波動光學與幾何光學

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1、波動光學與幾何光學波動光學，以波動理論研究光的傳播及光與物質相互作用的光學分支。17世紀，R.胡克和C.惠更斯創(chuàng)立了光的波動說?；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象。波動光學是光學中非常重要的組成部分，內容包括光的干涉、光的衍射、光的偏振等，無論理論還是應用都在物理學中占有重要地位。F.M.格里馬爾迪首先發(fā)現光遇障礙物時將偏離直線傳播，他把此現象起名為“衍射”。胡克和R.玻意耳分別觀察到現稱之為牛頓環(huán)的干涉現象。這些發(fā)現成為波動光學發(fā)展史的起點。17世紀以后的一百多年間，光的微粒說（見光的二象性）一

2、直占統(tǒng)治地位，波動說則不為多數人所接受，直到進入19世紀后，光的波動理論才得到迅速發(fā)展。1800年，T.楊提出了反對微粒說的幾條論據，首次提出干涉這一術語，并分析了水波和聲波疊加后產生的干涉現象。楊于1801年最先用雙縫演示了光的干涉現象（見楊氏實驗），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的顏色。1809年E.L.馬呂斯發(fā)現了反射時的偏振現象，隨后A.-J.菲涅耳和D.F.J.阿拉戈利用楊氏實驗裝置完成了線偏振光的疊加實驗，楊和菲涅耳借助于光為橫波的假設成功地解釋了這個實驗。1815年，菲

3、涅耳建立了惠更斯-菲涅耳原理，他用此原理計算了各種類型的孔和直邊的衍射圖樣，令人信服地解釋了衍射現象。1818年關于阿拉戈斑（見菲涅耳衍射）的爭論更加強了菲涅耳衍射理論的地位。至此，用光的波動理論解釋光的干涉、衍射和偏振等現象時均獲得了巨大成功，從而牢固地確立了波動理論的地位。19世紀60年代，J.C.麥克斯韋建立了統(tǒng)一電磁場理論，預言了電磁波的存在并給出了電磁波的波速公式。隨后H.R.赫茲用實驗方法產生了電磁波。光與電磁現象的一致性使人們確信光是電磁波的一種，光的古典波動理論與電磁理論融成了一體，產生了光的電磁理論。把電磁理論應用于

4、晶體，對光在晶體中的傳播規(guī)律給出了嚴格而圓滿的解釋。19世紀末，H.A.洛倫茲創(chuàng)立了電子論，他把物質的宏觀性質歸結為構成物質的電子的集體行為，電磁波的作用使帶電粒子產生受迫振動并產生次級電磁波，根據這一模型解釋了光的吸收、色散和散射等分子光學現象。這種經典的電磁理論并非十全十美，因在關于光與物質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。??波動光學的研究成果使人們對光的本性的認識得到了深化。在應用領域，以干涉原理為基礎的干涉計量術為人們提供了精密測量和檢驗的手段（見干涉儀），其精度提高到前所未有的程度；衍射

5、理論指出了提高光學儀器分辨本領的途徑（見夫瑯和費衍射）；衍射光柵已成為分離光譜線以進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礦晶體進行檢驗和測量，等等。所有這些構成了應用光學的主要內容。20世紀50年代開始，特別在激光器問世后，波動光學又派生出傅里葉光學、纖維光學和非線性光學等新分支，大大地擴展了波動光學的研究和應用范圍。光的衍射是光的波動性的重要標志之一，光在傳播過程中所呈現的衍射現象，進一步揭示了光的波動本性。同時衍射也是討論現代光學問題的基礎。波在傳播中表現出衍射現象，既不沿直線傳播而向各方向繞射的現象。窗戶內外的人

6、，雖然彼此不相見，都能聽到對方的說話聲，這說明聲波（機械波）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)也能接受到電臺的廣播。這些現象表明，當波遇到障礙物時，它將偏離直線傳播，這種現象叫做波的衍射幾何光學是光學學科中以光線為基礎，研究光的傳播和成像規(guī)律的一個重要的實用性分支學科。在幾何光學中，把組成物體的物點看作是幾何點，把它所發(fā)出的光束看作是無數幾何光線的集合，光線的方向代表光能的傳播方向。在此假設下，根據光線的傳播規(guī)律，在研究物體被透鏡或其他光學元件成像的過程，以及設計光學儀器的光學系統(tǒng)等方面

7、都顯得十分方便和實用。幾何光學以光的直線傳播為基礎，用光線、波面的概念和幾何方法來近似描述光的傳播行為；利用費馬原理和新笛卡爾符號法則，研究光在平面、球面介面上的成像規(guī)律。本世紀后半葉發(fā)展起來的幾何光學當代理論，經歷了經典光線力學與量子光線力學兩大階段。經典光線力學是從初期的舊幾何光學與牛頓力學相似性研究中脫穎出來的。19世紀末到20世紀初，牛頓力學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的波動力學逐漸趨于成熟，經典物理學已形成一套完整的理論體系，當時的絕大部分物理學家深信，物理學中的各種基本問題在原則上已都得到

8、圓滿的解決，此時，確實如薛定諤在諾貝爾獎演講中所說，發(fā)展得最早的費馬原理、莫培丟最小作用原理以及其后的哈密頓原理與費馬原理之間的相似性，在相當長的時間里被人們所遺忘。70年代以來，隨著纖維光學的發(fā)展，處理介質中光的傳輸與