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  • 菲涅爾

    菲涅爾

    菲涅耳(1788~1827)是法國土木工程兼物理學家。1788年5月10日生于諾曼底省的布羅意城的一個建筑師家庭,當時法國革命即將爆發(fā),自幼體弱多病。讀書時他的數(shù)學才智卻倍受教師注意。1806年畢業(yè)于巴黎工藝學院,1809年又畢業(yè)于巴黎路橋學院,并取得土木工程師文憑。大學畢業(yè)后的一段時期,菲涅耳傾注全力于建筑工程。從1814年起,他明顯地將注意力轉移到光的研究上。菲涅耳在1823年被選為法國科學院院士。1825年被選為英國皇家學會會員。

    法國物理學家

    個人簡歷

    806年畢業(yè)于巴黎工藝學院,1809年又畢業(yè)于巴黎路橋學院,并取得土木工 程師文憑。大學畢

    業(yè)后的一段時期,菲涅耳傾注全力于建筑工程。 從1814年起,他明顯地將注意力轉移到光的研究上。1814年他給他最親密的兄弟萊翁諾寫了一封信,要求給他買一些能用來學習光偏振的書籍。他毫不懷疑,他最后必將寫出他想要讀的書。1815年拿破侖從厄爾巴島回到了法國,他是在前一年戰(zhàn)敗后被歐洲列強關禁在島上的。于是一股熱情的狂潮震撼著整個法國,同時也受到了拿破侖反對者同樣強烈情緒的抵制。菲涅耳是反對拿破侖的人物之一,為此重建的百日帝國革除了他的職務,先后把他送到了尼翁和馬蒂厄村關禁起來。由于滑鐵盧之戰(zhàn)后波旁家族第二次回來掌權,菲涅耳才在1815年底恢復了積極的活動。菲涅耳在1823年被選為法國科學院院士。1825年被選為英國皇家學會會員。

    科學研究

    他的科學研究是在業(yè)余時間和艱苦的條件下進行的,這花費了他有限的收入并損害了他的健康。

    1815年,菲涅耳向科學院提交了關于光的衍射的第一份研究報告,這時他還不知道托馬斯。揚關于衍射的論文。菲涅耳以光波干涉的思想補充了惠更斯原理,認為在各子波的包絡面上,由于各子波的互相干涉而使合成波具有顯著的強度,這給予惠更斯原理以明確的物理意義。但同托馬斯。楊所認為的衍射是由直射光束與邊緣反射光束的干涉形成的看法相反,菲涅耳認為屏的邊緣不會發(fā)生反射。阿拉戈熱情地報告了這篇論文,并第一個改信了波動說。

    但是,波動說在解釋偏振光的干涉現(xiàn)象上還存在著很大的困難。牛頓在《光學》疑問26中曾經(jīng)問道:“光線不是有幾個邊緣,它們各有一些原來的性質(zhì)嗎?”是雙折射現(xiàn)象引起了這一疑問。菲涅耳和阿拉戈總結了偏振光的干涉規(guī)律,發(fā)現(xiàn)兩束偏振光當它們的反射面互相平行時可以發(fā)生干涉;但當反射面互相垂直時,干涉現(xiàn)象就消失。就是說,兩束互相垂直的偏振的光線,彼此不發(fā)生干涉作用,而原來偏振方向相同的兩束光,就好像尋常光線一樣地可以發(fā)生干涉。

    菲涅爾

    1817年,一直在為波動說的困難尋找解決辦法的托馬斯·楊覺察出,如果光的振動不是象聲波那樣沿運動方向作縱向振動,而是象水波或拉緊的琴弦那樣垂直于運動方向作橫向振動,問題或許可以得到解決。1817年初,楊寫信給阿拉戈說:“……雖然波動說可以解釋橫向振動也在徑向方向并以相等速度傳播,但粒子的運動是在相對于徑向的某個恒定方向上,而這就是偏振!卑⒗炅⒓磳⑼旭R斯·楊的這一新想法告訴了菲涅耳,菲涅耳當時已經(jīng)獨立地領悟到了這個思想,他立即以這一假設解釋了偏振光的干涉的定律,而且還得出了一系列其他的重要結論,其中包括偏振面轉動理論,反射和折射理論,雙折射理論。但是,光振動是橫向的這個假設是非常大膽的,因為根據(jù)彈性理論,在稀薄的以太里是不可能產(chǎn)生橫向振動的。所以,阿拉戈雖然和菲涅耳一起進行了關于偏振光干涉的研究,而當菲涅耳用橫波觀點對實驗結果進行解釋時,阿拉戈卻不敢和他一起發(fā)表這個新見解。論文的這一部分是以菲涅耳的名義表達的。

    后來,菲涅耳把所有觀察的結果總結成為一個完整的偏振光理論,其中包括相干概念和橢圓偏振。他發(fā)現(xiàn)了晶體中的波面,和支配反射光與折射光強度的定律。所有這些都是一些重大成就,由此建立了尚待解釋的現(xiàn)象學。觀察在真空內(nèi)傳播光的媒質(zhì)―以太的性質(zhì),這本應是最大的成就。但是菲涅耳在這里遇到了不可克服的困難。

    1818年,法國科學院提出了征文競賽題目:一是,利用精確的實驗定光線的衍射效應;二是,根據(jù)實驗,用數(shù)學歸納法推求出光線通過物體附近時的運動情況。在阿拉戈的鼓勵與支持下,菲涅耳向科學院提出了應征論文,他從橫波觀點出發(fā),圓滿地解釋了光的偏振,用半周帶的方法定量地計算了圓孔、圓板等形狀的障礙物產(chǎn)生的衍射花紋,而且與實驗符合得很好。但是,菲涅耳的波動理論遭到了光的粒子說者的反對,評獎委員會的成員 泊松運用菲涅耳的方程推導出關于盤衍射的一個奇怪的結論:如果這些方程是正確的,那么當把一個小圓盤放在光束中時,就會在小圓盤后面一定距離處的屏幕上盤影的中心點出現(xiàn)一個亮斑;泊松認為這當然是十分荒謬的,所以他宣稱已經(jīng)駁倒了波動理論。菲涅耳和阿拉戈接受了這個挑戰(zhàn),立即用實驗檢驗了這個理論預言,非常精彩地證實了這個理論的結論,影子中心的確出現(xiàn)了一個亮斑。在托馬斯。楊的雙縫干涉和泊松亮斑的事實的確證下,光的粒子說開始崩潰了。

    突出貢獻

    菲涅耳的研究成果,標志著光學進入了一個新時期―彈性以太光學的時期。這 個學說的成功,在牛頓物理學中打開了第一個缺口,為此他被人們稱為“物理光學的締造者”。

    1818年被阿拉戈和 拉普拉斯引薦參加法國燈塔照明改組委員會。1823年被吸收為巴黎科學院院士,1827年獲倫敦皇家學院倫福德獎章。他依靠微薄的收入維持自己的科學研究工作。只是到了1823年才得到承認被選入法國科學院,用于科學研究上的債務才得以償清,但他的健康已受到很大損害。1824年因大出血而不得不終止了一切科學活動。1827年7月14日他因患肺病,在阿夫賴城逝世。在只有39歲的短暫一生中,菲涅耳對經(jīng)典光學的波動理論作出了卓越的貢獻。

    主要成就

    菲涅耳的科學成就主要有兩方面。一是衍射,他以惠更斯原理和干涉原理為基礎,用新的定量形式建立了以他們的姓氏命名的惠更斯-菲涅耳原理。他的實驗具有很強的直觀性、明銳性,很多仍通行的實驗和光學元件都冠有菲涅耳的姓氏,如:雙面鏡干涉、波帶片、菲涅耳鏡、圓孔衍射等。另一成就是偏振:他與阿喇戈一起研究了偏振光的干涉,肯定了光是橫波(1821);他發(fā)現(xiàn)了圓偏振光和橢圓偏振光(1823),用波動說解釋了偏振面的旋轉;他推出了反射定律和折射定律的定量規(guī)律,即菲涅耳公式;解釋了E.-L.馬呂斯的反射光偏振現(xiàn)象和雙折射現(xiàn)象,從而建立了晶體光學的基礎。

    著作

    被最廣泛翻譯的菲涅耳著作可能是于1812提出給 法蘭西學術院的《光的衍射報告 》。以下是他的一些著作的英文翻譯版本:

    Fresnel, Augustin.Memoir on the Diffraction of Light. The Wave Theory of Light u2013 Memoirs by Huygens, Young and Fresnel. American Book Company. 1819: 79u2013145.

    Fresnel, Augustin. On the Action of Rays of Polarized Light upon Each Other. The Wave Theory of Light u2013 Memoirs by Huygens, Young and Fresnel. American Book Company. 1819: 145u2013156.

    菲涅爾反射

    光時域反射儀 光時域反射儀檢測方法

    海底通信光纜(以下簡稱海纜)通信具有通信質(zhì)量穩(wěn)定可靠,保密性好,隱蔽性好,抗毀、抗干擾能力強等特點,無論是平時,還是戰(zhàn)時,作為跨海通信手段,都具有其它任何通信手段所無法替代的優(yōu)勢。隨著海纜在全球范圍內(nèi)的廣泛使用和上百萬公里海纜線路的鋪設,大容量海纜系統(tǒng)在現(xiàn)代社會的信息超高速公路中扮演了非常重要的角色。海纜故障對社會的影響是很大的,因此故障點必須盡可能快速修復,要做到這一點,故障點必須快速準確的定位,但是一旦海纜系統(tǒng)發(fā)生故障,在茫茫大海中,從深達幾百米,甚至幾千米的海床上打撈起直徑不到10cm的海纜,就如同大海撈針,因而海纜故障的定位及維修有很強的特殊性。  許多原來應用于陸地光纜的維護測試方法已經(jīng)不再適用。在海纜維修、維護整個過程中,故障點的測量和海纜故障點精確定位是關鍵技術。故障的定位有兩個內(nèi)容:一是從岸端測試海纜故障點的距離;二是在海上對故障點進行精確定位。

    故障點的測量

    海纜故障點的探測方法很多,常用的方法有光時域反射儀(OTDR)測試法、電壓測試法、電容測試法、音頻測試法、線路監(jiān)控系統(tǒng)測試法。

    (一)OTDR測試法

    光時域反射儀(OTDR)通過發(fā)送光脈沖進人輸人光纖,由于受到散射粒子的散射,或遇到光纖斷裂面產(chǎn)生菲涅爾反射,利用光束分離器將其中的菲涅爾反射光和瑞利背向散射光送入接收器,再變成電信號并隨時間的變化在示波器上顯示, 探測故障時,利用OTDR中的定時裝置可以測出從脈沖發(fā)出到脈沖返回的時間t,假設光纖纖芯的折射率為n,真空中的光速為c,則斷點與測量點的距離L為:  這種方法雖然精度高,但只能測試從海纜岸端的終站或始站(以下簡稱海纜站)到第一個光中繼器之間的海纜線路,或是無中繼段的海纜段。

    (二)光時域反射儀電壓測試法

    光時域反射儀電壓測試法是通過一個恒流供電電源,得到海纜站到故障點間的 電位差,由電壓與電流之比可得到從海纜站到故障點間的電阻,從而得到海纜站與故障點之間的距離L,即:Uo為故障發(fā)生時海纜供電設備(PFE)上的輸出電壓(V);n為中繼器的數(shù)量;UR為中繼器的壓降(V);m為分支器的數(shù)量;U。為分支器的壓降(V);I為海纜的恒定供電電流(A);R為海纜單位長度的電阻(Ω/km)。  在實際使用中,只需將已知的海纜系統(tǒng)故障時的電壓、電流和電阻(其中中繼器和分支器的電壓可參考設備廠提供的產(chǎn)品技術參數(shù))代人式(l),就可得到海纜故障點的大致距離。由于式(1)未考慮故障點的大地電阻值,而且每個故障點的電阻值也各不相同,因此這種測試方法的測試必然存在較大的誤差。

    (三)光時域反射儀電容測試法

    光時域反射儀電容測試法是通過測試海纜站到故障點之間的供電導體(銅導體)和接地體(海水、大地)電容,將測試的電容值與海底光纜出廠時的參數(shù)柑比較后,即可得到故障點與測試點之間距離L:  式中,n1為中繼段的數(shù)量(無中繼器時n1=0);Lc為每個中繼段的海底光纜長度(km);Cx為電容的測試值(μF);Cc為海底光纜單位長度的電容值(μF/km)。

    (四)光時域反射儀音頻測試法

    光時域反射儀 音頻測試法是將一持續(xù)音頻電脈沖從海纜一端的供電導體輸入,維修船可用探測儀追蹤此信號,沿海纜探測,在故障點處,由于供電導體與海水的接地,測試脈沖信號消失,從而得到故障點位置。這種方法更多地用于維修船在故障發(fā)生的水域尋找海纜。這種方法的測試范圍一般小于300km。

    (五)光時域反射儀線路監(jiān)控系統(tǒng)測試法

    光時域反射儀線路監(jiān)控系統(tǒng)測試法是利用線路監(jiān)控設備周期性地對所有的中繼器進行測試并與紀錄進行比較,當一個中繼段內(nèi)的光纜發(fā)生故障使光纖受到輕微損傷或斷裂時,線路監(jiān)控設備會立刻顯示中繼器中相應的指標變化的狀況,即可自動告警。這種方法的測試范圍是一個中繼段。

    軟件附帶名稱

    菲涅爾:是制圖工具 3Dmax插件中vary里面的一個名稱。它在制作效果圖的時候起著很重要的作用。

    作用:

    1.制圖時,打開vary,在反射卷展欄靠右邊的位置,勾選“菲涅爾反射”,可以使瓷磚和木地板呈現(xiàn)出亞光的狀態(tài)。

    2.主要還用于制作效果圖,起著調(diào)節(jié)模擬真實質(zhì)感的作用。

    3 用于衰減控制,其又稱為“fresnel”。

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