天津大学工程光学课程论文Word格式.docx

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2.4光的偏振现象……………………………………………………12

3光的量子理论…………………………………………………………16

3.1后牛顿革命………………………………………………………16

3.2光电效应和光的波粒二向性……………………………………17

3.3康普顿效应………………………………………………………21

§

0引言

光学是一门具有悠久历史的学科。

对光的本性认识，典型而又鲜明地反映了人类对客观世界的认识是一个逐渐接近真理的发展过程。

从l7世纪下半叶，人们对光的本性的认识就出现了两种不同的学说，以惠更斯为代表的一派主张波动说，他们认为光是一种机械波，充塞宇宙空间及万物之中有一种以太，它是一种传播光振动的、具有很大弹性的透明媒质。

以牛顿为代表的另一派则主张微粒说，他们认为光是一种由微粒组成的射气，这些微粒可在真空中或透明媒质中以巨大的速度沿直线运动，也可从不透明物质的表面反射，当它们进入眼睛时就激起视觉。

惠更斯用波动概念解释了光的反射和折射现象。

微粒说也能够解释光的反射和折射现象，但在解释光从空气进入水中的折射现象时，对空气中的光速与水中的光速究竟那一个大的问题上面，波动说认为水中的光速小于空气中的光速，微粒说却认为是水中的光速大于空气中的光速，两者的结论恰好相。

由于当时的技术还无法精确测定光速。

所以究竟谁是谁非，难以判断。

由于牛顿在力学领域的杰出贡献而享有崇高的威望，使他的微粒说在当时以及随后的百余年间得到了大多数物理学家的支持。

（尽管牛顿本人已经注意到波义耳发现的薄膜色环——即牛顿环，并且对它做了研究，但牛顿并不认为它是波的干涉结果，另外，惠更斯也没有注意到格里麦第（F.Grimald）早在1665年出版的一本书中就已经指出的光波绕过物体边缘的现象，即光的衍射现象）。

所以，从17世纪末到18世纪末，光的微粒说一直占据上风，惠更斯的波动说几乎被压抑了一个世纪，直到19世纪初，光的波动说才进入它的辉煌时期。

1809年，法国的马吕斯（Malus）发现了偏振现象，1817年托马斯.杨氏先认为光是一种横波，而不是如早先一般认为的纵波。

1821年,菲涅尔用实验研究了偏振光的干涉，从而确认光是横波。

后来，在1840年菲佐（FiZeau）第一次在实验室条件下测定了空气中的光速，1862年傅科（L.Foucault）测定了水中的光速，终于比较出水中的光速不是如牛顿的微粒说所予言的那样比空气中快，而是如惠更斯的波动说所予言的那样比空气中慢。

至此，光的波动说以充分精确的实验事实宣称了自己的胜利，而牛顿微粒说支持者变得寥寥无几了。

19世纪60年代，麦克斯韦建立了光的电磁理论。

随后H.赫兹于1888年用实验证明了光是一种电磁波，而不是如惠更斯所说的机械波。

但是，麦克斯韦仍然认为传播光振动需要有以太，只不过是以电磁波的以太代替了机械波以太。

关于以太，在十九世纪末叶，人们曾经设计了不少实验，想证明它的存在，但结果都没有成功。

后来，爱因斯坦在建立相对论的时候，大胆提出了“相对以太的运动是不存在的，以太也是不存在的”这一全新的论点。

从而在理论上否定了以太的存在。

人们对光的本性的认识并没有到此为止，从19世纪末到20世纪初，人们又发现了一系列新现象，如加热辐射、光电效应等，这些现象不能用光的波动理论，而必须用光的量子理论才能加以解释。

1900年，普朗克（M.Plank）用量子论成功地解释了热辐射现象，1905年爱因斯坦（A.Einstein）发展了这种量子概念．认为电磁辐射场也具有量子性质，他假定光是由具有一定能量和动量的粒于所组成的粒于流，这种粒子称为光子，他根据光子和自由电子在作用过程中的能量守恒定律，成功地解释了表面光电效应。

这一时期的许多实验雄辩地证明了光的量子性。

综上所述，一方面，光的干涉、衍射和偏振表明，光在传播的过程中表现为波动性；

另一方面，热辐射、光电效应、康普顿效应等现象又表明，光在与物质的相互作用中表现为粒子性（量子性），而且光的波动理论和量子理论各自统治着自已的领域。

光的波动理论不能解释热辐射、光电效应、康普顿效应等现象，而光的量子理论又不能解释光的干涉、衍射和偏振现象。

可见，光是具有波动和粒子（电磁波和光量子）这两重性，称为光的波粒二象性，这就是今天人们对光的本性的认识，这种认识虽然仍只是相对真理，但比起牛顿的微粒说和惠更斯的波动说来，它已经更为接近客观真实了。

回顾这段历史，可以清楚地看到，人类对光的本性的认识，是经过由浅入深，由片面到较全面，由实验到理论，由现象到本质而逐渐发展起来的，最后建立起光的本性理论。

当然，从科学发展的角度来看，对光的本性的认识是不会完结，而是无穷无尽的，会在不断的探索和研究中得到发展，使人们的认识得到更加深化和完善。

1几何光学理论

可见光是电磁波谱中的很小一部分，但它对人类却是极其重要的。

在17、18两个世纪，人们从研究与眼睛和视觉相联系的光学现象出发，总结出了光的反射和折射定律，由此奠定了几何光学基础，成为光学的转折时期。

1.1光在各向同性介质中的传播

1、光的直线传播现象

光的直线传播定律是说，光在均匀介质中沿直线传播。

针孔成像可以作为该定律的实验证明。

在匣壁上钻一针孔O，则匣前实物（即光源S）在匣后的毛玻璃屏幕上，便显示出清晰的像，这就是光线直进的结果。

这个像相对于实物的位置，不但上、下倒置，并且左、右对调．针孔匣无异于一架简单的照相机，而针孔就是镜头．若针孔过小，光的直线传播定律失效，得不到像，屏幕上则被均匀地照亮，

这是由于光的衍射现象所引起的。

若针孔过

大，则像渐模糊，形成一块照耀明亮的区域。

2、光的反射现象

光照射到一个粗糙的，不透明的物体表面上时，一部分光线被该表面吸收，但大部分光线则被散射到四面八方。

然而，当光线照射到一个平滑的反射表面（称为镜面）上时，则可以通过镜面看到光源的像，这一现象称为光的反射现象。

光的反射与乒乓球落在球台上又弹回来的情形很相似，就是说，当光在介质中传播时，若遇到另一种介质，则在两种介质的分界面上，一部分光线发生反射，另一部分光线透入另一种介质中，称为透射。

能够被光线所透射的介质，称为透明介质，如水、玻璃等。

反射时服从光的反射定律：

入射光线、反射面的法线和反射光线三者处在同一平面上，并且入射角（入射光线与法线的夹角）和反射角（反射光线与法线的夹角）相等．

多数镜面是具有平面的反射面，即平面镜。

人们经常

照的镜子就是平面镜，但是，游乐厅里的哈哈镜却是波浪

形的，它把游人的像时而拉长，时而缩短，使人哈哈大笑。

非平面镜也有很多用途。

凸面镜是一种中心向外凸的反射镜，它的作用是可以增大观察者的视野。

与凸面镜相反，凹面镜的中心向内凹陷，把凹面镜放在太阳光下，凹面镜把照射到镜面上的所有光线都会聚到一点，这一点称为焦点。

若把物体放在大型凹面镜的焦点上，物体的温度可以升高到几千度，这是把入射的太阳能会聚在一起而产生的结果。

3、光的折射现象

反射现象中，讨论的是光线照到镜面上时出现的现象。

生活中还有的一种现象是，光线射入放在大气中的透明物体时，如果光线以一定的角度照射到透明物体上，将有一部分光线被反射回空气中，当然，光的反射是服从反射定律的。

然而，入射光的大部分将从空气进入透明物质。

令人惊异的是，在透明物质中，光线并不是沿着入射光线的方向前进，而是与入射方向偏离了一个角度。

这种当光线从一种透明介质进入另一种透明物质介质中时，光线偏离直线传播的现象，称为折射现象。

光在空气中的传播速度与光在真空中的传播速度近似相等，但是在水或玻璃这样一些物质中传播时，光速要低得多，水中的光速度仅为空气中光速的3/4。

通常把光在真空中的传播速度与光在介质中的传播速度之比称为介质的绝对折射率，简称折射率，用n表示，则：

式中，

表示光在真空中的传播速度，

表示光在介质中的传播速度。

当光线照在两种介质的分界面时，折射光线在入射面内，折射光线和入射光线在法线的两侧，且入射角

的正弦与入射光线所在介质的折射率

的乘积，等于折射角

的正弦与折射光线所在介质的折射率

的乘积，即：

这一结论称为光的折射定律。

它说明，在两种透明介质的交界面处，如果光速减小，折射光线向法线偏折；

如果光速增大，折射光线将偏离法线。

4、纤维光学

在光学仪器中，利用全反射棱镜可改变光的传播方向或使像倒转，近年来新兴的纤维光学，就是利用全反射来传递光能量的。

将一条折射率较高的玻璃纤维丝（纤芯）外包一层折射率较低的介质（包层），若光线射到纤芯与包层的分界面上，其入射角

处处大于临界角，则光线在纤芯内相继地从纤芯与包层间的界面上作全反射，而自纤维的一端经很长距离传到另一端。

这种起传光作用的玻璃丝叫做光学纤维，简称光纤。

将数以万计的光学纤维组成一股光纤束，各条纤维内的光不会相互穿越．如将光纤束中各条光纤按一定顺序排列，则不仅能传递光能量，也能用来传递图像．如图所示，将一图形置于光纤束的一个端面上，图形上各点发出的光线将分别沿光纤束中相应的一条光纤传到另一端面上，而得到一个像点，这些像点的集合就显示出与原来图形相同的图像。

光从玻璃纤维的一端射入，在弯曲的纤维的内表面，光线被反射。

你可以把纤维扭转、弯曲，然而光线依然能从纤维的另一端射出。

借助玻璃纤维来传输光，已被应用于许多领域，由此所发展起来的学科，称为纤维光学。

在医学方面，医生利用玻璃纤维，可以很容易地对人体的许多内部器官进行观察。

或许将来有一天，光学纤维在人们的日常生活，将被用于传送电话、电视节目等。

5、光色散和吸收现象

光通过各向同性介质时要产生光的色散现象和吸收现象。

我们这里仅对这两种现象作一简介。

将一束平行的白光通过狭缝S，入射到三棱镜P上，光线经过棱镜折射后，就在棱镜后方的屏幕上形成相当宽的一条具有各种颜色的光带。

这光带的一端呈现红色，另一端呈现紫色，从红到紫依此出现红、橙、黄、绿、青、蓝、紫等颜色，这些颜色是连续过渡的，并没有明显的分界．这种现象说明，白光是由上述七种单色光所组成的复合光．

复合光通过三棱镜等分光器被分解为各种单色光的现象，叫做光的色散。

分开的单色光依次排列而成的光带，叫做光谱。

在白光产生的光谱中，颜色的过渡是连续的，所以它又称为连续光谱。

根据光的电磁理论，各种波长的光波在真空中都以恒定的速度c（即真空中的光速）传播；

而在介质中，由于光波与物质的相互作用，光波的传播速度就要减小，而且不同波长的光波，传播速度也各不相同。

因此，同一介质对不同的单色光就有不同的折射率。

红色光的折射率最小，因此透过三棱镜后，偏折的角度也最小；

紫色光的折射率最大，因此透过三棱镜后，偏折的角度也最大。

所以，在屏上就显示出由红到紫连续分布的光谱。

可见光是频率约在7.5×

1014HZ到3.9×

1014HZ之间的电磁波，真空中的光速3.00×

108m.s-1，根据波速、波长与频率的关系

，易于求出可见光在真空中的波长范围在400nm到760nm之间．可见光的颜色是由光波的频率决定的，不同频率的光，对人眼引起的颜色感觉是不同的；

同一频率的光，在不同的介质中虽因光速不同而具有不同的波长，但因频率不变，故人眼感觉到的是相同颜色．所以单色光就是指具有一定频率的光。

下面再介绍光被介质吸收的情况。

光透过介质时