波动光学与干涉

波动光学将光视为电磁波，解释了干涉以及其他由波叠加引起的现象。

Definition

光学的一个分支，将光建模为电磁波，并根据振幅和相位分析波叠加（特别是干涉）的可观察结果。

Scope

波动光学，又称物理光学，将光描述为一种传播的电磁波，其特征包括振幅、相位、波长和偏振。它涵盖了光的电磁理论、叠加原理、相干波的建设性干涉和破坏性干涉、在狭缝、薄膜和干涉仪中观察到的双光束和多光束干涉，以及决定何时可以观察到干涉的时间相干性和空间相干性概念。它通过解释仅凭射线无法解释的现象来补充几何光学，而衍射和偏振则被视为相邻领域。

Sub-topics

• 光的电磁理论
• 光学相干性
• 光学干涉
• 薄膜和干涉测量

Core questions

• 将光视为波如何解释射线无法解释的现象？
• 在什么条件下，叠加的光波会增强或抵消？
• 稳定的干涉需要多大程度的相干性？
• 干涉效应如何用于精确测量？

Key concepts

• 电磁波
• 振幅和相位
• 叠加
• 建设性干涉和破坏性干涉
• 条纹可见度
• 相干性
• 光程差
• 波阵面

Key theories

光的电磁波理论

光是一种横向电磁波，其振荡的电场和磁场以麦克斯韦方程预测的速度传播，从而统一了光学与电磁学。

叠加原理和干涉

当两个或多个相干波重叠时，它们的振幅相加，产生由相对相位决定的明暗条纹图案，这是所有干涉现象的基础。

相干理论

干涉的可见度取决于光的时域和空间相干性，通过光学场的相关函数进行统计量化。

Clinical relevance

波动光学干涉是光学相干断层扫描（用于视网膜和其他组织的非侵入性成像）、角膜和眼部尺寸的干涉测量以及医疗和实验室光学器件上的减反射和干涉涂层的基础。

History

1801年左右，杨氏双缝实验为光的波动性提供了决定性证据，菲涅尔在此基础上发展了光的定量波动理论。麦克斯韦在19世纪60年代将光识别为电磁波，统一了光学与电磁学，而迈克尔逊在19世纪末发明的干涉仪则将干涉转变为一种极其精确的工具。

Key figures

• Thomas Young
• Augustin-Jean Fresnel
• James Clerk Maxwell
• Albert A. Michelson

Seminal works

• hecht2017
• bornwolf1999

Frequently asked questions

为什么我们通常看不到两个普通灯泡之间的干涉？

独立的散热光源发出的光具有快速且随机变化的相位，因此它们的相对相位不稳定；没有足够的相干性，干涉条纹就会消失，只能看到叠加后的强度。

波动光学与几何光学有何关系？

当波长远小于所涉及的结构时，几何光学是波动光学的极限；当干涉、衍射或相干效应很重要时，就需要波动光学。