淺談光學理論發展

南祎楠河南省平頂山市魯山縣第一高級中學

淺談光學理論發展

南祎楠
河南省平頂山市魯山縣第一高級中學

光學理論迅速發展對社會的發展和科技的進步起到了巨大的推動作用。本文首先分析了光學理論的各個分支，在此基礎上對光學理論中的幾何光學、波動光學、量子光學的特點和聯系進行了討論，并進行總結。

幾何光學；波動光學；量子光學；聯系

1 、引言

光學是近代物理的基礎，也是物理學的重要組成成分。光學理論的發展歷經幾個世紀：在春秋戰國時期就有了對幾何光學的研究，16世紀到17世紀形成了一定的理論體系，這個時期人們認為光是經直線傳播的一種物質；波動光學學說最早由惠更斯等人創立，波動光學認為光是一種電磁波，從17世紀開始研究，19世紀末由麥克斯韋將其發展成為完整的理論。對于量子光學的研究是從19世紀末開始的，于20世紀初其形成了一套完整的理論。量子光學認為光的本質是一份份的能量子。以上即為光學理論的三大分支的發展歷程。本文旨在對幾何光學、波動光學和量子光學三個光學分支各自的特征和他們之間的關系進行深入分析。

2 、光學理論的發展

2.1 光學理論的分支

2.1.1 幾何光學

幾何光學的是基于光沿直線傳播并互相獨立傳播的傳播原則，光的反射和折射定律，以及對光線的定義而產生的光學理論。由于幾何光學的理論不是針對光的本性的討論,僅是依據光的直線傳播這一定律，運用幾何理論和幾何作圖為工具來分析光的傳播現象。費馬原理是幾何光學中關于光線傳播現象研究中最基本的方法，可以通過它直接推導出幾何光學的三大實驗定律。幾何光學在我們的生活以及科學研究方面都有重要的應用，它是設計光學器械的基礎定律，同時，可以通過它較準確便捷地處理成像問題。

2.1.2 波動光學

波動光學是基于對光的電磁波解釋，以及光的波長、相位等電磁波概念，來分析光在介質中的不同傳播現象以及各種現象表現出的電磁特征，以及這些光學規律在實際中的應用。波動光學理論分析基于將光作為小波長的電磁波而產生的光學理論，用到的數學方法是簡諧振動的正弦、余弦規律。對波動光學理論的研究已經非常成熟了，能夠用波動光學的基本觀點和規律來準確地解釋很多光學現象，因此，波動光學的發展對人們對光的本性的深入研究有巨大的現實意義。

2.1.3 量子光學

量子光學則是基于光子流理論，能量子假說以及愛因斯坦的光子理論而產生的光學理論。量子光學理論分析對象包括對光場的量子統計特性、光和物質之間發生相互作用時的量子特性，以及各種光場的相干統計特性,物質和真空場的相互作用等。量子光學中所用的基本原則是將光看作一份份能量子，并將光學現象采用波函數進行描述。量子光學逐漸發展為現代光學、激光理論以及激光技術的基本觀點，因此量子光學理論也被大量應用在激光領域。

2.2 各個光學理論分支間的聯系

2.2.1 幾何光學與波動光學

電磁波在傳播過程中往往會出現衍射現象，就是波向各個方向繞射的現象而非直線傳播，但通常情況下光的傳播又是以直線形式進行的，這個自相矛盾的光學現象能夠利用光的衍射實驗來解釋。下面看看光的衍射實驗：

當光通過的小孔的半徑大于某定值時,孔另一側的屏上會出現一個均勻的光斑，同時光斑是圓孔的幾何投影，此時光的傳播能夠用光的直線傳播定律來解釋。當小孔的半徑減小到一定程度時，屏上的光斑會伴隨孔的半徑的減小而漸漸擴散、彌漫最后光斑的強度分布會變為不均勻的狀態，此時屏上出現明暗相間的圓環，同時圓環中心明暗交替，這被稱作光的衍射。通常光的衍射現象是否發生由小孔半徑同光波波長的比值決定。所以從理論上看，光的直線傳播是在光波的波長小于障礙物或孔半徑尺寸時衍射現象的近似，因此可以將幾何光學看作是光波波長趨于零時波動光學的近似。兩者之間可以在特定條件下進行轉化。

2.2.2 波動光學與量子光學

愛因斯坦的光子理論認為光子具有波粒二象性。光的二象性在科學研究中也有廣泛的應用，能量和動量描述粒子特性的標志性物理量，而頻率和波長是描述波動特性的標志性物理量，光的波動性和粒子性通過普朗克常數h建立了定量聯系。波長較長和頻率較低的光子，其能量和動量小，那么他的波動特性就會更明顯；而波長較短和頻率較高的光子，其能量和動量大，那么他將表現出更多的粒子特性。

光的波粒二象性由普朗克常數聯系在一起，因此可以認為波動光學和量子光學也由普朗克常數聯系起來。光的波粒二象性能夠通過統計方法聯系起來，大量光子同時通過和每個光子單獨通過間的區別只在于前者是對空間的統計平均，而后者是對時間的統計平均。統計的觀點統一了光的粒子特性和波動特性，將微觀概念上的波動性和宏觀概念上的粒子性結合到了一起。

2.2.3 量子光學與幾何光學

由量子光學理論中的基本定律也可以推導出幾何光學的反射、折射定律，在深入研究發現采用量子理論，還能夠推導出幾何光學的另外兩大傳播規律，這能夠說明量子光學和幾何光學之間存在緊密的關系。這是因為幾何光學是波動光學在光波波長無限接近零時的近似，同時波動光學是量子光學的統計結果，因此幾何光學能夠看成量子光學在統計上的近似。光學中對波長趨于零的光子運動進行統計解釋就可將量子光學問題轉化為幾何光學的范疇進行研究。

3 、總結

綜上所述，光學的三個分支理論都有自己的特點，它們之間雖有明顯區別，但也緊密地聯系在一起。在特定條件下，三個光學分支的基本定律在本質上是相同的，三個光學分支的基本光學定律之間還能夠相互轉化。各種光學基本規律之間的轉換使幾何光學、波動光學和量子光學理論間的關系更密切。這種聯系也能讓人們更加清楚地認識光學，對推動光學理論的進一步發展起到巨大作用。

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