光学是研究光的行为和特性的物理学分支,包括光与物质的相互作用以及使用或检测光的仪器的构造。光学通常描述可见光、紫外光和红外光的行为。因为光是一种电磁波,所以其他形式的电磁辐射,如X 射线、微波和无线电波也表现出类似的特性。

大多数光学现象可以通过使用光的经典电磁描述来解释。然而,光的完整电磁描述通常难以在实践中应用。实用光学通常使用简化模型完成。其中最常见的几何光学将光视为光线的集合,这些光线沿直线传播,并在穿过或从表面反射时弯曲。物理光学是一种更全面的光模型,包括衍射和干涉等波动效应这在几何光学中是无法解释的。历史上,首先开发了基于光线的光模型,然后是光的波动模型。19世纪电磁理论的进步导致发现光波实际上是电磁辐射。

一些现象依赖于具有波状和粒子状特性的光。这些效应的解释需要量子力学。在考虑光的类粒子特性时,光被建模为称为“光子”的粒子集合。量子光学涉及量子力学在光学系统中的应用。

经典光学

经典光学分为两个主要分支:几何光学和物理光学。在几何光学中,光被认为是直线传播,而在物理光学中,光被认为是电磁波。

几何光学可以看作是物理光学的近似,当所使用的光的波长远小于被建模系统中光学元件的尺寸时,它适用于物理光学。

几何光学

几何光学,用直线传播的射线来描述光的传播,其路径受不同介质界面处的反射和折射定律支配。这些定律早在公元984年就已凭经验发现,并且从那时起一直用于光学元件和仪器的设计。它们可以总结如下:

  1. 当一束光线撞击两种透明材料之间的边界时,它分为反射光线和折射光线。
  2. 反射定律说反射光线位于入射平面内,反射角等于入射角
  3. 折射定律说折射光线位于入射平面内,入射角的正弦除以折射角的正弦是一个常数:

,

其中n是任意两种材料和给定颜色的光的决定的常数。如果第一种材料是空气或真空,n是第二种材料的折射率。

反射和折射定律可以从费马原理推导出来,该原理指出,光线在两点之间所走的路径是可以在最短的时间内穿过的路径。

反射和折射

镜头

由于折射而产生会聚或发散光线的装置称为透镜。透镜的特点是它们的焦距:会聚透镜具有正焦距,而发散透镜具有负焦距。较小的焦距表示镜头具有较强的会聚或发散效果。一个简单的镜头在空气中的焦距由镜头制造商方程给出。

镜头

光线追踪可用于显示镜头如何形成图像。对于空气中的薄透镜,图像的位置由简单方程给出

,

是物体到镜头的距离,是镜头到图像的距离,并且是镜头的焦距。在此处使用的符号约定中,如果物体和图像位于镜头的相对两侧,则物体和图像距离为正。

物理光学

在物理光学中,光被认为是作为波传播的。该模型预测了几何光学无法解释的干涉和衍射等现象。

波动模型可用于预测光学系统的行为方式,而无需解释什么是在什么介质中“波动”。直到 19 世纪中叶,大多数物理学家都相信光干扰在其中传播的“空灵”介质。1865 年麦克斯韦方程组预测了电磁波的存在。这些波以光速传播,并具有相互正交的变化电场和磁场,也与波的传播方向正交。光波现在通常被视为电磁波,除非必须考虑量子力学效应。

叠加和干涉

在没有非线性效应的情况下,叠加原理可用于通过简单地添加干扰来预测相互作用波形的形状。波的这种相互作用以产生结果的模式通常被称为“干扰”,并可能导致各种结果。如果两个相同波长和频率的波同相,则波峰和波谷都对齐。这会导致建设性干扰以及波幅的增加,对于光而言,这与该位置的波形变亮有关。或者,如果相同波长和频率的两个波异相,则波峰将与波谷对齐,反之亦然。这会导致相消干涉和波幅的降低,这对于光而言与该位置的波形变暗有关。

衍射和光学分辨率

衍射是最常观察到光干涉的过程。1665 年, Francesco Maria Grimaldi首次描述了这种效果。第一个基于惠更斯-菲涅耳原理的衍射物理光学模型是由 Thomas Young 于1803 年在他的干涉实验中开发的,他对两个紧密间隔的狭缝的干涉图案进行了干涉实验。杨表明,只有当这两个狭缝充当两个独特的波源而不是微粒时,才能解释他的结果。在 1815 年和 1818 年,Augustin-Jean Fresnel 牢固地建立了波干涉如何解释衍射的数学。

色散和散射

折射过程发生在物理光学极限中,其中光的波长与其他距离相似,是一种散射。最简单的散射类型是汤姆逊散射,它发生在电磁波被单个粒子偏转时。在汤姆森散射的极限中,光的波状特性很明显,光的散射与频率无关,而康普顿散射则依赖于频率,是一个严格的量子力学过程,涉及光作为粒子的性质。在统计意义上,许多远小于光波长的粒子对光的弹性散射是一个称为瑞利散射的过程而波长相似或更大的粒子的类似散射过程称为米氏散射,廷德尔效应是常见的观察结果。来自原子或分子的一小部分光散射可能会发生拉曼散射,其中频率由于原子和分子的激发而改变。当光的频率由于随时间的局部变化和致密材料的运动而发生变化时,就会发生布里渊散射。

棱镜的颜色分离是正常色散的一个例子。在棱镜表面,斯涅尔定律预测,与法线成 θ 角入射的光将以 arcsin(sin (θ) / n ) 角折射。因此,具有较高折射率的蓝光比红光更强烈地弯曲,从而形成了众所周知的彩虹图案。

极化

极化是波的一般属性,它描述了它们的振荡方向。对于诸如许多电磁波之类的横波,它描述了垂直于波传播方向的平面中的振荡方向。振荡可以定向为单一方向(线性偏振),或者振荡方向可以随着波的传播而旋转(圆形或椭圆偏振)。圆极化波可以在传播方向上向右或向左旋转,而这两种旋转中的哪一种出现在波中称为波的手性。

现代光学

现代光学涵盖了 20 世纪流行的光学科学和工程领域。这些光学科学领域通常与光的电磁或量子特性有关,但确实包括其他主题。现代光学的一个主要子领域,量子光学,专门处理光的量子力学性质。量子光学不仅仅是理论上的;一些现代设备,例如激光器,具有依赖于量子力学的工作原理。光探测器,如光电倍增管和通道加速器,对单个光子做出响应。电子图像传感器,如CCD,会出现散粒噪声。对应于单个光子事件的统计数据。没有量子力学也无法理解发光二极管和光伏电池。在这些器件的研究中,量子光学经常与量子电子学重叠。

光学研究的专业领域包括光如何与特定材料相互作用的研究,如晶体光学和超材料。其他研究侧重于电磁波的现象学,如奇异光学、非成像光学、非线性光学、统计光学和辐射测量。此外,计算机工程师对集成光学、机器视觉和光子计算作为“下一代”计算机的可能组件感兴趣。

今天,纯粹的光学科学被称为光学科学或光学物理学,以区别于应用光学科学,后者被称为光学工程。光学工程的突出子领域包括照明工程、光子学和光电子学,具有实际应用,如透镜设计、光学元件的制造和测试以及图像处理。其中一些领域重叠,主题术语之间的界限模糊不清,在世界不同地区和不同行业领域的含义略有不同。由于激光技术的进步,在过去的几十年里,一个专业的非线性光学研究人员社区已经发展起来。

激光

激光是一种通过称为受激发射的过程发射光的设备。激光通常是空间相干的,这意味着光要么以窄、低发散的光束发射,要么可以在光学元件(如透镜)的帮助下转换成一束。由于首先开发了激光的微波等效物,即微波激射器,因此发射微波和无线电频率的设备通常称为微波激射器。

Kapitsa-Dirac 效应

Kapitsa-Dirac 效应导致粒子束由于遇到驻波光而发生衍射。光可用于使用各种现象定位物质。

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