光的波动理论

光的波动理论与相关应用光的波动理论与相关应用 班级 班级 土木 0903 组员 组员 康 磊 张晨军 王立鹏 侯金宏 许巨波 引言 光在我们生活中随处可见 然而光是什么 波 还是粒子 这个问题的争论由 来已久 关于光的本性的概念等问题却经历了漫长且坎坷的道路 从牛顿的微粒说到波粒 二象性是很多年里很多人共同努力的结果 摘要 随着光技术的快速发展 光学在各个领域的应用越来越广泛 本文将谈谈光的 波动理论与应用 关键字 光 波动理论 光的干涉 光的衍射 光学的研究内容非常广泛 包括光的发射 传播和接收的规律 光和其他物质的相互 作用 如光的吸收 色散 光的热 电 化学效应等 光的本性问题以及光在生产和社会 生活中的应用 光学既是物理学中的古老学科 又是当前科学领域中最活跃的科学之一 他的发展前途将是不可估量的 本文仅仅从光的波动理论入手进行分析 一 光波动理论的发展一 光波动理论的发展 早先关于光的本性的概念 是以光的直线传播为基础的 但从 17 世纪开始 就发现 了光的直线传播在某些情况下是不完全符合事实的 意大利人格里马第 F M Grimaldi 1618 1663 首先发现了光的衍射现象 他发现在点光源的情况下 一根直 竿的影子要比假设光沿直线传播所应出现的宽度稍大些 也就是说光是不严格沿直线传播 的 而会绕过障碍物前进 随后在 1672 1675 年间 胡克 R Hooke 1635 1703 也观察到光的衍射现象 并且和波意尔 R Boyle 1627 1692 独立地研究了薄膜产生 的彩色干涉条纹 这就是光的波动理论的萌芽 1704 年 牛顿在出版的额 光学 一书中 根据光的直线传播性质 提出了光的微粒流理论 他用这一理论解释了光的反射和折射定 律 但却在解释牛顿环遇到了问题 同时这也无法解释光绕过障碍物发生的衍射现象 在此同时 惠更斯却反对光的微粒说 1678 年 他在 论光 中从光和声的某些相似 现象出发 运用他的波动理论中的次波原理 成功地解释了光的反射和折射 但他却没有 指出光现象的周期性 没有提到波长的概念 没有考虑到他们是由波动按一定的相位叠加 造成的 所以无法解释光的干涉和衍射等有关光的波动本性的现象 但为波动理论的提出 打下了基础 随着相继发现的光的干涉 衍射和偏振等光的波动现象 以惠更斯为代表的 光的波理论被初步提出 这对后来对光学的研究带来了深远的影响 随后在 18 世纪 瑞士 的欧拉 L Euler 1707 1783 和法国的伯努利 D Bernoulli 1700 1782 把光的 波动理论进一步发展 到 19 世纪 初步发展的波动理论光学体系已经形成 杨氏 T Young 1700 1829 和菲涅尔 A J Fresnel 1788 1827 的著作在这时起着决定性的作用 1801 年 杨氏最先用干涉原理圆满的解释了白光照射下薄膜的颜色的又来并做了著名的 杨氏双缝 干涉实验 其原理是将来自同一光源发出的光波波阵面分割出极小的两部分 根据惠更斯 原理 这两个新的点光源 他们发出的球面波能够满足相干条件 在其球面波交叠区域会 产生干涉 在观察屏上可以看到稳定的干涉条纹 在 1815 年 菲涅尔用杨氏干涉原理补充 了惠更斯原理 并形成了惠更斯 菲涅尔原理 其内容是 波阵面上的各子波源所发出的子 波之间能够产生干涉叠加 而在空间任一点的光振动是该波阵面上所有子波源发出的子波 在该点的相干叠加 二 光的波动特性二 光的波动特性 光的干涉 衍射光的干涉 衍射 1 光的干涉是指两个或多个光把在空间相遇时 在叠加区域形成稳定的强度或明暗分布 的现象 光的干涉通常分为分波前干涉和分振幅干涉 分波前干涉主要有杨氏双缝干 涉 菲涅尔双面镜干涉等 分波面干涉示意简图 分振幅干涉示意见图 P S 他们有着共同的特点 一是形成非定域干涉条纹 二是有限制光束的狭缝或小孔 分 振幅法主要有等倾干涉和等厚干涉 他们的共同特点是 一是可形成定域或非定域的干涉 条纹 二是可以使用扩展光源 从而获得清晰的干涉条纹 欲使两列相遇时发生干涉现象 他们必须是两列相干波 其条件是 他们的频率相同 震动方向相同 在相遇点的相位差 恒定 2 光的衍射是指光波在遇到障碍物是 会绕开障碍物到后面去的现象 光的衍射理论主 要有惠更斯 菲涅尔理论和基尔霍夫理论 惠更斯 菲涅尔理论简图 与惠更斯 菲涅尔原理不同的是 基尔霍夫理论认为 封闭曲面内的任一点的光振动都 可以用曲面上的场及其导数表示 光的衍射通常分为菲涅尔衍射和夫琅禾费衍射 菲涅尔 衍射是光源和观察屏距离衍射屏都为有限距离的衍射 夫琅禾费衍射是光源和观察屏距离 衍射屏都相当于无限远的衍射 因此夫琅禾费衍射一般利用平面波入射 并在透镜的焦平 面上形成衍射图样 这使得夫琅禾费衍射育秧在条纹的强度和清晰度等方面都强于菲涅尔 P S 分波面法 S1 S2 o 薄膜 衍射图样 这也使夫琅禾费衍射在物质光谱分析和研究中有着更加广泛的应用 三 具体现象与相关应用三 具体现象与相关应用 由于干涉图样与入射光的波长 入射角度 空气隙的厚度 介质的浓度等因素有关 因此 在实际中 根据干涉图样的变化 可以测量入射光波的波长 可以检测光学元件的 平面度 平行度 透镜的曲率半径 光学元件的表面形状 测量薄片厚度和细丝直径 测 量物体的伸缩 振动和移动变化 例如用劈尖干涉观察移动条纹个数测量微小位移 通过 劈尖干涉条纹是否平行检查平面是否平整 通过观察明条纹的数量测量薄片的厚度等 可 以测量介质的浓度和密度变化 还可以研究物质的组成成分等根据光的干涉原理 还可以 制成相关光学原件 如增透膜 该膜减少了表面反射所造成的光能损失 因此增加了透射 光的能量 所以称为增透膜 我们看到照相机镜头上的紫红色后淡蓝色反光 就是上面涂 有增透膜的缘故 再如高反膜 涂增反膜的目的是为了增强对某一光区内的反射能量 同 时使透射光减弱 登山与动员和滑雪者戴的镜片上就常镀有增反膜 还可以利用光的干涉 原理 还可以进行全息照相等 全息照片和普通照片截然不同 用肉眼去看 全息照片上 只有些乱七八糟的条纹 可是若用一束激光去照射该照片 眼前就会出现逼真的立体景物 更奇妙的是 从不同的角度去观察 就可以看到原来物体的不同侧面 而且 如果不小心 把全息照片弄碎了 那也没有关系 随意拿起其中的一小块碎片 用同样的方法观察 原 来的被摄物体仍然能完整无缺地显示出来 全息照相的原理是利用光的干涉原理 利用两 束光的干涉来记录被摄物体的信息 由于衍射图样与入射光的波长 入射角度 衍射孔径的形状和尺寸等因素有关 因此 在实际当中 根据衍射图样的变化 可以测量入射光波的波长 还可以判断衍射孔径的形 状 还可以测量衍射孔径的尺寸 根据光的衍射原理 还可以制成分光仪器 如光栅光谱 仪 单色仪都是根据光的衍射原理制成的 光学即是一门古老的学科 也是现代科技发展的前沿科学 光学的发展将会给人类社 会带来不