[激光原理与应用-16]：《激光原理与技术》-2- 光的本质（粒子 波动说 电磁波 量子）

目录

前言：“光”

一、光的微粒说 - 牛顿

二、光的波动说 -托马斯·杨 + 惠更斯

三、光是电磁波 -麦克斯韦

四、光的波动说受到的挑战，光的波动说重新唤醒

五、光量子假说 - 爱因斯坦

六、光的理论综合

七、光的重要特性

7.1 光的相干性

7.2 相干参数

7.3 光学模式

前言：“光”

在《圣经》里有这样的记载：上帝说“要有光”，于是就有了光。上帝把光和暗分开，把光称为白昼，把暗称为黑暗。夜晚过去后，清晨接着来临，这是第一天。

诚然，生活在地球上的人类无时无刻不在享受着太阳赠予我们的一切。

毫不夸张地说，我们使用的能源几乎都是来源于太阳。清晨，第一缕阳光洒下，美好的一天又开始了。人们重复着日复一日的工作、生活。阳光也这样日复一日地照耀了地球46亿年。

但是光到底是什么？人类始终无法给出准确的答案。

一、光的微粒说 - 牛顿

在科学界有一个著名的评价：上帝说要有光，于是就有了牛顿。

没错，这是后世对艾萨克·牛顿的崇高评价。

牛顿不仅开创了万有引力学说，它在光学上也可谓是功勋卓著。

当我们把一束光照向三棱镜时，光线通过三棱镜，最后照在墙上会出现赤、橙、黄、绿、青、蓝、紫七种色彩。这就是由牛顿首先提出的著名的光的色散实验。

1704年，牛顿发表了著作《光学》，其中认为光的本质是一种微粒。光是由一颗颗小光丸（粒子的震动形态是波）组成的粒子流。人们之所以可以看见东西，就是因为物体反射了光线，而这些组成光线的粒子不断地冲击着我们的视网膜，最后形成视觉。

微粒说也很好地解释了光的反射和折射现象。

牛顿的学说——光是微粒，统治了学界整整一百年，直到一位医生的出现。

二、光的波动说 -托马斯·杨 + 惠更斯

1773年6月，托马斯·杨来到了这个世界。他可谓是含着金钥匙出生的，不仅家庭富裕，而且天资聪慧。从小就学习了许多大人物的著作。托马斯·杨成年后选择成为一名眼科医生。因此可以更多地了解光线、视觉方面的知识。他在行医之余经常摆弄各种物理实验。不经意间，却挑战了牛顿百年的学说。

1801年，托马斯·杨做了闻名后世的双缝干涉实验。

当一束光通过很窄的狭缝，最后照在探测屏上，会出现许多明暗相间的光带。

这个实验说明光不是微粒，而是一种波。

只有波在通过狭缝后，才会在探测屏上形成许多明暗相间的光带。

托马斯·杨发表了自己的观点。可是他在牛顿面前显然是渺小的。当时的学术权威并不认可光的波动说，而且还讽刺托马斯·杨“用一些不合逻辑的实验得出了一个荒唐的结论”。但是托马斯·杨并没有退缩，他仍坚持波动学说，孤身挑战牛顿的微粒说。他四处发表论文，还印成手册分发。

一晃近二十年过去了，波动学并未被大众所接受。托马斯·杨反而被人认为是疯子。

无奈，已过不惑之年的悲情英雄只得改变研究方向，专研考古学，破译象形文字去了。

与光的波动说一致。

三、光是电磁波 -麦克斯韦

真正使波动说绝地反击，赢得主动的是伟大的电磁科学家麦克斯韦。

1865年，他发表了“最精美的方程组”——麦克斯韦方程组。通过他的研究，人们发现了电磁波，并认识到光和电磁波有许多相同之处，光极有可能是一种特殊的电磁波。

至此，光的波动说似乎已经稳操胜券，只要找出以太（承载波的介质）就能取得完胜。

关键的以太究竟为何物？它就是光波在空间中传播的介质。

我们都知道水波的传播必须以水为介质。

声音（波）的传递必须以空气为介质，在太空中没有空气所以我们不能听见声响。

以太就是光的水，就是光的空气。

水、空气对于人类是多么重要的存在，我们时刻都能触摸到、呼吸到。

以太对于波动学说是多么重要的存在，可是科学家用了百多年去寻找，仍一无所获。

微粒学派肯定不会放过这一巨大的破绽，他们以此为突破口再战波动学派。

四、光的波动说受到的挑战，光的波动说重新唤醒

光电效应是物理学中一个重要而神奇的现象。

光照射到金属导线上，引起物质的电性质发生变化。这类光变致电的现象被人们统称为光电效应（Photoelectric effect）。光电效应分为光电子发射、光电导效应和阻挡层光电效应，又称光生伏特效应。前一种现象发生在物体表面，又称外光电效应（photoelectric emission）。后两种现象发生在物体内部，称为内光电效应。

粒子说对光电效应的解释

按照粒子说，光是由一份一份不连续的光子组成，当某一光子照射到对光灵敏的物质(如硒)上时，它的能量可以被该物质中的某个电子全部吸收。电子吸收光子的能量后，动能立刻增加;如果动能增大到足以克服原子核对它的引力，就能在十亿分之一秒时间内飞逸出金属表面，成为光电子，形成光电流。单位时间内，入射光子的数量愈大，飞逸出的光电子就愈多，光电流也就愈强，这种由光能变成电能自动放电的现象，就叫光电效应。

赫兹于1887年发现光电效应，爱因斯坦第一个成功的解释了光电效应（金属表面在光辐照作用下发射电子的效应，发射出来的电子叫做光电子）。光频率大于某一临界值时方能发射电子，即截止频率，对应的光的频率叫做极限频率。临界值取决于金属材料，而发射电子的能量取决于光的波长而与光强度无关，这一点无法用光的波动性解释。还有一点与光的波动性相矛盾，即光电效应的瞬时性，按波动性理论，如果入射光较弱，照射的时间要长一些，金属中的电子才能积累到足够的能量，飞出金属表面。

可事实是，只要光的频率高于金属的极限频率，光的亮度无论强弱，电子的产生都几乎是瞬时的，不超过十的负九次方秒。正确的解释是光必定是由与波长有关的严格规定的能量单位(即光子或光量子)所组成。这有一次证明，光是“波”。

五、光量子假说 - 爱因斯坦

光和原子电子一样也具有粒子性，把光具有这种粒子属性叫作光量子。

光量子，简称光子（photon），是传递电磁相互作用的基本粒子。

同时，光量子的运动又具备电磁波的特性。

六、光的理论综合

七、光的重要特性

7.1 光的相干性

光的相干(coherence)指的是两个光的波动（光波）在传播过程中保持着相同的相位差，具有相同的频率，或者有完全一致的波形。这样的两束光可以在传播过程中产生稳定的干涉（interference），也就是相长干涉、相消干涉。

但在现实中完美的相干光能是不存在的，通常用相干性来描述光的相干性能，包含时间相干性和空间相干性。

从激光器出来的激光通常有很好的相干性。这种激光在分束后合并可以产生稳定的相干条纹。

相干在物理学上还有更加普遍的意义，它代表两个波，或者波集，具有的相关性（ correlation）。

两束满足相干条件的光称为相干光，

相干条件（Coherent Condition）：

这两束光在相遇区域：

①振动方向相同；②振动频率相同；③相位相同或相位差保持恒定

那么在两束光相遇的区域内就会产生干涉现象。

7.2 相干参数

（1）相干体积：

相干体积由相干长度和相干面积确定。

在整个相干体积空间内的光波场都具有相干性，过了这个体积，由于光谱一般都是有一定宽度的，大量光子在传输一定距离后（相干长度）无法保持固定的相位差，从而无法形成干涉。

而在空间沿波矢方向也是具有相干的立体角，超过了这个立体角就会导致相干性大大降低，而相干立体角一个光波长距离处所截得的截面积就是一个相干面积。

（2）时间相干性

单色性越好，频率宽度越小，相干时间越长 。

7.3 光学模式

光学模式是指光波的频率、波长、偏振等参数的综合。

7.4 相干光源

激光光源就是一种相干光源！！！

激光光源又称为“种子源”