觀粒子的行為，必須用量子理論才能得到徹底的解決。

波動(dòng)光學(xué)的研究成果使人們對(duì)光的本性的認(rèn)識(shí)得到了深化。在應(yīng)用領(lǐng)域，以干涉原理為基礎(chǔ)的干涉計(jì)量術(shù)為人們提供了精密測(cè)量和檢驗(yàn)的手段（見(jiàn)干涉儀），其精度提高到前所未有的程度；衍射理論指出了提高光學(xué)儀器分辨本領(lǐng)的途徑（見(jiàn)夫瑯和費(fèi)衍射）；衍射光柵已成為分離光譜線以進(jìn)行光譜分析的重要色散元件；各種偏振器件和儀器用來(lái)對(duì)巖礦晶體進(jìn)行檢驗(yàn)和測(cè)量，等等。所有這些構(gòu)成了應(yīng)用光學(xué)的主要內(nèi)容。

20世紀(jì)50年代開(kāi)始，特別在激光器問(wèn)世后，波動(dòng)光學(xué)又派生出傅里葉光學(xué)、纖維光學(xué)和非線性光學(xué)等新分支，大大地?cái)U(kuò)展了波動(dòng)光學(xué)的研究和應(yīng)用范圍。