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光學(xué) 版權(quán)信息
- ISBN:9787030156914
- 條形碼:9787030156914 ; 978-7-03-015691-4
- 裝幀:一般膠版紙
- 冊數(shù):暫無
- 重量:暫無
- 所屬分類:>
光學(xué) 內(nèi)容簡介
本書以“光是什么”為主線,以“h-λ”判據(jù)對(duì)光學(xué)現(xiàn)象進(jìn)行分類,分別介紹了光的波動(dòng)性、電磁性、量子性和非線性。全書注重物理思想的闡述,注重基本概念、基本原理和基本方法的介紹,敘述力求邏輯嚴(yán)謹(jǐn)、深入淺出。
光學(xué) 目錄
序
前言
光學(xué)知識(shí)框圖
**章 光是什么 1
1-1 光是什么 1
1-2 光學(xué)現(xiàn)象的分類與應(yīng)用 7
1-3 幾何光學(xué)的基本定律 9
1-4 費(fèi)馬原理 12
習(xí)題 17
第二章 光的干涉 20
2-1 光波的基本性質(zhì) 20
2-2 單色光波及其描述 22
2-3 波的疊加 28
2-4 光的干涉和相干條件 31
2-5 分波前干涉 36
2-6 光源寬度對(duì)干涉條紋的影響及光場的空間相干性 43
2-7 薄膜干涉的一般概念 48
2-8 等傾干涉和等厚干涉 52
2-9 邁克耳孫干涉儀 61
2-10 光波的時(shí)間相干性與光源的非單色性對(duì)干涉條紋的影響 64
2-11 多光束干涉,法布里-珀羅干涉儀及光學(xué)薄膜 67
2-12 不同頻率的單色光波疊加 78
附錄 斯托克斯倒逆關(guān)系 83
思考題 84
習(xí)題 84
第三章 光的衍射 89
3-1 光的衍射現(xiàn)象 89
3-2 惠更斯-菲涅耳原理 90
3-3 菲涅耳圓孔衍射和圓屏衍射 95
3-4 夫瑯禾費(fèi)單縫衍射 105
3-5 先學(xué)儀器的像分辨本領(lǐng) 111
3-6 衍射光柵 115
3-7 X射線在晶體上的衍射 123
思考題 126
習(xí)題 127
第四章 傅里葉光學(xué)簡介 131
4-1 空間頻率與頻譜 131
4-2 對(duì)夫瑯禾費(fèi)衍射的再認(rèn)識(shí) 136
4-3 阿貝成像原理及阿貝-波特空間濾波實(shí)驗(yàn) 139
4-4 相干光學(xué)處理系統(tǒng) 144
4-5 全息技術(shù)原理 151
思考題 158
習(xí)題 158
第五章 光的電磁性 161
5-1 光的橫波性 161
5-2 偏振光的產(chǎn)生 163
5-3 菲涅耳公式 167
5-4 掃描隧道光學(xué)顯微鏡 175
5-5 光的雙折射 176
5-6 晶體光學(xué)器件 183
5-7 橢圓偏振光的獲得和檢驗(yàn) 188
5 8 平行偏振光的干涉 196
5-9 人為雙折射 200
5-10 旋光現(xiàn)象 203
5-11 雙折射的電磁理論簡介 208
5-12 光的吸收、色散和散射 212
思考題 224
習(xí)題 226
第六章 光的量子性 230
6-1 熱輻射與普朗克的量子假設(shè) 230
6-2 光電效應(yīng) 238
6-3 康普頓效應(yīng) 242
6-4 電子對(duì)的產(chǎn)生和湮滅 246
6-5 光的波-粒二象性 247
6-6 光的多普勒效應(yīng) 250
思考題 253
習(xí)題 254
第七章 激光 257
7-1 光與物質(zhì)的相互作用 257
7-2 激光的產(chǎn)生條件 260
7-3 激光的單色性 263
7-4 激光器簡介 266
7-5 激光的特性與應(yīng)用 269
7-6 非線性光學(xué)效應(yīng) 271
思考題 277
習(xí)題 277
光學(xué) 節(jié)選
**章 光是什么 本章首先通過光學(xué)發(fā)展簡史的介紹,對(duì)光的本性是什么和光有哪些特性作一簡要的闡述,讓讀者對(duì)光的本質(zhì)有個(gè)正確的理解和整體的概念;然后,從光在不同層次上表現(xiàn)出來的不同特性出發(fā),對(duì)光學(xué)現(xiàn)象進(jìn)行分類。在以后的各章中我們正是以“光是什么”為主線,對(duì)光的本性分不同的層次,逐步深入地加以介紹,讀者在閱讀過程中應(yīng)牢記這一主線。 1-1 光是什么 自從有了人類以來,人們的社會(huì)生產(chǎn)和社會(huì)生活活動(dòng)就離不開光。燦爛的陽光照亮了地球,給地球帶來了生命和活力,人們所以能看到五彩繽紛、瞬息萬變的世界,是因?yàn)檠劬邮盏轿矬w發(fā)射、反射或散射的光。據(jù)統(tǒng)計(jì),人類感官收到外部世界的總信息中,至少有90%以上通過眼睛,正因?yàn)槿绱耍藗儗?duì)光學(xué)現(xiàn)象和光的本質(zhì)引起了極大的興趣,那么光到底是什么呢? 一、光是粒子還是波 光究竟是什么,即光的本性是什么,一直是學(xué)者們注意和探討的中心。到了17世紀(jì),由于光學(xué)特別是幾何光學(xué)得到了一定的發(fā)展,因而關(guān)于光的本性問題引起人們越來越大的興趣。在探索中逐漸形成了兩種相互對(duì)立的理論,即光的微粒說和光的波動(dòng)說。 首先提出光的微粒模型的是笛卡兒,后來牛頓成為這種觀點(diǎn)的代表人物。促使早期學(xué)者們相信光的微粒說齣主要原因可能有兩個(gè):一是在均勻介質(zhì)中,光似乎是沿直線路徑傳播的,這就是所謂直線傳播定律;二是那時(shí)人們認(rèn)為光能夠在真空中傳播,而任何波的傳播都必須有傳播介質(zhì),因此,光應(yīng)當(dāng)是微粒,而不是波。 圖1-1 牛頓試圖用經(jīng)典力學(xué)理論來解釋光微粒的運(yùn)動(dòng)規(guī)律。他用光微粒的慣性運(yùn)動(dòng)很容易地解釋了直線傳播定律。他把光在界面上的反射看成是與彈性小球在光滑桌面上反射一樣屬于同樣的力學(xué)過程,來解釋光反射現(xiàn)象,在解釋光的折射時(shí),他是這樣分析的:假設(shè)一個(gè)光微粒在xy平面(入射面)內(nèi)入射,在兩種介質(zhì)的界面(y=0平面)上發(fā)生折射,如圖1-1所示,由于所受到的力垂直于界面,所以光微粒在平行界面方向的動(dòng)量分量(x分量)守恒,設(shè)光線入射角為i1,折射角為i2,動(dòng)量x分量守恒將給出如下方程: (1-1-1) 牛頓認(rèn)為光微粒在介質(zhì)兩邊的質(zhì)量不變,所以光在折射時(shí)應(yīng)滿足下列規(guī)律: (1-1-2) 將上式與荷蘭科學(xué)家斯涅耳(W.Snell)在1618年發(fā)現(xiàn)的折射定律 (1-1-3) 相對(duì)照可見,根據(jù)牛頓的結(jié)果,光在較密介質(zhì)(n較大)中有較大的速度,但這被后來發(fā)現(xiàn)的事實(shí)證明是錯(cuò)誤的。 牛頓在用微粒說解釋“牛頓環(huán)”時(shí),是很牽強(qiáng)和難以令人信服的。他不得不假定,光線在牛頓環(huán)實(shí)驗(yàn)中能“發(fā)生容易的反射和容易的透射”,雖然以牛頓為代表的光微粒說解釋了當(dāng)時(shí)發(fā)現(xiàn)的一些光學(xué)現(xiàn)象,但對(duì)實(shí)驗(yàn)中相繼發(fā)現(xiàn)的干涉、衍射和偏振等現(xiàn)象,都無法給出令人信服的解釋。 與光的微粒說同時(shí),光的波動(dòng)說也在漸漸地發(fā)展,格里馬迪(F.M.Grimaldi,1618~1663)首先觀察到光的衍射現(xiàn)象,他在一個(gè)小光源照明的小棍陰影中觀察到光帶。后來胡克(Hooke,1635~1703)和玻意耳(R.Boyle,1627~1691)各自獨(dú)立發(fā)現(xiàn)了**個(gè)干涉現(xiàn)象,即薄膜產(chǎn)生的彩色。胡克首先提出了光是由快振動(dòng)組成,并以非常大速度傳播的觀點(diǎn)。惠更斯(C.Huygens)后來發(fā)展了這種觀點(diǎn),他根據(jù)光的獨(dú)立傳播原理認(rèn)為,光不可能是微粒子流,如果光是微粒子流,那么從不同的方向射向同一點(diǎn)的光線就不可能相互獨(dú)立地穿過。1678年他在《論光》中寫道:“光*不可思議的性質(zhì)是,從不同甚至相反方向射來的諸光線互相穿過,一點(diǎn)也不妨礙彼此的行動(dòng)。”他注意到光的這一性質(zhì)與聲學(xué)現(xiàn)象相似,從而提出了光本性的波動(dòng)學(xué)說。他從機(jī)械波的觀點(diǎn)出發(fā),接受了笛卡兒的“以太”思想,認(rèn)為宇宙間(包括物體內(nèi)部)充滿了一種彈性介質(zhì)--以太。光源在以太中產(chǎn)生一個(gè)擾動(dòng)后,以太的振動(dòng)傳播過程就形成了光波。 為了解釋光的傳播問題,1690年惠更斯提出一個(gè)假設(shè):在波的傳播過程中,波陣面上的每一個(gè)點(diǎn)都可以看作是發(fā)射次波的次波源,在其后的任一時(shí)刻,這些次波的包絡(luò)面就是新的波陣面。這個(gè)假設(shè)后來被稱為惠更斯原理,他用這個(gè)假設(shè)不但成功地解釋了光的反射和折射現(xiàn)象,還解釋了晶體的雙折射現(xiàn)象。 下面我們看看他是如何解釋光的折射現(xiàn)象的:如圖1-2所示,設(shè)想一束平面波以入射角i1射到介質(zhì)1,2的分界面上,過Ai作波陣面與入射光線垂直,Ai點(diǎn)*先與界面相遇,隨后是波陣面上其余各點(diǎn)(圖中只畫出A2,A3,A4三點(diǎn))陸續(xù)傳播到界面,當(dāng)通過A4的波線經(jīng)過一段時(shí)間后到達(dá)B4的同時(shí),由Ai點(diǎn)發(fā)出的透射次波已形成半徑為V2 △t的半球面,這里v1,v2分別為介質(zhì)1,2中的波速,與此同時(shí)B2,B3各點(diǎn)先后發(fā)出的透射次波也形成不同大小的半球面,根據(jù)惠更斯原理,這時(shí)刻折射波的波陣面是所有這些次波面的包絡(luò)面。不難證明,折射波的波陣面是通過B4而且與Ai發(fā)出的球面次波相切的直線,設(shè)切點(diǎn)為C,則連接A、C即得到折射光線。由圖1-2不難看出,因此,有 于是,有 同樣對(duì)照斯涅耳定律可知,光在不同介質(zhì)中的傳播速度與介質(zhì)折射率成反比,即光密介質(zhì)中光速較小,這與粒子說的錯(cuò)誤結(jié)論正好相反,這也為后來光的波動(dòng)說戰(zhàn)勝光的機(jī)械微粒說設(shè)下伏筆。 圖1-2 光的折射的惠更斯解釋 由于這一時(shí)期光的波動(dòng)說還很不完善,另一方面,由于牛頓在力學(xué)上的杰出貢獻(xiàn),使他在科學(xué)界有巨大的權(quán)威。而這種權(quán)威像一件殮衣罩在波動(dòng)說上,使它的擁護(hù)者透不過氣來,使波動(dòng)說幾乎停滯了一個(gè)世紀(jì)之久,但即使在這個(gè)時(shí)候仍有許多物理學(xué)家堅(jiān)持光的波動(dòng)說,其中較著名的科學(xué)家有羅蒙諾索夫和歐拉。 第二個(gè)時(shí)期,可以說是光的波動(dòng)說初步確立的時(shí)期。1801年楊氏(T.Young)*先用干涉原理令人滿意地解釋了白光照射下薄膜顏色的由來和用雙縫顯示了光的干涉現(xiàn)象,并**次成功地測定了光的波長。1808年馬呂斯(E.L.Malus)偶然發(fā)現(xiàn)玻璃窗反射陽光的偏振現(xiàn)象,隨后菲涅耳(A.J.Fresnel)和阿喇果(D.Arago)對(duì)光的偏振現(xiàn)象和偏振光的干涉進(jìn)行了研究。1816年他倆一起完成了線偏振光的疊加實(shí)驗(yàn)。為了解釋這些現(xiàn)象,楊氏在1817年提出了光波和弦中傳播的波相仿的假設(shè),認(rèn)為光是一種橫波,菲涅耳進(jìn)一步完善了這一觀點(diǎn)并導(dǎo)出了菲涅耳公式。 光學(xué)史上富有戲劇性的一幕是光微粒說的擁護(hù)者拉普拉斯(P.S.Laplace)和畢奧(J.Biot)提出將光的衍射問題作為1818年巴黎科學(xué)院懸獎(jiǎng)?wù)魑牡念}目,期望對(duì)這個(gè)題目的論述*終使微粒說取得勝利。但結(jié)果事與愿違,獎(jiǎng)金授給了以波動(dòng)理論為其論述基礎(chǔ)的菲涅耳。自此之后的一系列研究很快地就使光的微粒理論聲譽(yù)喪失殆盡,菲涅耳將惠更斯原理與干涉原理結(jié)合起來,成功地解釋了光的直進(jìn)和光的衍射現(xiàn)象,并計(jì)算了直邊、小孔、小屏產(chǎn)生的衍射。特別令人印象深刻的是,泊松(S.D.Poisson)從菲涅耳理論推出一個(gè)結(jié)論,即在小圓盤陰影中心應(yīng)該出現(xiàn)一個(gè)亮斑點(diǎn),而阿喇果由實(shí)驗(yàn)證明了這一論斷的正確性。這一事實(shí)給光微粒說一沉重打擊。 1850年傅科(L.Foucault)、斐佐(H.L.Fizeau)和布雷格特(L.Breguet)進(jìn)行了一項(xiàng)由阿喇果首先建議的仲裁實(shí)驗(yàn)。微粒說用“光粒子在界面上受到向光密介質(zhì)這邊的吸引”來解釋折射,這就要求光在光密介質(zhì)中的光速比較大;相反,波動(dòng)說根據(jù)惠更斯作圖,要求光在光密介質(zhì)中光速較小。傅科等直接測量了空氣和水中的光速,結(jié)果判定了波動(dòng)理論的勝利。 二、為什么說光是電磁波 雖然波動(dòng)說在解釋光的干涉、衍射、偏振現(xiàn)象時(shí)獲得了巨大成功,從而確立了波動(dòng)理論的牢固地位,但這時(shí)的波動(dòng)論者仍認(rèn)為,一切波動(dòng)必須在某種介質(zhì)中才能得到傳播。如果光是一種波動(dòng),而且能在真空中傳播,那么光波賴以傳播的介質(zhì)是什么呢?他們不得不假定存在一種特殊的介質(zhì)——“光以太”,為了與光傳播的實(shí)驗(yàn)事實(shí)相符,必須賦予“以太”種種異乎尋常的甚至互相抵觸的特性,例如,光既然能在真空中和透明介質(zhì)中傳播,那么“以太”應(yīng)該充斥整個(gè)空間,滲入到一切透光物質(zhì)中;光速是如此之大,“以太”就必須具有極大的彈性,但它又必須非常稀薄,因?yàn)樘祗w的運(yùn)動(dòng)顯然并未受到阻礙。為了解釋光在各種不同介質(zhì)中有不同速度,又必須認(rèn)為“以太”的特性在不同的物質(zhì)中是不同的;在各向異性介質(zhì)中還需要有更復(fù)雜的假設(shè),此外,還必須給“以太”更特殊的性質(zhì),才能解釋光波中沒有縱波的現(xiàn)象,這種密度無限小、彈性非常大,并且還有許多附加性質(zhì)的“以太”是令人難以想像的,于是就暴露了光彈性理論嚴(yán)重的內(nèi)在困難。此外,這個(gè)理論既沒有指出光學(xué)現(xiàn)象和其他物理現(xiàn)象間的任何聯(lián)系,也沒有能把表征介質(zhì)特性的各種光學(xué)常數(shù)和介質(zhì)的其他參數(shù)聯(lián)系起來。19世紀(jì)初,電磁學(xué)得到了發(fā)展。1846年法拉第(Faraday)發(fā)現(xiàn)了光的振動(dòng)面在磁場中發(fā)生旋轉(zhuǎn),這表明光學(xué)現(xiàn)象與磁學(xué)現(xiàn)象間存在內(nèi)在聯(lián)系,這一發(fā)現(xiàn)使人們獲得新的啟發(fā),即必須把光學(xué)現(xiàn)象和其他物理現(xiàn)象聯(lián)系起來考慮,而不能孤立地研究光的本性。 到19世紀(jì)中葉,麥克斯韋(J.C.Maxwell)成功地把電磁學(xué)領(lǐng)域內(nèi)所有前人發(fā)現(xiàn)的規(guī)律總結(jié)為一個(gè)完備方程組,從這一電磁方程組出發(fā),導(dǎo)出了電磁場所遵從的波動(dòng)方程,從理論上預(yù)言了電磁波的存在,并證明了電磁波的橫波性,麥克斯韋在研究電磁波動(dòng)方程時(shí)發(fā)現(xiàn),電磁波在真空中的傳播速度等于靜電單位電量(或電流)與電磁單位電量(或電流)的比值。只要在實(shí)驗(yàn)上用這兩種不同的單位制測量同一電量值,就能計(jì)算出電磁波在真空中的傳播速度。1856年科耳勞希(Kohl-rausch)和韋伯(Weber)完成了這些測量,麥克斯韋根據(jù)他們的數(shù)據(jù)計(jì)算出電磁波在空氣中的傳播速度為3.1074×108m/s,并發(fā)現(xiàn)這個(gè)數(shù)值非常接近于斐索在1849年測得的光速值3.1485×108 m/s。以此為主要依據(jù),麥克斯韋認(rèn)為光波是一種電磁波,這就是著名的光的電磁波理論。1888年,赫茲(H.R.Hertz)用實(shí)驗(yàn)直接產(chǎn)生和探測了電磁波,測出電磁波的波長和頻率,并由此計(jì)算了電磁波的傳播速度與光速相同;并證明電磁波和光一樣,能產(chǎn)生反射、折射、干涉、衍射、偏振等現(xiàn)象,后來的實(shí)驗(yàn)又證明,紅外線、紫外線和X射線也都是電磁波,它們彼此的區(qū)別只是波長不同而已,現(xiàn)代實(shí)驗(yàn)還告訴我們,對(duì)于波長為毫米的電磁波,既可以用光學(xué)方法產(chǎn)生(稱紅外線),也可用電磁學(xué)方法產(chǎn)生(稱微波),這就更進(jìn)一步證明了光波和無線電波在電磁本質(zhì)上完全一致。光的電磁理論以大量無可辯駁的事實(shí)贏得了普遍的公認(rèn)。 光波是電磁波的一種,它與其他電磁波并無本質(zhì)的不同,只是所處的波長范圍不同而已,光波的波長通常用納米(nm)或埃(A)來表示,1nm=10-9m,1A=o.1nm=10-10m。圖1-3是電磁波譜圖,從圖中可以看到各種不同電磁波的頻率分布情況。 圖1-3 電磁波譜圖 但光電磁理論的建立并沒有動(dòng)搖存在“以太”的信念,它只是以電磁“以太”代替了彈性“以太”。 1896年洛倫茲( H.A.Lorentz)創(chuàng)立了電子論,他把物質(zhì)的宏觀電磁性質(zhì)歸結(jié)于物質(zhì)中的電子效應(yīng),他不僅解釋了發(fā)光和物質(zhì)吸收光的現(xiàn)象,也解釋了光在物質(zhì)中傳播的各種特點(diǎn),特別是對(duì)色散現(xiàn)象作了較合理的解釋,同時(shí),在他的理論中,洛倫茲認(rèn)為,電磁“以太”是一種廣袤無限的不動(dòng)的介質(zhì),其**的特往是,在這種介質(zhì)中光振動(dòng)具有一定的傳播速度。 根據(jù)洛倫茲的理論,人們意識(shí)到,如果洛倫茲關(guān)于“以太”的概念是正確的話,即存在著靜止不動(dòng)的宇宙“以太”的海洋,那么將“以太”選作參考系,就能使人們測量出一切物體相對(duì)于“以太”的運(yùn)動(dòng)——物體的絕對(duì)運(yùn)動(dòng)。 在這種觀點(diǎn)指導(dǎo)下,出現(xiàn)了測量“以太風(fēng)”的熱潮,其中著名的實(shí)驗(yàn)有1851年的斐索實(shí)驗(yàn),1881年的邁克耳孫-莫雷實(shí)驗(yàn)(Michelson-Morley),還有英國布拉德利(J.Bradley)在18世紀(jì)20年代所發(fā)現(xiàn)的“光行差”現(xiàn)象,在用“以太”理論分析這些實(shí)驗(yàn)和現(xiàn)象時(shí),得到了截然相反的結(jié)論,使“以太”理論陷入了
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