【視覺知識】光波動過程中的三個基本特征

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  • 發布時間:2023-09-04 02:00:48

光波動過程中的三個基本特征



17世紀,對于光的本質成立了兩大對立學說,一方是以牛頓為代表的光的粒子說,另一方是以惠更斯為代表的光的波動說。

為了驗證光的波動理論,惠更斯提出了著名的惠更斯原理。但由于牛頓的聲望以及當時光波動說沒有完整的數學模型,粒子說的勢力一直為主導。

直到1800年,英國物理學家托馬斯·楊提出了干涉的概念,并利用著名的楊氏干涉實驗證明了光的波動性,之后,在此基礎上,馬呂斯和菲涅爾分別利用波動性對偏振和衍射做出解釋,并建立光波動性的數學理論和計算體系。

最后,愛因斯坦將兩種學說統一為波粒二象性。所以光的干涉現象,衍射現象和偏振現象是光波動過程中的基本特征,也是物理光學的主要研究對象。

特點一


光的干涉現象是指兩個或多個光波(光束)在某區域疊加時,在疊加區域內出現的各點強度穩定的強弱分布現象。要滿足干涉,需要兩束或多束光振動方向相同,頻率相同的單色光疊加才能產生干涉。

楊氏雙縫干涉實驗(圖1),利用同一光源S通過兩個狹縫S1和S2得到的兩束相干光束。由于兩條狹縫到光源距離相同,所以,兩束相干光束在同一波面,相位差為0,并且光強相等。

圖1 楊氏雙縫干涉實驗

這里,我們用a1和a2分別代表P點處兩束光的振幅大小。此處利用代數相加法計算光強有

其中δ是光程差,

其中Δ為光程,是路程與所在空間折射率相乘所得。
將δ代入公式就有P點和振動光強公式,設I0為單束光光強

最后可得出結論,光程差為波長的整數倍時,P點有最大光強,光程差為波長的奇數倍時,P點光強最小。
這個實驗很有力的證明了光的波動理論。

特點二


光的偏振與干涉衍射不同的是證明了光是橫波,也證明了麥克斯韋電磁理論的正確性。生活中大部分照明光如日光都是自然光,自然光的振動方向是向各個方向,無規則的振動。光的偏振是一束自然光入射到各項異性晶體中,會分解為兩束偏振光。

在光波中,如果光矢量的振動方向在傳播過程中保持不變,只是它的大小隨相位改變,這種光成為線偏振光;圓偏振光在傳播過程中,它的光矢量大小不變,而方向,繞傳播軸均勻的轉動,端點的軌跡是一個圓;橢圓偏振光在傳播過程中大小和方向都有規律的變化,光矢量端點沿著一個橢圓軌跡轉動。

圖2 偏振光

在生活中,最常見的是線偏振光,比如電腦液晶顯示器,它的原理是利用背光板發出的自然光,經過偏振片,形成固定為以某一方向振動的線偏振光,之后會經過液晶層,液晶的兩側包裹著電極會對液晶通入電壓,液晶的特性是會在電壓的作用下,會使線偏振光產生旋轉,也就是說會改變偏振光的振動方向。改變振動方向的光再遇到一個與第一個偏振片起偏方向垂直的偏振片。根據不同的偏轉角度,得到的光強隨液晶將光偏轉角度的不同會有強有弱,由電壓控制,最后由三個這樣的單位,分別通過紅綠藍三種顏色的濾色器,得到一個RGB像素點。

圖3 液晶顯示器發光原理

特點三


衍射,光波在傳播過程中遇到障礙物時,會偏離原來的傳播方向彎入障礙物的幾何影區內,并在幾何影區和幾何照明區內形成光強的不均勻分布的現象。

17世紀菲涅爾在惠更斯的干涉理論上加以補充,發展成為惠更斯-菲涅爾原理。菲涅爾在研究了光的干涉現象以后,考慮到干涉現象來自于同一光源,它們是相干光,因而波前任意一點的光振動應該是波前上所有子波相干的結果。這種子波相干疊加的思想叫做惠更斯-菲尼爾原理。

在成像系統中,衍射問題是不可避免的,在幾何光學中,因為任何光學儀器都有限制光束的光瞳。這樣使原本在像方成像的點,變成一個衍射光斑。但相比波長來說,光瞳尺寸要大的多,就使得衍射像斑還是極小的。

圖4 衍射圖案

如圖4所示,一個圓孔的衍射圖形實際使一個環形圖案,這種可以稱為多級衍射條紋。
5 分辨兩個衍射點
當兩個接近的點成像后就會如圖5所示,兩個衍射圓會有部分重疊在一起,如果距離更加接近,光強分界線變得模糊,不明顯,使得我們無法分辨兩個點,此時兩個點之間的距離有了一個定義,當兩個點逐漸接近,使得我們能恰好分辨兩個點的距離,稱為分辨率。這也是衍射對幾何光學最主要的影響。為了更好統一恰好分辨這個概念,一般在光學中利用瑞利判據,定義一個點物衍射圖樣的中央極大與近旁另一點物衍射圖樣的第一極小重合,作為光學成像系統的分辨極限,認為此時恰好可以分辨開兩個點物。

【來源:光虎光學內部培訓資料】


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