光学讲座.docx

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1、光与物质的相互作用1 .光学发展的历史简介人们从2000年前的古希腊时期开始便在讨论光的本质是什么。在光学的不同方面中，发展最早的的是几何光学，主要以光的直线传播以及折射和反射为基础，来研究不同物体在不同情况下的成像规律。如今我们在动画渲染方面仍然应用者几何光学，利用追踪技术来制作可以以假乱真的动画画面O在集合光学中，费马提出光在两点之间总沿着用时最短的路径传播，也就是光程最短，这也就是折射产生的原因。后来，牛顿提出光是一种粒子，成功解释了光的一部分特性，但是如今大家普遍否认光只是一种粒子的说法，因为再后来的双缝干涉证实了光同时也是一种波。既然是说光是一种波波，那么是什么在震动呢？19世纪的科

2、学家认为宇宙中充满着以太，以太的震动产生了电磁波，但是后来的迈克尔逊莫雷实验证明了这种说法是错误的，现代物理学认为光的传播不需要任何媒介。在光学发展的同时，电磁学也在飞速发展，麦克斯韦语言了电磁波且计算出电磁波传播的速度，后来赫兹通过著名的赫兹实验证明了电磁波的存在：通过两个线圈，一边通电电路产生电火花，另一边没有电源的电路也产生了火花，证明电磁波的存。物理学家们发现通过麦克斯韦方程解出来的电磁波传播速度与光速相差无几，后面的种种实验也证明，光就是一种电磁波。2 .光的本质首先我们看一下光作为波的性质。我们知道有一种产生光的方式同步辐射：当在电磁加速器中，如果电子的速度接近光速，高速电子会就发

3、出电磁波，通过调整频率就得到了可见光。同时我们知道，只有粒子可以给别的粒子传递能量。光和物质作用时可以以hv的整数倍交换能量，当光的能量增加，电子可以吸收更多的光子，但是不可能吸收半个光子。因此证明光也是一个粒子。这就是光的波粒二象性。3 .波动光学通过麦克斯韦方程组，我们可以推出光的运动方式。第一个方程，描述了磁场产生电场的过程；第二个方程，描述了电流产生磁场的过程；第三个方程，描述了电场的分布，与库仑定律相似；第四个方程，说明了磁场在闭合曲面上的积分是0。麦克斯韦方程简单的解是简谐波，方程是一个COS函数，就像普通的波一样。4 .如何控制光描述一束光光的量有如下几个首先因为光是一种电磁波，

4、电场和磁场会影响光的发射和传播。其次是光的强度一束光的强度的单位是wm9,表示单位面积上的光产生的能量，也就是我们平时所描述的光的亮度的物理单位。第三，光的波长是描述了一个光波的长度，也就是我们平时所说的可见光光的颜色，红外线，紫外线，X射线与可见光的本质不同也是波长。第四，偏振指的是一束光的波动方向，通过透过偏振片的光的亮度，我们可以测出一束光的偏振，也就是说光的振动方向。第五，相位，这是一束光在特定时间打到一个特定点的时候的处在一段波的什么位置，究竟是波峰波谷还是一些别的相位，知道了相位这个条件，我们可以判断出哪两束光可以在哪些点产生干涉进而增强或减弱。最后是能谱，我们通过一束光照射到物体

5、的表面，物体表面的电子便会被激发，我们可以通过这些电子的状态来判断物体表面的电子分布如何，这种技术在材料学中被广泛应用。在这几种特性之之中，偏振和相位与光的波动性相关，其余特性与粒子性相关。知道了描述光的物理量，我们深入的讨论一下如何来控制光来完成一些高端的实验。首先光会自然的发散，即便是最光子最集中的激光也有一个发散角，在传播一段距离之后能量会不可避免的流失。那么怎样来减少这个流失呢？首先，扩束可以减少这个发散角，另外，望远镜或者增大口径也可以减少发散。其次用来调整光的强度的方法是小孔衍射和狭缝衍射，光盘也是光栅的一种也可以用来调整光的亮度。第三，通过光反射的特性我们制作出了光纤，我们可以利

6、用光纤进行通讯。如果用光通讯的话需要将其约束在一个管道里，利用光的全反射从光纤的一端照入光，光就会从另一端射出来。利用光的反射我们也可以实现对光的方向的控制：在高端实验中我们需要利用反射率更高的平面镜进行反射利用平面镜银对于光的反射最强，需要达到99.5%的反射率，银还不够，在进行最精密的物理实验的时候会用到介质波反射镜，反射率在一定条件下可以达到100%反射，如果是反射绿光，那么别的颜色的光就可以透过去。第四，光的偏振，光分为线偏振光，圆偏振光等，而偏振片只允许一个方向的光穿过，因此当一束偏振光透过偏振片的时候，转动偏振片的角度就可以控制不同偏振的光的透过率。通过偏振光在立体电影就有很大的作

7、用。立体电影的播放使用两台放映机用两种不同的偏振光播放左眼和右眼应该看到的不同的画面，而镜片分别有不同的偏振片分别阻挡人不应该看到的那部分光。在高端物理实验中我们有时会用到飞秒激光它提高了激光的能量量级，飞秒激光产生的方式是把种子脉冲展宽，放大然后再压缩，得到短时间内的巨大脉冲。如今光学仍然在发展，出现了很多新的材料，使得激光脉冲持续缩短，能量也持续提高。光与物质相互作用的特点光与物质的相互作用有两个维度,1光子能量，2强度在光的能量增加使最终会产生电子对效应，即一个光子湮灭同时产生一个电子对而光的强度增加会导致一下效应；非线性光学效应：光的自聚焦现象，即光字之间互相吸引；场电离效应；相对论效应：粒子被加速到接近光速；真空电离：撕裂真空，产生电子对；