波動(dòng)光學(xué)與幾何光學(xué)

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1、波動(dòng)光學(xué)與幾何光學(xué)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?；莞乖貌ㄇ案拍钫_解釋了光的反射定律、折射定律和晶體中的雙折射現(xiàn)象。波動(dòng)光學(xué)是光學(xué)中非常重要的組成部分，內(nèi)容包括光的干涉、光的衍射、光的偏振等，無論理論還是應(yīng)用都在物理學(xué)中占有重要地位。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（見光的二象性）一直占統(tǒng)治地位，波動(dòng)說則不為多數(shù)人所

2、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.楊提出了反對微粒說的幾條論據(jù)，首次提出干涉這一術(shù)語，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（見楊氏實(shí)驗(yàn)），第一次提出波長概念，并成功地測量了光波波長。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，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)算了各種類型的孔和直邊的衍

3、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（見菲涅耳衍射）的爭論更加強(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

4、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量和檢驗(yàn)的手段（見干涉儀），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對巖

5、礦晶體進(jìn)行檢驗(yàn)和測量，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年代開始，特別在激光器問世后，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。光的衍射是光的波動(dòng)性的重要標(biāo)志之一，光在傳播過程中所呈現(xiàn)的衍射現(xiàn)象，進(jìn)一步揭示了光的波動(dòng)本性。同時(shí)衍射也是討論現(xiàn)代光學(xué)問題的基礎(chǔ)。波在傳播中表現(xiàn)出衍射現(xiàn)象，既不沿直線傳播而向各方向繞射的現(xiàn)象。窗戶內(nèi)外的人，雖然彼此不相見，都能聽到對方的說話聲，這說明聲波（機(jī)械波）能饒過窗戶邊緣傳播。水波也能繞過水面上的障礙物傳播。無線電波能繞過山的障礙，使山區(qū)也能接受到電臺(tái)的廣播。這些現(xiàn)

6、象表明，當(dāng)波遇到障礙物時(shí)，它將偏離直線傳播，這種現(xiàn)象叫做波的衍射幾何光學(xué)是光學(xué)學(xué)科中以光線為基礎(chǔ)，研究光的傳播和成像規(guī)律的一個(gè)重要的實(shí)用性分支學(xué)科。在幾何光學(xué)中，把組成物體的物點(diǎn)看作是幾何點(diǎn)，把它所發(fā)出的光束看作是無數(shù)幾何光線的集合，光線的方向代表光能的傳播方向。在此假設(shè)下，根據(jù)光線的傳播規(guī)律，在研究物體被透鏡或其他光學(xué)元件成像的過程，以及設(shè)計(jì)光學(xué)儀器的光學(xué)系統(tǒng)等方面都顯得十分方便和實(shí)用。幾何光學(xué)以光的直線傳播為基礎(chǔ)，用光線、波面的概念和幾何方法來近似描述光的傳播行為；利用費(fèi)馬原理和新笛卡爾符號(hào)法則，研究光在平面、球面介面上的成像規(guī)律。本世紀(jì)后半葉發(fā)展起來的幾何光學(xué)當(dāng)

7、代理論，經(jīng)歷了經(jīng)典光線力學(xué)與量子光線力學(xué)兩大階段。經(jīng)典光線力學(xué)是從初期的舊幾何光學(xué)與牛頓力學(xué)相似性研究中脫穎出來的。19世紀(jì)末到20世紀(jì)初，牛頓力學(xué)與麥克斯韋的電磁理論都發(fā)展到日臻完善，以麥克斯韋電磁理論為基礎(chǔ)的波動(dòng)力學(xué)逐漸趨于成熟，經(jīng)典物理學(xué)已形成一套完整的理論體系，當(dāng)時(shí)的絕大部分物理學(xué)家深信，物理學(xué)中的各種基本問題在原則上已都得到圓滿的解決，此時(shí)，確實(shí)如薛定諤在諾貝爾獎(jiǎng)演講中所說，發(fā)展得最早的費(fèi)馬原理、莫培丟最小作用原理以及其后的哈密頓原理與費(fèi)馬原理之間的相似性，在相當(dāng)長的時(shí)間里被人們所遺忘。70年代以來，隨著纖維光學(xué)的發(fā)展，處理介質(zhì)中光的傳輸與