[从增透膜理论再认识光的本性]增透膜光程差
时间：2019-02-02 03:17:46 来源：雅意学习网 本文已影响 人 
薄膜干涉在光学中的地位是举足轻重的，是波动光学中产生相干光的两种典型方法之一――分振幅法，它与双缝干涉、单缝衍射等经典实验一起奠定了波动光学的历史地位。中学物理教材中，强调的是“光是一种波”这个结论，但是，对于缺乏量子理论基础的学生来说，在接受光是一种波的同时，将立即产生了一个新的问题：“在增透膜问题上，既然光已经从薄膜的前、后表面反射回来并发生了相消干涉，那么，它又是怎么再进去，从而使膜有‘增透’作用的呢”（见图1）？如果仅从能量分配角度来解释，显然回避了微观本质，并不能帮助学生建立清晰的物理图景，也无法让学生理解"增透作用"的本质意义。本文分别从波动光学和量子光学的基本知识出发，就单层增透膜，分析其物理本质，弄清事实与理论的关系，帮助学生建立正确的模型，以加深对光的本性的认识。因为光在增透膜上、下两表面反射时均有π相位突变，结果没有附加的相位差，故本文在计算时不涉及半波损失的问题，所述波长，指的是光在介质中的波长。�
1 光学薄膜的应用事实�
光在两种介质的分界面上会发生反射，反射的程度与介质的折射率有关。一般来说，当光垂直入射到两种透明介质的界面上时，反射光强约为5%，对于有6个透镜的照相机来说，反射光强约为45%，而潜水艇上的潜望镜有20个镜片，则反射光强达到了约87%，仅有13%的光透射进去，几乎不能成像。因此，消除或减小反射，是光学仪器制造中的一个重要问题。��
为了减少反射，人们通过在介质表面真空蒸镀一层厚度均匀的透明薄膜的方法来实现，不同折射率、不同厚度的薄膜，反射情况如图2所示，纵坐标R为反射率，横坐标为薄膜的光学厚度。可以看出，薄膜的厚度对光的反射有具体而明确的影响，其中，当薄膜介质的折射率为n=n�0n�1，（n�0、n�1为薄膜两侧介质的折射率，如图2中的实线所示，空气、玻璃介质间的薄膜折射率约为1.23，目前并没有找到折射率如此小的物质，实际中常用的镀膜物质是氟化镁，折射率为1.38）且薄膜光学厚度为光在薄膜中波长的1/4的奇数倍时，反射光的能量将为零。若薄膜光学厚度为光在薄膜中波长的1/4的偶数倍时，反射光的强度又是各种情况中的最大值。为什么恰恰是1/4波长的奇数倍或偶数倍这些特定的数值呢？这就促使人们去寻找理论解释了。�
2 波动光学的解释�
当我们把光当成一种波的时候，显然，满足1/4波长奇数倍的膜厚，将使来自薄膜前后两表面的反射光波的光程差δ满足相消干涉关系，即δ=nλ+λ/2，（n=1，2，3…），结合课本上的肥皂膜实验现象可知，相消干涉将出现暗纹，意味着反射光能量较小，光的能量哪里去了呢？根据能量守恒，一定是透射光的能量增强了。问题是，光不是已经被膜的前后两表面反射回来并发生相消干涉了吗？它又是怎样进去而变成了透射光了呢？没有微观图景，学生接受起来是很困难的。�
3 量子光学的解释�
来自同一光源同一平均发光时间间隔内的光，每一段波列长度ΔL=cτ叫做相干长度，原子的平均发光时间τ也就是相干时间。取同一时刻开始，由同一激发态跃迁，偏振也相同的那些光子作为一个系综，由不确定关系ΔEΔt≥h/4π可知，在发光时间τ内，系综内的光子的能量E也有一个不确定的范围ΔE τ≥h/4π，由E=hν、ν=c/λ以及p=h/λ可知，ΔE=cΔp，即ΔE τ=ΔpΔL≥h/4π，这表明同一系综的光子，在同一时刻的空间位置有个不确定范围ΔL，在ΔL范围内的各点，每个光子都有出现的几率，在ΔL范围以外光子出现几率为零，我们可以用波函数Ψ来描述光子的状态，波列振幅的平方表示光子在该处出现的几率。�
4 从增透膜再认识光的本性理论�
一个正确的新理论应在原理论的有效范围内，给出与原理论结论相同的结果，并能提供预测。光在薄膜上有选择的被反射和透射，且反射的程度与薄膜的厚度有确定的关系，这是一个明确无疑的事实，对这一事实的合理解释，波动光学要求我们把光看成波，如果光是一种波，则上述分立的数值恰好是四分之一波长的某种倍数关系，或者说，把光看成波能成功地解释这一事实。甚至，可以根据波动理论来预测薄膜厚度的变化将会对光产生怎样的影响，其分析结果也与实验结果符合得很好，这意味着波动理论是成功的，光具有波动性；另一方面，量子光学让我们把光看成微观不连续的光子，应用量子理论将更有助于理解相消干涉的微观含义，一定的薄膜厚度，根据波函数，可以使光子在薄膜表面出现的几率为零，根本没有发生反射，这就是“增透膜”的本质。我们同样可以预测，厚度取另外一些分立的数值时，光子出现的几率将是各种可能中的最大值，出现了“增大反射”的现象，这也与实验事实相符合，量子理论同样是成功的，这意味着光具有粒子的性质。对增透作用的解释，波动理论和量子理论取得一致的结果，我们说，光具有波粒二象性。�
然而，光并不是经典的粒子，因为它没有经典粒子的静质量，也没有时空中的确定轨道；光也不是经典的波，因为经典的波在空间是弥散的，其频率和波长表示波具有时空的周期性，而光的波动性只意味着光子在空间某点附近出现概率可以通过波动的规律来解释，本质上，它是一种概率波。那么，光到底是什么呢？正如爱因斯坦晚年所言：“整整50年有意识的思考仍没有使我更接近‘光量子是什么’这个问题的答案”。看来，我们探索“光是什么”的路依旧漫长，无论是波动理论，还是量子理论，都只是事实在某一层面上获得的解释――“自然科学并不是自然本身，它是人类和自然关系的一部分”（海森伯语）。�
参考文献：�
［1］蔡履中,王成彦,周玉芳.光学.2.济南：山东大学出版社,2002�
［2］普通高中课程标准实验教科书《物理选修3-5》.人民教育出版社
(栏目编辑王柏庐)
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