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波动光学
2025-09-08
波动光学（wave optics）是以波动理论研究光的传播及光与物质相互作用的光学分支。17世纪，R. 胡克和C. 惠更斯创立了光的波动说。惠更斯曾利用波前概念正确地解释了光的反射定律、折射定律和晶体中的双折射现象。
波动光学无论是理论还是应用，都在物理学中占有重要地位。构成宏观材料的分子在光场或其他交变电场的作用下，形成振荡的偶极子，发出同频率的次波（"新的光"）。利用这样的模型来说明材料对光的吸收、色散、散射，以及磁光、电光等现象，甚至光的发射也是一般波动光学的内容。
简介
波动光学是光学中非常重要的组成部分，内容包括光的干涉、光的衍射、光的偏振等，无论理论还是应用都在物理学中占有重要地位。
我们周围的物体（玻璃、镜子、透明材料等）是由分子组成的，分子又是由原子构成的。例如：水是由水分子构成的，而一个水分子由一个氧原子与两个氢原子构成。而原子是由带正电的原子核和带负电的核外电子构成的，带电粒子在电场中会受到电场力而运动。由于分子是一种由若干带电粒子构成的系统，而光是一种特定频段的电磁波（见图片），当我们向介质内入射一束光，其振荡的电场与磁场会影响介质分子中带电粒子的运动，使分子中的电荷在电磁波的作用下发生受迫振动，这种振动又会引起电子辐射出同频率的新电磁波，形成振荡的电偶极子。通俗地说，介质与光相互作用时相当于次级光源，产生与原来频率相同的新的光，并同原来的光相互叠加。
上述是经典物理学对光学现象的解释。利用这样的模型来说明光的色散、吸收、散射，以及磁光效应、电光效应等现象，甚至光的发射也是一般波动光学的内容。电磁波理论应用到晶体的学科被称为晶体光学。光波在真空中的波长约为（3.9～7.6）×10-5cm，一般的障碍物或孔隙都远大于此，因而通常都显示出光的直线传播现象。这一时期，人们还发现了一些与光的波动性有关的光学现象，例如F. M. 格里马尔迪首先发现光遇障碍物时将偏离直线传播，他把此现象起名为"衍射"。胡克和R. 玻意耳分别观察到现称之为牛顿环的干涉现象。这些发现成为波动光学发展史的起点。17世纪以后的一百多年间，光的微粒说（见光的二象性）一直占统治地位，波动说则不为多数人所接受，直到进入19世纪后，光的波动理论才得到迅速发展。
详细介绍
18世纪
1800年，T. 杨提出了反对微粒说的几条论据，首次提出干涉这一术语，并分析了水波和声波叠加后产生的干涉现象。杨于1801年最先用双缝演示了光的干涉现象（见杨氏实验），第一次提出波长概念，并成功地测量了光波波长。他还用干涉原理解释了白光照射下薄膜呈现的颜色。1809年，E. L. 马吕斯发现了反射时的偏振现象（见布儒斯特定律），随后A.-J. 菲涅耳和D. F. J. 阿拉戈利用杨氏实验装置完成了线偏振光的叠加实验，杨和菲涅耳借助于光为横波的假设成功地解释了这个实验。1815年，菲涅耳建立了惠更斯-菲涅耳原理，他用此原理计算了各种类型的孔和直边的衍射图样，令人信服地解释了衍射现象。1818年关于阿拉戈斑（见菲涅耳衍射）的争论更加强了菲涅耳衍射理论的地位。至此，用光的波动理论解释光的干涉、衍射和偏振等现象时均获得了巨大成功，从而牢固地确立了波动理论的地位。
19世纪
19世纪60年代，J. C.麦克斯韦建立了统一电磁场理论，预言了电磁波的存在并给出了电磁波的波速公式。随后H. R.赫兹用实验方法产生了电磁波。光与电磁现象的一致性使人们确信光是电磁波的一种，光的经典波动理论与电磁理论融成了一体，产生了光的电磁理论。将电磁理论应用于晶体，对光在晶体中的传播规律给出了严格而圆满的解释。19世纪末，H. A.洛伦兹创立了电子论，他把物质的宏观性质归结为构成物质的电子的集体行为（由于原子的质量主要分布在原子核上，因此主要考虑电磁波与电子的作用）。电磁波的作用使材料分子内部的带电粒子发生受迫振动并产生相同频率的次级电磁波。根据这一理论，他解释了光的吸收、色散和散射等分子光学现象。这种经典的电磁理论并非十全十美，因为在关于光与物质相互作用的问题上涉及微观粒子的行为，必须用量子理论才能得到彻底的解决。
波动光学的研究成果使人们对光的本性的认识得到了深化。在应用领域，以干涉原理为基础的干涉计量术为人们提供了精密测量和检验的手段（见干涉仪），其精度提高到前所未有的程度；衍射理论指出了提高光学仪器分辨本领的途径（见夫琅和费衍射）；衍射光栅已成为分离光谱线以进行光谱分析的重要色散元件；各种偏振器件和仪器用来对岩矿晶体进行检验和测量，等等。所有这些构成了应用光学的主要内容。
20世纪
20世纪50年代开始，特别在激光器问世后，波动光学又派生出傅里叶光学、纤维光学和非线性光学等新分支，大大地扩展了波动光学的研究和应用范围。
发展史
十七世纪
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（1618～1663）首先观察到光的衍射现象，他发现在点光源的照射下，一根直竿形成的影子要比假定光以直线传播所应有的宽度稍大一些，也就是说光并不严格按直线传播，而会绕过障碍物前进。接着，1672 ～1675年间，胡克（1635～1703）也观察到衍射现象，并且和玻意耳（1627～1691）独立的研究了薄膜所产生的彩色干涉条纹，所有这些都是光的波动理论的萌芽。 十七世纪下半叶，牛顿（1642～1727）和惠更斯（1629～1695）等把光的研究引向进一步发展的道路。牛顿的白光实验以及牛顿圈的发现，使光学由几何光学进入了波动光学。惠更斯最早比较明确的提出了光的波动说。在《论光》（1690）一书中，他认为光的运动不是物质微粒的运动而是媒质的运动即波动，运用波动说，他很好的解释了光的反射，折射以及方解石的双折射现象。
十九世纪
19世纪的光学是由英国医生托马斯·杨以复兴波动说的论文揭开序幕的。1801年，杨向皇家学会宣读了关于薄片颜色的论文，文中正式将干涉原理引入到光学之中，并且用这一原理解释薄片上的颜色和条纹面的衍射。在这篇论文中，杨还系统提出了波动光学的基本原理，提出了光波长的概念，并给出了测定结果。正是由于光波长太短，以至遇障碍物拐弯能力不大，这也是人们很难观察到这类现象的原因。又于1803年发表了物理光学的实验和计算，对双缝干涉现象进一步作出了解释。在1807年出版的《自然哲学讲义》中，杨系统阐述了他提出的波动光学的基本原理。
几乎独立的提出的波动说的还有法国物理学家菲涅尔（1788～1827）。1815年，他向科学院提交了第一篇光学论文，文中仔细研究了光的衍射现象，并提出了光的干涉原理。后来，菲涅尔与杨齐心协力，在波动学说基础上的光学实验大量涌现，使19世纪在波动光学方面取得了重大发展。
