光学物理学：历史，常用术语，定律，应用 - 物理 - 2025

的物理光学是光学研究的光的波性质和物理现象，只有从波模型理解的一部分。它还研究了干涉现象，偏振现象，衍射现象和其他几何光学无法解释的现象。

波动模型将光定义为电磁波，其电场和磁场相互垂直振荡。

电磁波

光波的电场（E）的行为与其磁场（B）相似，但是由于麦克斯韦关系（1831-1879），电场在磁场中占主导地位，从而建立了以下关系：

其中c =波的传播速度。

物理光学无法解释原子的吸收和发射光谱。另一方面，量子光学确实致力于研究这些物理现象。

历史

物理光学的历史始于Grimaldi（1613-1663）进行的实验，他观察到被照明物体投射的阴影显得更宽且被彩色条纹包围。

他称观察到的现象为衍射。他的实验性工作使他提出了光的波动本质，这与18世纪流行的艾萨克·牛顿（Isaac Newton）的观念相反。

牛顿范式确立了光的行为就像一束小微粒，它们以直线的路径高速传播。

罗伯特·胡克（Robert Hooke，1635-1703年）在色彩和折射的研究中捍卫了光的波本质，他指出光的行为就像声波，几乎在瞬间通过物质介质迅速传播。

后来，惠更斯（Huygens，1629–1695年）基于胡克（Hooke）的思想，在他的《光的特质》（Traitéde lalumière）（1690）中巩固了光的波理论，他认为发光体发出的光波通过一种称为醚的微妙而有弹性的介质。

惠更斯的波动理论比牛顿的微粒理论更好地解释了反射，折射和衍射现象，并且表明光速从密度较低的介质传播到密度较高的介质时会降低。

惠更斯的想法当时未被科学家接受，原因有两个。第一个是不可能令人满意地解释以太的定义，第二个是牛顿在他的力学理论周围的声望，这影响了绝大多数科学家来决定支持光的粒子体范式。

波理论的重生

19世纪初，托马斯·杨（Tomas Young，1773-1829年）成功地使科学界接受了惠更斯基于其光干涉实验结果的波动模型。实验使得确定不同颜色的波长成为可能。

1818年，弗雷斯内尔（Fresnell，1788–1827年）就干涉原理重新阐述了惠更斯的波浪理论。他还解释了光的双折射现象，这使他可以肯定光是横向波。

1808年，Arago（1788-1853）和Malus（1775-1812）解释了波模型中光的偏振现象。

1849年的Fizeau（1819-1896）和1862年的Foucalt（1819-1868）的实验结果可以验证光在空气中的传播比在水中的传播快，这与牛顿的解释相矛盾。

麦克斯韦（Maxwell）在1872年发表了他的《电力与磁性论》，其中阐述了合成电磁的方程式。从他的方程式中，他获得了波动方程式，使他能够分析电磁波的行为。

麦克斯韦（Maxwell）发现电磁波的传播速度与传播介质有关，并且与光速一致，因此得出结论，光是电磁波。

最终，赫兹（1857–1894）在1888年成功产生并检测了电磁波，并确认光是电磁波的一种。

物理光学研究什么？

物理光学研究与光的波特性有关的现象，例如干涉，衍射和偏振。

干扰

干扰是指两个或两个以上的光波在空间的同一区域中共存，从而形成明暗带的现象。

当多个波加在一起以产生更大幅度的波时，会产生亮带。这种干扰称为相长干扰。

当波重叠以产生较低振幅的波时，该干涉称为相消干涉，并产生暗光带。

干扰

彩色带的分布方式称为干涉图样。在潮湿的道路上的肥皂泡或油层中可以看到干扰。

衍射

衍射现象是光波碰到障碍物或开口时会经历传播方向的变化，从而改变其幅度和相位。

像干涉现象一样，衍射是相干波叠加的结果。当两个或多个光波以相同的频率振荡时，它们会保持一致的相位关系。

随着障碍物相对于波长变得越来越小，一旦确定光线碰到障碍物，衍射现象将比反射和折射现象占主导地位。

极化

极化是一种物理现象，通过这种现象，波可以在垂直于包含电场的平面的单个方向上振动。如果该波没有固定的传播方向，则说该波未极化。极化分为三种：线性极化，圆极化和椭圆极化。

如果波平行于在偏振平面中描述直线的固定振动，则称其为线性偏振。

当波的电场矢量在垂直于相同传播方向的平面上描述一个圆，并保持其幅值恒定时，该波就是圆极化的。

如果波的电场矢量在垂直于同一传播方向的平面上描述了一个椭圆，则该波被称为椭圆偏振。

物理光学常用术语

偏振

它是一种滤镜，它仅允许在单个特定方向上定向的一部分光通过，而不会在其他方向上定向。

波前

它是波的所有部分都具有相同相位的几何表面。

波幅和相位

振幅是波浪的最大伸长率。波的相位是瞬间的振动状态。当两个波具有相同的振动状态时，它们是同相的。

布鲁斯特角

从光源反射的光波被完全偏振的光的入射角。

红外线

在700 nm至1000μm的电磁辐射光谱中，人眼看不到的光。

光速

它是光在真空中传播的速度常数，其值为3×10 ⁸ m / s。当光在物质介质中传播时，光速值会发生变化。

波长

在波传播时波峰与波峰之间或波谷与波谷之间的距离的度量。

紫外线

光谱小于400 nm的不可见电磁辐射。

物理光学定律

下面提到了一些物理光学定律，它们描述了偏振和干涉现象

弗雷斯内尔和阿拉戈法律

1.具有线性，相干和正交偏振的两个光波不会互相干扰形成干涉图样。

2.具有线性，相干和平行偏振的两束光可以在空间区域内发生干涉。

3.具有线性，非相干和正交偏振的两束自然光不会互相干扰形成干涉图样。

马鲁斯法

马洛斯定律指出，偏振器透射的光的强度与形成偏振器的透射轴和入射光的偏振轴的角度的余弦值的平方成正比。换一种说法：

I =偏振器透射的光强度

θ=透射轴与入射光束的偏振轴之间的角度

I ₀ =入射光强度

马鲁斯法

布鲁斯特定律

当反射光束与折射光束形成的角度等于90°时，表面反射的光束在垂直于光入射平面的方向上完全偏振。

布鲁斯特定律

应用领域

物理光学的一些应用是在液晶的研究，光学系统的设计以及光学计量学中。

液晶

液晶是保持在固态和液态之间的材料，其分子具有偶极矩，该偶极矩会引起落在其上的光的偏振。从这个属性，已经开发出了用于计算器，监视器，笔记本电脑和手机的屏幕。

带有液晶显示器的数字手表（LCD）

光学系统设计

光学系统通常用于日常生活，科学，技术和医疗保健中。光学系统允许从诸如太阳，LED，钨丝灯或激光之类的光源处处理，记录和传输信息。光学系统的示例是衍射仪和干涉仪。

光学计量

它负责根据光波对物理参数进行高分辨率测量。这些测量是使用干涉仪和折射仪进行的。在医疗领域，计量学被用来不断监测患者的生命体征。

物理光学的最新研究

光机械刻痕效应（AV Poshakinskiy1和AN Poddubny，2019年1月15日）

Poshakinskiy和Poddubny（1）表明具有振动运动的纳米粒子可以表现出类似于Kerker等人（2）在1983年提出的光学机械效应。

柯克效应是一种光学现象，在于获得由球形磁性颗粒散射的光的强方向性。这种方向性要求粒子具有与电场强度相同的磁响应。

Kerker效应是一种理论上的建议，要求具有自然界中不存在的具有磁性和电学特性的材料粒子，Poshakinskiy和Poddubny对纳米粒子也具有相同的效果，而没有明显的磁响应，这些粒子会在空间中振动。

这组作者表明，粒子振动会产生适当的磁极化和电极化，因为当考虑到光的非弹性散射时，会在粒子中感应出相同数量级的磁极化和电极化分量。

作者提出通过使纳米机械光学器件通过声波振动而在纳米光学器件中应用光学机械效应。

体外光通信（DR Dhatchayeny和YH Chung，2019年5月）

Dhatchayeny和Chung（3）提出了一种实验性体外光通信（OEBC）系统，该系统可以通过采用Android技术的手机上的应用程序传输人的生命体征信息。该系统由一组传感器和一个二极管集线器（LED阵列）组成。

传感器放置在身体的各个部位，以检测，处理和传达生命体征，例如脉搏，体温和呼吸频率。数据通过LED阵列收集，并通过光学应用程序通过手机摄像头传输。

LED阵列发出瑞利甘斯德拜（RGB）散射波长范围内的光。发射光的每种颜色和颜色组合与生命体征有关。

作者提出的系统可以以一种可靠的方式促进生命体征的监测，因为实验结果中的误差很小。

参考文献

1. 光机刻蚀效应。Poshakinskiy，AV and Poddubny，A N.1，2019，《物理评论》 X，第9卷，第pp。2160-3308。
2. 磁球的电磁散射。Kerker，M，Wang，DS和Giles，C L.6，1982年，《美国光学学会杂志》，第73卷。
3. 使用智能手机相机进行人体外信号传输的光学体外通讯。Dhatchayeny，D和Chung，Y.15，2019，Appl。选项，第58卷。
4. Al-Azzawi，A。物理光学原理与实践。佛罗里达州Boca Raton：CRC出版社Taylor&Francis Group，2006年。
5. Grattan-Guiness，I。《数学科学的历史和哲学同伴》。美国纽约：Routledge，1994年，第二卷。
6. SA的Akhmanov和Yu的Nikitin。物理光学。纽约：牛津大学出版社，2002年。
7. Lipson，A，Lipson，SG和Lipson，H。PhysicalOptics。英国剑桥：剑桥大学出版社，2011年。
8. Mickelson，AR。《物理光学》。纽约：Springer Science +商业媒体，1992年。
9. 詹金斯（FA）和怀特（H E），《光学基础》。纽约：麦格劳·希尔（McGraw Hill）高等教育，2001年。