第一章__光的基本属性

光电子技术光学Optics（古希腊）以几何光学和物理光学为基础各种光学仪器和设备（显微镜、望远镜、照相机、经纬仪、光谱仪）。以电磁辐射为研究对象（黑体辐射）以光与物质相互作用为主要研究内容（光电效应、光探测器、新型光源）。电子学Electronics(1910年)研究电子运动的各种物理过程和物理现象并加以广泛利用的科学。研究电波的振荡、传播，电信号的放大和变换，频率的稳定、混合和检波等等。---半导体微电子学。光电子学Opto-electronics(1955)光学与电子学相结合的产物。将电子学使用的电磁波频率提高到光频，产生电子学所不可能产生的许多新功能。以前由电子方法实现的任务现在用光学方法来完成---光电子技术。光电子技术第一章光的基本属性8学时光的波粒二重性、光的能量及量度单位第二章激光器13学时激光工作物质的增益特性、激光产生原理、光学谐振腔及激光模式、激光器输出特性、激光特性、高斯光束及光学变换第三章激光基本技术17学时电光效应、声光效应；几种常用的激光基本技术第四章激光传输14学时光在光波导和光纤中的传播原理、光纤传输特性、光纤耦合第五章常用光学元件10学时光的传播规律、几种常用的光学元件第六章光电子技术应用6学时前言一、光电子技术的定义光电子技术是研究从红外波、可见光、紫外光、X射线至γ射线波段范围内的光波电子技术，是研究运用光子和电子的特性，通过一定的媒介实现信息与能量转换、传递、处理及应用的科学。它是以光电子学为理论基础，以光电子元器件为主体、综合利用光学、电学、机械学、计算机和材料技术，以实现具有一定功能、实用的仪器、设备系统。定义的理解光电子技术的定义研究的对象研究的手段研究的基础研究的工具研究的目的二、光电子技术的特点频谱宽信息容量大传输速度快抗电磁干扰能力强技术领域应用空间光学望远镜：美国2.4m口径哈勃望远镜大型天文望远镜：口径为25m的天文望远镜在筹建中光学激光器激光系统发光与显示激光加工（打孔、切割、焊接、表面处理等）机械激光光刻与微细加工（0.3－0.5m）X射线光刻（<0.3m）光化学三维模型制作光纤通信信息光电子传感（包括光纤传感）激光印刷与照排光盘存储光电子技术的应用技术领域应用激光核聚变能源激光分离铀同位素；太阳能电池生物工程激光诱导细胞融合激光显微切割染色体医疗激光光谱诊断、治癌激光临床医疗化学工程激光引发化学反应光化学沉淀，激光化学提纯激光货标扫描器流通领域全息商标、全息饰物激光标记、纸币防伪标识环境保护大气污染激光监测光电子技术的应用技术领域应用地理遥感、遥测计量无接触测速、测长、测经等计量 标准 excel标准偏差excel标准偏差函数exl标准差函数国标检验抽样标准表免费下载红头文件格式标准下载 ；激光波长已是国际长度标准光学材料、非线性光学材料材料光电子功能材料激光法低维材料的生长光学跟踪、寻的、图象识别军事射束武器，激光致盲训练模拟、激光核爆炸模拟测距、瞄准、制导光电子技术的应用主要内容第一章光的基本属性光的波动性电磁波谱光的相干性光的能量及量度单位1.1光的波粒二重性1光子的粒子性1637年，笛卡儿在《屈光学》中提出光的折射定律。1678年，惠更斯《论光》主张光是一种波，传播光的介质是“以太”。1704年，牛顿在《光学》中主张光是粒子流，但光的粒子流无法解释牛顿环。1800年，托马斯.杨 设计 领导形象设计圆作业设计ao工艺污水处理厂设计附属工程施工组织设计清扫机器人结构设计 了杨氏双缝实验，证明了光的干涉现象。1815年，菲涅耳（法国）完善了惠更斯理论，提出了子波相干的思想。光的波动说无法解释光电效应，但粒子说可以解释。它的思想是爱因斯坦光量子理论的起源。1900年，普朗克（德国）提出量子假说。1905年爱因斯坦提出了光量子假设，光又一次被认为是粒子流。1923年，德布罗意(法国)提出光和实物粒子都具有波粒二象性。E为光子的能量，h是普朗克常数（6.6*10-34焦耳．秒）ν光的频率光波传播的能量是由许多单个光子组成的光子流的能量，不同频率的光传播，光子的能量是不同。光的微粒性-----光是由光子组成相对论质能关系动量的表达式光子静止质量m0=0光子的动量2、光的波动性光的干涉光的衍射光的偏振（一）光的干涉光的波动性主要标志之一：两列波叠加后产生干涉现象光的干涉本质：光强重新分配当频率相同、振动方向相同、相位相同或具有固定位相差的光波相遇时，在相遇的区域内就会产生光的干涉现象。相干的条件：同频率、同偏振、有固定的相位差。1、单色光：产生明暗相间的等间距的条纹。3、白光：中间为白色明条纹，两边为彩色条纹2、红光的条纹间距最大，紫光的条纹间距最小（二）干涉条纹的特点（三）两个特例：1、双缝干涉：产生明暗条纹的条件明条纹：路程差等于半波长的偶数倍。暗条纹：路程差等于半波长的奇数倍。2、薄膜干涉产生：在楔形膜前后表面反射的光相遇叠加产生特例：肥皂薄膜、水面上的油膜、增透膜等运用：干涉法检查物体表面的平滑度托马斯·杨的双孔实验:白色点光源S单孔双孔光屏中央白色条纹,两旁彩色纹2托马斯·杨的双孔实验:黄色点光源S单孔双孔光屏2双缝干涉实验:白色点光源S单缝双缝光屏条纹特点:关于中间亮条纹对称,间距和亮度均匀,条纹宽度跟波长成正比.双缝干涉实验:红色点光源S单缝双缝光屏2双缝干涉实验:紫色点光源S单缝双缝光屏323红------紫，波长越来越短红------紫，频率越来越大δ=薄膜干涉:原理:由薄膜的两个表面反射的相干光叠加而形成的干涉现象.楔形薄膜干涉:单色平行光入射楔形薄膜干涉图样为明暗相间的平行条纹条纹间距与波长有关白色平行光入射楔形薄膜干涉图样为相间的平行彩色条纹肥皂膜的干涉图样油膜的干涉图样加NaCl肥皂膜黄光在肥皂膜上的干涉图样浮在水面上的油膜白光雨后，公路的积水上漂着薄薄的油层，看上去有许多颜色花纹，其中有一条绿色花纹和一条相邻的蓝色花纹。在这两条花纹处，哪里的油层更薄些？为什么？思考与讨论蓝色花纹处的油层更薄些。从油层上下两个表面反射上来的各种色光中，如果某种色光相互加强，看起来就是这种颜色。蓝光的波长比绿光的波长短，与绿光相比，油膜应该更薄些，上下表面反射的光才会相互加强。干涉的应用1、增透膜：在光学元件表面涂的一层透明薄膜(一般用氟化镁)。使入射光在膜的前后表面反射时一部分光相互抵消，减少了光的反射损失，增强了透射光的强度。一般使绿光消失，光谱边缘的红光和紫光并未完全抵消，所以一般涂有增透膜的光学镜头呈淡紫色。2、检查精密部件表面的光滑程度.d待测工件标准样板待测工件标准样板下列现象中哪些是由于光的干涉产生的A.天空中出现的彩虹B.肥皂泡在阳光下呈现彩色条纹C.阳光通过三棱镜形成的彩色光带D.光线通过一条极窄的缝呈现明暗相间的条纹解:(A)是阳光被悬浮在空气中的小水滴经折射、反射后产生的;(B)是属于薄膜干涉(C)是棱镜色散(D)是单缝衍射.二）光的衍射光绕过障碍物的现象--------光的衍射任何光在碰到障碍和小孔时都会发生衍射现象，只是明显与不明显的区别小孔越小衍射现象越明显障碍物越小光越容易绕过即：衍射现象越明显小孔衍射障碍物衍射光发生明显衍射现象要求：小孔尺寸比光的波长小光发生明显衍射现象要求：障碍物尺寸比光的波长小障碍物衍射小孔衍射光的衍射:光波在通过单缝后,形成明暗相间的衍射条纹.条纹特点:以中间亮条纹对称,有明显宽的中间亮纹,向两侧逐渐变窄变暗.单缝衍射实验:白色点光源S光屏单孔单缝衍射实验:红色点光源S光屏2单缝2单缝衍射实验:紫色点光源S光屏3单缝3小孔衍射S孔很大时，屏上出现的光斑孔很小时，屏上出现衍射条纹白光孔很大时，屏上出现的光斑S红光S黄光圆板衍射S圆板很大时，在光屏上出现圆形的影圆板很小时，在影的中心出现了一个亮斑泊松亮斑二）光的衍射特点：1）光波传播方向会变，经障碍物后会在某种程度上绕到其几何阴影区域中去。2）波的强度会有起伏。光的衍射现象与光的干涉现象其实质都是相干光波叠加引起的光强的重新分布；不同之处：光的干涉现象是有限个相干光波的叠加，光的衍射则是无限多个相干光波叠加的结果。衍射分为：夫琅和费衍射和菲涅耳衍射。A．光遇到障碍物时，一定会发生明显的衍射现象．B．当障碍物的尺寸比光的波长大得多时，衍射现象很明显．C．当孔的大小比光的波长小时，衍射现象很明显．D．只有当障碍物的尺寸与光的波长差不多时，才会发生明显的衍射现象．答：正确的是C．思考以下关于光的衍射的说法，正确的是：为什么在日常生活中很难观察到光的衍射现象因为光波的波长很短，只有十分之几微米，一般的物体都比波长大很多，因此很难观察到光的衍射现象。三）光的偏振平面光波是横电磁波，其矢量的振动方向与光波传播方向垂直。根据空间任一点电场E的矢量末端在不同时刻的轨迹不同，其偏振态可分为：线偏振光椭圆偏振光圆偏振光自然光---是无数多个振幅相等、振动方向任意、彼此没有固定相位关系的光振动之和。Ix=Iy=I0/2任意时刻，可以把每个光矢量分解成相互垂直的两个光矢量分量，每个光矢量分量的光强等于自然光光强的一半。光矢量在屏平面内光矢量与屏平面垂直光矢量与屏平面斜交线偏振光(平面偏振光)----光矢量始终沿某一个振动方向。部分偏振光---是无数个没有固定相位关系的方向任意的光振动的组合，不同方向的振幅大小不同。偏振度自然光P=0.线偏振光P=1yyxz传播方向/2x某时刻右旋圆偏振光E随z的变化E0圆偏振光\椭圆偏振光右旋圆偏振光可以看作互相垂直的两个线偏振光的合成.且y向光矢量的振动位相超前π/2;如果y向落后π/2形成左旋圆偏振光.;如果它们的振幅相等可得正椭圆偏振光.偏振光的获取问题：如何从普通光源中取得偏振光呢方法：（1）偏振片法（2）反射折射法方法：（1）用起偏器获取偏振光1.一般入射角的情况反射光折射光都是部分偏振光反射光中垂直入射面振动占优折射光中平行入射面振动占优方法：（2）布儒斯特定律2.特殊入射角的情况1)两光偏振状态反射光--完全偏振光折射光--部分偏振光2)反射光线与折射光线垂直(起偏角或布儒斯特角)入射角满足3、布儒斯特定律光在两各向同性介质表面入射时如果入射角与两介质折射率存在下述关系反射光成为只有垂直振动的线偏振光这就是布儒斯特定律偏振光的应用光的偏振在科学技术及工业生产中有着广泛的应用。比如在机械工业中，利用偏振光的干涉来分析机件内部应力分布情况，这就是光测弹性力学的课题。在化工厂里，我们可以利用偏振光测量溶液的浓度。偏光干涉仪、偏光显微镜在生物学、医学、地质学等方面有着重要的应用。在航海、航空方面则制出了偏光天文罗盘。偏振光应用的实例：1、汽车车灯汽车夜间在公路上行驶与对面的车辆相遇时，为了避免双方车灯的眩目，司机都关闭大灯，只开小灯，放慢车速，以免发生车祸。如驾驶室的前窗玻璃和车灯的玻璃罩都装有偏振片，而且 规定 关于下班后关闭电源的规定党章中关于入党时间的规定公务员考核规定下载规定办法文件下载宁波关于闷顶的规定 它们的偏振化方向都沿同一方向并与水平面成45度角，那么，司机从前窗只能看到自已的车灯发出的光，而看不到对面车灯的光，这样，汽车在夜间行驶时，即不要熄灯，也不要减速，可以保证安全行车。另外，在阳光充足的白天驾驶汽车，从路面或周围建筑物的玻璃上反射过来的耀眼的阳光，常会使眼睛睁不开。由于光是横波，所以这些强烈的来自上空的散射光基本上是水平方向振动的。因此，只需带一副只能透射竖直方向偏振光的偏振太阳镜便可挡住部分的散射光。在拍摄立体电影时，用两个摄影机，两个摄影机的镜头相当于人的两只眼睛，它们同时分别拍下同一物体的两个画像，放映时把两个画像同时映在银幕上。如果设法使观众的一只眼睛只能看到其中一个画面，就可以使观众得到立体感。为此，在放映时，两个放放像机每个放像机镜头上放一个偏振片，两个偏振片的偏振化方向相互垂直，观众戴上用偏振片做成的眼镜，左眼偏振片的偏振化方向与左面放像机上的偏振化方向相同，右眼偏振片的偏振化方向与右面放像机上的偏振化方向相同，这样，银幕上的两个画面分别通过两只眼睛观察，在人的脑海中就形成立体化的影像了。2、观看立体电影偏光镜头立体电影人的眼睛对光的偏振状态是不能分辨的，但某些昆虫的眼睛对偏振却很敏感。比如蜜蜂有五支眼、三支复眼、两支复眼，每个复眼包含有6300个小眼，这些小眼能根据太阳的偏光确定太阳的方位，然后以太阳为定向标来判断方向，所以蜜蜂可以准确无误地把它的同类引到它所找到的花丛。再如在沙漠中，如果不带罗盘，人是会迷路的，但是沙漠中有一种蚂蚁，它能利用天空中的紫外偏光导航，因而不会迷路。3、生物的生理机能与偏振光（C）用偏光镜消除了反射偏振光使玻璃门内的人物清晰可见（A）玻璃门表面的反光很强（B）用偏光镜减弱了反射偏振光橱窗设计1.2电磁波谱一）电磁波谱的定义按照频率或波长的顺序把这些电磁波排列成图表二）电磁波谱的范围从无线电波到光波，从X射线到射线，都属于电磁波的范畴，只是波长不同而已。目前已经发现并得到广泛利用的电磁波有波长达104m以上的（无线电波），也有波长短到10-5nm以下的（γ射线）。波长/nm波长/m无线电波微波红外线紫外线可见光X射线射线宇宙射线1m103m106mm10910-310-610-9nm106102003904554925775976227605x1036x1034x104300极远远近极远远中近红橙黄绿蓝紫电磁波谱图光学区域红外线（1000~0.76m）：近红外、中红外和远红外。可见光（0.76~0.40um）：红色（0.76~0.63um）、橙色（0.63~0.60um）黄色（0.60~0.57um）、绿色（0.57~0.50um）青色（0.50~0.45um）、蓝色（0.45~0.43um）紫色（0.43~0.40um）。紫外线（0.40~0.001um）：近紫外、远紫外和极远紫外。绝对折射率绝对折射率电磁波谱在真空中的传播速度和在介质中的传播速度不同，两者相比单位时间通过垂直光的传播方向单面面积的能量光强度1.2.3光的能量及量度单位辐射强度矢量S单位时间通过垂直于传播方向的单位面积的电磁能量一、光的能量光强度（I）2、光能量的量度单位一）基本辐射量辐射功率P辐射度M辐射强度辐射亮度L辐照度E1.辐射功率P定义称辐射通量，它是发射、传输或接收辐射能量的时间变化率单位：瓦定义表达式式中Q是辐射能量，由于辐射能量还是波长、面积、立体角等因素的函数，所以辐射功率用辐射能量对时间的偏微商定义。2.辐出度M定义又叫辐射通量密度，是描写面源辐射特性量，其数值是源的单位面积向半球空间发射的辐射功率单位：瓦/米2定义表达式A：辐射源面积（源面积发射不一定均匀，面上各点附近单位面积发射的功率也不一样，故M通常是源上的函数。BACK3.辐射强度定义点源在单位立体角内发射的辐射功率，它是辐射功率在某个方向上角密度的量度。单位：瓦/球面度定义表达式4.辐射亮度L定义又叫面辐射强度或辐射率，是指扩展源在该方向上的单位表观面积单位立体角内发射的辐射功率。单位：瓦/米2.球面度定义表达式它与球面上的位置及观测的方向θ有关5.辐照度E定义投射到被照面上单位面积上的辐射功率单位：瓦/米2定义表达式与被照面上的位置、辐射源的特性及被照明面与源的相对位置有关。BACK辐出度与辐照度单位相同（瓦/米2），物理意义不同辐出度是离开辐射源表面的辐射功率密度，它包括源向整个半球空间发射的辐射功率。辐照度是入射到被照表面上的辐射功率密度，它可以包括一个或几个源投射来的辐射功率。E除与被照面上的位置有关，还与辐射源的特性及被照明面与源的相对位置有关二）基本光度学量光通量Pv光出射度Mv光强度光亮度Lv光照度Ev波长为λ的视见函数明视觉函数弱视觉函数视见函数定义在引起相同的视觉响应条件下，若在λ附近所需要的光谱辐射功率为dPλ，而对λ＝555nm所需要的光谱辐射功率为dP555定义表达式波长λ的光源各种波长的光源光通量描述可见光产生视觉响应强弱能力的物理量波长为632.8nm，输出功率为1mw的He－Ne激光器，求例题1.3光的相干性定义在不同空间点、不同时刻的光波场的某些特性（如光波场的相位）之间的关系。分类时间相干性空间相干性时间相干性指同一空间点上，两个不同时刻光波场之间的相干性；空间相干性在同一时刻、垂直于光传播方向上的两个空间点上的光波场之间的相干性；在双缝屏上存在着一个以0点为对称中心的面积A0，只要S1和S2在A0之外，则不能产生干涉现象，这一面积称相干面积。A0越大，则该光的空间相干性愈好。双缝实验影响干涉条纹清晰度的原因1、光源的大小（光源尺寸大，干涉效应差why？不同地方受激发原子发出的光是不相干的）2、光源到双缝的距离R（R越大，干涉条纹越模糊why？R大，变小，A0变小，光的空间相干性变差）相干性的条件越大，光源越小，越趋近于点光源，干涉效果越好作业1、光电子技术的含义及其特点2、空间相干性的定义；光的相干性能好差程度分别用什么衡量？3、波长λ的视见函数的定义；在整个电磁波谱范围内，视见函数等于0的区域？视见函数等于1的波长？视见函数小于1的区域？如果已知某个波长辐射的视见函数Vλ，则辐射功率为dPλ所对应的光通量dPv与Vλ、dPλ之间的关系？