《你是我的角动量》DCLily

12、波动光学（上）（已完成）

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　　以下为2020.12.31更新
　　42—43 波动光学A—B
　　PS：放不下，学不完还困，我就是个垃圾啊
　　而且，鸽了这么这么久，我也很抱歉
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　　光学的领土在这个大地的角落，他们被称作是离习题册外的世界最近的地方。

　　因为光速是不会变的，不管是在外界世界还是在习题册世界，光速作为光学国宗主，享有绝对的声誉。

　　“话说这光学国，我也就听大哥说过几次，其实我是不怎么懂的。”此前磁场强度其实也说不上有多骄横，但是自信还是有的。这光学和他们其实也没有太多见识，第一次看到这么色彩斑斓的世界，长期处于黑白世界的磁场强度说不上有多好奇，反而很慌张。

　　“害，我其实还稍微懂一些，”位矢想了想宽慰道，“反正这个波动光学，本质上也就是电磁波，波是我们力学的，电磁是你们的，应该互相多多少少懂得一些。光速不也是你们的介电常数和磁化率给拼出来的东西？”

　　“这么说我就放心了。”磁场强度莫名觉得旁边的位矢特别可靠，刚想靠上去，却被动量一脸黑线地推开了，“想多了，光其实更多的是电的衍生物，跟你们磁是没有啥关系的。”

　　“所以我才应该好好学习对吧？”磁场强度依然想着往位矢身上靠，最后靠不成只能栽在动量的手里。

　　“是的，光具有波动性，是横波。准确说，应当是有一定波段的电磁波。但是在光频波段所有磁化机制都不起作用，所以说我们一般也认为光强，光产生的光效应基本都是电场强度。然后虽然无论是人的眼睛还是照相底片，所观测到的都是光强而不是光振动。在波动光学中主要讨论的光波所到之处的相对光强，因此在同一种介质中往往直接把光强定义为振幅的平方。”

　　“那我知道了。可是我们走了这么久，除了看到一堆棱镜之外，似乎啥也没有看到啊。”

　　“不，你看到的只是光学世界的沧海一粟，你是不是看不到前方有一座城门？”

　　“啊？前方哪里有门，不是一片黑嘛？”

　　“这不就说明问题了吗？我们可以看到在两个光叠加的过程中水平方向上的振动的合成是非常复杂的，最后光强的合成，上面有一个相位差的项，那个相位差个时间和位置是有关系的，也就是说我们这个干涉项就是那个相位差的项，他跟位置是有关系的，因此你能看到了，这个东西看不到了，是因为他这边的光强被减弱了。”

　　“因此，我们总结一下所谓干涉的一些条件，第一个就是必须要是频率相同，第二个就是他必须要有一个固定光程差，那么最重要的第三个，存在相互平行的振动分量。”

　　“你看啊，现在这边的东西其实是一个分振幅的相干现象。那实际上除了分波前以外，还可以分波前可以分振动面，这个其实就算是个偏振了。”

　　“嗷，那你说，这个干涉是从哪里来的？”

　　“我看这个光学国也没有什么钱，估计他也只是找了个塑料片吧！”动量忿忿道。

　　“按理来说当从点光源发出的一束光投射到两种透明介质的分界面上时，它所携带的能量一部分被反射回来，一部分透射过去。由于光波的能流密度正比于场强振幅的平方，因此光束的这种分割方式称为分振幅的。实际上，分振幅干涉就只需要一块透明的介质薄膜，如果，他并不是一样高的，那么，就会出现这种现象。”

　　“但是要指出的是，光学国可能没有那么多钱能买到一个非常精密的点光源，因此他很有可能就是用扩展光源。那么如果是这样的话，那很有可能产生的是定域干涉，因此我们能再走近一点，就看得到城门了。”

　　“这话扎心了。但是我好像听光学国的人过来有介绍过他们使用扩展光源的原因是因为它能够使等倾干涉条纹的可见度不受影响，并且还能使干涉图样更加明亮呢。”

　　“呵呵。”动量嗤之以鼻，“那你说等厚干涉应该怎么办？”

　　“他们哪里会去管什么？等厚干涉在等厚干涉的题目中，外面世界的生物总喜欢用等厚干涉来检查一些奇奇怪怪的元件，他们是否在同一个同一个高度。这个时候波长就可以赚得盆钵体满。也正是因为这个原因，所以说最近波长最近都叛变到光学国都不肯回来了，其实我们这边题目也挺多的。”

　　“你知道吗？因为等厚干涉的迈克尔逊干涉仪还导致了以太没了。他们跟以太也是有仇吧！”动量想了想，不说话了。

　　“物极必反，日中则昃，月满则亏。一定之理。”

　　“话说，你看前面的城门还是挺气派的。”磁场强度好不容易插上一句话，立刻在位矢耳边叭叭叭。

　　“这是光栅，看起来还是比较高级的那种，色分辨本领不错。”

　　但是，七彩的光栅城门，怎么进去呢？

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　　以下为2020.1.12更新
　　44 波动光学C
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　　“光栅啊，”位矢调用了一下自己的记忆库，“应该就是一种干涉与衍射并存的东西。这种东西的存在说明了，多重干涉和单缝衍射的不一致性。”

　　“啊？”

　　“是的，从根本讲，他们都是波的相干迭加的结果，没有原则上的区别。二者主要区别来自于，当某个仪器将光波分割成有限的几束或彼此离散的无限多束，而其中每束又可近似地按几何光学的规律来描写时，人们通常把它们的相干迭加叫做“干涉”，理论运算时，干涉的矢量图解是个折线，复振幅的迭加是个级数。“衍射”一词指连续分布在波前上的无限多个次波中心发出的次波的相干迭加，这些次波线并不服从几何光学的定律。理论运算时，衍射的矢量图解是光滑曲线，复振幅的迭加需用积分。然而实际装置中干涉效应与衍射效应往往同时存在，混杂在一起，这时干涉条纹的分布要受到单元衍射因子的调制。”

　　“所以如果只考虑干涉，它就是一个一段时间一道亮条纹，然后中间有一些第二级的次。然后再通过单缝衍射的调制......”

　　“因此，我还是希望您能够明白我善意的提醒。”位矢讲了一堆看似有用实则无用的话之后得出结论。

　　“大大，”磁场强度委屈道，“我觉得你还是告诉我啥是光程更有助于我学习光学知识。”

　　“光程顾名思义就是光在真空中应当走过的路程。”位矢懊恼道，“实际上波动光学只是光学世界的一小部分，但是它现在统治着整个光学世界，因此我们不妨就把世界观调整到波动光学上。你看哈，波动光学中，我们认为光是电磁波，又因为能够被我们看到的是电场强度的分量，因此，我们认为的光波，一般是这个电磁波的E。通过对电磁波的理解，很容易得到光速表达式c=1/√εμ。显然其光速会随着介质变化。”

　　“这个我还熟悉一些。因为能量不能够凭空的产生和消失，E=hv，因此频率不会那么容易变化。那么只能是在不同介质中波场和速度会变化。”

　　“因此光程这个就很有意义，他表示在一段时间内光在真空中走过的路程。也就是说，某一个光在介质A/B中走过的几何路程如果一样，它们的光程实际上是不一样的，要乘以折射率。当光程一致，不管在哪个介质里，其穿过时间都是一样的。”

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　　以下为2020.2.9更新
　　45 波动光学D
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　　“......所以说，这个杨氏双缝干涉装置就算是这样完成了。”卫十看着自己的成果非常开心。

　　“我怎么也不会想到，这样子的一块材料，不然能够开出两条缝！”关兴利搓手手，“这个东西是不是只需要再加一个汞灯就可以看到效果了？”

　　“应该......是的吧，”东谅犹豫了一下，“不知道这块材料自己发出的光会不会影响......不过这个双缝是这个材料上天然形成的缝隙，还是一个小一个大的，很可能就有问题......”

　　“啥问题？”

　　“看着不就知道了嘛......”

　　关兴利把从物理实验室偷来的汞灯拿了过来。

　　“你看，看起来并没有完全的暗条纹了。”关兴利指着前方的条纹，其还是有一定辨识度的，但是看起来的确没有完全暗的地方。

　　“我记得在双缝干涉实验中，两条缝的宽度原来是相等的，若其中一缝的宽度略变窄(缝中心位置不变)，则干涉条纹的间距不变,但原极小处的强度不再为零。其实也就是这个意思。”

　　“主要是你记错公式，你认为间距会有变化，然而干涉条纹的间距只与光的波长有关。改变缝的宽度不会改变波长，因此间距不变。但是缝变窄后光强变弱，两条缝的光强不相等。光强是有绝对值的，因此现在其正负叠加后就不再是零。”

　　“嘛，如果是这样的话，那我把另一个孔给开大一点是不是就可以了？”卫十尝试去掰开这个孔，然而这个荧光材料质地十分坚硬。

　　“你也别尝试着去掰开了，毕竟掰开也没有什么实际的意义，还会降低光强，到时候啥也看不见了，这个创新竞赛没有了意义，那还要去做这个干什么......”

　　“啪”一声，卫十一脸茫然地关掉了汞灯，他的脸上带了两分愤怒，三分凄凉，四分无奈。

　　“所以，你告诉我，爱是会消失的对嘛？”关兴利看似“深情”地瞥了一眼卫十。

　　东谅顺手抄起还没用完的蓝色材料就要扔过去。

　　【END】