波動光學(xué)與幾何光學(xué)

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1、波動光學(xué)與幾何光學(xué)波動光學(xué)，以波動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)成為波動光學(xué)發(fā)展史的起點。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(xiàn)的顏色。1809年E.L.馬呂斯發(fā)現(xiàn)了反射時的偏振現(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(shè)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

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(xiàn)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(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.赫茲用實驗方法產(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)生受迫振動并產(chǎn)生次級電磁波，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。??波動光學(xué)的研究成果使人們對光的本性的認(rèn)識得到了深化。在應(yīng)用領(lǐng)域，以干涉原理為基礎(chǔ)的干涉計量術(shù)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(xué)儀器分辨本領(lǐng)的途徑（見夫瑯和費衍射）；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，大大地擴展了波動光學(xué)的研究和應(yīng)用范圍。光的衍射是光的波動性的重要標(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本性。同時衍射也是討論現(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(xiàn)

6、象表明，當(dāng)波遇到障礙物時，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)律的一個重要的實用性分支學(xué)科。在幾何光學(xué)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(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)計光學(xué)儀器的光學(xué)系統(tǒng)等方面都顯得十分方便和實用。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(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，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(dāng)長的時間里被人們所遺忘。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