第6章光学的发展

第六章光学的发展6.1西方古代和中世纪的光学成就简述古代光学基本上停留在几何光学的研究和总结上。公元前5世纪《墨经》、北宋时期沈括的《梦溪笔谈》都有记载。如投影、小孔成像、平面镜、凸面镜、凹面镜等。托勒密对折射现象的实验研究古希腊时期的天文学家托勒密专门作过光的折射实验，写有《光学》5卷，记载:折射角与入射角成正比。今天我们知道这个结论是不正确的，它只有在入射角很小的情况下才近似成立．留给我们的沉思：从托勒密的实验设计实验方法到实验数据的收集可以说是完全正确的。他的实验结果也是相当精确的，与现代值几乎没有多大的差别。但是托勒密可惜的是未能从正确的数据中发现正确的规律，从这里可看出对实验数据正确处理，加上正确理论的指导在发现规律中的重要性。托勒密是第一个用实验方法测定入射角和折射角的人，他曾求出具有单位半径的圆中弧与所对应的弦长数字，并巧妙地用数学方法编制了表（相当于现代的正弦三角函数表），他当时对折射角和入射角的测量是相当精确的，如果他当时把关于光折射的实验数据与他所编制的这份表作一比较的话，他就会不难发现入射角的正弦与折射角的正弦之比对给定的两种介质来说是一个常数，这样他就会发现折射定律，然而他却没有这样做，以致错过了一次发现的机会。中世纪时阿拉伯人阿勒哈增（965-1038）著《光学全书》，讨论了许多光的现象。欧几里德在其《反射光学》中记载了光的反射。6.2折射定律的建立这一时期可以称为光学发展史上的转折点。在这个时期建立了光的反射定律和折射定律，奠定了几何光学的基础。同时为了提高人眼的观察能力，人们发明了光学仪器，第一架望远镜的诞生促进了天文学和航海事业的发展，显微镜的发明给生物学的研究提供了强有力的工具。荷兰的李普塞在1608年发明了第一架望远镜。开普勒对折射规律的修正德国人开普勒在汇集前人光学知识的基础上，断定托勒密关于折射规律的结论是不正确的。于是他开始便想通过实验发现折射定律，但实验最后没有成功。他便转向从理论上加以探索，他得出的折射定律是：折射角由两部分组成，一部分正比于入射角，另一部分正比于入射角的正割；只有在入射角小于30°时，入射角和折射角成正比的关系才成立，显然，开普勒关于折射定律的研究和修正比托勒密前进了一步。但还没能给出正确的折射定律。开普勒还于1611年发表了他的著作《屈光学》，提出照度定律，还设计了几种新型的望远镜。折射定律的精确公式则是斯涅耳和笛卡儿提出的。1621年斯涅耳在他的一篇文章中指出，入射角的余割和折射角的余割之比是常数，而笛卡儿约在1630年在《屈光学》中给出了用正弦函数表述的折射定律。斯涅耳发现折射定律荷兰数学家斯涅耳（1591—1626）于1620年前后，通过实验确立了开普勒想发现而没有能够发现的折射定律。他注意研究了水中的物体看起来象飘浮的现象，做了如下实验：当在空气中的0点观察水中的F点时，犹如在C点一样，如P156图6-2(a)所示。斯涅耳发现，对于任意入射角存在以下关系如图6-2(b)所示．斯涅耳没有用理论推导，而是用实验又验证了它。斯涅耳对折射定律作了如下表述：在不相同的介质里，入射角和折射角的余割之比总是保持相同的值。由于余割和正弦成反比，所以这个叙述等价于现代折射定律的表达式。笛卡儿进一步完善了光的折射定律法国人笛卡儿，他以媒质中球的运动作类比，试图说明折射定律。假设球在媒质Ⅰ中运动，当进入媒质Ⅱ时，球速的水平分量不变，垂直部分增大，Ⅱ中的光速变成Ⅰ中光速的u倍．其结果球在媒质Ⅱ内部偏转，而所需时间仅为通过媒质Ⅰ中所需时间的1/u。因此根据几何关系，可得在这段时间内，球在水平方向前进的距离等于CB/u。所以：式中i为入射角，r为折射角．常数risinsin笛卡儿第一次给出了折射定律的现代表述形式。费马对折射定律的发展与理论论证法国人费马（1601—1665）从理论上得到费马原理，并用演绎方法从费马原理中推导出折射定律。1．费马从理论上得到费马原理：费马从理论上推导出：光沿着光程为极值的路径传播。根据变分法原理，得出光程的极值条件。即费马原理的数学表达式，由费马原理可以推导出反射定律和折射定律，并可证明它们的光程为极值。2．费马用演绎方法导出折射定律：费马在前人发现折射定律的基础上对光的折射定律又有了新的发展。费马认为，导出折射定律可以采取另一种截然不同的思考方法。他假定不同媒质对光的传播表现出不同的阻力，他首先指出，光在不同媒质中传播时，所走路程取极值，即遵从费马原理。即是说，光从空间的一点到另一点，是沿着光程为极值（最小、最大或常量）的路程传播的。6.317世纪关于光的本性的争论关于光的本性的概念，是以光的直线传播观念为基础的，但从十七世纪开始，就发现有与光的直线传播不完全符合的事实。意大利人格里马第首先观察到光的衍射现象。接着，胡克也观察到衍射现象，并且和波意尔独立地研究了薄膜所产生的彩色干涉条纹，这些都是光的波动理论的萌芽。借助于光程这个概念可将光在媒质中所走过的路程折算为光在真空中通过的路程，这样便于比较光在不同媒质中所走路程的长短。1661年费马运用费马原理成功地导出了折射定律。在17世纪中，主张波动说的有笛卡尔、胡克和惠更斯，主张微粒说的有伽桑迪和牛顿。1、关于波动说十七世纪下半叶，牛顿和惠更斯等把光的研究引向进一步岁展的道路。1672年牛顿完成了著名的三棱镜色散实验，并发现了牛顿圈（但最早发现牛顿圈的却是胡克）。在发现这些现象的同时，牛顿于公元1704年出版的《光学》，提出了光是微粒流的理论，他认为这些微粒从光源飞出来。在真空或均匀物质内由于惯性而作匀速直线运动，并以此观点解释光的反射和折射定律。然而在解释牛顿圈时，却遇到了困难。同时，这种微粒流的假设也难以说明光在绕过障碍物之后所发生的衍射现象。惠更斯反对光的微粒说，1678年他在《论光》一书中从声和光的某些现象的相似性出发，认为光是在“以太”中传播的波。所谓“以太”则是一种假想的弹性媒质，充满于整个宇宙空间，光的传播取决于“以太”的弹性和密度。运用他的波动理论中的次波原理，惠更斯不仅成功地解释了反射和折射定律，还解释了方解石的双折射现象。但惠更斯没有把波动过程的特性给予足够的说明，他没有指出光现象的周期性，他没有提到波长的概念。他的次波包络面成为新的波面的理论，没有考虑到它们是由波动按一定的位相叠加造成的。归根到底仍旧摆脱不了几何光学的观念，因此不能由此说明光的干涉和衍射等有关光的波动本性的现象。与此相反，坚持微粒说的牛顿却从他发现的牛顿圈的现象中确定光是周期性的。综上所述，这一时期中，在以牛顿为代表的微粒说占统治地位的同时，由于相继发现了干涉、衍射和偏振等光的被动现象，以惠更斯为代表的波动说也初步提出来了，因而这个时期也可以说是几何光学向波动光学过渡的时期，是人们对光的认识逐步深化的时期。光的理论在十八世纪实际上没有什么进展，大多数科学家采纳了光的微粒学说。1801年杨氏最先用干涉原理令人满意地解释了白光照射下薄膜颜色的由来和用双缝显示了光的干涉现象，并第一次成功地测定了光的波长。1815年菲涅耳用杨氏干涉原理补充了惠更斯原理，形成了人们所熟知的惠更斯—菲涅耳原理。运用这个原理不仅圆满地解释光在均匀的各向同性介质中的直线传播，而且还能解释光通过障碍物时所发生的衍射现象，因此它成为波动光学的一个重要原理。1808年马吕斯发现光在两种介质表面上反射时的偏振现象，随后菲涅耳和阿喇果对光的偏振现象和偏振光的干涉进行了研究。为了解释这些现象，杨氏在1817年提出了光波和弦中传播的波相仿的假设，认为它是一种横波。菲涅耳进一步完善了这一观点并导出了菲涅耳公式。至此，光的弹性波动理论既能说明光的直线传播也能解释光的干涉和衍射现象并且横波的假设又可解释光的偏振现象。看来似乎十分圆满了，但这时仍把光的波动看作是“绝对以太”中的机械弹性波动，至于“绝对以太”究竟是怎样的物质，尽管人们赋予它许多附加的性质，仍难自圆其说。这样，光的弹性波理论存在的问题也就暴露出来了。1845年法拉第发现了光的振动面在强磁场中的旋转，揭示了光学现象和电磁现象的内在联系，1856年韦伯做的电学实验结果，发现电荷的电磁单位和静电单位的比值等于光在真空中的传播速度即300000000米／秒．从这些发现中，人们得到了启示，即在研究光学现象时，必须和其它物理现象联系起来考虑。麦克斯韦在1865年的理论研究中指出，电场和磁场的改变不会局限在空间的某一部分，而是以数值等于电荷的电磁单位与静电单位的比值的速度传播的，即电磁波以光速传播，这说明光是一种电磁现象。这个理论在1888年被赫兹的实验所证实。他直接从频率和波长来测定电磁波的传播速度，发现它恰好等于光速，至此就确立了光的电磁理论基础，尽管关于以太问题，要在相对论出现以后才得到完全解决。光的电磁理论在整个物理学的发展中起着很重要的作用，光和电磁现象的一致性使人们在认识光的本性方面又前进了一大步。十九世纪末、二十世纪初是物理学发生伟大革命的时代。从牛顿力学到麦克斯韦的电磁理论，经典物理学形成一套严整的理论体系。光学的研究深入到光的发生、光和物质相互作用的微观机构中。光的电磁理论的主要困难是不能解释光和物质相互作用的某些现象，例如炽热黑体辐射中能量随波长分布的问题，特别是1887年赫兹发现的光电效应，1900年普朗克提出了量子假说，认为各种频率的电磁波(包括光)，只能象微粒似地以一定最小份的能量发生(它称为能量子，正比于频率），成功地解释了黑体辐射问题，开始了量子光学时期，1905年爱因斯坦发展了普朗克的能量子假说，把量子论贯穿到整个辐射和吸收过程中，提出了杰出的光量子(光子)理论圆满解释了光电效应，并为后来的许多实验例如康普顿效应所证实．但这里所说的光子不同于牛顿微粒说中的粒子，光子是和光的频率(波动特性)联系的，光同时具有微粒和波动两种特性。至此人们一方面从光的干涉、衍射和偏振等光学现象证实了光的波动性；另一方面从黑体辐射、光电效应和康普顿效应等又证实了光的量子性——粒子性。如何将有关光的本性的两个完全不同的概念统一，人们进行了大量的探索工作，l924年德布罗意创立了物质波学说．他设想每一物质的粒子都和一定的波相联系，这一假设在1927年为戴维孙和革末的电子束衍射实验所证实。事实上，不仅光具有波动性和微粒性，也就是所谓波粒二象性，而且一切习惯概念上的实物粒子同样具有这种二重性。也就是说这是微观物质所共有的属性。1925年玻恩所提出的波粒二象性的几率解释建立了波动性和微粒性之间的联系。从二十世纪六十年代起，随着新技术的出现，新的理论也不断发展，已逐步形成了许多新的分支学科或边沿学科，光学的应用十分广泛。几何光学本来就是为设计各种光学仪器而发展起来的专门学科，随着科学技术的进步，物理光学也越来越显示出它的威力，例如光的干涉目前仍是精密测量中无可替代的手段，衍射光栅则是重要的分光仪器，光谱在人类认识物质的微观结构(如原子结构、分子结构等)方面曾起了关键性的作用，人们把数学、信息论与光的衍射结合起来，发展起一门新的学科——傅里叶光学，把它应用到信息处理、像质评价、光学计算等技术中去。特别是激光的发明，可以说是光学发展史上的一个革命性的里程碑，由于激光具有强度大、单色性好、方向性强等一系列独特的性能，自从它问世以来，很快被运用到材料加工、精密测量、通讯、测距、全息检测、医疗、农业等极为广泛的技术领域，取得了优异的成绩。此外，激光还为同位素分离、储化，信息处理、受控核聚变、以及军事上的应用，展现了光辉的前景。