光学101：1级理论基础

光学是物理学的一个分支，研究光及其性质和行为。这是一门庞大的科学，涵盖了许多简单和复杂的主题，从光从金属表面反射以创建图像，到多层涂层的相互作用以创建高光密度褶皱陷波滤波器。因此，在为光学、成像和/或光子学应用选择最佳组件之前，学习控制电磁频谱、干涉、反射、折射、色散和衍射的基本理论基础是很重要的。

电磁波谱

光是一种电磁辐射，通常以感兴趣的辐射的长度为特征，用波长或λ表示。波长通常以nm（10-9米）或μm（10-6米）为单位测量。电磁波谱包括从长波（无线电波）到超短波长（伽马射线）的所有辐射波长；图1展示了这一广阔的光谱。与光学最相关的波长是紫外线、可见光和红外范围。紫外线（UV），定义为1–400nm，用于日光浴床，是造成晒伤的原因。可见光，定义为400-750nm，包括人眼可以感知的光谱部分，并构成人们看到的颜色。可见光范围是彩虹和人们熟悉的ROYGBIV的原因——许多人在学校学习的助记符有助于记忆可见光的波长，从最长波长到最短波长。最后，红外（IR）射线，定义为750nm–1000μm，用于加热应用。红外辐射可进一步分为近红外（750nm-3μm）、中波红外（3-30μm）和远红外（30-1000μm）。

图1：电磁波谱

干涉

艾萨克·牛顿（1643-1727）是最早提出光是由小粒子组成的物理学家之一。一个世纪后，托马斯·杨（1773-1829）提出了一种新的光理论，证明了光的波动性。在他的双缝实验中，杨让光线穿过两个间隔很近的狭缝，发现光线与自身发生干涉（图2）。如果光纯粹是一种粒子，这种干涉就无法解释，但如果光是一种波，这种干涉就可以解释。虽然光同时具有粒子性和波动性，被称为波粒二象性，但光的波动理论在光学中很重要，而粒子理论在物理学的其他分支中也很重要。

当两个或两个以上的光波叠加在一起形成一个新的图案时，就会发生干涉。当波的波谷彼此对齐时发生相长干涉，而当一个波的波谷与另一个波的波峰对齐时发生相消干涉（图3）。在图3中，波峰用蓝色表示，波谷用红色和黄色表示。两个波的相长干涉产生较亮的光带，而相消干涉产生较暗的光带。就声波而言，相长干涉会使声音变得更大，而相消干涉则会造成听不到声音的死点。

干涉是光学中一个重要的理论基础。将光视为类似于水中波纹的辐射波是非常有用的。此外，理解光的这种波动性质使以下章节中讨论的反射、折射、色散和衍射的概念更容易理解。

图2：托马斯·杨的双缝实验

图3：相长干涉和相消干涉

反射

反射是当波前击中物体并以一定角度返回时，波前方向的变化。反射定律指出，入射角（光线接近表面的角度）等于反射角（光线离开表面的角度）。图4示出了来自第一表面反射镜的反射。理想地，如果反射表面是平滑的，则所有反射光线将是平行的，被定义为镜面反射或规则反射。如果表面粗糙，光线将不平行。这称为漫反射或不规则反射。众所周知，镜子的反射质量由所使用的材料和所施加的涂层决定。

图4：来自第一表面镜的反射

折射

虽然反射导致入射角等于反射角，但当波前穿过介质时改变方向时，就会发生折射。折射度取决于光的波长和介质的折射率。折射率（n）是真空中的光速（c）与给定介质内的光速（v）之比。这可以用数学公式1来表示。折射率是一种量化光从低折射率介质进入高折射率介质时减速影响的方法（图5）。

图5：从低折射率介质到高折射率介质的光折射

其中是入射介质的折射率，是入射光线的角度，是折射/反射介质的折射度，是折射/折射光线的角度。

如果入射角大于临界角（当折射角=90°时），则光被反射而不是折射。这个过程被称为全内反射（TIR）。图6显示了给定介质内的TIR。

TIR在数学上由等式3表示：

   (3)

全内反射是人们在钻石上看到的闪光的原因。由于它们的高折射率，钻石表现出高度的TIR，这使得它们以各种角度反射光或闪光。TIR的另一个值得注意的例子是在光纤中，进入玻璃或塑料光纤一端的光将在整个光纤长度上经历几次反射，直到它离开另一端（图7）。由于TIR发生在临界角，因此光纤具有特定的接受角和最小弯曲半径，其规定了光可以进入和被反射的最大角度以及光纤可以被弯曲以实现TIR的最小半径。

图7：单根光纤中的全内折射

色散

色散是材料的折射率相对于波长改变多少的量度。色散也决定了波长的分离，称为色差（图8）。具有高色散的玻璃将比具有低色散的玻璃更多地分离光。量化色散的一种方法是用阿贝数来表示。阿贝数（VD）是材料在f处的折射率的函数。

  (4)色散引起的色差是人们在光学透镜、棱镜和类似光学元件中看到的常见彩虹效应的原因。色散可能是一种非常理想的现象，就像在等边棱镜将光分为其成分颜色的情况下一样。然而，在其他应用中，色散可能对系统的性能有害。

图8：通过棱镜的色散

衍射

托马斯·杨的双缝实验产生的干涉图样也可以用衍射现象来表征。衍射通常发生在波穿过窄缝或绕过锐边时。通常，光波长的大小与波长所遇到的狭缝或物体的宽度之间的差异越大，衍射就越大。衍射的最好例子是使用衍射光栅演示的。衍射光栅的紧密间隔、平行的凹槽使入射的单色光弯曲或衍射。衍射的程度产生特定的干涉图案。图9和10示出了用衍射光学器件获得的各种图案。衍射是使用衍射光栅、光谱仪、单色仪、激光投影头和许多其他组件的许多应用背后的理论基础。

控制电磁波谱、干涉、反射、折射、色散和衍射的基本理论基础是实现更复杂光学概念的重要基石。光的波动特性解释了许多光学现象；理解光学的基本概念可以极大地提高人们对光与各种光学、成像和光子学组件相互作用方式的理解。

参考文献

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贝灵汉，华盛顿州：SPIE—国际光学工程师学会，2004年。

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