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【視覺知識(shí)】光波動(dòng)過程中的三個(gè)基本特征

  • 來源：光虎

光波動(dòng)過程中的三個(gè)基本特征



17世紀(jì)，對(duì)于光的本質(zhì)成立了兩大對(duì)立學(xué)說，一方是以牛頓為代表的光的粒子說，另一方是以惠更斯為代表的光的波動(dòng)說。

為了驗(yàn)證光的波動(dòng)理論，惠更斯提出了著名的惠更斯原理。但由于牛頓的聲望以及當(dāng)時(shí)光波動(dòng)說沒有完整的數(shù)學(xué)模型，粒子說的勢(shì)力一直為主導(dǎo)。

直到1800年，英國(guó)物理學(xué)家托馬斯·楊提出了干涉的概念，并利用著名的楊氏干涉實(shí)驗(yàn)證明了光的波動(dòng)性，之后，在此基礎(chǔ)上，馬呂斯和菲涅爾分別利用波動(dòng)性對(duì)偏振和衍射做出解釋，并建立光波動(dòng)性的數(shù)學(xué)理論和計(jì)算體系。

最后，愛因斯坦將兩種學(xué)說統(tǒng)一為波粒二象性。所以光的干涉現(xiàn)象，衍射現(xiàn)象和偏振現(xiàn)象是光波動(dòng)過程中的基本特征，也是物理光學(xué)的主要研究對(duì)象。

特點(diǎn)一


光的干涉現(xiàn)象是指兩個(gè)或多個(gè)光波（光束）在某區(qū)域疊加時(shí)，在疊加區(qū)域內(nèi)出現(xiàn)的各點(diǎn)強(qiáng)度穩(wěn)定的強(qiáng)弱分布現(xiàn)象。要滿足干涉，需要兩束或多束光振動(dòng)方向相同，頻率相同的單色光疊加才能產(chǎn)生干涉。

楊氏雙縫干涉實(shí)驗(yàn)（圖1），利用同一光源S通過兩個(gè)狹縫S1和S2得到的兩束相干光束。由于兩條狹縫到光源距離相同，所以，兩束相干光束在同一波面，相位差為0，并且光強(qiáng)相等。

圖1 楊氏雙縫干涉實(shí)驗(yàn)

這里，我們用a1和a2分別代表P點(diǎn)處兩束光的振幅大小。此處利用代數(shù)相加法計(jì)算光強(qiáng)有

其中δ是光程差，

其中Δ為光程，是路程與所在空間折射率相乘所得。
將δ代入公式就有P點(diǎn)和振動(dòng)光強(qiáng)公式，設(shè)I0為單束光光強(qiáng)

最后可得出結(jié)論，光程差為波長(zhǎng)的整數(shù)倍時(shí)，P點(diǎn)有最大光強(qiáng)，光程差為波長(zhǎng)的奇數(shù)倍時(shí)，P點(diǎn)光強(qiáng)最小。
這個(gè)實(shí)驗(yàn)很有力的證明了光的波動(dòng)理論。

特點(diǎn)二


光的偏振與干涉衍射不同的是證明了光是橫波，也證明了麥克斯韋電磁理論的正確性。生活中大部分照明光如日光都是自然光，自然光的振動(dòng)方向是向各個(gè)方向，無規(guī)則的振動(dòng)。光的偏振是一束自然光入射到各項(xiàng)異性晶體中，會(huì)分解為兩束偏振光。

在光波中，如果光矢量的振動(dòng)方向在傳播過程中保持不變，只是它的大小隨相位改變，這種光成為線偏振光；圓偏振光在傳播過程中，它的光矢量大小不變，而方向，繞傳播軸均勻的轉(zhuǎn)動(dòng)，端點(diǎn)的軌跡是一個(gè)圓；橢圓偏振光在傳播過程中大小和方向都有規(guī)律的變化，光矢量端點(diǎn)沿著一個(gè)橢圓軌跡轉(zhuǎn)動(dòng)。

圖2 偏振光

在生活中，最常見的是線偏振光，比如電腦液晶顯示器，它的原理是利用背光板發(fā)出的自然光，經(jīng)過偏振片，形成固定為以某一方向振動(dòng)的線偏振光，之后會(huì)經(jīng)過液晶層，液晶的兩側(cè)包裹著電極會(huì)對(duì)液晶通入電壓，液晶的特性是會(huì)在電壓的作用下，會(huì)使線偏振光產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)，也就是說會(huì)改變偏振光的振動(dòng)方向。改變振動(dòng)方向的光再遇到一個(gè)與第一個(gè)偏振片起偏方向垂直的偏振片。根據(jù)不同的偏轉(zhuǎn)角度，得到的光強(qiáng)隨液晶將光偏轉(zhuǎn)角度的不同會(huì)有強(qiáng)有弱，由電壓控制，最后由三個(gè)這樣的單位，分別通過紅綠藍(lán)三種顏色的濾色器，得到一個(gè)RGB像素點(diǎn)。

圖3 液晶顯示器發(fā)光原理

特點(diǎn)三


衍射，光波在傳播過程中遇到障礙物時(shí)，會(huì)偏離原來的傳播方向彎入障礙物的幾何影區(qū)內(nèi)，并在幾何影區(qū)和幾何照明區(qū)內(nèi)形成光強(qiáng)的不均勻分布的現(xiàn)象。

17世紀(jì)菲涅爾在惠更斯的干涉理論上加以補(bǔ)充，發(fā)展成為惠更斯-菲涅爾原理。菲涅爾在研究了光的干涉現(xiàn)象以后，考慮到干涉現(xiàn)象來自于同一光源，它們是相干光，因而波前任意一點(diǎn)的光振動(dòng)應(yīng)該是波前上所有子波相干的結(jié)果。這種子波相干疊加的思想叫做惠更斯-菲尼爾原理。

在成像系統(tǒng)中，衍射問題是不可避免的，在幾何光學(xué)中，因?yàn)槿魏喂鈱W(xué)儀器都有限制光束的光瞳。這樣使原本在像方成像的點(diǎn)，變成一個(gè)衍射光斑。但相比波長(zhǎng)來說，光瞳尺寸要大的多，就使得衍射像斑還是極小的。

圖4 衍射圖案

如圖4所示，一個(gè)圓孔的衍射圖形實(shí)際使一個(gè)環(huán)形圖案，這種可以稱為多級(jí)衍射條紋。
圖5 分辨兩個(gè)衍射點(diǎn)
當(dāng)兩個(gè)接近的點(diǎn)成像后就會(huì)如圖5所示，兩個(gè)衍射圓會(huì)有部分重疊在一起，如果距離更加接近，光強(qiáng)分界線變得模糊，不明顯，使得我們無法分辨兩個(gè)點(diǎn)，此時(shí)兩個(gè)點(diǎn)之間的距離有了一個(gè)定義，當(dāng)兩個(gè)點(diǎn)逐漸接近，使得我們能恰好分辨兩個(gè)點(diǎn)的距離，稱為分辨率。這也是衍射對(duì)幾何光學(xué)最主要的影響。為了更好統(tǒng)一恰好分辨這個(gè)概念，一般在光學(xué)中利用瑞利判據(jù)，定義一個(gè)點(diǎn)物衍射圖樣的中央極大與近旁另一點(diǎn)物衍射圖樣的第一極小重合，作為光學(xué)成像系統(tǒng)的分辨極限，認(rèn)為此時(shí)恰好可以分辨開兩個(gè)點(diǎn)物。

【來源：光虎光學(xué)內(nèi)部培訓(xùn)資料】


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