浅谈光学理论发展

南祎楠河南省平顶山市鲁山县第一高级中学

浅谈光学理论发展

南祎楠
河南省平顶山市鲁山县第一高级中学

光学理论迅速发展对社会的发展和科技的进步起到了巨大的推动作用。本文首先分析了光学理论的各个分支，在此基础上对光学理论中的几何光学、波动光学、量子光学的特点和联系进行了讨论，并进行总结。

几何光学；波动光学；量子光学；联系

1 、引言

光学是近代物理的基础，也是物理学的重要组成成分。光学理论的发展历经几个世纪：在春秋战国时期就有了对几何光学的研究，16世纪到17世纪形成了一定的理论体系，这个时期人们认为光是经直线传播的一种物质；波动光学学说最早由惠更斯等人创立，波动光学认为光是一种电磁波，从17世纪开始研究，19世纪末由麦克斯韦将其发展成为完整的理论。对于量子光学的研究是从19世纪末开始的，于20世纪初其形成了一套完整的理论。量子光学认为光的本质是一份份的能量子。以上即为光学理论的三大分支的发展历程。本文旨在对几何光学、波动光学和量子光学三个光学分支各自的特征和他们之间的关系进行深入分析。

2 、光学理论的发展

2.1 光学理论的分支

2.1.1 几何光学

几何光学的是基于光沿直线传播并互相独立传播的传播原则，光的反射和折射定律，以及对光线的定义而产生的光学理论。由于几何光学的理论不是针对光的本性的讨论,仅是依据光的直线传播这一定律，运用几何理论和几何作图为工具来分析光的传播现象。费马原理是几何光学中关于光线传播现象研究中最基本的方法，可以通过它直接推导出几何光学的三大实验定律。几何光学在我们的生活以及科学研究方面都有重要的应用，它是设计光学器械的基础定律，同时，可以通过它较准确便捷地处理成像问题。

2.1.2 波动光学

波动光学是基于对光的电磁波解释，以及光的波长、相位等电磁波概念，来分析光在介质中的不同传播现象以及各种现象表现出的电磁特征，以及这些光学规律在实际中的应用。波动光学理论分析基于将光作为小波长的电磁波而产生的光学理论，用到的数学方法是简谐振动的正弦、余弦规律。对波动光学理论的研究已经非常成熟了，能够用波动光学的基本观点和规律来准确地解释很多光学现象，因此，波动光学的发展对人们对光的本性的深入研究有巨大的现实意义。

2.1.3 量子光学

量子光学则是基于光子流理论，能量子假说以及爱因斯坦的光子理论而产生的光学理论。量子光学理论分析对象包括对光场的量子统计特性、光和物质之间发生相互作用时的量子特性，以及各种光场的相干统计特性,物质和真空场的相互作用等。量子光学中所用的基本原则是将光看作一份份能量子，并将光学现象采用波函数进行描述。量子光学逐渐发展为现代光学、激光理论以及激光技术的基本观点，因此量子光学理论也被大量应用在激光领域。

2.2 各个光学理论分支间的联系

2.2.1 几何光学与波动光学

电磁波在传播过程中往往会出现衍射现象，就是波向各个方向绕射的现象而非直线传播，但通常情况下光的传播又是以直线形式进行的，这个自相矛盾的光学现象能够利用光的衍射实验来解释。下面看看光的衍射实验：

当光通过的小孔的半径大于某定值时,孔另一侧的屏上会出现一个均匀的光斑，同时光斑是圆孔的几何投影，此时光的传播能够用光的直线传播定律来解释。当小孔的半径减小到一定程度时，屏上的光斑会伴随孔的半径的减小而渐渐扩散、弥漫最后光斑的强度分布会变为不均匀的状态，此时屏上出现明暗相间的圆环，同时圆环中心明暗交替，这被称作光的衍射。通常光的衍射现象是否发生由小孔半径同光波波长的比值决定。所以从理论上看，光的直线传播是在光波的波长小于障碍物或孔半径尺寸时衍射现象的近似，因此可以将几何光学看作是光波波长趋于零时波动光学的近似。两者之间可以在特定条件下进行转化。

2.2.2 波动光学与量子光学

爱因斯坦的光子理论认为光子具有波粒二象性。光的二象性在科学研究中也有广泛的应用，能量和动量描述粒子特性的标志性物理量，而频率和波长是描述波动特性的标志性物理量，光的波动性和粒子性通过普朗克常数h建立了定量联系。波长较长和频率较低的光子，其能量和动量小，那么他的波动特性就会更明显；而波长较短和频率较高的光子，其能量和动量大，那么他将表现出更多的粒子特性。

光的波粒二象性由普朗克常数联系在一起，因此可以认为波动光学和量子光学也由普朗克常数联系起来。光的波粒二象性能够通过统计方法联系起来，大量光子同时通过和每个光子单独通过间的区别只在于前者是对空间的统计平均，而后者是对时间的统计平均。统计的观点统一了光的粒子特性和波动特性，将微观概念上的波动性和宏观概念上的粒子性结合到了一起。

2.2.3 量子光学与几何光学

由量子光学理论中的基本定律也可以推导出几何光学的反射、折射定律，在深入研究发现采用量子理论，还能够推导出几何光学的另外两大传播规律，这能够说明量子光学和几何光学之间存在紧密的关系。这是因为几何光学是波动光学在光波波长无限接近零时的近似，同时波动光学是量子光学的统计结果，因此几何光学能够看成量子光学在统计上的近似。光学中对波长趋于零的光子运动进行统计解释就可将量子光学问题转化为几何光学的范畴进行研究。

3 、总结

综上所述，光学的三个分支理论都有自己的特点，它们之间虽有明显区别，但也紧密地联系在一起。在特定条件下，三个光学分支的基本定律在本质上是相同的，三个光学分支的基本光学定律之间还能够相互转化。各种光学基本规律之间的转换使几何光学、波动光学和量子光学理论间的关系更密切。这种联系也能让人们更加清楚地认识光学，对推动光学理论的进一步发展起到巨大作用。

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