淺談光學(xué)理論發(fā)展

南祎楠河南省平頂山市魯山縣第一高級(jí)中學(xué)

淺談光學(xué)理論發(fā)展

南祎楠
河南省平頂山市魯山縣第一高級(jí)中學(xué)

光學(xué)理論迅速發(fā)展對(duì)社會(huì)的發(fā)展和科技的進(jìn)步起到了巨大的推動(dòng)作用。本文首先分析了光學(xué)理論的各個(gè)分支，在此基礎(chǔ)上對(duì)光學(xué)理論中的幾何光學(xué)、波動(dòng)光學(xué)、量子光學(xué)的特點(diǎn)和聯(lián)系進(jìn)行了討論，并進(jìn)行總結(jié)。

幾何光學(xué)；波動(dòng)光學(xué)；量子光學(xué)；聯(lián)系

1 、引言

光學(xué)是近代物理的基礎(chǔ)，也是物理學(xué)的重要組成成分。光學(xué)理論的發(fā)展歷經(jīng)幾個(gè)世紀(jì)：在春秋戰(zhàn)國(guó)時(shí)期就有了對(duì)幾何光學(xué)的研究，16世紀(jì)到17世紀(jì)形成了一定的理論體系，這個(gè)時(shí)期人們認(rèn)為光是經(jīng)直線傳播的一種物質(zhì)；波動(dòng)光學(xué)學(xué)說最早由惠更斯等人創(chuàng)立，波動(dòng)光學(xué)認(rèn)為光是一種電磁波，從17世紀(jì)開始研究，19世紀(jì)末由麥克斯韋將其發(fā)展成為完整的理論。對(duì)于量子光學(xué)的研究是從19世紀(jì)末開始的，于20世紀(jì)初其形成了一套完整的理論。量子光學(xué)認(rèn)為光的本質(zhì)是一份份的能量子。以上即為光學(xué)理論的三大分支的發(fā)展歷程。本文旨在對(duì)幾何光學(xué)、波動(dòng)光學(xué)和量子光學(xué)三個(gè)光學(xué)分支各自的特征和他們之間的關(guān)系進(jìn)行深入分析。

2 、光學(xué)理論的發(fā)展

2.1 光學(xué)理論的分支

2.1.1 幾何光學(xué)

幾何光學(xué)的是基于光沿直線傳播并互相獨(dú)立傳播的傳播原則，光的反射和折射定律，以及對(duì)光線的定義而產(chǎn)生的光學(xué)理論。由于幾何光學(xué)的理論不是針對(duì)光的本性的討論,僅是依據(jù)光的直線傳播這一定律，運(yùn)用幾何理論和幾何作圖為工具來分析光的傳播現(xiàn)象。費(fèi)馬原理是幾何光學(xué)中關(guān)于光線傳播現(xiàn)象研究中最基本的方法，可以通過它直接推導(dǎo)出幾何光學(xué)的三大實(shí)驗(yàn)定律。幾何光學(xué)在我們的生活以及科學(xué)研究方面都有重要的應(yīng)用，它是設(shè)計(jì)光學(xué)器械的基礎(chǔ)定律，同時(shí)，可以通過它較準(zhǔn)確便捷地處理成像問題。

2.1.2 波動(dòng)光學(xué)

波動(dòng)光學(xué)是基于對(duì)光的電磁波解釋，以及光的波長(zhǎng)、相位等電磁波概念，來分析光在介質(zhì)中的不同傳播現(xiàn)象以及各種現(xiàn)象表現(xiàn)出的電磁特征，以及這些光學(xué)規(guī)律在實(shí)際中的應(yīng)用。波動(dòng)光學(xué)理論分析基于將光作為小波長(zhǎng)的電磁波而產(chǎn)生的光學(xué)理論，用到的數(shù)學(xué)方法是簡(jiǎn)諧振動(dòng)的正弦、余弦規(guī)律。對(duì)波動(dòng)光學(xué)理論的研究已經(jīng)非常成熟了，能夠用波動(dòng)光學(xué)的基本觀點(diǎn)和規(guī)律來準(zhǔn)確地解釋很多光學(xué)現(xiàn)象，因此，波動(dòng)光學(xué)的發(fā)展對(duì)人們對(duì)光的本性的深入研究有巨大的現(xiàn)實(shí)意義。

2.1.3 量子光學(xué)

量子光學(xué)則是基于光子流理論，能量子假說以及愛因斯坦的光子理論而產(chǎn)生的光學(xué)理論。量子光學(xué)理論分析對(duì)象包括對(duì)光場(chǎng)的量子統(tǒng)計(jì)特性、光和物質(zhì)之間發(fā)生相互作用時(shí)的量子特性，以及各種光場(chǎng)的相干統(tǒng)計(jì)特性,物質(zhì)和真空?qǐng)龅南嗷プ饔玫取Ａ孔庸鈱W(xué)中所用的基本原則是將光看作一份份能量子，并將光學(xué)現(xiàn)象采用波函數(shù)進(jìn)行描述。量子光學(xué)逐漸發(fā)展為現(xiàn)代光學(xué)、激光理論以及激光技術(shù)的基本觀點(diǎn)，因此量子光學(xué)理論也被大量應(yīng)用在激光領(lǐng)域。

2.2 各個(gè)光學(xué)理論分支間的聯(lián)系

2.2.1 幾何光學(xué)與波動(dòng)光學(xué)

電磁波在傳播過程中往往會(huì)出現(xiàn)衍射現(xiàn)象，就是波向各個(gè)方向繞射的現(xiàn)象而非直線傳播，但通常情況下光的傳播又是以直線形式進(jìn)行的，這個(gè)自相矛盾的光學(xué)現(xiàn)象能夠利用光的衍射實(shí)驗(yàn)來解釋。下面看看光的衍射實(shí)驗(yàn)：

當(dāng)光通過的小孔的半徑大于某定值時(shí),孔另一側(cè)的屏上會(huì)出現(xiàn)一個(gè)均勻的光斑，同時(shí)光斑是圓孔的幾何投影，此時(shí)光的傳播能夠用光的直線傳播定律來解釋。當(dāng)小孔的半徑減小到一定程度時(shí)，屏上的光斑會(huì)伴隨孔的半徑的減小而漸漸擴(kuò)散、彌漫最后光斑的強(qiáng)度分布會(huì)變?yōu)椴痪鶆虻臓顟B(tài)，此時(shí)屏上出現(xiàn)明暗相間的圓環(huán)，同時(shí)圓環(huán)中心明暗交替，這被稱作光的衍射。通常光的衍射現(xiàn)象是否發(fā)生由小孔半徑同光波波長(zhǎng)的比值決定。所以從理論上看，光的直線傳播是在光波的波長(zhǎng)小于障礙物或孔半徑尺寸時(shí)衍射現(xiàn)象的近似，因此可以將幾何光學(xué)看作是光波波長(zhǎng)趨于零時(shí)波動(dòng)光學(xué)的近似。兩者之間可以在特定條件下進(jìn)行轉(zhuǎn)化。

2.2.2 波動(dòng)光學(xué)與量子光學(xué)

愛因斯坦的光子理論認(rèn)為光子具有波粒二象性。光的二象性在科學(xué)研究中也有廣泛的應(yīng)用，能量和動(dòng)量描述粒子特性的標(biāo)志性物理量，而頻率和波長(zhǎng)是描述波動(dòng)特性的標(biāo)志性物理量，光的波動(dòng)性和粒子性通過普朗克常數(shù)h建立了定量聯(lián)系。波長(zhǎng)較長(zhǎng)和頻率較低的光子，其能量和動(dòng)量小，那么他的波動(dòng)特性就會(huì)更明顯；而波長(zhǎng)較短和頻率較高的光子，其能量和動(dòng)量大，那么他將表現(xiàn)出更多的粒子特性。

光的波粒二象性由普朗克常數(shù)聯(lián)系在一起，因此可以認(rèn)為波動(dòng)光學(xué)和量子光學(xué)也由普朗克常數(shù)聯(lián)系起來。光的波粒二象性能夠通過統(tǒng)計(jì)方法聯(lián)系起來，大量光子同時(shí)通過和每個(gè)光子單獨(dú)通過間的區(qū)別只在于前者是對(duì)空間的統(tǒng)計(jì)平均，而后者是對(duì)時(shí)間的統(tǒng)計(jì)平均。統(tǒng)計(jì)的觀點(diǎn)統(tǒng)一了光的粒子特性和波動(dòng)特性，將微觀概念上的波動(dòng)性和宏觀概念上的粒子性結(jié)合到了一起。

2.2.3 量子光學(xué)與幾何光學(xué)

由量子光學(xué)理論中的基本定律也可以推導(dǎo)出幾何光學(xué)的反射、折射定律，在深入研究發(fā)現(xiàn)采用量子理論，還能夠推導(dǎo)出幾何光學(xué)的另外兩大傳播規(guī)律，這能夠說明量子光學(xué)和幾何光學(xué)之間存在緊密的關(guān)系。這是因?yàn)閹缀喂鈱W(xué)是波動(dòng)光學(xué)在光波波長(zhǎng)無限接近零時(shí)的近似，同時(shí)波動(dòng)光學(xué)是量子光學(xué)的統(tǒng)計(jì)結(jié)果，因此幾何光學(xué)能夠看成量子光學(xué)在統(tǒng)計(jì)上的近似。光學(xué)中對(duì)波長(zhǎng)趨于零的光子運(yùn)動(dòng)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)解釋就可將量子光學(xué)問題轉(zhuǎn)化為幾何光學(xué)的范疇進(jìn)行研究。

3 、總結(jié)

綜上所述，光學(xué)的三個(gè)分支理論都有自己的特點(diǎn)，它們之間雖有明顯區(qū)別，但也緊密地聯(lián)系在一起。在特定條件下，三個(gè)光學(xué)分支的基本定律在本質(zhì)上是相同的，三個(gè)光學(xué)分支的基本光學(xué)定律之間還能夠相互轉(zhuǎn)化。各種光學(xué)基本規(guī)律之間的轉(zhuǎn)換使幾何光學(xué)、波動(dòng)光學(xué)和量子光學(xué)理論間的關(guān)系更密切。這種聯(lián)系也能讓人們更加清楚地認(rèn)識(shí)光學(xué)，對(duì)推動(dòng)光學(xué)理論的進(jìn)一步發(fā)展起到巨大作用。

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