光波、光线及基本光学规律详解

光和人类的生产和生活有着十分密切的关系，植物的生长需要光，人的视觉要依靠光，人类一切活动几乎都离不开光。人们常说的“耳听为虚，眼见为实”，正反映了人对光的重要作用的认识。人类通过实践很早就积累了有关光的丰富的感性知识，很早就开始研究光。

人类对光的研究，可以分为两个方面：一方面是研究光的本性，并根据光的本性来研究各种光学现象，称为“物理光学”；另一方面是研究光的传播规律和传播现象，称为“几何光学”。

对于光的本性的研究，虽然很早就已开始，但进展较慢。对光的本性的科学假说，最初是牛顿在1666年提出的，他认为光是一种弹性粒子，称为“微粒说”。1678年惠更斯认为光是在“以太”中传播的弹性波，提出了“波动说”。1873年麦克斯韦根据电磁波的性质证明，光实际上是电磁波。从此人类对光的本性才有了比较正确的认识。1905年爱因斯坦为了解释光电效应，提出了“光子”的假说，后来由于摩普顿效应的发现面得到证实，这样使人类对光的认识更为全面。现代物理认为，光是一种具有波粒二象性的物质，即光既具有“波动性”又具有“粒子性”。只是在一定条件下，某一种性质显得更为突出。一般来说，除了研究光和物质作用的情况下必须考虑光的粒子性面外，可以把光作为电磁波看待，称为“光波”。

光波和一般无线电波不同处，只是光波的波长比无线电波短，波长在400～760 nm（1 nm＝10－6 mm＝10 A）的电磁波能够为人眼所感觉，称为“可见光”，超出这个范围人眼就感觉不到。不同波长的光产生不同的颜色感觉。同一波长的光，具有相同的颜色，称为“单色光”。由不同波长的光波混合而成的光称为“复色光”。不同颜色的光对应的波长范围如图2.1所示。白光是由各种波长光混合而成的一种复色光。

图2.1　不同颜色的光对应的波长范围图

不同波长的电磁波，在真空中具有完全相同的传播速度。因此不同波长的电磁波的频率不同，因为频率和光速、波长之间存在以下关系：

在透明介质中，如水、玻璃等，光的波长和光速同时改变，但频率不变。

某一瞬间波动传播所到达的曲面称为“波面”。在均匀介质中，波动在各方向的传播速度相同，因此一个位于均匀介质中的点光源所发出的电磁波的波面，应该是以光源为中心的同心球面，如图2.2所示。

光既是电磁波，研究光的传播问题，应该是一个波动传播问题。但是，几何光学中研究光的传播，并不把光看作是电磁波，而把光看作是“能够传输能量的几何线”。这样的几何线叫作“光线”。光源发光就是向四周发出无数条几何线，沿着每一条几何线向外发散能量。如图2.3所示。

“光线”这一概念是人们直接从无数客观光学现象中抽象出来的。利用光线的概念可以说明自然界中许多光的传播现象，例如我们常见的影的形成、日食、月食、小孔成像等。这些现象都可以用把光看作“光线”的概念来解释。目前使用的光学仪器，绝大多数是应用几何光学原理——把光看作“光线”设计出来的。

图2.2　点光源所发出的电磁波的波面图

(www.xing528.com)

图2.3　光源发光发出几何线示意图

几何光学研究光的传播，也就是研究这些光线的传播。研究的方法是，首先找出光线的传播规律——几何光学的基本定律，然后根据这些基本定律研究光的传播现象。在研究过程中，光线和几何线具有完全相同的性质，所不同的只是光线具有方向——即能量传播的方向。因此，就光线的几何性质来说，光线就是“具有方向的几何线”。这样，几何光学中研究光的传播问题，就变成了一个几何问题，这就是所以称为“几何光学”的理由。

如前所述，位于均匀介质中的点光源所发射的光波的波面，是以发光点为球心的球面，同时按照几何光学的观点，点光源发光就是由发光点A向四周发出无数条几何线，如图2.4所示，显然光线垂直于波面，换句话说，“光线就是波面的法线”，反之，“波面就是所有光线的垂直曲面”。这就是波面和光线之间的对应关系。相交于同一点或者由同一点发出的一束光线称为“同心光束”，对应的波面形状为球面，如图2.5（a）所示。不聚交于一点的光束称为“像散光束”，对应的波面为非球面，如2.5（b）所示。

图2.4　点光源发光示意图

平行光束对应的波面为平面，如图2.5（c）所示。

只能表示光的传播方向，决不可以认为是从实际光束中借助于有孔光分出的一个狭窄部分。如果从后一观点出发，以为孔的线度越小，所分出的光束就越窄，那么，在极限情况R下，选用任意小的孔，似乎就能得到像几何那样的所谓“光线”。我们知道，光具有波动性，曲于波的衍射作用，要分出任意窄的光束实际上是不可能的。通过半径为R的圆孔的实际光束，其传播范围不可避免要扩大，角宽度由衍射角θ∞λ／R决定。只有在R≫λ的极限情况下，由衍射引起的扩大才不显著，光的传播过程才用不着以次波迭加原理来分析，这时才可以把光束当作几何线。这几何线的方向决定光的传播方向。由此可见，“光线”是一个抽象的数学概念，而不是物理概念。

图2.5　对应波面图

光波在介质中沿着光线方向传播时，位相不断改变，但在同一波面上所有各点的位相则是相同的。在各向同性介质中，光的传播方向总是和波面的法线方向相重合。在许多情况下，人们经常考虑的只是光的传播方向问题，可以不考虑位相。这对波面就只是垂直于光线的几何平面或曲面。在这种极限情况下，实质上光线和波面都可看作是抽象的数学概念。在许多实际问题中，特别是在光学技术成像问题和照明工程问题中，借助于上述光线（有时用波面）的概念，应用某些实验定律及几何定律，就可以进行一切必要的计算而不必涉及光的本性问题。这部分以几何定律和某些基本实验定律为基础的光学称为几何光学，主要考虑的是光线和波面。几何光学研究的实际上就是波动光学的极限情况。

几何光学把光看作是具有方向的几何线“光线”，从而进行光的传播问题的研究。因此，我们必须首先找出这些光线的传播规律。自然界中光的传播现象虽说是千变万化，但是，如果用几何光学的观点仔细分析，实际上可以归纳为以下两种情况：

①光线在均匀透明介质中传播的规律——直线传播定律：光线在均匀透明介质中按直线传播。

②光线在两种均匀介质分界面上的传播规律——反射定律和折射定律。

至于光在不均匀介质中传播的规律，可以把不均匀介质看作是由无限多的均匀介质组合而成的。光线在不均匀介质中的传播，可以看作是一个连续的折射。随着介质性质不同，光线传播曲线的形状各异。它的传播规律，同样可以用折射定律来说明。由此可见，直线传播定律、反射定律和折射定律，能够说明自然界中光线的各种传播现象。它们是几何光学中仅有的物理定律。因此称为几何光学的基本定律。

在应用这些有关光线的定律时，要牢记它只是真实情况的近似，只有正确判断它们的适用条件，才能期望所得到的结果和实际相符。以后还将看到，在应用光学中，一些较细致的问题（例如光学仪器的分辨本领），只有用衍射理论才能解决。