光学与自然现象论文

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光学与自然现象论文篇一：浅析自然现象中的光学原理

光学与自然现象论文篇二：光学论文

蜃景中的光学及其原理应用

郑紫阳†

（西安交通大学，理学院，应用物理系21，西安 710049）

（西安交通大学，理学院，物理系，西安 710049）

蜃景包含海市蜃楼与沙漠幻景两种情况，是一种因光的折射和全反射而形成的自然现象。本文就其中的光学原理进行分析，并探讨其原理在科技中的应用。

关键词：蜃景，折射，全反射，隐形

1. 引 言

长期以来，蜃景这种奇幻的自然现象在没有被人们充分认识之前，一直人们神秘化，在中国古代传说和书籍中便有相应的记载。秦始皇、汉武帝当年还曾率人前往蓬莱寻访仙境。宋代沈括也在其文章中提及过海市蜃楼发生的景象。但随着科学技术的不断发展，这种自然现象的形成原因逐步清晰。

2. 蜃景原理

2.1光的折射与全反射

当光线在同一密度的均匀介质内进行的时候，光的速度不变，它以直线的方向前进，可是当光线倾斜地由这一介质进入另一密度不同的介质时，光的速度就会发生改变，进行的方向也发生曲折，这种现象叫做折射。当你用一根直杆倾斜地插入水中时，可以看到杆在水下部分与它露在水上的部分好像折断的一般，这就是光线折射所成的。如下图1所示。

图1

当光由光密介质射向光疏介质时，折射角将大于入射角。当入射角增大到某一数值时，折射角将达到90°，这时在光疏介质中将不出现折射光线，只要入射角大于或等于上述数值时，光线就全部反射到水里，再没有折射到空气中去的光线，这就是全反射。如下图2所示。

图2

2.2海市蜃楼现象分析

当温度不同时，空气的密度便不同，因而折射率便不同。在夏季，白昼海水湿度比较低，特别是有冷水流经过的海面，水温更低，下层空气受水温更低，下层空气受水温影响，较上层空气为冷，出现下冷上暧的反常现象。下层空气本来就因气压较高，密度较大，现在再加上气温又较上层为低，密度就显得特别大，因此空气层下密上稀的差别异常显著。

如果由于这时空气下密上稀的差异太大了，来自远方物体的光线先由密度的气层逐渐折射进入稀的气层，并在上层发生全反射，又折回到下层密的气层中来

（如下图3），经过这样弯曲的线路，最后投入我们的眼中，我们就能看到它的像。由于人的视觉总是感到物像是来自直线方向的，因此我们所看到的物体映像比实物是抬高了许多（如下图4），所以叫做上现蜃景，也即我们平时看到的海市蜃楼的形成。

图3 图4

2.3沙漠幻景现象分析

与海市蜃楼的原理相同。在夏天，沙漠里的下层空气密度小于上层空气密度，相应的折射率也小于上层空气折射率，也形成一个梯度折射率的空气层，但其折射率的渐变规律正好与海面的情况相反，即上方的图3倒过来便是沙漠幻景的形成图解，因此我们所看到的物体映像比实物是降低了许多，所以叫做下现蜃景（如下图5）。

图5

3. 原理应用——隐形

3.1隐形多种原理 隐形，是我们每个人孩提时代的梦想。我们都希望拥有这样一项超能力，逃避繁重功课与家长惩罚。而长大后，我们又希望可以隐形不被家庭工作的压力所烦扰。很显然，我们自身不可能存在这么一种能力，所以我们只能借助外物。电影《哈利波特》中的隐形衣就给了科学家们很大的启发——可以披在身上便隐形的衣服。

在日本，有科学家发明出光学隐形衣。这项研究的核心理论是将物体前后移动的影像集成在一起，制造出“透明”的效果。实际上这是一种幻想是觉得“隐形”手段，有点类似自然界变色龙的做法。但这并不是我们想要追求的效果。模拟环境终究还是有细微差别会被察觉，而通过蜃景原理我们可以实现真正的意义的隐形，让光线无法反射且不留下阴影。

研究人员说，隐形衣试验中的现象就像是海市蜃楼一样，在海市蜃楼中，热量引起光线弯曲，隐去了天空中出现的影像后面延伸的道路。我们可以人工制作一个海市蜃楼，隐藏一些东西，让观察者从任何角度都看不到物体的存在。

3.2相关研究

在英国，约翰·彭得利爵士和美国的同事们研究的方向是如何在衣服上设置一个装置，让光波可以像河水从一块光滑的岩石周围流过一样在衣服上流动，从而达到隐形目的。约翰爵士认为通过改变光线，让光线经过一堆特殊材料制成的衣物而不发生反射，也不留下阴影是完全有可能的。不过制作隐形衣的过程非常困难。毕竟遮挡光线不是一件容易的事。约翰爵士说：“由于我们现在还没有完

美的隐身衣，被覆盖的物体仍能够反射一些光，也有一些影子，这意味着它的背景仍然能够看见，只不过是变暗了。我们现在需要改进隐形材料结构的性能。”

美国杜克大学也正在试图成功掌握这项技术。在首次尝试中，研究人员设计了一个外衣能够阻止探测到物体的微波。像光线和雷达波一样，微波遇到物体时通常会反射回来，所以仪器就会发现这种物体，形成一个可以探测到的影子。而隐形外衣使用的是一种特殊的材料，可以让雷达波或者光线或者其它的波绕过物体而不会反弹回来，就像是小河中的水流能够绕过一块平滑的岩石继续向前流去而不会反弹回来一样（如下图6）。为了达到有效的隐身，你必须对所有的光波波长达到显著控制的能力，而这个是由光学材料决定的，通常都是纳米级别的，本质上是一些微小的电磁场和电路，但能处理光的电场和磁场。理论上说，这种技术适应可见光的概念是不错的，但从工程学观点来自具有很大的挑战性。不过研究人员已成功地将一个柱面隐藏起来让微波探测不到。那么很显然，这种材料如果能够研制成功，可能不仅仅能够反射电磁波，甚至能够反射机械波，隐藏声音，不会产生震动。这一研究向民用和军用功能材料的研制迈出了第一步。

图6

但是以上几个测试都存在或多或少的问题，材料问题是首位的。上述实验的超材料可以控制的波长都很有限，尤其对于黄光就很不明显。斯坦福大学的团队

光学与自然现象论文篇三：光学论文

光学设计性试验

《光盘性质的研究》

学院：物理学院

专业：物理学

指导老师：李金环

姓名：陈哲

学号：1221410007

光盘性质的研究

【摘要】CD光盘上的信息是通过压制在光盘上的细小坑点来贮存的,并由这些不同时间长度的细小坑点和坑点之间的平台组成了由里向外分布的螺旋光道.当激光光斑扫描这些坑点组成的光道时,就读出了存储的信息。光盘盘片光道间距为0.74μm,.并且其最小记录点长度为0.4μm,如此小的光道间隔密度和光栅的光栅常量的数量级相当，因此光盘在激光的照射下会像反射光栅一样发生光栅衍射现象。当我们把衍射光斑记录在光屏上，我们就可以根据光的衍射计算出光栅常量b,从而可以计算出光盘的周期。

【关键词】 光道 反射光栅 衍射现像 光盘周期 光盘厚度

【实验目的】

（一）了解光盘CD，VCD，DVD的构成及光学性质；

（二）学会解释出现的光学现象；

【实验要求】

（一）设计实验方案，推导出实验的原理和公式，画出光路图；

（二）使用多种方法进行测量；

（三）光盘的刻线走向及刻线密度。

【实验仪器】

激光器，废旧光盘三个、没有刻录过的光盘三个、自己制作的可以记录具体位置的光屏一个，光聚座一个，分光计一个。

【实验原理】

1光盘的结构

光盘的物理构造：CD光盘上记录的信息最小单元是比特（bit）。在聚碳酸脂材料上用凹痕和凸痕的形式记录二进制“0”和“1”，然后覆上一层薄铝反射层，最后再覆上一层透明胶膜保护层，并在保护层的一面印上标记。我们通常称光盘的两面分别为数据面和标记面。目前通常用的光盘直径为12cm，厚度约为1mm，中心孔直径为15mm，重约14--18g。光盘由透明塑料PCC聚碳酸酷基片做成，由衬底层、反射层及保护层和最上面的商标层组成。光盘的信息是通过激光反射原理从信息面通过透明塑料来读取的。

图1 光盘的基本结构

在反射层中有四凸坑来表示的信息，当激光头的激光束照射这些凹凸坑时，产生强弱不同的反射光，再将这些反射光变为大小不同的电流，经解码电路还原成信号。光盘的信息坑长为0.9-3.2μm，信息坑宽为0.5μm，信息坑深为0.11μm，信息纹迹间距为1.6μm。

2.光盘的读取原理

光盘的原理是：光盘能以二进制数据(由“0”和“1”组成的数据模式)的形式存储文件和音乐信息。要在光盘上存储数据，首先必须借助电脑将数据转换成二进制，

光学与自然现象论文篇四：光学发展简史论文

齐 齐 哈 尔 大 学

物理学史（课程论文）

题 目 光学发展简史

学 院 理学院

专业班级 物理091

学生姓名 王 莹

指导教师 刘 艳 芬

2011年 11 月 18 日

关键词:光学、萌芽、几何、波动、量子、现代光学

简介

光是一种重要的自然现象，我们所以能够看到客观世界中五彩缤纷、瞬息万变的景象，是因为眼睛接收物体发射、反射或散射的光。据统计，人类感官收到外部世界的总信息量中，至少有90％以上通过眼睛。光学是一门古老而又年轻的学科。其悠久的历史几乎和人类文明史本身一样久远；近半个世纪以来它又以令人惊叹的发展速度、奇迹般层出不穷的研究成果、以及所蕴含的巨大潜力和希望，使自己跻身于现代科学技术的前沿。在全面展开对光学基本知识的讨论之前，让我们简短地回顾人类获得今天的知识所走过的路程，以便对它的全貌有一概括的了解。尽管这种介绍只能是相当粗糙而简略的。

它是物理学中最古老的一个基础学科，也是当前科学研究中最活跃的前沿阵地，具有强大的生命力和不可估量的前途。光学的发展过程是人类认识客观世界的进程中一个重要的组成部分，是不断揭露矛盾和克服矛盾、从不完全和不确切的认识总部走向较完善和较确切认识的过程。它的不少规律和理论是直接从从欧美和生产实践中总结出来的，也有相当多的发现来自长期的系统的科学实验。光学的发展为生产技术提供了许多精密、快速的实验手段和重要的理论依据；而圣餐技术的发展，又反过来不断向光学提出许多要求解决的新课题，并为进一步深入研究光学准备了物质条件。光学的发展大致可换分为5个时期：一、萌芽时期；二、几何光学时期；三、波动光学时期；四、量子光学时期；五、现代光学时期。

1.萌芽时期

1.1中国光学萌芽及发展

中国古代对光的认识是和生产、生活实践紧密相连的。它起源于火的获得和光源的利用，以光学器具的发明、制造及应用为前提条件。根据书籍记载，中国古代对光的认识大多集中在光的直线传播、光的反射、大气光学、成像理论等多个方面。

1.1.1对光的直线传播的认识 早在春秋战国时《墨经》已记载了小孔成像的实验：“景，光之人，煦若射，下者之人也高；高者之人也下，足蔽下光，故成景于上，首蔽上光，故成景于下„„”。指出小孔成倒像的根本原因是光的“煦若射”，以“射”来比喻光线径直向、疾速似箭远及他处的特征动而准确。宋代，沈括在《梦溪笔谈》中描写了他做过的一个实验，在纸窗上开一个小孔，使窗外的飞鸢和塔的影子成像于室内的纸屏上，他发现：“若鸢飞空中，其影随鸢而移，或中间为窗所束，则影与鸢遂相违，鸢东则影西，鸢西则影东，又如窗隙中楼塔之影，中间为窗所束，亦皆倒垂”。进一步用物动影移说明因光线的直进“为窗所束”而形成倒像。

1.1.2光的反射和镜的利用 中国古代由于金属冶炼技术的发展，铜镜在公元前2000年夏初的齐家文化时期已经出现。后来随着技术的发展，古镜制作技术逐渐提高，应用范围逐扩大，种类也逐渐增多，出现了各种平

面镜、凹面镜和凸面镜，甚至还制造出被国外称为魔镜的“透光镜”。1956～1957年河南陕县上村岭1052号虢国墓出土过春秋早期的一面阳燧(凹面镜)，它直径7.5厘米，凹面呈银白色，打磨十分光洁，背面中心还有一高鼻纽以便携带，周围是虎、鸟花纹。镜的利用为光的反射的研究创造了良好的条件，使中国古代对光的反射现象和成像规律有较早的认识。这方面的记载也较多。关于平面镜反射成像，《墨经》中记载：“景迎日，说在转”。说明人像投在迎向太阳的一边，是因为日光经过镜子的反射而转变了方向。这是对光的反射现象的一种客观描写。关于平面镜组合成像，《庄子·天下篇》中记载：“鉴以鉴影，而鉴以有影，两鉴相鉴重影无穷”。生动地描写了光线在两镜之间彼此往复反射，形成许许多多像的情景。《淮南万毕术》记载：“取大镜高悬，置水盆于其下，则见四邻矣”。其原理和现代的潜望镜很类似。对凸面镜成像的规律，在《墨经》中有所叙述：“鉴团，景一，说在刑之大”。经说中进一步解释说：“鉴，鉴者近，则所鉴大，景亦大，其远，所鉴小，景亦小，而必正”。它说明了凸面镜只成一种像，物体总成一种缩小而正立的像，对凸面镜成像规律作了细致描写。关于凹面镜，《墨经》记载：“鉴洼，景一小而易，一大而正，说在中之外、内”。说明当时已认识到凹面镜有一个“中”(指焦点和球心之间)。物在“中”之外，得到比物体小而倒立的像，物在“中”之内，得到的是比物体大而正立的像，这种观察是细致而周密的。《淮南子·天文训》记载：“阳燧见日则燃而为火'。这说明中国古代已认识到凹面镜对光线有聚作用。《梦溪笔谈》中也有记载：“阳燧，面洼，以一指迫而照之则正，渐远则无所见，过此遂倒”。此处不仅述了凹面镜成像的规律，还提出了测凹面镜的焦距的一种粗略方法，发现成正像和倒像之间有个分界点。《梦溪笔谈》又说：“阳燧面洼，向日照之，光皆聚向内，离镜一、二寸，光聚为一点，大如麻菽，着物则火发，此则腰鼓最细处也”。作者(沈括)把聚光点形容如芝麻和豆粒那么之小，又把它称作“碍”，用“腰鼓最细处”形容地比喻光束的会聚，十分贴切。

1.1.3对大气光学现象的探讨大气光学现象是中国古代光学最有成效的领域之一，早在周代由于占卜的需要，已建立了官方的观测机构，虽然他们的工作蒙上了一层神秘的色彩，但是对晕、虹、海市蜃楼、北极光等大气光学现象的观测与记载是长期、系统而又深入细致的，世所罕见。《周礼》中记载有“十煇”，指的是括“霾”和“虹”等在内的十种大气光学现象。到唐代对它的认识更加细致、深入。《晋书·天文志》中明确指出：“日旁有气，圆而周布，内赤外青，名日晕”。此处不仅为晕下了定义，而且把晕按其形态冠以各种形象的名称，如将太阳上的一小段晕弧叫做

“冠”；太阳左右侧内向的晕弧叫做“抱”等等。另外在《魏书·天象志》中对晕也有记载。除此以外，在宋朝以后的许多地方志中也记载有大气光象，还出现了关于大气光象的专著及图谱，其中《天象灾瑞图解》一直流

传至今。殷商时期，就出现了有关虹的象形文字，对虹的形状和出现的季节、方位不少书有所记载，如《礼记·月令》指出：“季春之月„„虹始见”，“孟冬之月„„虹藏不见”。东汉蔡邕(132～192)在《明堂月令》中写道：“虹见有青赤之色，常依阴云而昼见于日冲。无云不见，太阳亦不见，见辄与日相互，率以日西，见于东方„„?这些记载虽然是很粗浅的，经验性的，但它却是关于虹的确凿记录。魏、晋以后，对虹的本质和它的成因逐渐有所探讨，南朝江淹说自己对虹“迫而察之”，断定是因为“雨日阴阳之气”而成。唐初已认识到虹的成因，”若云薄漏日，日照雨滴则虹生”，明确指出“日照”和“雨滴”是产生虹的条件。后来，张志和在《玄真子·涛之灵》中明确指出：“背日喷乎水，成虹霓之状'。第一次用实验方法得出人工造虹，到南宋时，蔡在《毛诗名物解》中，对这一种更有发展：“今以水喷日，自侧视之则晕为虹”。不仅重复了《玄真了》中的实验方法，而且更进一步指出了观察者所在的位置。在国外对虹的成因作出解释的是在13世纪，因此我们对虹成因的正确描述比西方早约600年。 关于海市蜃楼，中国古代也早有记载，如《史记·天官书》：“蜃气象楼台”。《汉书·天文志》：“海旁蜃气楼台”。《晋书·天文志》：“凡海旁蜃气象楼台，广野气成宫阙，北夷之气如牛羊群畜穹庐，南夷之气类舟船幡旗”。这是对海市蜃楼的如实描写，但当时并不了解其成因和机理。到宋朝苏轼对它才有较正确的认识，他在《登州海市》中说：“东方云海空复空，群山出没月明中，荡摇浮进生万象，岂有贝阙藏珠宫”。此处明确地表示海市蜃楼都是幻景，蜃气并不能成宫殿的思想。到明、清之际，陈霆、方以智等人对海市蜃楼作了进一步探讨，陈霆认为海市蜃楼的成因是：“为阳焰和地气蒸郁，偶尔变幻'。方以智认为“海市或以为蜃气，“非也”。张瑶星认为蓬莱岛上的蜃景是附近庙岛群岛所成的幻景，后来揭暄和游艺画了“山城海市蜃气楼台图”，图上右方是左方楼台的倒影。文中记载了登州(即蓬菜)海市，并说：“昔曾见海市中城楼，外植一管，乃本府东关所植者。因语以湿气为阳蒸出水上，竖则对映，横则反映，气盛则明，气微则隐，气移则物形渐改耳，在山为山城，在海为海市，言蜃气，非也。”这一气“气映”说是对当时海市蜃楼知识的珍贵总结。极光是一种瞬息变幻、绚丽多彩的大气光象，中国处在北半球，故观察到的只能是北极光。早在二千年前，中国就对北极光人加以观察，并有所记载，《竹书纪年》中记载：“周昭王末年，夜清，五色光贯紫微。其年，王南巡不返”。此文虽如实地记录了北极光出现的时间、方位和颜色，但把王南巡不返(卒于江上)联系起来，说明当时对北极光还没有正确的认识。对北极光的形状、颜色不少书都有详细的描述，并绘有彩色极光图，这些都是研究北极光的极好史料。

1.1.4关于成影现象的认识:日常生活中，在光线照射下，影随时随处可以见到，它引起人们的注意，并探究其形成的规律。立竿见影是中国古

代最早被注意的问题，后来用此方法测影定向，并应用于确定墓穴和建筑物的方位上。这套方法在周代已发展很精密，据《考工记》记载，当时有“土方氏”使用圭表，“典瑞氏”管理土圭，“匠人”则使用土圭辨定方位进行建筑，并指出在测表影之先，要使地面保持水平，使表竿保持垂直，这说明当时已认识到投影的长度和光源位置有关，而且也和物体的斜度有关。《墨经》中对成影的讨论更加深入，通过实验明确指出：表秆在地面上投影的粗细长短，是随木离光源的远近、木的倾斜度以及光源的大小变化而变化的规律。

中国古代对光的认识除以上所述外，还有其他一些方面，如折射现象；天然晶体的色散；明清时期，光学从西方传入后，还有了光学仪器的制作等等，但这些认识是零散的，定性的，绝大多数都只停留在对光学现象的描写和记载上。值得提出的是宋末元初的赵友钦 (13世纪中叶至14世纪初叶)，在《革象新书》的“小罅光景”中，描写了一个大型光学实验，在地面下挖了两个圆阱，圆阱上可加放中心开有大小、形状不同孔的圆板盖。通过它可进行只有一个条件不同的对比实验，对小孔(大小和形状)、光源(形状和强度)、像(形状和亮度)、物距、像距之间的关系进行研究。将两块圆板上各插1000多支蜡烛，放在阱底或桌面上作为该实验的光源。通过实验确认了光直线进行的性质，定性地显示了像的明亮程度与光源强度之间的关系，并涉及光的照度和成像理论。他所采用的大型实验方法很有特色，是中国历史上记载的规模最大的实验。还有值得提出的元代郭守敬(1231～1316)曾巧妙地利用针孔取像器〔“景(影)符”〕解决了历来圭表读数不准的问题。一般圭表因太阳上下边沿投影在影端生成半影，因此读数比较模糊。正如《元史卷48》所说：“表短，„„所谓分、秒、太、少、半之数，末易分别„„表长，„„影虚而谈，难得实影”。郭守敬在建河南登封观星台时除用水平沟使圭面保持水平外，在表上加一横梁，在圭上加一可移动的“景符”)即在约宽2寸和斜铜时上扎一针孔，以“楮(即斜)竿”调其倾度以迎晶光。这样，太阳针孔像“仅如米许，隐然见横梁于其中”，细如发丝，误差可达0.1毫米。郭守敬的观测结果之精确令拉普拉斯为惊之叹。郭守敬的改进是在实际测量、反复试验中创造，并且带有定量意义，可惜这种创造只是凤毛麟角，很少有人继承下来。

1.2西方光学萌芽及发展

从墨翟开始后的两千多年的漫长岁月构成了光学发展的萌芽时期，在此期间光学发展比较缓慢。罗马帝国的灭亡(公元475年)大体上标志着黑暗时代的开始，在此之后，欧洲在很长一段时间里科学发展缓慢，光学亦是如此。除了对光的直线传播、反射和折射等现象的观察和实验外，在生产和社会需要的推动下，在光的反射和透镜的应用方面，逐渐有了些成果。克莱门德（Clemomedes）和托勒密（C.Ptolemy,90--168）研究了光的折射现象，最先测定了光通过两证介质面时代入射角和折射角。罗马哲学家塞

光学与自然现象论文篇五：波动光学小论文

学习波动光学的感想

与初高中由浅入深地从几何光学到初步的波动光学的学习不同，在大学中，一开始接触到的便是深入的波动光学的学习，让我更深刻全面地理解了光的波动性。这里就谈谈我学习这部分知识时的感想。

一、 光的波动性的发现

通过查阅资料，我发现从光的波动性的发现到波动光学理论体系的完善是经过了漫长的过程，并不是像今天我们学习时所认为的那样顺利成章，很多杰出的才华横溢的科学家都为波动光学的建立做出了卓越的贡献。

惠更斯应该是较早提出光的波动性理论的科学家。他在1678年给巴黎科学院的信和1690年发表的《光论》一书中都阐述了他的光波动原理，即惠更斯原理。惠更斯原理认为：对于任何一种波，从波源发射的子波中，其波面上的任何一点都可以作为子波的波源，各个子波波源波面的包洛面就是下一个新的波面。这个原理预言了干涉、衍射现象的存在。

T.杨是波动光学的奠基人之一。在 1800年，T.杨提出了反对微粒说的几条论据，首次提出干涉这一术语，并分析了水波和声波叠加后产生的干涉现象。杨于1801年最先用双缝演示了光的干涉现象（见杨氏实验），第一次提出波长概念，并成功地测量了光波波长。他还用干涉原理解释了白光照射下薄膜呈现的颜色。杨。

此后E.L.马吕斯、A.-J.菲涅耳、D.F.J.阿拉戈利都对波动光学理论及实验做了发展。直到19世纪60年代，J.C.麦克斯韦、H.R.赫兹对电磁理论的发展，使人们见到了光与电磁现象的一致性，从而确信光是电磁波的一种。

二、 光的波动性的证明

首先证明了光的波动性的实验是杨氏双缝实

验。

在双缝干涉实验中，利用光源前的单缝形成线光源，再利用双缝形成振动情况相同的相干光源，从而在观察屏上得到了干涉条纹。

由此可见，光子通过缝隙时产生了类波动的行为，是光的波动性的明证。 由明纹的干涉相长可以得到明纹的坐标公式：

Dxkd k=0,1,2……

其中 D 为双缝到观察屏距离，d 为双缝间距离， 为光的波长。

从而得到了相邻明纹的间距：

xD

d

杨就是借助这个公式历史上第一次测出了光波的波长。

但是杨当时的日子并不好过，在光的微粒说仍然一统天下的年代，杨的论文开始受尽了权威们的嘲笑和讽刺，被攻击为“荒唐”和“不合逻辑”。在近20年间竟然无人问津，杨为了反驳专门撰写了论文，但是却无处发表，只好印成小册子。但是据说发行后“只卖出了一本”。

另外一个证明了光的波动性的实验就是夫

琅和费衍射实验。

在单缝衍射实验中，值得注意的是，费涅耳利

用光的波动性将波面分成若干个半波带分割由

于相邻两个半波带发出的衍射光相消，所以除

中央明纹外，dsin分成偶数个半波带,，P 点

为暗纹；分割成奇数个半波带, P 点为明纹。

所以夫琅和费衍射实验。无论从实验方法抑或实验现象上都体现了光的波动性。

此外仍有大量物理现象能证明光的波动性，如麦克尔逊干涉，劈尖干涉，牛顿环等。

三、 光的波动性的局限性

波动光学具有经典的理论结构，不仅能完全解释干涉、衍射、偏振等现象、在与电磁理论结合后又能解释光的吸收、色散和散射等分子光学现象。但波动光学并非十全十美的，关于光与物质相互作用的问题上涉及微观粒子的行为，必须用量子理论才能得到彻底的解决。

光的量子理论不是本学期的内容，我所知的仅仅只是高中时期所学和一些网上的资料。

1905年，A.阿尔伯特·爱因斯坦提出了光子假设，成功地解释了光电效应。阿尔伯特·爱因斯坦认为光子不仅具有能量，而且与普通实物粒子一样具有质量和动量。1923年，A.H.康普顿利用光子与自由电子的弹性碰撞过程解释了X射线的散射实验。与此同时，各种光谱仪的普遍使用促进了光谱学的发展，通过原子光谱来探索原子内部的结构及其发光机制导致了量子力学的建立。

经过科学家们的实验，干涉，衍射和偏振以无可辩驳的事实表明光是一种波；光电效应又用无可辩驳的事实表明光是一种粒子，因此现代物理学认为：光具有波粒二象性。波粒二象性中所说的波是一种概率波，对大量光子才有意义。波粒二象性中所说的粒子，是指其不连续性，是一份能量。

对于光的探究不会停止，光还有很多未解之谜等待发现。

光学与自然现象论文篇六：应用光学论文

G Model

IJLEO-52835;No.ofPages5

Optikxxx(2013)xxx–xxx

ContentslistsavailableatSciVerseScienceDirect

Optik

journalhomepage:

High-temperatureall-opticalintersubbandquantumwellTerahertzswitch

M.Zyaeia,∗,M.Usefiniab

ab

IslamicAzadUniversity,AjabshirBranch,DepartmentofElectricalEngineering,Ajabshir,IranVocationalandTechnicalUniversity,FacultyofTabriz,Iran

article

info

abstract

Articlehistory:

Received13July2012

Accepted28November2012

Keywords:

Terahertzsignal

Asymmetricquantumwell

Coherentpopulationtrapping(CPT)Opticalswitch

Quantuminterference

Inthisarticleanasymmetricintersubbandquantumwellstructureasahightemperatureterahertz(THz)opticalswitchisproposed.Inourproposedstructuretheincominglowpowerenergyphoton(THzcontrolsignal)causesanopticalswitching.Inthisstructureweintroduceanopticalterahertzswitchbasedoncoherentpopulationtrapping(CPT)phenomena.InthepresenceofelectromagneticTHzfield,quantuminterferencebetweentheterahertzcontrolfieldandshort-wavelengthprobefieldunderappropriatecondition,themediumbecomestransparent(zeroabsorption)fortheprobefield.SotheabsorptionandrefractioncharacteristicofopticalprobefieldcanbemodifiedwithTHzradiation.Thereforethisideaissuitableforall–opticalterahertzswitching.

©2013ElsevierGmbH.Allrightsreserved.

1.Introduction

Intelecommunication,anopticalswitchisaswitchthatenablessignalsinopticalfibersorintegratedopticalcircuits(IOCs)tobeselectivelyswitchedfromonecircuittoanother.Anopticalswitchmayoperatebymechanicalmeans,suchasphysicallyshift-inganopticalfibertodriveoneormorealternativefibers,orbyelectro-opticeffects,magneto-opticeffects,orothermethods[1,2].

Inopticalswitchesthatusetheelectro-opticeffect,thereisachangeintheopticalpropertiesofamaterialinresponsetoanelec-tricfieldthatvariesslowlycomparedwiththefrequencyoflight.Theelectro-opticeffectcouldbedonebyachangeintheabsorp-tionorchangeintherefractiveindex.Inquantumwellstructuresachangeintheabsorptionindexiscalledthequantum-confinedStarkeffect(QCSE)whichisdescribedbytheeffectofanexternalelectricfielduponthelightabsorptionspectrumofaquantumwell(QW)[3,4].Intheabsenceofanexternalelectricfield,electronsandholeswithinthequantumwellmayonlyoccupystateswithinadiscretesetofenergysubbands.Consequently,onlyadiscretesetoffrequenciesoflightmaybeabsorbedbythesystem.Whenanexternalelectricfieldisapplied,theelectronstatesshifttolowerenergies,whiletheholestatesshifttohigherenergies.Thisreducesthepermittedlightabsorptionfrequencies.

Intheterahertz(30–300␮mor1–10THz)intersubbandtransi-tionquantum-wellstructures[5,6],theincomingphotonenergyis(4–41mev)andmaybeintheorderofelectronthermalbroaden-ing(KT∼6–25meVfor77–300K)[5–7].Thereforeinconventional

∗Correspondingauthor.Tel.:+984113807252;fax:+984113807252.E-mailaddress:Mzyaei(M.Zyaei).

electro-opticabsorptionstructure,boththeincomingphotonandtheenvironmenttemperaturecandirectlyexcitethegroundstateelectronstohigherenergylevelsandthisprobleminhibitsthecorrectopticalswitchinginhightemperatureandterahertzfre-quenciesapplications.

InourproposedCPT[8–10]basedopticalTHzswitch,theincomingelectromagneticTHzswitchcontrolfield,accordingtoperturbationtheoryandatom-fieldinteractionHamiltonian[8]inSchrodingerequation,interactswiththeshort-wavelength(1–2␮m)electromagneticprobefieldandcauseslikequantum-confinedStarkeffectphenomena.Thecoherentmodificationoftheatomicspectrumintheelectricfieldofalightfieldresem-blestheStarksplittingandshiftinginastaticelectricfield.ItisthereforecalledopticalStarkeffect[11].Asaresultthereisachangeintheopticalpropertiesofmaterialsuchasabsorptionandrefractiveindexofshortwavelengthelectromagneticprobefield.Underappropriatecondition,themediumbecomestransparent(zeroabsorption)fortheprobefield.

TheabsorptionandrefractioncharacteristicofopticalprobefieldcouldbemodifiedwithTHzradiation.SotheelectromagneticTHzfieldcancreatesharpabsorptionpeakwheretherewasatrans-parencyorsharptransparencypeakwheretherewasabsorptioninthetransmissioncoefficientofprobefield.ThewavelengthandintensityofthisabsorptionortransparencypeakcanbecontrolledbytheTHzfrequencyandTHzintensity.

IntheTHzrangewearenotdealingwithelectrontransportproblems.Theincomingterahertzlightandtheenvironmenttem-peraturedonotdirectlyexciteelectrons,butaffecttheabsorptioncharacteristicsofshort-wavelengthprobeopticalfield.InfactweconverttheincomingTerahertzsignaltoshort-wavelengthopticalfieldthroughCPTphenomena,wheresuchproblemsarenotcriticalinthisrangofswitching.

0030-4026/$–seefrontmatter©2013ElsevierGmbH.Allrightsreserved.

G Model

IJLEO-52835;No.ofPages5

M.Zyaei,M.Usefinia/Optikxxx(2013)xxx–xxx

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