1、本科生毕业论文（设计）册学 部： 理学部专 业： 物理学班 级： 2009 级 1 班学 生： 谷晓巍指导教师： 毛素华论文编号： 2013230204023河北师范大学汇华学院本科毕业论文（设计）任务书编 号： 2013230204023 论文（设计）题目： 人类对光的认识历程 学 部： 理学部 专业： 物理学 班级： 2009 级 1 班 学生姓名： 谷晓巍 学号： 2009512515 指导教师： 毛素华 职称： 副教授 1、论文（设计）研究目标及主要任务本文论述了光学发展的历史进程和各个发展时期主要的理论成果，并从中总结出事物发展的一般规律以及科学研究中处理问题的普遍方法，用以指导人类
2、的社会生产实践，从而促进科学的进一步发展。2、论文（设计）的主要内容本文简要介绍了光学发展的几个时期，并总结了各个时期主要的理论成果和研究方法，并用哲学的观点对该历史进程进行分析。揭示了人类认识事物的一般规律，以及人类社会进步的曲折性。3、论文（设计）的基础条件及研究路线在参阅国内外丰富的相关文献的基础上，对光学的发展历程有一个大致的了解。将光学的发展分为不同时期，总结出各个时期主要的理论成果，并对各个时期进行比较，再用唯物辩证法的理论进行分析。最后总结出光学的发展体现了辩证法，同时辩证法的观点也可以指导光学的进一步发展。4、主要参考文献1姚启钧.光学教程.北京:高等教育出版社.2008:6.
3、2赵凯华.光学.北京:高等教育出版社.2004:11.3林静.五彩缤纷的光.北京:中国社会出版社.2012:1.4张智光.生活中的辩证法与智慧.南海出版公司.2010:5.5、计划进度阶段 起止日期1 做好选题的前期准备工作 2013.1-2013.22 确定选题，与指导老师一起制定研究方案，查阅文献资料 2013.2-2013.33 写出论文提纲，经老师审查通过，完成论文初稿 2013.3-2013.44 修改论文，论文定稿 2013.4-2013.55 论文答辩 2013.5指 导 教师: 2012 年 12 月 25 日教研室主任: 年 月 日河北师范大学汇华学院本科生毕业论文（设计）开
4、题报告书理 学部 物理学 专业 2013 届学生姓名 谷晓巍论文（设计）题目 人类对光的认识历程指导教师 毛素华专业职称 副教授所属教研室 理论物理研究方向课题论证：21 世纪科技迅猛发展，但是发展过程中还存在许多问题。所以我们不仅要具备坚实的理论知识基础，更要掌握事物发展的一般规律，这样才能明确科技发展的方向从而更好地引领科技。本文希望通过总结光学的发展史来论证科技发展的一般规律，从而指引人们按照自然规律指导实践。方案设计：介绍光学发展背景知识，及各阶段研究成果，介绍当前研究状况和发展前景，介绍光的波粒二相性，重点是其理论的形成过程，并对光的本质作进一步探讨。进度计划：2 月下旬至 3 月中
5、旬查阅资料，3 月中旬开始翻译文献撰写论文，4 月中旬完成论文初稿，至 5 月 4 号完成修改整理并提交。指导教师意见：指导教师签名： 2013 年 3 月 12 日教研室意见：教研室主任签名： 年 月 日河北师范大学汇华学院本科生毕业论文（设计）文献综述从 20 世纪 60 年代起，光学与许多科学技术、现代光学发展的同时派生出新的分支科学,例如信息光学、环境光学、非线性光学、材料光学等。光学有着广阔的发展前景，但在发展过程中还存在很多问题。当今世界正处于光电信息产业飞速发展的时代,光电子技术已成为 21 世纪高新技术产业的亮点之一。近十年来全球及中国光电信息产品的增长率一直保持在两位数以上。
6、据专家预测,至 2013 年,全球光电产业将形成 5000 亿美元的年产值,光电信息产品有着广阔的市场前景。由于光电信息产品的信息采集、传输、存储、转换和显示都与光学材料密切相关,使光学材料的功能得到了迅速开发,在高科技领域得到了日益广泛的应用。与此同时,镧系光学玻璃、环保系列光学玻璃、低熔点及磷酸盐光学玻璃等新材料所蕴含的先进生产技术,对促进我国光学材料行业优化升级,提高工艺技术和产品质量,改善环境质量,赶超世界先进水平起到了积极地带动作用。21 世纪光学及光电子行业的材料研究进入了一个全新的时代，特别是近些年来,由于新型光电对抗武器、高精密数码摄像、光存储、液晶显示等光电子产品的飞速发展,
7、所以在光学仪器中对光学元件的轻量化、小型化和高性能化等技术指标提出了更高的要求,对光学玻璃的功能化也提出了新的要求。光学材料已经向高精密、多功能的光电信息材料方向发展。其中用于液晶显示基板的高精密薄板玻璃、高品质镧系光学玻璃生产工艺、低熔点光学玻璃、非球面压型工艺、环保型光学玻璃、高密度光磁盘玻璃、磷酸盐光学玻璃、热成像用红外玻璃、微光夜视用光学玻璃、特种光纤玻璃,梯度折射率玻璃、磁光和声光玻璃等,都是国外近些年来开发生产的新型光学材料和先进的生产工艺。这些技术的创新成果满足了军民高科技的发展需要。我国在新型光学光电信息材料发展方面与国外相比还存在着较大的差距,其中液晶显示基板的高精密薄板玻璃
8、、低熔点光学玻璃、非球面压型工艺、磷酸盐光学玻璃、高密度光磁盘玻璃在国内还处于空白;环保型光学玻璃、镧系光学玻璃的品种和质量及熔炼工艺技术还有待进一步提高,很多产品还有待进一步开发。我国这些年科技发展迅速，但在很多方面与其他发达国家相比还是有一定差距的。为了实现中华民族的伟大复兴必须大力发展科技，提高国民的综合素质。对光学历史进程的深刻认识不仅能够提高我们的知识水平，更有助于我们从历史中总结一般规律从而更加明确地把握科技发展的动力所在，有助于更好地预测未来指导实践，也有助于提高我们的科技探索能力。河北师范大学汇华学院本科生毕业论文（设计）翻译文章最大的衍射光栅科学，264 卷（1994 ） ，
9、p. 917.2在上世纪 90 年代，当脉冲放大技术需要足够精密的脉冲压缩光栅的问题出现时，利弗莫尔的开发缓解了光学和拍瓦激光脉冲的巨大压力。在当时没有设备能够推动光学的相应方面的发展，所以特殊的制造技术和光栅的出现是必要的。大胆的，高风险的方法程序设计师麦克佩里、物理学家布鲁斯岸、激光工程师 Bob 博伊德和化学工程师杰里布里顿实现了光栅的设计和制造。这项设计是奇特的。它引起了最大的单一元件光栅的时代的到米。不同类型的衍射光学元件中，具有光的波长尺度的表面结构的元件，可用来控制光的传播和分布。他们可能是像镜子一样可以反射或透射光的镜头，也可以产生多束光束或各种衍射花样。衍射光栅可以将样品光的
10、宽带激光脉冲束拉伸或压缩，或者改变其传播方向。菲涅耳衍射透镜有助于集中光束。衍射光学元件可以用很薄很轻的物质制成，但这些元件有非常高的效率。在利弗莫尔的制造过程中，首先要完成基板的第一抛光，这使得基板非常平整。然后涂上一层光致抗蚀剂。光致抗蚀剂层的厚度可小于一微米甚至可达 30 微米，这取决于所制作的光栅的用途。对光栅干涉光刻掩模是为了形成一层光致抗蚀剂膜和槽图案。细达 3000 线/毫米的槽图案将分散出频率更加精确的光。通过严格控制光致抗蚀剂的类型和厚度及制作步骤，便可以制成各种各样的槽的轮廓。 “弯曲”的光学部件，可以用弯曲的槽或有不同的槽间距的平板玻璃来制造。利弗莫尔的衍射光学小组去年大
11、概生产了 50 个光栅。目前，他们正在美国和其他一些国家制造光学激光设施，这些设施包括正在德国，日本和英国兴建的衍射光学拍瓦级激光工程。他们还为国家点火设施和轻量化光学等各种发展领域建立了应用衍射光学。世界各地的其他研究人员没有被束缚于拍瓦激光产生的物理学的新时代。德国、英国、法国和日本的一些科学家，正在发展自己的拍瓦级激光器。利弗莫尔将为这些激光器提供大量的可用于拉伸和压缩的衍射光栅。同时，与利弗莫尔的科研组合作的科学家们，还可以利用这些昂贵的激光器进行实验。.The Largest Diffraction GratingsScience, Vol. 264 (1994), p. 917.
12、2In the 1990s, when chirped-pulse amplification required pulse compression gratings of sufficient size, optical quality, and ability to withstand the enormous power of the Petawatt laser pulse, Livermore developed them. No facilities were capable of producing the necessary optics, and different fabr
13、ication techniques and grating designs were needed. The bold, high-risk approach taken by program leader Mike Perry, physicist Bruce Shore, laser engineer Bob Boyd, and chemical engineer Jerry Britten has resulted in a grating design and fabrication capability that is unique. It produces the largest
14、 single-element gratings in the world, up to a meter across.Different types of diffractive optics, which have wavelength-scale surface structures, are used to manipulate light delivery and distribution. They can be either reflective like a mirror or transmissive like a lens; they can produce multipl
15、e beams or shape the beam. Diffraction gratings can stretch or compress a broadband laser pulse, sample a beam of light, or steer it. Fresnel (diffraction) lenses help to focus light beams, and phase plates shape beams and homogenize them. Diffractive optics can be made on thin, lightweight substrat
16、es and yet can have very high efficiency.In the Livermore fabrication process, the substrate is first polished and made very flat. A layer of photoresist is then applied. The thickness of the photoresist layer may be less than a micrometer or as much as 30 micrometers, depending on the use for the o
17、ptic. For gratings, interference lithography or a mask is used to expose a layer of photoresist and create a groove pattern. The finer the groove pattern-up to 3,000 lines per millimeter-the more light will be dispersed by the optic. By carefully controlling the photoresist type and the exposure and
18、 development steps, a variety of groove profiles can be produced. A “curved“ optical component can even be made out of flat glass by curving the grooves or varying the spacing of the grooves.Following production of the grating pattern in the photoresist, the component is either gold-coated for metal
19、 gratings or ion-beam etched for multilayer or transmissive optics.Livermores Diffractive Optics Group produced about 50 gratings last year. Currently, they are fabricating optics for laser facilities in the U.S. and several other countries, including the diffractive optics for petawatt-class lasers
20、 under construction in Germany, Japan, and England. They are also developing diffractive optics for the National Ignition Facility and lightweight optics to be used in various space applications. Other researchers around the world have not been blind to the new regime of physics that the Petawatt la
21、ser has produced. Scientists in Germany, England, France, and Japan are developing petawatt-class lasers of their own. Livermore will provide the diffraction gratings used to stretch and compress the pulse for many of these lasers. At the same time, Livermore scientists are planning collaborative re
22、search projects so they can continue to perform experiments on these powerful lasers.本科生毕业论文设计人类对光的认识历程作者姓名： 谷晓巍指导教师： 毛素华所在学部： 理学部专 业： 物理学班级（届）： 2013 届 1 班二一三年四月二十六日目 录绪论 11 萌芽时期 11.1 墨子的光学思想11.1.1 影像观点 11.1.2 小孔成像 11.2 西方的光学思想22 几何光学时期 22.1 牛顿的微粒说 22.2 几何光学的基本原理 32.2.1 几个基本概念和定律 32.2.2 光的折射和反射 33 波
23、动光学时期 53.1 光的干涉 53.2 光的衍射 63.3 光的偏振 73.3.1 自然光与偏振光 73.3.2 反射和折射时光的偏振 73.3.3 偏振片、起偏器和检偏器 83.3.4 偏振光的鉴别94 量子光学时期104.1 干涉性的量子解释 104.2 自发辐射与受激辐射 11参考文献 14英文摘要、关键字 15人类对光的认识历程摘要：光学是一门重要的基础科学，它与人类的生存发展和生产实践休戚相关。人类对光学的认识经历了几千年的历程，光学的发展大致分为萌芽时期、几何光学时期、波动光学时期、量子光学时期、现代光学时期五个阶段。每个阶段都取得了丰硕的成果，整个过程体现了人类对光学的认识的不
24、断深入。人类对光现象的认识还处在不断的发展变化中。近代的科学实验表明光是一种十分复杂的客体。光的一些方面像经典的“波动” ，另一些方面又像经典的“粒子” 。任何经典的概念都不能完全描述光的本性。光的波粒二相性的提出是光的波动性和粒子性理论相互竞争的结果，体现了辩证法中的否定之否定观点。随着新技术的出现，新的理论也在不断发展，已经形成了许多新的分支学科和边沿学科。人类定能更深刻地发掘光的本质，就现在而言，光的波粒二象性是一个很具有说服力的观点，但也并不是完美无缺的。人类期待下一次光学的变革，以便于我们能更好地认识世界。关键词： 几何光学 波动光学 波粒二象性 现代光学1人类对光的认识历程绪论光是
25、一种重要的自然现象，我们之所以能够看到客观世界瞬息万变的景象是由于眼睛接收到物体所发射、散射或折射的光。光学是一门重要的基础科学，与人类的生存发展和生产实践休戚相关。光学的发展大致可以分为萌芽时期；几何光学时期；波动光学时期；量子光学时期和现代光学时期。光学的发展为人类的生产实践提供了许多精密、快捷、生动的实验手段和研究方法。光学理论是建立在观察和试验的基础上，经过分析、综合、抽象概括而得的。近代的科学实验表明光是一种十分复杂的客体。光的一些方面像经典的“波动” ，另一些方面又像经典的“粒子” 。任何经典的概念都不能完全描述光的本性，只能用光所表现的规律和现象来解释。人们经过长期的实践总结出了
26、光的“波粒二象性” 。人类对光现象的认识还处在不断的发展变化中。1 萌芽时期1.1 墨子的光学思想人类对光学的研究始于两三千年前。我国春秋战国时期，墨翟（前 468-前 376）及其弟子所着的墨经中记载着光的直线传播和光在镜面上的反射等现象，并且提出了一些经验性的规律，把物和像的位置及大小与所用的镜面的曲率联系起来。就时间或就科学来讲墨经称得上是有光学知识的最早记录。 墨经的主要观点有：1.1.1 影像观点墨子通过观察运动物体影像的变化，提出了“景不徙”的命题，就是说，运动着的物体的影子是随着物体运动的。不过在今天看来这种现象是一种错觉，因为，当运动着的物体位置移动后，它新的影像是在位置移动后
27、形成的，前一时刻形成的影像已消失。它的影子是由于新旧影像随着物体的运动而连续不断地生灭交替所产生的，并非原有的影像运动到新的位置，所以不是影响自身在做运动。墨子的这一观点被后来的古人继承，并由此提出了“飞鸟之影未尝动”的观点。在物体的本影和侧影问题上，墨子指出，如果光源是点光源，那么物体只有本影出现。如果物体不是点光源，就会产生本影和侧影，这是由于从各点发出的光线重复照射产生的。1.1.2 小孔成像2墨子在进行了小孔成像的试验后，明确指出，光是沿直线传播的，物体通过小孔形成的像是倒立的。他解释说，由于光沿直线传播，当光线经过物体穿过小孔时，物体上方成像于下，下方成像于上，因而成倒像。他还论述了
28、影像的大小与物体的斜正、光源的远近的关系。1.2 西方的光学思想比墨经大约迟一百年，古希腊数学家欧几里得(Euclid，公元前约 330260)的反射光学研究了平面镜成像问题，指出反射角等于入射角的定律。阿拉伯学者阿勒哈增(AI-Hazen，9651038)写过一部光学全书 ，讨论了许多光学的现象。罗马哲学家塞涅卡（Seneca,公元前 365）指出充满水的透明容器具有放大功能。阿拉伯的巴斯拉来和埃及的学者阿尔哈曾都反对欧几里得和托勒密的眼睛发出光线才能看到物体的学说，认为光线来自观察的物体，并且光是以球面的形式从光源发出的，反射光线和入射光线共面。培根（R.Bacon,12131294）提出
29、用透镜矫正视力及采用透镜组制造望远镜的可能性，后来阿玛帝发明了眼镜。从墨翟开始的两千多年的漫长岁月构成了光学发展的萌芽阶段。那时光学的发展比较缓慢，在社会生产实践的推动下，人类在光的反射和透镜应用方面逐渐取得一些成果。2 几何光学时期荷兰的李普塞在 1608 年发明了第一架望远镜，促进了天文学和光学的发展。17 世纪初期延森和冯特纳制作了复合显微镜。伽利略用自己制作的望远镜观察星体，发现了绕木星运行的卫星，这为哥白呢的日心说提供了有力的证据。开普勒汇集前人的基础于 1611 年发表了折光学 ，他提出了用点光源照明时，照度与受照面到光源距离的平方成反比。到 17 世纪中叶，几何光学的基础已基本形
30、成。2.1 牛顿的微粒说17 世纪下半叶，牛顿和惠更斯等人把光学的研究引向进一步发展的道路。1672 年牛顿进行了白光的实验，发现白光通过棱镜后会在光屏上形成按一定次序排列的彩色光带光谱。牛顿认为白光是由各色的光复合而成的，各种色光在玻璃中受到不同程度的折射而被分开。反之，把各种组成成分组合起来会得到原来的白光。而且第一棱镜所分出来的色光不能被第二棱镜再分解。牛顿的白光实验使对颜色的解释摆脱了主观视觉的印象。牛顿还仔细观察了白光在空气薄层上干涉时产生的彩色条纹牛3顿环。首次认识到了颜色和空气厚度之间的关系。牛顿在 1740 年出版的光学一书中根据光的直线传播提出了光是微粒流的理论。他认为这些微
31、粒从光源飞出，在介质中由于惯性而作匀速直线运动。并用此观点解释光的反射和折射定律，在解释牛顿环时却遇到了困难，也难以解释光在绕过障碍物时的衍射现象。惠更斯反对牛顿的微粒说，他在论光一书中从声和光的某些现象的相似性出发，认为光是在“以太”中传播的波,(“以太”是一种假想的弹性介质，充满整个宇宙空间)光的传播取决于“以太”的弹性和密度。运用他的次波理论，不仅能成功地解释反射和折射定理，还解释了方解石的双折射现象。但是由于几何光学观念的束缚，不能由此说明光的干涉和衍射等有关的波动本性的现象。2.2 几何光学的基本原理2.2.1 几个基本概念和定律(1)光在均匀介质中沿直线传播定律；(2)光通过两种介
32、质分界面时的折射定律和反射定律；(3)光的独立传播定律和和光路可逆原理；几何光学是基于以上三个基本实验定律建立的，也可以通过一个更基本的原理即费马原理来导出。费马原理可表述为：光在给定的两点间传播，所走的光程总是一个极值。光所走的路径为最大值、最小值或恒定值。数学表达式为(2.1)0BAvdl式中 ，n 为介质的折射率，上式还可表示为cv(2.2)BAndl2.2.2 光的折射和反射在几何光学时期由牛顿的微粒说占统治地位的同时，由于逐步发现了干涉、衍射和偏振等光的波动现象，以惠更斯为代表的波动说也初步提了出来。这个时期可以说是从几何光学向波动光学过度的时期，体现了人们对光的认识逐步深化的过程。
33、几何光学时期的主要成果有；1、反射定律（1）入射光线、反射光线和法线在同一平面内，且位居法线两侧；（2）入射角 、反射角 的大小相等；ii42、折射定律（1）入射光线、反射光线和法线在同一平面内，且位居法线两侧；（2）入射角 、相应的介质的折射率 ，折射角 、相应的介质的折射率为 ，i 1ni 2n它们满足 21snn3、全反射当光线由光密介质射向光疏介质时如果入射角大于临界角时就会发生全反射现象（入射角的大小为 ） 。12arcsin全反射的应用很广，近年来发展迅速的光导纤维，就是利用全反射的规律使得光线沿着弯曲路径传播的光学器件。4、笛卡尔符号法则几何光学中用于研究成像问题时，应当规定适当
34、的符号法则从而使得所得的结果能普遍适用。（1）线段长度都从顶点算起，凡是光线和主轴的交点在顶点右方的，线段长度的数值为正；凡是光线和主轴的交点在顶点左方的，线段长度的数值为负。物点或像点到主轴的垂线段，在主轴上方为正，下方为负。（2）光线方向的倾角都从主轴算起，一律取小于的角度。由主轴转向有关光线时，若沿顺时针方向转动，则该角为正；若沿逆时针方向转动，则该角为负。（3）在图中出现的长度和角度只能用正值。5、傍轴近似下的物像关系（1）近轴光线条件下球面反射物像公式 (2.3)fRs121 式中 表示物距， 表示像距，R 为球面镜的曲率半径, 为球面镜的焦距ss f 2Rf反射球面镜的放大率为sy
35、m(2.4)图 2.1 符号法则5当 时像为正立的；当 时像为倒立的；当 时成缩小的像；当 时成0m0m1m1m放大的像。（2）近轴光线条件下球面折射物像公式（ 称为光焦度） (2.5)Rnsn n球面折射的放大率为(2.6)snm球面折射物方焦距为(2.7)Rf球面折射像方焦距为(2.8)nf对于共轴球面组成像可以把第 i 个球面所成的像看做第 i+1 个球面的物，利用上述的关系逐次求得物像关系。3 波动光学时期光的本性使光的直线传播不完全符合事实。意大利人格里马第首先发现光的衍射现象，他发现在点光源的情况下，一根直杆的影子比假设光沿直线传播所应有的长度大，这说明光不是严格按直线传播的，它会
36、绕过障碍物前进。接着胡克和波意耳独立的研究了薄膜产生的彩色干涉条纹，这些都为光的波动理论奠定了基础。3.1 光的干涉到 19 世纪，波动光学的体系已基本形成。杨氏和菲涅尔的著作在这时期起到决定性的作用。1801 年杨氏用干涉原理合理地解释了白光照射下薄膜颜色的由来。他做了著名的“杨氏双缝干涉实验” ，并成功地测定了光的波长。图 3.1 为杨氏双缝干涉实验示意图，S 为单色点光源，后面放置一块光阑，光阑上开有两个光孔 和 ，光阑后距离为 d 处放置一光屏。根据惠更斯的次波原理， 和 可以看做次波的波源，由图 3.1 双缝干涉6于它们是由同一光源发出的，所以永远有恒定的相位关系。实验装置中 S、
37、、 都足够小， 和 就成为两个相干光源。光屏上任意一点的相位差为(3.1)1212rkr表示光程差，k 表示条纹级数.3.2 光的衍射1815 年菲涅耳用杨氏双缝干涉补充了惠更斯原理，形成了惠更斯-菲涅耳原理。这个原理可以合理地解释光的衍射现象。惠更斯-菲涅耳原理可以表述如下如图 3.2 所示，波面 S 上每个小面元 都可以看成新的波dS源，各波源均发出次波，波面前方空间某一点 P 点的振幅可以看成波面上各个面元在该处产生的振动的叠加。对面积元 发出的次波的振幅和相位有下列四个假设：dS（1）由于波动理论中波面是一个等相位面，所以可认为 面上各点发出的次波dS都有相同的初相位。（2）次波在 P
38、 点所引起的振动的振幅与 r 成反比。（3）从面元 所发出的次波在 P 处的振幅正比于 的面积，且随倾角 的增大dSd而减小， 指 的法线 与 到 P 点的连线 r 之间的夹角。nes（4）次波在 P 点处的相位，由光程 决定。n根据以上的假设可得(菲涅耳衍射积分) (3.2) dStkrcos(rQAKCdEs 菲涅耳半波带是惠更斯-菲涅耳原理的重要应用。如图 3.3 所示，O 为一点光源，S 为任一时刻的波面，R 为其半径。为了确定光波到达对称轴上任一点 P 时薄面 S 所起的作用，设 P 到波面的距离为 ，将波面分成许多环形0r带使得每相邻两个环形带到 P 点的光程差为半个波长。这样的环
39、形带为菲涅耳半波带。由此方法可求得 P 点的合振幅的表达式为(3.3)k A1212201r02图 3.3 菲涅耳半波带S图 3.2 P 点的和振幅7为第 k 条半波带在 P 点引起的振幅，k 为奇数时上式取正号， k 为偶数时上式取负号。3.3 光的偏振1808 年马吕斯偶然发现光在两种介质界面上反射时的偏振现象。随后菲涅耳和阿拉戈对光的偏振现象进行了研究。1817 年杨氏提出了光波和弦中传播的波相似，并由光的偏振现象提出光是一种横波。光的偏振有五种状态：自然光、部分偏振光、线偏振光、圆偏振光和椭圆偏振光。自然界的大多数光源发出的都是自然光。3.3.1 自然光与偏振光线偏振光又称完全偏振光，
40、光矢量始终沿某一方向；自然光可以看做由轴对称分布，无固定相位关系的大量线偏振光集合而成的；部分偏振光也可看做无固定相位关系的大量线偏振光集合而成的，但这些线偏振光的光矢量强度不完全相同；椭圆偏振光指在垂直于光传播方向的平面内，光矢量沿椭圆轨道以固定角速度旋转的光线，可以看做由两个互相垂直、有固定相位关系的不同强度的线偏振光合成的；圆偏振光指在垂直于光传播方向的平面内，光矢量沿圆形轨道以固定角速度旋转的光线，可以看做由两个互相垂直、有固定相位关系且强度相同的线偏振光合成的。设自然光中任意一个电矢量的振幅为 ，那么所有电矢量的振幅在任意两个互相i垂直的方向上的总分量可以表示为(3.6)iyyixx
41、A自然光可以看成两个振幅相同，振动方向互相垂直的非相干的线偏振光的叠加，其强度 可表示为0I(3.5)2yx0AI令 ， 则2xAI2yI(3.6)2II0yx3.3.2 反射和折射时光的偏振（1）布儒斯特角当一束自然光在两种介质的界面上反射和折射时，反射光图 3.4 布儒斯特角8和折射光的传播方向由反射和折射定律来确定，偏振态则要由光的电磁理论（电磁场的边界条件）来确定。当 时，反射光为完全偏振光，且振动面垂直于入射面，120nita折射光为部分偏振光，此时反射光线和折射光线垂直。此时的 称为起偏角或布儒斯0i特角。(2)光的双折射现象当光束进入各向异性介质时，介质中会出现 o 光和e 光两
42、条折射光线，这种现象即为光的双折射现象。o光和 e 光都是先偏振光，o 光的振动面垂直于自己的主平面，e 光的振动面平行于自己的主平面（主平面是包含晶体光轴和一条给定光线的平面） 。O 光又称寻常光，遵守折射定律，在晶体中各方向传播速度相同。e 光又称非常光，不遵守折射定律，一般不在入射面内，在晶体中各方向上传播速度不同。在光轴的方向上 o 光和 e 光的传播速度及传播方向都一样。3.3.3 偏振片、起偏器和检偏器某些物质能吸收沿某一方向振动的光，而只让与这个方向垂直的光通过，这种性质称为二向色性。涂有二向色性材料的透明薄片称为偏振片。偏振片可以使自然光变成线偏振光，也可以用来检验光的偏振性。
43、如果一束光线 ,在偏振片的透镇方向的分量为 ，则透射光的强度为20EIcosE于是20cosEI(3.7)20cosI上式即为马吕斯定律，可用于计算由偏振片获得的线偏振光的强度。如果入射光是强度为 的自然光，将其沿平行与垂直于偏振片透振方向的两个方向分解，则两个方向0I的光强都为 ，其中垂直于透振方向的分量被吸收，所以透射光的强度为 。2 2I0偏振片可以用作许多光学仪器中的起偏和检偏装置。偏振片作为照相机的滤光镜，还可以滤掉不必要的反射光。在观看立体电影时观众要戴上一副眼镜，这幅眼镜是一图 3.6 偏振片图 3.5 光的双折射现象9对透振方向互相垂直的偏振片，在放映时也通过两个放映机用振动方
44、向互相垂直的两种线偏振光从重叠地放映到银幕上。除了人造偏振片，还可以用双折射晶体制造各种偏振器件。波片是一块光轴平行于表面的单轴晶片，一束光垂直入射到波片后会变成振动方向互相垂直但传播方向相同的 o 光和 e 光。由于波片对 o 光和 e 光的折射率不同，这两束光线透过波片后会产生一定的相位差，这样波片就可以改变入射光的偏振态。o 光和 e 光的相位差为（d 表示波片的厚度） n2oe(3.8)对于某种波长的光，能产生相位差 的波片称为该单色光的 波片；21k41能产生相位差 的波片称为该单色光的半波片；能产生相位差 的波片1k2 k2称为该单色光的全波片。3.3.4 偏振光的鉴别光有五种偏振
45、态，鉴别一束入射光线的偏振态要借助于偏振片和 波片。在一束41光线传播的路径上垂直地插入一块偏振片并且沿传播方向的轴线转动，当偏振片位于某一位置时透射光强度最大，把偏振片转过 后若出现消光，则入射光为线偏振光，2若转过 后仍有光强，则入射光可能为椭圆偏振光或部分偏振光。若不管怎样转动波2片透射光的强度都不改变，则入射光可能是自然光或圆偏振光。椭圆偏振光和部分偏振光的进一步检验：将偏振片停在透射光强最大的位置，在偏振片前插入 波片，使其光轴与偏振片的透振方向一致，再把波片转动 ，若出41 2现消光，则入射光线为椭圆偏振光，否则为部分偏振光。自然光和圆偏振光的进一步区分：在偏振片前插入 波片，再转
46、动偏振片，若出41现消光，则入射光为圆偏振光，否则为自然光。因为圆偏振光可以看做振动方向互相垂直的两束同振幅的线偏振光合成的，这两束光的相位差为 ，引入 波片后又产241生了 的相位差，透射出来的两束光的相位差总共是 0 或 ，它们合成后仍为线偏2振光。19 世纪 60 年代,英国物理学家麦克斯韦建立起了完整的电磁理论。他进一步发展10了光的波动说,用光的电磁波理论代替了光的机械波理论。这时波动说的一个难题“传播媒问题”也被解决了。在麦克斯韦以后的一段时期,光的波动说可以圆满地解释光学的大多数现象,光的波动说达到了全盛时期。4 量子光学时期19 世纪末，光学的研究深入到光的发生和光与物质相互作
47、用的微观机制中。光的电磁理论不能解释光和物质相互作用的一些现象。比如光电效应和黑体辐射中能量按波长分布的问题。1900 年普朗克提出了辐射的量子论，他认为各种频率的电磁波以能量子的方式吸收或发射，能量子的能量是不连续的，满足 ，h 为普朗克常熟， 表示电磁波的频率。这一理论合理的解释了黑体辐射问题，但是由于不符合经典力学规律所以没有受到人们的重视。1905 年爱因斯坦根据能量子的假说，提出了光的量子学说。这个学说一经发表就引起了科学界巨大的反响。爱因斯坦的理论冲破了形而上学的约束，用辩证法的观点阐明光的矛盾本质。自然界的任何事物都是矛盾统一体。光既具有粒子性又具有波动性，在干涉和衍射的实验条件下，波动性成为矛盾的主要方面，光就表现出像“波” ，在
