波動光學-基礎介紹

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.惠更斯創立了光的波動說。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象。這一時期，人們還發現了一些與光的波動性有關的光學現象，例如F.M.格里馬爾迪首先發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的干涉現象。這些發現成為波動光學發展史的起點。17世紀以后的一百多年間，光的微粒說（見光的二象性）一直占統治地位，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.馬呂斯發現了反射時的偏振現象（見布儒斯特定律），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。把電磁理論應用于晶體，對光在晶體中的傳播規律給出了嚴格而圓滿的解釋。19世紀末，H.A.洛倫茲創立了電子論，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。