光电子导论考试复习资料.doc

普朗克是德国物理学家，量子物理学的开创者和奠基人，被尊称为 “量子之父” 1918年诺贝尔物理学奖金的获得者。他的伟大成就，就是创立了量子理论，这是物理学史上的一次巨大变革。从此结束了经典物理学一统天下的局面。1900年，普朗克抛弃了能量是连续的传统经典物理观念，导出了与实验完全符合的黑体辐射经验公式。在理论上导出这个公式，必须假设物质辐射的能量是不连续的，只能是某一个最小能量的整数倍。普朗克把这一最小能量单位称为“能量子”。普朗克的假设解决了黑体辐射的理论困难。普朗克还进一步提出了能量子与频率成正比的观点，并引入了普朗克常数h。量子理论现已成为现代理论和实验的不可缺少的基本理论。普朗克由于创立了量子理论而获得了诺贝尔奖金。光的波粒二象性-普朗克量子假设构成物体的分子、原子可视为在各自平衡位置附近振动的带电线性谐振子，这些振子既可以发射辐射能，也可以吸收辐射能。谐振子发射和吸收辐射能量是某些分立状态，是最小能量单位 hn的整数倍，即 发射或吸收电磁辐射只能以量子方式进行，每个能量子能量为e = hn 其中h 是普朗克常量，n 为谐振子的振动频率。 一个频率为n 的谐振子的最小能量是hn ，它与周围的辐射场交换能量时，也只能整个地吸收或放出一个能量子 。“量子”的概念量子（化）：微观世界的一个特殊概念，按某种规律取分立值的物理量。如：电荷量子（化）量量子（化）普朗克公式：能量不连续的概念与经典物理学是完全不相容的！ 普朗克公式： 普朗克的量子假设：突破了经典物理学的能量连续的观念，在物理学史上第一次提出了微观粒子能量量子化的概念，这对量子物理学的诞生起了极大的推动作用。 设有一音叉，其尖端的质量为0.050kg，其频率被调到480Hz，振幅1.0mm。试求音叉尖端振动的量子数。 由谐振子的能量公式知，谐振子的能量为 根据普朗克量子假设： ，音叉尖端的振动量子数为光电效应 当光照到某些金属的表面时，金属内部的自由电子会逸出金属表面，这种光致电子发射现象称为光电效应。（1887年德国物理学家赫兹首先发现光电发射现象，1888年又被俄物理学家斯托列托夫用实验证明。） 实验装置：光通过石英窗口照射阴极K，光电子从阴极表面逸出。光电子在电场加速下向极A运动，形成光电流。试验规律:截止频率：对某一种金属只有当入射光频率大于某一频率时，电子才能从金属表面逸出（红限）。遏止电势差：与入射光频率具有线性关系。光电效应瞬时性：迟滞时间不超过 10-9 秒经典理论与实验规律的矛盾：无论何种频率的光，只要其强度足够大，电子就能获得足够的能量，从金属表面逸出；电子的动能取决于光的动能，而与频率无关；在光强很小时，即使光的频率大于截止频率，也不应有电子发射 。爱因斯坦光量子学说（1905年）：可看成由微粒（光子）构成的粒子流（光量子），在真空中以 运动，频率为 光子能量为 爱因斯坦光电效应方程：式中为逸出功， 为电子从表面上逸出时初动能。 。光频率n A/h 时，电子吸收一个光子即可克服逸出功 A 逸出电子最大初动能和光频率 n 成线性关系单位时间到达单位垂直面积的光子数为N，Nhn 。 I 越强 , 到阴极的光子越多, 则逸出的光电子越多。电子吸收一个光子即可逸出，不需要长时间的能量积累三、 光的波粒二象性:光具有波动性和粒子性两个侧面，是微观粒子的基本属性，在某些情况下突出显示某一个侧面。光具有波动性和粒子性两个侧面作为粒子：有 和能量由相对论知对于光 ，则有或 作为波：两者关系为：光子的波动性和粒子性是光子本性在不同条件下表现出来的两个侧面：波动性突出呈现在其传播过程中，粒子性突出呈现在其与物质的相互作用中。光的波动性和粒子性随频率范围的不同而有不同的表现：在低频或长波区，光的波动性比较显著；而在高频或短波区，粒子性却比较突出。 普朗克常量把光的波动性和粒子性 联系起来了。要对波粒二象性进行完善描述，必须采用量子力学方法（波函数）。计算波长为600nm的红光与波长为0.1nm的X光的光子能量。红光光子能量为：X光光子能量为 原子的发射光谱是线状光谱每种原子有其独特的发射光谱识别不同原子的标志分子射光谱:若干光谱带组成的带状光谱,分子能级结构非常复杂分子的能量能级间隔满足 分子的转动能级间的跃迁发出远红外辐射；振动能级间的跃迁发出中红外辐射；而电子级间的跃迁发出可见光和紫外辐射。二、发光过程的类型按照激发方式分类,热辐射 太阳、白炽灯等电致发光 闪电、霓虹灯以及半导体、PN结的发光过程等光致发光 日光灯、荧光、磷光等化学发光 燃烧发光、生物发光等,按照辐射方式分类:自发辐射 , 自发辐射所发出的光没有相干性原子在某一能级停留的平均时间能级的平均寿命（ ）处于高能级的原子中，在单位时间内从高能级E2自发跃迁到低能级E1的原子数比率A21，称为原子自发跃迁的概率，它与高能级E2的平寿命之间存在如下关系受激辐射 , 受激吸收受激辐射这两个光子再引起其它原子产生受激辐射，就会得到更多的相同特征的光子，这个现象称为光放大光放大。区别: 激光光源或是普通光源三、激光原理 受激辐射光放大简称为激光。粒子数反转，在温度为 T 的平衡态下，原子中的电子处于高、低两个能级上的数目之比为正常分布：N1N2。光吸收比光辐射占优势。粒子数反转：N2N1。光通过物质得到光放大。粒子数反转必须具备的条件：能量的供应过程激励（光泵浦）工作物质内必须存在亚稳态能级光学谐振腔；使某一方向、某一频率的辐射不断得到加强，其它方向、其它频率的辐射受到抑制的装置激光器的基本构成及激光的形成具有亚稳态能级结构的工作物质、激励系统和光学谐振腔 ，光束在谐振腔内来回震荡，在工作物质中的传播使光得以放大，并输出激光。四、激光的特性与应用，特性方向性强强度高 单色性好 相干性好应用：可用于精密加工，医学，核聚变等。激光加工 6KW CO2 激光加工机在进行金属表面涂敷合金粉末的作业汤斯1954年在量子电子学研究中实现了氨分子的粒子数反转，研制了微波激射器和激光器；普罗霍洛夫和巴索夫1958年几乎同时在量子电子学的基础研究中，根据微波激射器和激光器原理研制了振荡器和放大器。以上工作导致了激光器的发明。光的吸收 吸收光谱：当光波在媒质中传播时，由于光波和物质的相互作用，一般呈现两种效应 -光波和物质作用的两种效应：折射和双折射现象（速度减慢）和消光现象 ：散射 (scattering)现象 (部分光波沿其它方向传播) 和吸收 (absorption)现象(光能转换成其它形式的能量)一、光吸收的类型：一般吸收（ general absorption ）在给定的波段范围内，若介质对光的吸收很少，而且光吸收量与波长无关。在可见光范围内，一般吸收意味着光通过介质后不改变颜色而只改变强度。选择吸收（selective absorption ）在给定的波段范围内，媒质吸收某种波长的光能比较显著。在可见光范围内，选择吸收意味着光通过介质后既改变颜色也改变强度。如果不把光局限于可见光范围以内，可以说一切物质都具有一般吸收和选择吸收两种特性。选择吸收性是物体呈现颜色的主要原因。 二、朗伯定律 比尔定律 朗伯定律称为吸收系数，“”号表示随 x 增加 I 减小。将上式积分：（朗伯定律的数学形式） 引入透光率 T 和吸收度 A ，并定义 上式表示为 实验表明，在光强变化相当大的范围（约1020倍）内，透射光强度满足朗伯定律的数学形式。因此，朗伯定律适用于光强变化相当大的场合。比尔定律：比尔定律是朗伯定律在溶液情形下的应用。稀溶液的吸收系数与溶液浓度有关，即朗伯定律可变为：是一个与浓度无关的常数，它表征了吸收物质的分子特性，C 为溶液的吸收度A与浓度 C 呈线性关系实际测量中观察到吸收度与浓度关系偏离线性的情况，说明比尔定律的成立是有条件的。比尔定律只在溶质分子的吸收本领不受它周围邻近分子的影响时才成立。 光的反射、散射、温度、时间、压力等都会对比尔定律产生影响 。朗伯定律始终成立，但比尔定律有时不一定成立。考虑 loge1/2.303令 ， ，上式被简化为式中，D 称为吸光度，e 称为消光系数 。这种方法称为分光光度分析或比色分析。当一束复色光透过一定厚度的介质时，利用介质对光的吸收作用因波长而异，可产生吸收光谱。产生连续光谱的光源所发的光，通过具有选择吸收特性的物质后，用光谱仪可以观察到，在连续的发射光谱中，呈现出与发生吸收的波长区域相对应的一些暗线或暗带，这就是吸收光谱。 若用原子化装置代替样品室，就可得到某元素的原子吸收光谱。所谓原子化就是使待测样品中的原子达到雾化状态，并保证雾化原子处于基态。这样一旦有外来光照，原子便可吸收外来光，产生吸收光谱。每种元素都有其特征吸收波长和吸收光谱 ，原子吸收光谱广泛应用于定量分析中 对于气体、液体和固体而言，一般在红外区有选择吸收。吸收谱线宽度增大且组成连续谱带，称为带状光谱。红外光谱分析常用于科学研究及生产实践中。植物对光的吸收主要靠色素系统来实现，这些色素对300750nm的可见光有不同的吸收率。光束在介质中传播时，部分光线偏离原方向分散传播的现象称为光的散射。光散射的基本规律：从分子理论来看，光波射入介质后，将激起介质中的电子作受迫振动，从而发散出相干次波。只要分子密度是均匀的，次波相干迭加的结果，只剩下遵从几何光学规律的沿原方向传播的光线，其余方向的振动完全抵消；若介质是不均匀的，它能够破坏次波的干涉相消，从而引起光的散射。光通过介质时，散射会使透射光的强度减弱，当仅考虑散射时，透射光遵从指数衰减规律：式中I0为入射光强， 为散射系数。实际上介质对光的吸收和散射同时存在，故透射光的强度为：式中 为吸收系数，（ + ）为衰减系数。光散射的基本类型据介质不均匀性质的起因，散射分为两类：延德尔散射 ：光通过悬浮质点（或微粒）的散射，如光在胶体、乳浊液以及含有烟、雾、灰尘的大气中的散射。 分子散射：在表面看来十分纯净、均匀的液体和气体中，也能观察到较微弱的散射。这种因介质分子的密度涨落而引起的散射称为分子散射。物质处于气、液二相的临界点时，密度涨落很大，在光线照射下会的出现强烈散射，亦属分子散射。瑞利散射与喇曼散射 瑞利首先研究了第二类散射的规律，发现散射光与入射光的频率相同，因此，这类散射又称瑞利散射。利用瑞利散射定律可以解释旭日与夕阳的色彩，散射原理广泛应用于饮料与药物纯度的检喇曼散射 ： 1928年，印度科学家喇曼在研究溶液对光的散射时，发现散射光中除了有与入射光频率n0相同的瑞利光外，还有一部分散射光的频率与入射光不同，这种散射光的频率为这种散射光的波长不同于入射光的波长的散射现象称喇曼散射，相应的光谱称为喇曼光谱。应用：研究分子结构、化学成分的一种主要方法。激光的出现，使喇曼光谱技术获得了新生，从而得以迅速发展。 喇曼在喇曼散射方面卓有成效的研究，使他荣获1930年诺贝尔物理学奖。他是印度，也是亚洲第一位获此殊荣的科学家。散射现象的量子解释：在散射过程中，入射光子与介质分子发生弹性碰撞，分子吸收并且立即发射光子，大多数分子在这过程中仍回到原来能级，光子能量不变，散射光的频率与入射光的频率相同，这就是瑞利散射。在喇曼散射中，光子与分子之间是非弹性碰撞。有些分子吸收光子的一部分能量，回到较高的振动能级，散射光子减少了能量，增加了波长(减少了频率)，这就形成喇曼散射的红伴线。有一些分子原先处于较高的振动能级，给予光子一部分能量后回到较低能级，散射光子增加了能量，减少波长(增加频率)这就形成喇曼散射的紫伴线。由于光子失去或获得的能量等于分子振动能级差，所以入射光子与散射光子的频率差正好等于分子的振动频率。光的色散 ，色散率光在物质中传播时，其速度将比真空中小，而且不同频率的光在同一物质中的传播速度不同。因此，物质的折射率随光的波长的不同而改变，这一现象称为色散。色散现象也是光和物质相互作用的结果 。对于给定的介质而言，折射率n是波长l的函数，即 nn(l) 。色散率 棱镜折射率与顶角 和最小偏向角 关系测得不同波长的光线通过棱镜的最小偏向角，可以按照上式计算出棱镜对不同波长的光的折射率，从而可绘出棱镜的色散曲线（即折射率n与波长的关系曲线）。正常色散，曲线特点：波长l越短，折射率n越大；波长l 越短，色散率n 越大；波长l 很长时，折射率n趋于定值；不同物质的色散曲线没有简单的相似关系。具有以上特点的色散称为正常色散 。科希于1836年给出了正常色散的折射率与波长的函数关系： 式中l 为真空中的波长，A、B、C 为取决于介质性质的常量，其数值可由实验测定。当波长变化范围不大时，上式可简化为介质的色散率 上式表明dn/dl 0（常数B始终为正），并且色散率的数值随波长的增加而减小，与实验测得的正常色散曲线相符。 反常色散： 1862年，勒鲁用碘蒸气充满三棱柱形容器研究光的折射现象，观察到紫光的折射率比红光的小，因这一现象与正常色散相反，勒鲁称其为反常色散。反常色散总是发生在物质的选择吸收带。（孔脱）曲线上从M点到N点为选择吸收区域，在此区域内，折射率随着波长的减小而减小，即反常色散 。在吸收区域外，折射率随着波长的减小而增大，是正常色散。 可见光区的折射率满足科希公式（曲线PQ段），因此，在可见光区域是正常色散 向红外区域延伸，在吸收带(图中R点)附近，明显偏离正常色散曲线过了吸收带重新进入透明波段时，曲线又逐渐恢复为正常色散曲线 物质的色散曲线都是由正常色散区域和反常色散区域所构成的。不论是气体、液体或固体介质，在一定的波长区域内，都会有选择吸收，在这些区域中总是表现出反常色散。 6 激光的生物学效应 激光生物效应一般是指激光作用于生物体可能产生的物理、化学或生物学的反应 。 热效应 实现的两种途径：碰撞 吸收热效应的强弱既取决于激光的强度、照射面积和照射时间，也取决于生物组织的吸光率、比热、热导率等物理参数。光化学效应 光化学效应是指在光的作用下产生的生物化学反应。光能可提高某些生物化学反应的速率。光合作用、光敏化作用、视觉作用等都是典型的光化学反应。 机械效应 当生物组织吸收激光能量时，如果能量密度超过某一确定阑值时，就会产生汽化并伴有机械波，若能量密度低于该阈值，就只产生机构波，这就是所谓的机械效应。 光不仅具有波动性，还具有粒子性，即光子有质量有动量，因而光子撞击(照射)物体时必然会给受照处施以压力，称为光压 。激光是高强度光源，它对生物体可产生一次压力和二次压力，辐射压强为一次压力，热膨胀压强、声波和蒸发压强、电致伸缩压强等为二次压力。电磁场效应激光作用于生物组织引起生物组织变化称之为激光生物电磁场效应电磁场作用于生物组织时起作用的只是电场。激光的电场强度与激光的功率密度有关。三种类型：喇曼散射 受激喇曼散射 受激布里渊散射刺激效应当激光照射生物组织时，如果强度不是很高，就不会对生物组织直接造成不可逆性的损伤，而只是产生某种刺激作用，这与超声波、针刺、艾炙及热辐射等因子所产生的效应相类似，称为激光生物刺激效应。刺激效应是低功率激光作用的结果，无法用前述的作用来解释。 一般把产生生物刺激效应的激光称为“弱激光”当用弱激光照射生物机体时，激光本身只是一种刺激源。生物机体对这种刺激的应答反应可能是兴奋，也可能是抑制 。总结：据机理划分：热效应 通过发热与生物体发生作用 非热效应 通过光压、电磁、光化学等方式与生物体发生作用 据强度划分：强光生物学效应：生物材料一般会发生汽化、蒸发、热凝、热杀、切断等变化弱光生物学效应：生物组织一般不会出现大的损伤，仅可能在遗传、代谢等方面出现变化 激光在现代农业与生物科学中的应用 激光检测技术 低强度激光照射生命物质后，被吸收、反射或产生荧光辐射，这对生命物质的作用不是很大。但这种吸收、反射或荧光辐射与生物物质的组成，结构和状态有关，因而带有大量与生命物质特性有关的信息。对其进行分析就可以了解被辐射生命物质结构、组成状态。激光荧光光谱技术 利用元素的特征荧光光谱进行化合物中的痕量成分分析，在激光出现前就已是行之有效的经典方法之一 。应用：检测生物体内的痕量元素，灵敏度一般在10-810-10g 正常状态下的动植物组织与处于病态的组织吸收同一激光后产生不同的荧光光谱，所以用荧光分析技术，诊断动物的疾病及植物的病虫害 不同营养状况的植物的荧光光谱也有区别，所以可用激光荧光光谱分析技术诊断植物的营养状况，以便合理施肥 测定生物大分子的基本参数激光喇曼光谱技术 喇曼光谱反映了生物大分子的振动和转动模式。分子的振动模式不但能提供分子的组分信息，而且还能帮助人们研究生物大分子的结构。激光光声光谱技术 激光光声光谱技术是20实际70年代才发展起来的一门新型技术。用它进行物质的定性、定量及化学变化中成分变化的分析时，灵敏度比一般吸收光谱方法高出几个数量级。激光微束技术 激光微束技术是将高密度的激光聚集成很细的微束，用于破坏、切割特定的生物组织。光钳技术是借助一种称为“光学镊子”的操作工具，利用其聚焦激光束和物质的作用，即光子和物质中粒子的作用，使光子将动量传递给被作用的粒子，对它产生一辐射压，即可“抓住”或“操作”微小的粒子。利用这一手段，能成功地对尺寸为10nm10mm的粒子进行捕捉、定位和操作。 激光微束技术和光钳技术主要应用于细胞工程和基因工程两个方面 。细胞融合 外源基因注入 光激微外科手术 激光遗传育种成活率高，与射线育种相比较，成活率高一倍左右第一代能发现遗传性变异 无明显半死剂量突变类型多，有株形突变、粒形突变、品质突变以及生育期突变等激光对其它辐射损伤有复活作用等激光在畜牧兽医上的应用 激光照射某些动物外周神经，通过感觉神经纤维传输至中枢神经后，可呈现全身性镇痛作用，且对心脏功能无不良影响。激光照射不育奶牛卵巢部位，其刺激作用可改善奶牛生殖激素失调现象，治愈奶牛的不育症内蒙古农牧学院等的学者用激光处理鸡卵等提高了禽卵的孵化率，他们还在鸡的良种培育方面作了大量的工作。 由于激光与生命物质相互作用的机理等问题还未研究清楚，所以在使用之前，必须作大量的实验，找出最佳条件，即最佳激光波长、处理时间、激光的功率等。 光学是研究光的本性、光的传播和接收、光与物质的相互作用及其应用的一门学科。 光学和几何学、天文学、力学一样，是一门有悠久历史的学科，也是当前科学领域中最活跃的前沿阵地之一光学的发展，大体可分为五个时期 。1 萌芽时期 。2几何光学时期 。3波动光学时期 4量子光学时期 。5现代光学时期 。 与之相对我们课程中涉及到的有：应用光学、物理光学、激光原理、原子分子光谱、光电器件、光电检测、光纤通讯、光纤传感、激光器件与技术萌芽时期 最早且有据可查的是我国春秋战国时期的墨翟及其弟子的工作。从我国春秋战国的墨翟（公元前468376）开始直到以后的二千年之间，可谓光学的萌芽时期。墨经是战国时期墨家学派的学术著作，集中反映了墨家在物理、数学和逻辑学等方面的成就。其中有一部分讨论了 几何光学知识。包括影的形成、影与物的关系，还对光的直线传播、反射和折射现象进行了实验和观察；由于生产和生活的需要，发明了透镜、凹面镜，并应用于实际。古希腊的欧几里德（公元前330275）也提出了光的直线传播性，他在光学一书中写道：“我们假想光是以直线进行的，在线与线间还留出一些空隙来，光线自物体到人眼成为一个锥体，锥顶在人眼，锥底在物体，只有被光线碰上的东西才给我们看见，没有碰上的东西就看不见了”。 公元二世纪，托勒密（希腊人，公元70147）研究了折射现象，写了光学一书，书中记载光由空气进入水中的入射角和折射角，得出一系列数据。他认为折射角和入射角成正比。阿尔一哈金（阿拉伯人，公元 9651038）首先发明了凸透镜，并对它进行了实验研究，所得的结果接近于近代关于凸透镜的理论。1299年，阿玛蒂（十三世纪）发明了眼镜。因此到15世纪和16世纪纪，凹面镜，凸面镜，眼镜，透镜等光学元件已相继出现。 我国宋代的沈括（10311095）在梦溪笔谈中，记载了极为丰富的几何光学知识。我国元代的自然科学家赵友钦（12791368）著有革象新书，书中记有“小罅光景”的大型光学实验，其中讨论了物体表面照度与光源发光强度以及距离之间的关系。 从时间上来看，大约包括十七、十八两个世纪，这是光学的转折时期。在这期间建立了光的反射定律和折射定律，为几何光学奠定了基础。同时为了扩大人眼的观察能力，出现了一些光学仪器。 如李普塞（荷兰人，15871619）所制作的第一架望远镜的诞生、促进了天文学和航海事业的发展。延森（15881632）和冯特纳（15801656）最早制作了复合显微镜，为生物学的研究提供了强有力的工具。 1609年，伽里略（意大利人， 15641642）制造了用凸透镜做物镜，用凹透镜做目镜的伽里略望远镜。他的不朽的功勋之一是第一个把望远镜指向天空，当时的目的是为了证实哥白尼（波兰人。 14731543）的日心说。开普勒（德国人，15711630）汇集前人的光学知识，于1611年发表了屈光学一书。书中记载：他研究了折射现象，断定托勒密关于折射定现的结论并不正确， 自制望远镜（1609年） 为纪念他首先用望远镜观察星空这一壮举，2009年为国际天文年。发现木星的4颗卫星；发现太阳黑子；定出太阳自转周期折射定律的建立 有两个创始人，一个是荷兰数学家斯涅耳（荷兰人， 15911626），斯涅耳于 1621年，从实际测量中抽象出这一定律，这一定律的表述是在斯涅耳去世后，于1626年在他的遣稿中找到的。另一个是笛卡儿（法国人，15961650），笛卡儿虽然倾向于光的波动说，但在解释光的折射时，又把光看作由无数小球组成。因此，他是从光的微粒观念中推导出折射定律的。在1637年出版的折光学一书中，他第一个正式公布具有现代形式的折射定律，把余割之比换成了正弦之比。 几何光学时期 费马（法国人，1601一1665）在1657年，首先指出光在介质中传播时，所走路程取极值的原理，并根据这个原理，推导出光的反射定律和折射定律。到十七世纪中叶，已经建立了光的反射和折射定律，从而奠定了几何光学的基础。 以上理论是从光的直线传播作为基础的，但在实际观察中也存在违背这一原则的现象。如格里马（意大利人，16181663）等人首先观察到衍射现象。 胡克（英国人，16351703）也观察到了衍射现象，并和玻义耳（英国人， 16271691）独立地研究了薄膜所产生的彩色干涉条纹。以上这些都是波动光学的萌芽。到了十七世纪后半叶，牛顿（英国人，16431727）和惠更斯（ 荷兰人， 1629一1695）等对光的研究，才真正把光学引上了发展的道路。 牛顿光学上的伟大贡献 在1704年出版的光学-论光的反射、折射、弯曲和颜色一书中，书中描述了他所做过的实验和所得出的结论。首先，他为了改善望远镜头而磨制三棱镜，从而发现了色散现象。证明了白光是由各种色光复合而成的 。 牛顿的另一个实验是这样进行的，他用一块长纸板，一半涂成鲜红色，另一半涂成兰色，把它放在窗户边，通过一块玻璃棱镜来观察它。他发现：“如果把棱镜的折射棱角朝上，使纸板由于折射看起来好象是被抬高了。那么折射的结果使兰色半边比红色半边升得更高。但是当棱镜的棱角朝下，使纸板由于折射看起来好象是被放低了，兰的半边就比红的半边降得更低了。”根据以上实验，牛顿断定兰光折射得比红光更厉害些，并得出透镜聚光时，兰光和红光一定是聚集在离透镜不同的距离上。 亚里士多德认为白色阳光通过美丽的古老大教堂的彩色玻璃窗之后变得五颜六色，好象白衣服放入不同染料的溶液中被染了色一样，是光把透明介质物体的可见性变成了现实。认为颜色是人们主观的感觉，一切颜色都是光明与黑暗，白与黑按光的比例混合的结果。 不同颜色的光线具有不同的折射本领，被牛顿用来解释虹的成因。 牛顿根据实验结果，也提出了错误的看法，他断定透镜成象存在根本的缺点，即不能形成清晰的物象。但是必须指出，牛顿的前提是错误的，他的错误在于他认为不同的透明物质是从相同的方式折射不同颜色的光线的。 牛顿在光学中另一项精彩的发现是牛顿环。牛顿环是光具有波动性的最好证明之一，也说明了光的周期性。但是，因为牛顿在关于光的本性的讨论中倾向于微粒说，所以他不可能对光的以上性质加以进一步的探讨。牛顿的高明之处是：他不仅详细地定性的描述了实验现象，而是进一步作了定量的测量。 惠更斯的贡献 和牛顿同时代的惠更斯，他主张光的波动说，认为光是在“以太”中传播的波。提出次波原理：惠更斯原理 。惠更斯原理虽然能够解释不少光学现象，但他的波动说是比较粗糙的，又错误的认为光是一种纵波，因此他还摆脱不了几何光学的观念。 十七世纪还讨论了另一个问题，即“是不是有一个有限的光速？”笛卡儿采取否定的态度，而伽里略是肯定的。 在整个十八世纪，光学几乎没有什么发展，多数科学家赞成光的微粒说，而欧拉（瑞士人， 17071783）和伯努利（瑞士人。17001782） 却坚持和发展了“从太”的波动理论。 波动光学时期 进入 1800年，由于英国医生杨（ 英国人， 17731829）和法国 工程师菲涅耳（法国人， 17881827）的工作，使波动说又重新提出，并取得成功。扬在1800年的论文中。根据光的波动本性解释了牛顿环的现象，并描述了杨氏双缝干涉实验，第一次用实验显示了光的干涉现象，并由此成功地测出了红光和紫光的波长，并且认为光是横波。扬取得了很多研究成果，其中包括人眼的构造和功能。菲涅耳继续了扬的工作，1815年他用扬的干涉原理补充了惠更斯原理，提出了惠更斯菲涅耳原理。运用这一原理不仅能解释光在各向同性介质中的直线传播，同时也能解释光的衍射现象。 1808年马吕斯（英国人，17751812）偶然发现光在两种介质界面上反射时的偏振现象。菲涅耳和阿拉果（1786一1853）在1819年提供了相互垂直的偏振光不相干涉的证明，这是光的横向振动理论最终的证实。 夫琅和费（德国人，17871826）对折射的研究。1835年施维尔德（17921871）发表了总结性的文章；题为从波动论的基本定理出发分析地阐明衍射现象之后，才告一段落。1845年，法拉第（英国人，17911867）发现了偏振光的振动面在强磁场中旋转的现象，从而揭示了光和电磁的内在联系。1856年韦伯（德国人，18041891）和柯尔劳斯（德国人，18091858），发现电荷的电磁单位和静电单位的比值等于光在真空中的传播速度。 1865年，麦克斯韦（苏格兰人，18311879）电磁场理论建立，得出电磁波以光速传播，所以说明光是一种电磁现象。这一理论，于1888年被赫兹（德国人，18571894）用实验证实。因此建立了光的电磁理论。1849年菲索（法国人，18191896）利用转动齿轮法，1862年佛科（法国人，18191868）利用旋转镜法，第一次在实验室测定了光的速度，这就完全证实了波动说的正确性。 量子光学时期 黑体辐射的能量按波长的分布，和光电效应。维恩（德国人，1864-1928）公式和瑞利（英国人，1842-1919）金斯（英国人，18771946）公式，前者在短波区和实验结果相符，而后者，在长波区和实验结果相符。 普朗克公式 在1900年，普朗克（德国人，18581947）大胆地提出了能量子假说，认为各种频率的电磁波只能从一定的能量子方式从振子发射，能量子是不连续的，它的值是光的频率和普朗克常数的乘积的整数倍，它和实验结果完全符合。不仅如此，量子论还以全新的方式提出了光与物质相互作用的整个问题。它不但给光学而且给整个物理学提供了新的概念，因此，它的诞生被看作近代物理学的起点。 光电效应 当光照在某些金属上会逸出电子，这就是光电效应。爱因斯坦（生于德国， 18791955）于1905年，提出了对以上现象的一个解释。被康普顿（美国人，18921962）效应所证实。1924年德布罗意（法国人，1892一）创立了物质波学说，他大胆地设想每一物质的粒子的运动都和一定的波动相联系 现代光学时期二十世纪五十年代以来，尤其是在激光问世以后，光学和许多科学技术领域紧密结合，相互渗透，派生了不少崭新的分支学科，因此光学开始了一个新的发展时期，成为现代物理学和现代科学技术的前沿阵地之一 。在激光器诞生以后，为摄影术向前发展提供了可能，因此出现了全息摄影术。由于激光的出现，光学的重要发展之一，是将数学中的付里叶（法国人，17681830）变换和通讯中的线性系统理论引入光学，形成了一个新的光学分支付里叶光学。在激光器出现一年以后，非线性光学（也称强光学）作为光学的一个分支也发展起来了人类对光的本性的认识关于光的本性究竟是什么？人类进行了大约三百年的争论，其间有各种不同的学派，但总的来说不外乎粒子说和波动说两种。这两种学说在不同时期各自占据着统治地位，随着认识的发展，人们对粒子和波的概念的看法也有所发展。最后当爱因斯坦和德布罗意提出波粒二象性后，争论才告一段落。 人类对光的本性的认识，追溯其历史，可以看出，它是由初浅到深入，由片面到全面，从实验到理论，由现象到本质逐步发展起来的，最后建立起光的本性的理论。但是从科学发展的眼光来看关于光的本性的理论并没有穷尽，还待于进一步的探讨。 惠更斯和牛顿之争早在十七世纪就开始了对光的本性的问题的讨论，当时有两种不同的观点，一种是以笛卡儿、胡克、惠更斯为代表的波动说，另一种是以牛顿为代表的微粒说。 笛卡儿所著光学一书中，对光的本性虽然没有提出什么明确的观点，由于他的主张的核心是强调了媒质的影响，是以“作用”的传播为出发点，特别是以接触作用或近距作用为出发点，所以人们把他的主张归属于波动说这一面。 胡克在1665年发表了显微术一书，主张“光是一种振动”。提出：发光是说明“运动的部分”返回来了。提出这种运动不可能是圆运动，球状运动，也不可能是其他的不规则运动。“它是一种很短的振动” 。他写道：“在一种均匀煤质中这一运动在各个方向上都以相等的速度传播，于是发光体的每一脉动和振动都必须形成一个球面，这个球面将不断增大，如同投石入水后引起的越来越大的环状波一样。由此可知，在均匀媒质中扰动而成的球面的一切部分都与射线正交” 。从胡克的记述中，我们看出已经含有波前、波面的概念。他又把有关波面的思想用于对光的折射现象的研究，然后又讨论了薄膜的颜色。他在讨论薄膜的颜色时，从强光和弱光的超前；落后来说明光的颜色。这种想法虽然是不正确的，但是他却接触到薄膜干涉的基本要领前后两面上反射光的叠加，甚至于可以说，在这里已经包含了两束光的位相差的初步概念。于1690年出版的一部书论光 。他还把光的传播方式和声音在空气中的传播作比较，明确地提出关于光是一种波动的想法。又根据光速的有限性论证了光是从煤质的一部分依次向其他部分传播的一种运动。它和声波、水波一样是球面波。 惠更斯从光是波动的传播这一观念出发，提出了著名的以他名字命名的原理。 惠更斯根据他的波动说和绘制波前图的方法，很好的解释了反射、折射以及方解石的双折射现象。在解释方解石的双折射现象时，提出寻常光线的波面是通常的球面，而非常光线的波面是一个椭球面的思想。用惠更斯的波动说解释光的干涉、衍射和偏振现象时却遇到了困难。可见惠更斯的波动说是不够完善的，他所谓的波看来只是一种脉冲。又认为它是一种纵波。也没有建立起波的周期性的概念。 牛顿对光本性的看法 第一：他认为光的波动说不能很好地说明光的直线传播这一最基本的事实。 第二，波动说不能解释偏振现象。 第三：对光的波动说赖以存在的“以太”的怀疑，他写道：“对于天空为流体媒质（除非它们非常稀薄）所填满的那种主张，一个最大的反对理由在于行星和彗星在天空中各种轨道上的运动是那样地有规则和持久。 牛顿在反对波动说的同时，提出了另一假说即微粒说：“光线是否是发光物质发射出来的很小的物体？因为这样一些物体能够直线穿过均匀媒质而不弯曲到影子区域里去，这正是光线的本性。” 应该指出，牛顿并不是根本不承认光的波动性。他认为：当光投射到一个物体上的时候，可能激起物体中以太粒子的振动，就好象投入水中的大石块在水面上激起波纹一样，并且设想可能正是由于这种波依次地赶过光线而引起干涉现象。可以说，他甚至是第一个提出光在本质上是一种周期过程的人。在解释薄膜干涉（牛顿环）时，他提出了“猝发理论”，认为“每一光线在它通过任何折射面时，都形成一定的过渡性结构或状态。 牛顿曾多次提到关于光可能是一种振动以及与声的对比，但是，在解释光从一种煤质进入另一种媒质时得出，光在密媒质的速度大于疏媒质中的速度。 第一、 在十七、十八世纪，研究机械运动规律的学科古典力学已经建成，并且在解释自然现象和指导生产实践方面卓有成效。 第二、 第二、从社会情况来看，正如恩格斯指出的那样“这个时代的特征是一个特殊的总观点的形成，这个总观点的中心是自然界绝对不变这样一个见解。” 第三、 第三、牛顿建立了古典力学，在人们头脑中，牛顿的威望比惠更斯的威望高，所从权威提出的理论容易被人接受第四、 第四、惠更斯提出的波动说本身不够完善。 第五、 微粒说和波动说争论的交点在于：对折射现象的分析得出了不同的结论。用微粒说分析时得出，密媒质中的光速大于疏煤质中的光速，而用波动说分析时得出密媒质中的光速小于疏煤质中的光速。 第六、 1800年，杨在论文在声和光方面的实验和问题中，提出了反对微粒理论的新论据：在解释由强光和弱光源所发出的光粒子有同样的速度方面碰到的困难，在解释射线从一种介质进入另一种介质时，一部分不断地被反射，而另一部分不断地发生折射的困难。第七、 首次提出干涉这个术语。第八、 杨在1801年的报告中，已经形成波动光学的基本原理，他提出了比惠更斯进一步的四条假设和八条命题。从这些条款中，推导出光的传播速度和以太的弹性和密度有关；也解决了惠更斯所没有解决的问题波为什么不向后面传播；用命题解释了牛顿环。 第九、 并测定了光波的波长和波数，因此，波动