[激光原理与应用-60]：激光器 - 光学 - 光的四大理论框架与其层次：几何光学波动光学电磁光学电子光学

Posted 2022-12-19 文火冰糖的硅基工坊

目录

第1章 光的四大理论框架与层次

第2章 光的四大理论各自的特点

2.1 几何光学（粒子性）=》光学特征

2.2 波动光学（波动性）

2.3 电磁光学（电学性）

2.4 量子光学（能量）

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第1章 光的四大理论框架与层次

 

 

 

第2章 光的四大理论各自的特点

2.1 几何光学（粒子性）=》光学特征

光线是表示光的传播路径和方向的直线。

光线是一种几何的抽象，真实世界中不可能得到一条光线，口语中光线亦可指光源所辐射的光。

光线可分为：入射光线、反射光线、折射光线。

几何光学是光学学科中以光线为基础，研究光的传播和成像规律的一个重要的实用性分支学科。

在几何光学中，把组成物体的物点看作是几何点，把它所发出的光束看作是无数几何光线的集合，光线的方向代表光能的传播方向。在此假设下，根据光线的传播规律，在研究物体被透镜或其他光学元件成像的过程，以及设计光学仪器的光学系统等方面都显得十分方便和实用。

光线的传播遵循以下基本定律：

① 光线的直线传播定律。

光在均匀媒质中沿直线方向传播。食、影和针孔成像等现象都证明这一事实，大地测量等很多光学测量工作也都以此为根据。

② 光的独立传播定律。

两束光在传播途中相遇时互不干扰，仍按各自的途径继续传播；而当两束光会聚于同一点时，在该点上的光能量是简单相加的。

③ 反射定律和折射定律。

光传播途中遇到两种不同媒质的光滑分界面时，一部分反射另一部分折射。反射光线和折射光线的传播方向分别由反射定律和折射定律决定。

④ 光程可逆性原理：

一束光线从一点出发经过无论多少次反射和折射，如在最后遇到与光束成直角的界面反射，光束必然准确地循原路返回出发点。

基于上述光线传播的基本定律，可以计算光线在光学系统中的传播路径。

这种计算过程称为光线追迹，是设计光学系统时必须进行的工作。

2.2 波动光学（波动性）

波是指振动的传播。电磁振动的传播是电磁波。为直观起见，以绳子抖动这种最简单的为例，在绳子的一端有一个上下振动的振源，振动沿绳向前传播。从整体看波峰和波谷不断向前运动，而绳子的质点只做上下运动并没有向前运动。

波动光学（wave optics）是以波动理论研究光的传播及光与物质相互作用的光学分支。

波动光学是光学中非常重要的组成部分，内容包括光的干涉、光的衍射、光的偏振等，无论理论还是应用都在物理学中占有重要地位。

各种波的共同特性还有：

（1）周期性

各种形式的波的共同特征是具有周期性。

受扰动物理量变化时具有时间周期性，即同一点的物理量在经过一个周期后完全恢复为原来的值；在空间传递时又具有空间周期性，即沿波的传播方向经过某一空间距离后会出现同一振动状态（例如质点的位移和速度）。因此，受扰动物理量u既是时间t，又是空间位置r的周期函数，函数u（t，r）称为波函数或波动表示式，是定量描述波动过程的数学表达式。

广义地说，凡是描述运动状态的函数具有时间周期性和空间周期性特征的都可称为波，如引力波，微观粒子的概率波（见波粒二象性）等。

（2）反射和折射

在不同介质的界面上能产生反射和折射，对各向同性介质的界面，遵守反射定律和折射定律（见反射定律、折射定律）；

 

（3）线性波叠加 (时域叠加）

通常的线性波叠加时遵守波的叠加原理（见光的独立传播原理）；

 

（4）衍射

波在传播路径上遇到障碍物时能产生衍射现象（见光的衍射）；

波可以绕过障碍物继续传播，这种现象叫做波的衍射。

即在障碍物的边缘，一些波偏离直线传播而进入障碍物后面的“阴影区”的现象。

（5）干涉现象

两束或两束以上的波在一定条件下叠加时能产生干涉现象（见光的干涉）；

（6）偏振现象

横波能产生偏振现象（见光学偏振现象）。

自然光通过偏振片（起偏器）之后，只有振动方向跟偏振片的透振方向一致的光波才能通过。

也就是说，通过偏振片的光波，在垂直于传播方向的平面上，只沿一个特定的方向振动，这种光叫做偏振光，横波只沿着某一个特定的方向振动，称为波的偏振。

只有横波才有偏振方向。

 

2.3 电磁光学（电学性）

电磁波是电磁和磁场的交互变化与传播。

从科学的角度来说，电磁波是能量的一种，属于一种波，就像机械波，引力波和物质波（概率波）一样，凡是高于绝对零度的物体，都会释出电磁波，且温度越高，放出的电磁波频率就越高，波长就越短，这种电磁波称之为黑体辐射。正像人们一直生活在空气中而眼睛却看不见空气一样，除光波外，人们也看不见无处不在的其他电磁波。

电磁场包含电场与磁场两个方面，分别用电场强度E（或电位移D）及磁通密度B（或磁场强度H）表示其特性。按照麦克斯韦的电磁场理论，这两部分是紧密相依的。时变的电场会引起磁场，时变的磁场也会引起电场。电磁场的场源随时间变化时，其电场与磁场互相激励导致电磁场的运动而形成电磁波。电磁波的传播速度与光速相等，在自由空间中，为c=299792458m/s≈3×10^8m/s。电磁波的行进还伴随着功率的输送。

电磁波(Electromagnetic wave)是由同相振荡 [1]  且互相垂直的电场与磁场在空间中衍生发射的振荡粒子波，是以波动的形式传播的电磁场，具有波粒二象性，其粒子形态称为光子，电磁波与光子不是非黑即白的关系，而是根据实际研究的不同，其性质所体现出的两个侧面。由同相振荡且互相垂直的电场与磁场在空间中以波的形式移动，其传播方向垂直于电场与磁场构成的平面。电磁波在真空中速率固定，速度为光速。见麦克斯韦方程组。

电磁波伴随的电场方向，磁场方向，传播方向三者互相垂直，因此电磁波是横波。电磁波实际上分为电波和磁波，是二者的总称，但由于电场和磁场总是同时出现，同时消失，并相互转换，所以通常将二者合称为电磁波，有时可直接简称为电波。

在量子力学角度下，电磁波的能量以一份份的光子呈现，光子本质上来说就是波包，即以局域性能量呈现的波。电磁波的能量是量子化的，当其能级阶跃迁过辐射临界点，便以光子的形式向外辐射，此阶段波体为光子，光子属于玻色子。

一定频率范围的电磁波可以被人眼所看见，称之为可见光，或简称为光，太阳光是电磁波的一种可见的辐射形态。电磁波不依靠介质传播。

电磁辐射通常意义上指所有电磁辐射特性的电磁波，非电离辐射是指无线电波、微波、红外线、可见光、紫外线。而X射线及γ射线通常被认为是放射性的辐射。称作电离辐射 

电磁波主要利用的是其传播特性和电学特征。

2.4 量子光学（能量）

[激光原理与应用-17]：《激光原理与技术》-3- 激光的产生技术 与原理 - 微观粒子、能级、电子、光子、受激辐射_文火冰糖的硅基工坊的博客-CSDN博客

科学研究的对象是客观物质世界。在物理学的长期发展中人们将所研究的客观物质世界按其大小分成两个范围，一个是宏观世界，一个是微观世界。两者是相对而言的。

人们把由大量分子、原子和光子组成的物体称做宏观物体，如牛顿力学描述的质点、电磁场（或光）等等。这些宏观物体的总和构成了物理学研究的宏观世界。宏观世界满足的规律称为宏观规律。经典力学、经典电磁理论、经典统计理论都是描述宏观世界的理论。

与此相反，人们把分子、原子、原子核、质子、中子、电子、光子等称为微观客体。微观客体遵循的物理学规律称为微观规律，它们与宏观规律有着极大的差别。符合微观规律的客观物质世界称为微观世界。量子理论就是描述微观世界的一种理论。激光研究的电子与光子的相互作用关系！不同不同原子的不同能量级之间电子的跃迁与不同频率的光子一一对应。

宏观世界亦称“大宇宙”。是宏观物体和宏观现象的总称。肉眼能见的物体都是宏观物体。宏观现象一般指宏观物体和场在宏观的空间范围内的各种现象，如人的活动，电磁波的传播等，有时运动量很大的微观粒子在大范围内的现象也称宏观现象，如加速器中基本粒子的运动等。再看，宇宙天体，广漠辽阔的天体，我们看到的是一片蓝天，其实它是由各种天体组成的：太阳系、银河系、总星系。人类借助现代天文望远镜，已经可以看到10多亿颗星球。宇宙空间并非是空白，而是由亿万颗星球天体组成的“大家庭”。

量子光学是应用辐射的量子理论研究光辐射的产生、相干统计性质、传输、检测以及光与物质相互作用中的基础物理问题的一门学科。量子光学一词是在有了激光后才提出来的。

光子是微观粒子，有必要了解一下微观世界中微观粒子的物理规律.