光波，通常是指電磁波譜中的可見光。可見光通常是指頻率范圍在3.9×1014~7.5×1014Hz之間的電磁波，其真空中的波長約為400~760nm。光在真空中的傳播速度為c=3×108m/s，是自然界中物質(zhì)運動的最快速度。光波是橫波，其中電場強度E和磁感應強度B（或磁場強度H）彼此相互垂直，并且都與傳播方向垂直。
概述
基本概念
光波，通常是指電磁波譜中的可見光。可見光通常是指頻率范圍在之間的電磁波，其真空中的波長約為400~760nm。光在真空中的傳播速度為，是自然界中物質(zhì)運動的最快速度。光波是橫波，其中電場強度E和磁感應強度B（或磁場強度H）彼此相互垂直，并且都與傳播方向垂直。
光波具有波粒二象性（是指某物質(zhì)同時具備波的特質(zhì)及粒子的特質(zhì)）：也就是說從微觀來看，由光子組成，具有粒子性；從宏觀來看又表現(xiàn)出波動性。根據(jù)量子場論（或者量子電動力學），光子是電磁場量子化之后的直接結(jié)果。光的粒子性揭示了電磁場作為一種物質(zhì)，是與分子、原子等實物粒子一樣，有其內(nèi)在的基本結(jié)構(gòu)（組成粒子）的。而在經(jīng)典的電動力學理論中，是沒有“光子”這個概念的。
光波作為一種特定頻段是電磁波，其顏色與頻率有關(guān)。可見光中紫光頻率最大，波長最短。紅光則剛好相反。
紅外線、紫外線、X射線等都屬于不可見光。
紅外線頻率比紅光低，波長更長。
紫外線、X射線等頻率比紫光高，波長更短。
測量工具
對于光的測量可以用到很多測量工具，比如：光元器件分析儀、偏振分析儀、偏振控制器、大功率光衰減器、光譜分析儀、數(shù)字通信分析儀、脈沖碼型發(fā)生器、并行比特誤碼率測試儀、光無線電接收機強化測試器。
光的傳播形態(tài)分類
根據(jù)傳播方向上有無電場分量或磁場分量，可分為如下三類，任何光都可以這三種波的合成形式表示出來。
TEM波：在傳播方向上沒有電場和磁場分量，稱為橫電磁波。
TE波：在傳播方向上有磁場分量但無電場分量，稱為橫電波。
TM波：在傳播方向上有電場分量而無磁場分量，稱為橫磁波。
波動方程的簡諧波形式的特解依據(jù)其振幅隨空間位置的變化分為平面波、球面波和柱面波。
光學史
印度教和佛教的理論
早在公元前6至5世紀的古印度，數(shù)論派（Samkhya）和勝論派（Vaisheshika）的學者已形成了光的理論。數(shù)論派認為光是組成世間萬物的五微塵（tanmatra，即“五唯”——香、味、色、觸、聲）之一。這五種元素的粒子性并沒有被特別說明，并且似乎是被作為連續(xù)狀態(tài)來理解的。
在公元前5世紀，恩培多克勒（Empedocles）提出假設(shè)，認為萬物由火、空氣、土、水四種元素構(gòu)成。他相信人類的眼睛是阿佛洛狄忒（Aphrodite）以這四種元素所造，并且阿佛洛狄忒在人眼中燃炎，從而照亮外物形成視覺。但如果真是這樣，那無論晝夜人都該有同等視力。對于這個問題，恩培多克勒假想了一種太陽光線和視線互感的機制來加以解釋。另一種觀點來自勝論派，他們提出了一種原子理論，認為物理世界是由非原子的以太、時間和空間所構(gòu)成。最基本的原子分別是土（prthiv?），水（pani），火（agni）和空氣（vayu），這里的意思和通常意義上的這幾種物質(zhì)并不等價。這些原子結(jié)合形成雙原子分子，然后進一步結(jié)合以形成更大的分子。這些實物原子被視作是運動的，這種運動似乎還被理解為非瞬時性的。他們認為光線是高速的火（tejas）原子流。當火原子以不同速度運動、以不同形式組合時，光粒子可以展現(xiàn)不同的特征。在公元前一世紀左右的《毗濕奴往世書》（Vishnu Purana）里，陽光被稱為“太陽的七輝線”。
印度佛教徒，比如五世紀的陳那菩薩（Dignāga）和七世紀的法稱（Dharmakirti），發(fā)展出了一種原子論哲學，認為組成現(xiàn)實世界的原子實體其實是光或能量的瞬間流動。光被認為是和能量等同的原子整體，類似于現(xiàn)代光子概念，但是他們把所有物質(zhì)都一概視作由這些光能粒子所構(gòu)成。
希臘和泛希臘時期的理論
在公元前300年左右，歐幾里得在著作《光學》（Optica）中寫到了他對光性質(zhì)的研究。歐幾里得設(shè)想光線筆直傳播，并用數(shù)學方法研究并闡述了光的反射定律。他質(zhì)疑視覺產(chǎn)生于眼睛內(nèi)發(fā)光的觀點，因為它不能解釋為什么在夜晚眨一下眼睛后還能立刻看到星星，除非眼睛發(fā)出的光以極速傳播。
在公元前55年，羅馬人盧克萊修將早期希臘原子論者的觀點進一步作了發(fā)揚，即使和之后的粒子理論相近似，盧克萊修的理論在當時并沒有被廣泛接受。他寫道：“太陽的光和熱都是由微小原子組成，發(fā)射后將沒有損耗地穿過空氣介質(zhì)背離光源前進” ——《關(guān)于宇宙的本質(zhì)》
物理學理論
勒內(nèi)·笛卡爾（1596~1650）認為光是發(fā)光物的一種機械屬性，這不同于海什木（Ibn al-Haytham）和威特羅（Witelo）的“形態(tài)”說，也不同于羅杰·培根，格羅斯泰斯特（Grosseteste）和約翰尼斯·開普勒的“種類”說。他在1637年發(fā)表的光折射理論中，類比聲波的傳播行為，錯誤地得出了光速和傳播介質(zhì)密度成正比的結(jié)論。雖然笛卡爾在相對速度上判斷錯誤，但他正確地假設(shè)了光的波狀性質(zhì)，還成功地用不同介質(zhì)下光速的差異解釋了折射現(xiàn)象。雖然勒內(nèi)·笛卡爾并不是第一個嘗試用粒度分析解釋光的人，但他明確堅持光僅是發(fā)光體和傳播介質(zhì)的機械波性質(zhì)，而因此使他的理論被視作現(xiàn)代物理光學的起點。
光微粒說
法國數(shù)學家皮埃爾·伽桑狄（Pierre Gassendi）提出了他的光粒子假設(shè)，他的這一假設(shè)在他死后發(fā)表，并且在艾薩克·牛頓早年引起了他的興趣。牛頓本人傾向于笛卡爾的實空理論（plenum）。他在他1675年的《解釋光屬性的假說》（An Hypothesis explaining the Properties of Light）中提到，光是由光源向四面八方發(fā)射的微粒組成。牛頓反對光波動說的一個理由是，波會繞開障礙物，而光卻是直線傳播的。但對于格里馬爾迪（Francesco Grimaldi）觀察到的衍射現(xiàn)象，牛頓甚至也稍作妥協(xié)，解釋為光粒子移動于以太所產(chǎn)生的局部波造成。
艾薩克·牛頓的理論和光的反射現(xiàn)象相吻合，但對于折射現(xiàn)象，牛頓錯誤地認為是因為進入高密度介質(zhì)時所受引力更大使光加速而成的。艾薩克·牛頓在1704年發(fā)表了他集大成的《光學》一作。牛頓本人的權(quán)威使光的粒子理論在18世紀甚囂塵上。但皮埃爾-西蒙·拉普拉斯（Laplace）反駁說，人的密度既然這么大，那光幾乎不可能逃脫人的引力了。用現(xiàn)在的說法，人將成為一個黑洞。
光波動說
在1660年代，羅伯特·胡克發(fā)表了他的光波動說。克里斯蒂安·惠更斯在1678年得出了他自己的波動學說，并在1690年發(fā)表在他的《光的專著》（Treatise on light）里。他認為光線在一個名為發(fā)光以太（Luminiferous ether）的介質(zhì)中以波的形式四射，并且由于波并不受引力影響，他假設(shè)光會在進入高密度介質(zhì)時減速。光波動說預言了1800年托馬斯·楊發(fā)現(xiàn)的干涉現(xiàn)象以及光的偏振性。楊用衍射實驗展現(xiàn)了光的波動性特征，還提出顏色是由光波波長不同所致，用眼睛的三色受體解釋了色覺原理。
萊昂哈德·歐拉也是光波動說的支持者之一，他在《光和色彩的新理論》（Nova theoria lucis et colorum）中闡述了他的這一觀點，他認為波理論更容易解釋衍射現(xiàn)象。
之后，奧古斯丁·菲涅耳也獨立完成了他的波動理論的建立，并于1817年上遞給法國科學院。西莫恩·泊松完善了菲涅耳的數(shù)學證明，給了光粒子說致命一擊。在1821年，菲涅耳使用數(shù)學方法使光的偏振在波動理論上得到了唯一解釋。
但波動理論的弱點在于，波，類似于聲波，傳播需要介質(zhì)。雖然曾有過發(fā)光以太的假想，但這也因為19世紀阿爾伯特·邁克爾遜—莫雷實驗陷入了強烈的質(zhì)疑。
牛頓推測光速在高密度下變高（而實際光速在高密度介質(zhì)變低），克里斯蒂安·惠更斯和其他人覺得正相反。但當時并沒有準確測量光速的條件。1802年，托馬斯·楊做實驗發(fā)現(xiàn)，當光波從較低密度介質(zhì)移動進入較高密度介質(zhì)之后，光波的波長會變短，他因此推論光波的運動速度會降低。1850年，傅科的實驗得到了和波動理論同樣的結(jié)果。
光的電磁說
1845年，邁克爾·法拉第（Michael Faraday）發(fā)現(xiàn)當偏振光穿過施加了磁場的透明介質(zhì)時，會發(fā)生偏振旋轉(zhuǎn)。這后來被稱為法拉第效應，它首次發(fā)現(xiàn)了光和電、磁的關(guān)系。在1846年，他推測光可能是沿磁感線衍生的某種形式的擾動。次年，法拉第提出光是一種高頻電磁振動，不需要介質(zhì)也能衍生。
法拉第的研究啟發(fā)了詹姆斯·麥克斯韋（James Clerk Maxwell）研究電磁輻射和光。麥克斯韋發(fā)現(xiàn)自身電磁波會以恒定速度傳播，而且這個速度恰好等于光速。正是從這一點出發(fā)，麥克斯韋得出了光是一種電磁波的結(jié)論。20多年后，赫茲用實驗證實了電磁波的存在，測得電磁波的傳播速度的確與光速相同，同時電磁波也能夠產(chǎn)生反射、折射、干涉、衍射、偏振等現(xiàn)象，從實驗中證明了光是一種電磁波。
由麥克斯韋的理論研究表明，空間電磁場是以光速傳播。這一結(jié)論已被赫茲的實驗證實。詹姆斯·麥克斯韋，在1865年得出了結(jié)論：光是一種電磁現(xiàn)象。按照麥克斯韋的理論，。
式中c為真空中的光速。ν為在介電常數(shù)為ε和導磁系數(shù)為μ的介質(zhì)中的光速。由折射率的定義，知。
這個關(guān)系式給出了物質(zhì)的光學常數(shù)，電學常數(shù)和磁學常數(shù)之間的關(guān)系。當時從上述的公式中看不出n應隨著光的波長λ而改變，因而無法解釋光的色散現(xiàn)象。后來亨德里克·洛倫茲在1896年創(chuàng)立了電子論。從這一理論看，介電常數(shù)ε是依賴于電磁場的頻率，即依賴于波長而變的，從而搞清了光的色散現(xiàn)象。光的電磁理論能夠說明光的傳播、干涉、衍射、色散、散射、偏振等許多現(xiàn)象，但不能解釋光與物質(zhì)相互作用中的能量量子化轉(zhuǎn)換的性質(zhì)，所以還需要近代的量子理論來補充。
粒子理論的新生
波動理論幾乎在所有光學和電磁學的現(xiàn)象中得到了驗證，這是19世紀物理學的一個重大成果。但到19世紀末期，有一些實驗現(xiàn)象要不是無法解釋，就是違反當時理論，其中一個爭議即為光電導效應。實驗數(shù)據(jù)的結(jié)果指出，放出的電子能量與光線的頻率成正比，而非強度。更特別的是，當光線小于某一個最小頻率后，無論再加大強度，都不會產(chǎn)生感應電流，這現(xiàn)象似乎是違反了波動理論。許多年來，物理學家們嘗試尋找答案都無功而返，直到1905年阿爾伯特·愛因斯坦讓粒子理論重回歷史舞臺。由于太多的實驗現(xiàn)象為波動理論佐證，使得愛因斯坦的想法，在當時的物理學界受到了巨大質(zhì)疑。然而愛因斯坦對光電效應的解釋最終得到了認同，并開啟了波粒二象性和量子力學兩扇大門。
光的波粒二象性
光電效應以及康普頓效應無可辯駁地證明了光是一種粒子，但是光的干涉和光的衍射又表明光確實是一種波。光到底是什么？光是一種波，同時也是一種粒子。光具有波粒二象性。這就是現(xiàn)代物理學的回答。
根據(jù)量子場論（或者量子電動力學），光子是電磁場量子化之后的直接結(jié)果。光的粒子性揭示了電磁場作為一種物質(zhì)，是與分子、原子等實物粒子一樣，有其內(nèi)在的基本結(jié)構(gòu)（組成粒子）的。而在經(jīng)典的電動力學理論中，是沒有“光子”這個概念的。
光源
發(fā)射（可見）光的物體叫做（可見）光源。太陽是人類最重要的光源。可見光源有熱輻射高壓光源（如白熾燈）、氣體放電光源（如霓虹燈、熒光燈）等。光源有分自然光、人造光。有生命的一定是自然光，如水母、螢火蟲等，沒有生命的不一定是人造光，如恒星、太陽等。
熱輻射光源是利用熱輻射來發(fā)光的。由熱輻射理論可知，溫度越高，發(fā)光效率也越高。白熾燈是托馬斯·愛迪生于1879年首先試制成功的。他選擇熔點高的碳做材料，制成碳絲，密封在抽成真空的玻璃管內(nèi)，通過電流，碳絲就發(fā)熱發(fā)光。由于碳易揮發(fā)，工作溫度不能超過2100K。后來，選用熔點稍低于碳，但不易揮發(fā)的鎢做材料，工作溫度可達2400K，從而提高了發(fā)光效率。現(xiàn)代熱輻射的新光源有碘鎢燈、溴鎢燈，發(fā)光效率還要高。
氣體放電光源是利用電子在兩電極間加速運行時，與氣體原子碰撞，被撞的氣體原子受激，把吸收的電子動能又以輻射發(fā)光形式釋放出來，這叫做電致發(fā)光。不同氣體受激發(fā)光的頻率不同，利用這點可制成各種顏色的霓虹燈。
有的氣體放電光源，玻璃管中充的氣體受激發(fā)射的是不可見光。如汞蒸氣在電場中受激發(fā)射的就是紫外線。我們可在玻璃管內(nèi)壁上涂熒光粉，紫外線射到熒光粉上，再激發(fā)出可見光來，日光燈就是采用這一原理制成的。日光燈是電致發(fā)光和光致發(fā)光的綜合，它的發(fā)光效率比白熾燈好，但顯色性不好。現(xiàn)代新型的氣體放電照明光源有低壓鈉燈、高壓鈉燈等。
光源按發(fā)光原理分，除熱輻射發(fā)光、電致發(fā)光、光致發(fā)光外，還有化學發(fā)光、生物發(fā)光等。化學發(fā)光是在化學反應中以傳熱發(fā)光形式釋放其反應能量時發(fā)射的光；生物發(fā)光是在生物體內(nèi)由于生命過程中的變化所產(chǎn)生的發(fā)光，如螢火蟲體內(nèi)的螢光素在螢光素酶作用下與空氣發(fā)生氧化反應而發(fā)光。
另外，光波本身就是從原子、分子內(nèi)輻射出的高頻電磁波，因此光波可以通過加速帶電粒子產(chǎn)生。如同步輻射光、軔致輻射、切倫科夫輻射、自由電子激光等。經(jīng)典物理學將發(fā)光看做原子內(nèi)部帶電粒子（原子核與電子）因吸收外界能量而導致其電偶極矩發(fā)生周期性變化的結(jié)果。幾何光學、波動光學、非線性光學、同步輻射光等理論完全可以用經(jīng)典電動力學中電磁場理論的相關(guān)內(nèi)容來解釋。
光的具體應用
數(shù)碼領(lǐng)域，如手機、電腦等。
通信領(lǐng)域，如光纖網(wǎng)絡。
食品加工領(lǐng)域：光波爐。
光通信：利用光作為載波的通信方式。
光纖通信：就是利用光波作為載頻和光纖作為傳輸媒質(zhì)的一種通信方式。它工作在近紅外區(qū)，即波長是0.8μm（微米）～1.8μm。對應的頻率為167THz～375THz。在光纖通信中起主導作用的是激光器（光源、光電檢測器）和光纖。
參考資料 >