第一章光本性

1、光電子技術(shù)光電子技術(shù)福州大學(xué)物理與信息工程學(xué)院福州大學(xué)物理與信息工程學(xué)院 張永愛(ài)張永愛(ài)E-mail：光學(xué)光學(xué) Optics （古希臘）（古希臘）以幾何光學(xué)和物理光學(xué)為基礎(chǔ)以幾何光學(xué)和物理光學(xué)為基礎(chǔ) 各種光學(xué)儀器和設(shè)備（顯微鏡、望遠(yuǎn)鏡、照相各種光學(xué)儀器和設(shè)備（顯微鏡、望遠(yuǎn)鏡、照相機(jī)、經(jīng)緯儀、光譜儀）。機(jī)、經(jīng)緯儀、光譜儀）。以電磁輻射為研究對(duì)象（黑體輻射）以電磁輻射為研究對(duì)象（黑體輻射） 以光與物質(zhì)相互作用為主要研究?jī)?nèi)容（光電效應(yīng)、以光與物質(zhì)相互作用為主要研究?jī)?nèi)容（光電效應(yīng)、光探測(cè)器、新型光源）。光探測(cè)器、新型光源）。電子學(xué)電子學(xué) Electronics (1910年年) 研究電子運(yùn)動(dòng)的各種物理過(guò)

2、程和物理現(xiàn)象并研究電子運(yùn)動(dòng)的各種物理過(guò)程和物理現(xiàn)象并加以廣泛利用的科學(xué)。加以廣泛利用的科學(xué)。研究電波的振蕩、傳播，電信號(hào)的放大和變研究電波的振蕩、傳播，電信號(hào)的放大和變換，頻率的穩(wěn)定、混合和檢波等等。換，頻率的穩(wěn)定、混合和檢波等等。 -半導(dǎo)體微電子學(xué)。半導(dǎo)體微電子學(xué)。光電子學(xué)光電子學(xué) Opto-electronics (1955)光學(xué)與電子學(xué)相結(jié)合的產(chǎn)物。將電子學(xué)使用的光學(xué)與電子學(xué)相結(jié)合的產(chǎn)物。將電子學(xué)使用的電磁波頻率提高到光頻，產(chǎn)生電子學(xué)所不可能電磁波頻率提高到光頻，產(chǎn)生電子學(xué)所不可能產(chǎn)生的許多新功能。產(chǎn)生的許多新功能。 以前由電子方法實(shí)現(xiàn)的任務(wù)現(xiàn)在用光學(xué)方法來(lái)以前由電子方法實(shí)現(xiàn)的任務(wù)現(xiàn)在用

3、光學(xué)方法來(lái)完成完成-光電子技術(shù)。光電子技術(shù)。光電子技術(shù)光電子技術(shù)第一章第一章 光的本性光的本性 3學(xué)時(shí)學(xué)時(shí) 光的波粒二重性、光的能量及量度單位光的波粒二重性、光的能量及量度單位第二章第二章 激光的產(chǎn)生及特性激光的產(chǎn)生及特性 8 8學(xué)時(shí)學(xué)時(shí) 激光工作物質(zhì)的增益特性、激光產(chǎn)生原激光工作物質(zhì)的增益特性、激光產(chǎn)生原理、光學(xué)諧振腔及激光模式、激光器輸出特理、光學(xué)諧振腔及激光模式、激光器輸出特性、激光特性、高斯光束及光學(xué)變換性、激光特性、高斯光束及光學(xué)變換第三章第三章 激光基本技術(shù)激光基本技術(shù) 8 8學(xué)時(shí)學(xué)時(shí) 電光效應(yīng)、聲光效應(yīng)；幾種常用的激電光效應(yīng)、聲光效應(yīng)；幾種常用的激光基本技術(shù)光基本技術(shù)第四章第四章

4、 光學(xué)元件光學(xué)元件 6 6學(xué)時(shí)學(xué)時(shí) 光的傳播規(guī)律、幾種常用的光學(xué)元件光的傳播規(guī)律、幾種常用的光學(xué)元件第五章第五章 光電探測(cè)技術(shù)光電探測(cè)技術(shù) 8 8學(xué)時(shí)學(xué)時(shí) 光電探測(cè)器的物理效應(yīng)和光電轉(zhuǎn)換定律、光光電探測(cè)器的物理效應(yīng)和光電轉(zhuǎn)換定律、光電探測(cè)器的特性參數(shù)和噪聲、幾種常用的光電探電探測(cè)器的特性參數(shù)和噪聲、幾種常用的光電探測(cè)器測(cè)器第六章第六章 光纖傳輸基礎(chǔ)光纖傳輸基礎(chǔ) 6 6學(xué)時(shí)學(xué)時(shí) 光在光波導(dǎo)和光纖中的傳播原理、光纖傳輸光在光波導(dǎo)和光纖中的傳播原理、光纖傳輸特性、光纖耦合特性、光纖耦合第七章第七章 實(shí)驗(yàn)實(shí)驗(yàn) 6 6學(xué)時(shí)學(xué)時(shí)前前 言言一、光電子技術(shù)的定義一、光電子技術(shù)的定義光電子技術(shù)是研究從紅外波、可

5、見(jiàn)光、紫外光、光電子技術(shù)是研究從紅外波、可見(jiàn)光、紫外光、X射線至射線至射線波段范圍內(nèi)的光波電子技術(shù)，是研射線波段范圍內(nèi)的光波電子技術(shù)，是研究究運(yùn)用運(yùn)用光子和電子的特性，通過(guò)一定的媒介實(shí)現(xiàn)光子和電子的特性，通過(guò)一定的媒介實(shí)現(xiàn)信息與能量轉(zhuǎn)換、傳遞、處理及應(yīng)用的科學(xué)。它信息與能量轉(zhuǎn)換、傳遞、處理及應(yīng)用的科學(xué)。它是以光電子學(xué)為是以光電子學(xué)為理論基礎(chǔ)理論基礎(chǔ)，以光電子元器件為，以光電子元器件為主主體體、綜合、綜合利用利用光學(xué)、電學(xué)、機(jī)械學(xué)、計(jì)算機(jī)和材光學(xué)、電學(xué)、機(jī)械學(xué)、計(jì)算機(jī)和材料技術(shù)，以料技術(shù)，以實(shí)現(xiàn)實(shí)現(xiàn)具有一定功能、實(shí)用的儀器、設(shè)具有一定功能、實(shí)用的儀器、設(shè)備系統(tǒng)。備系統(tǒng)。定義的理解定義的理解光電子

6、技術(shù)的定義光電子技術(shù)的定義 研究的對(duì)象研究的對(duì)象研究的手段研究的手段研究的基礎(chǔ)研究的基礎(chǔ)研究的工具研究的工具研究的目的研究的目的二、光電子技術(shù)的特點(diǎn)二、光電子技術(shù)的特點(diǎn)頻譜寬頻譜寬信息容量大信息容量大傳輸速度快傳輸速度快抗電磁干擾能力強(qiáng)抗電磁干擾能力強(qiáng) 技術(shù)領(lǐng)域技術(shù)領(lǐng)域 應(yīng)應(yīng) 用用 空間光學(xué)望遠(yuǎn)鏡：美國(guó)空間光學(xué)望遠(yuǎn)鏡：美國(guó)2.4m口徑哈勃望遠(yuǎn)鏡口徑哈勃望遠(yuǎn)鏡 大型天文望遠(yuǎn)鏡：口徑為大型天文望遠(yuǎn)鏡：口徑為25m的天文望遠(yuǎn)鏡在籌建中的天文望遠(yuǎn)鏡在籌建中 光光 學(xué)學(xué) 激光器激光器 激光系統(tǒng)激光系統(tǒng) 發(fā)光與顯示發(fā)光與顯示 激光加工（打孔、切割、焊接、表面處理等）激光加工（打孔、切割、焊接、表面處理等）

7、 機(jī)機(jī) 械械 激光光刻與微細(xì)加工（激光光刻與微細(xì)加工（0.30.5 m） X 射線光刻（射線光刻（ 0.3 m ） 光化學(xué)三維模型制作光化學(xué)三維模型制作 光纖通信光纖通信 信信 息息 光電子傳感（包括光纖傳感）光電子傳感（包括光纖傳感） 激光印刷與照排激光印刷與照排 光盤存儲(chǔ)光盤存儲(chǔ) 光電子技術(shù)的應(yīng)用光電子技術(shù)的應(yīng)用 技術(shù)領(lǐng)域技術(shù)領(lǐng)域 應(yīng)應(yīng) 用用 激光核聚變激光核聚變 能能 源源 激光分離鈾同位素；激光分離鈾同位素； 太陽(yáng)能電池太陽(yáng)能電池 生物工程生物工程 激光誘導(dǎo)細(xì)胞融合激光誘導(dǎo)細(xì)胞融合 激光顯微切割染色體激光顯微切割染色體 醫(yī)醫(yī) 療療 激光光譜診斷、治癌激光光譜診斷、治癌 激光臨床醫(yī)療激光

8、臨床醫(yī)療 化學(xué)工程化學(xué)工程 激光引發(fā)化學(xué)反應(yīng)激光引發(fā)化學(xué)反應(yīng) 光化學(xué)沉淀，激光化學(xué)提純光化學(xué)沉淀，激光化學(xué)提純 激光貨標(biāo)掃描器激光貨標(biāo)掃描器 流通領(lǐng)域流通領(lǐng)域 全息商標(biāo)、全息飾物全息商標(biāo)、全息飾物 激光標(biāo)記、紙幣防偽標(biāo)識(shí)激光標(biāo)記、紙幣防偽標(biāo)識(shí) 環(huán)境保護(hù)環(huán)境保護(hù) 大氣污染激光監(jiān)測(cè)大氣污染激光監(jiān)測(cè) 光電子技術(shù)的應(yīng)用光電子技術(shù)的應(yīng)用 技術(shù)領(lǐng)域技術(shù)領(lǐng)域 應(yīng)應(yīng) 用用 地地 理理 遙感、遙測(cè)遙感、遙測(cè) 計(jì)計(jì) 量量 無(wú)接觸測(cè)速、測(cè)長(zhǎng)、測(cè)經(jīng)等無(wú)接觸測(cè)速、測(cè)長(zhǎng)、測(cè)經(jīng)等 計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)；激光波長(zhǎng)已是國(guó)際長(zhǎng)度標(biāo)準(zhǔn)計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)；激光波長(zhǎng)已是國(guó)際長(zhǎng)度標(biāo)準(zhǔn) 光學(xué)材料、非線性光學(xué)材料光學(xué)材料、非線性光學(xué)材料 材材 料料 光電子功能材

9、料光電子功能材料 激光法低維材料的生長(zhǎng)激光法低維材料的生長(zhǎng) 光學(xué)跟蹤、尋的、圖象識(shí)別光學(xué)跟蹤、尋的、圖象識(shí)別 軍軍 事事 射束武器，激光致盲射束武器，激光致盲 訓(xùn)練模擬、激光核爆炸模擬訓(xùn)練模擬、激光核爆炸模擬 測(cè)距、瞄準(zhǔn)、制導(dǎo)測(cè)距、瞄準(zhǔn)、制導(dǎo) 光電子技術(shù)的應(yīng)用光電子技術(shù)的應(yīng)用主要內(nèi)容主要內(nèi)容第一章第一章 光的本性光的本性光的波動(dòng)性光的波動(dòng)性電磁波譜電磁波譜光的相干性光的相干性光的能量及量度單位光的能量及量度單位16371637年，笛卡兒在年，笛卡兒在屈光學(xué)屈光學(xué)中提出光的折射定律。中提出光的折射定律。16781678年，惠更斯年，惠更斯論光論光主張光是一種波，傳播光主張光是一種波，傳播光的介質(zhì)

10、是的介質(zhì)是“以太以太”。17041704年，牛頓在年，牛頓在光學(xué)光學(xué)中主張光是粒子流，但光中主張光是粒子流，但光的粒子流無(wú)法解釋牛頓環(huán)。的粒子流無(wú)法解釋牛頓環(huán)。18001800年，托馬斯年，托馬斯. .楊設(shè)計(jì)了楊氏雙縫實(shí)驗(yàn)，證明了楊設(shè)計(jì)了楊氏雙縫實(shí)驗(yàn)，證明了光的干涉現(xiàn)象。光的干涉現(xiàn)象。18151815年，菲涅耳（法國(guó)）完善了惠更斯理論，提出年，菲涅耳（法國(guó)）完善了惠更斯理論，提出了子波相干的思想。了子波相干的思想。光的波動(dòng)說(shuō)無(wú)法解釋光電效應(yīng)，但粒子說(shuō)可以解光的波動(dòng)說(shuō)無(wú)法解釋光電效應(yīng)，但粒子說(shuō)可以解釋。它的思想是愛(ài)因斯坦光量子理論的起源。釋。它的思想是愛(ài)因斯坦光量子理論的起源。19001900年

11、，普朗克（德國(guó)）提出量子假說(shuō)。年，普朗克（德國(guó)）提出量子假說(shuō)。19051905年年愛(ài)因斯坦提出了光量子假設(shè)，光又一次被認(rèn)為是愛(ài)因斯坦提出了光量子假設(shè)，光又一次被認(rèn)為是粒子流。粒子流。19231923年，德布羅意年，德布羅意( (法國(guó)法國(guó)) )提出光和實(shí)物粒子都具提出光和實(shí)物粒子都具有波粒二象性。有波粒二象性。一、光的波動(dòng)性一、光的波動(dòng)性光的干涉光的干涉光的衍射光的衍射光的偏振光的偏振（一）光的干涉（一）光的干涉光的波動(dòng)性主要標(biāo)志之一：兩列波疊加后產(chǎn)生干光的波動(dòng)性主要標(biāo)志之一：兩列波疊加后產(chǎn)生干涉現(xiàn)象涉現(xiàn)象光的干涉本質(zhì)：光強(qiáng)重新分配光的干涉本質(zhì)：光強(qiáng)重新分配當(dāng)當(dāng)頻率相同頻率相同、振動(dòng)方向相同振動(dòng)

12、方向相同、相位相同相位相同或或具有固具有固定位相差定位相差的光波相遇時(shí)，在相遇的區(qū)域內(nèi)就會(huì)產(chǎn)的光波相遇時(shí)，在相遇的區(qū)域內(nèi)就會(huì)產(chǎn)生光的干涉現(xiàn)象。生光的干涉現(xiàn)象。相干的條件：同頻率、同偏振、有固定的相位差相干的條件：同頻率、同偏振、有固定的相位差。 1 1、單色光：產(chǎn)生明暗相間的等間距的、單色光：產(chǎn)生明暗相間的等間距的條紋。條紋。 3 3、白光：中間為白色明條紋，兩邊為、白光：中間為白色明條紋，兩邊為 彩色條紋彩色條紋2 2、紅光的條紋間距最大，紫光的條紋、紅光的條紋間距最大，紫光的條紋間距最小間距最小（二）干涉條紋的特點(diǎn)（二）干涉條紋的特點(diǎn)（三）兩個(gè)特例：（三）兩個(gè)特例：1、雙縫干涉：、雙縫干涉

13、：產(chǎn)生明暗條紋的條件產(chǎn)生明暗條紋的條件明條紋：路程差等于半波長(zhǎng)的偶數(shù)倍。明條紋：路程差等于半波長(zhǎng)的偶數(shù)倍。暗條紋：路程差等于半波長(zhǎng)的奇數(shù)倍。暗條紋：路程差等于半波長(zhǎng)的奇數(shù)倍。2、薄膜干涉、薄膜干涉產(chǎn)生：在楔形膜前后表面反射的光相遇疊加產(chǎn)生產(chǎn)生：在楔形膜前后表面反射的光相遇疊加產(chǎn)生特例：肥皂薄膜、水面上的油膜、增透膜等特例：肥皂薄膜、水面上的油膜、增透膜等運(yùn)用：干涉法檢查物體表面的平滑度運(yùn)用：干涉法檢查物體表面的平滑度托馬斯托馬斯楊的雙孔實(shí)驗(yàn)楊的雙孔實(shí)驗(yàn): :白色點(diǎn)光源白色點(diǎn)光源S單孔單孔雙孔雙孔光屏光屏中央白色條紋,兩旁彩色紋2托馬斯托馬斯楊的雙孔實(shí)驗(yàn)楊的雙孔實(shí)驗(yàn): :黃色點(diǎn)光源黃色點(diǎn)光源S單

14、孔單孔雙孔雙孔光屏光屏2雙縫干涉實(shí)驗(yàn):白色點(diǎn)光源白色點(diǎn)光源S單縫單縫雙縫雙縫光屏光屏條紋特點(diǎn)條紋特點(diǎn): :關(guān)于中間亮條紋對(duì)稱關(guān)于中間亮條紋對(duì)稱, ,間距和間距和亮度均勻亮度均勻, ,條紋寬度跟波長(zhǎng)成條紋寬度跟波長(zhǎng)成正比正比. .雙縫干涉實(shí)驗(yàn)雙縫干涉實(shí)驗(yàn): :紅色點(diǎn)光源紅色點(diǎn)光源S單縫單縫雙縫雙縫光屏光屏2雙縫干涉實(shí)驗(yàn)雙縫干涉實(shí)驗(yàn): :紫色點(diǎn)光源紫色點(diǎn)光源S單縫單縫雙縫雙縫光屏光屏323紅紅-紫，波長(zhǎng)越來(lái)越短紫，波長(zhǎng)越來(lái)越短紅紅-紫，頻率越來(lái)越大紫，頻率越來(lái)越大=薄膜干涉薄膜干涉: :原理原理: :由薄膜的兩個(gè)表面由薄膜的兩個(gè)表面反射的相干光疊加而形成反射的相干光疊加而形成的干涉現(xiàn)象的干涉現(xiàn)象.

15、 . 楔形薄膜干涉楔形薄膜干涉: :單色平行光入射楔形薄膜單色平行光入射楔形薄膜干涉圖樣為明暗相間的平行條紋干涉圖樣為明暗相間的平行條紋條紋間距與波長(zhǎng)有關(guān)條紋間距與波長(zhǎng)有關(guān)白色平行光入射楔形薄膜干涉白色平行光入射楔形薄膜干涉圖樣為相間的平行彩色條紋圖樣為相間的平行彩色條紋肥皂膜的干涉圖樣肥皂膜的干涉圖樣 油膜的干涉圖樣油膜的干涉圖樣加NaCl肥肥皂皂膜膜黃光在肥皂膜黃光在肥皂膜上的干涉圖樣上的干涉圖樣浮在水面上的油膜浮在水面上的油膜白光白光雨后，公路的積水上漂著薄薄的油層，看上去雨后，公路的積水上漂著薄薄的油層，看上去有許多顏色花紋，其中有一條綠色花紋和一條有許多顏色花紋，其中有一條綠色花紋和

16、一條相鄰的藍(lán)色花紋。在這兩條花紋處，哪里的油相鄰的藍(lán)色花紋。在這兩條花紋處，哪里的油層更薄些？為什么？層更薄些？為什么？思考與討論思考與討論藍(lán)色花紋處的油層更薄些。從油層上下兩個(gè)表藍(lán)色花紋處的油層更薄些。從油層上下兩個(gè)表面反射上來(lái)的各種色光中，如果某種色光相互面反射上來(lái)的各種色光中，如果某種色光相互加強(qiáng)，看起來(lái)就是這種顏色。藍(lán)光的波長(zhǎng)比綠加強(qiáng)，看起來(lái)就是這種顏色。藍(lán)光的波長(zhǎng)比綠光的波長(zhǎng)短，與綠光相比，油膜應(yīng)該更薄些，光的波長(zhǎng)短，與綠光相比，油膜應(yīng)該更薄些，上下表面反射的光才會(huì)相互加強(qiáng)。上下表面反射的光才會(huì)相互加強(qiáng)。干涉的應(yīng)用干涉的應(yīng)用1 1、增透膜：在光學(xué)元件表面涂的一層透、增透膜：在光學(xué)元件

17、表面涂的一層透明薄膜明薄膜( (一般用氟化鎂一般用氟化鎂) )。使入射光在膜。使入射光在膜的前后表面反射時(shí)一部分光相互抵消，的前后表面反射時(shí)一部分光相互抵消，減少了光的反射損失，增強(qiáng)了透射光的減少了光的反射損失，增強(qiáng)了透射光的強(qiáng)度。一般使綠光消失，光譜邊緣的紅強(qiáng)度。一般使綠光消失，光譜邊緣的紅光和紫光并未完全抵消，所以一般涂有光和紫光并未完全抵消，所以一般涂有增透膜的光學(xué)鏡頭呈淡紫色。增透膜的光學(xué)鏡頭呈淡紫色。2 2、檢查精密部件表面的光滑程度、檢查精密部件表面的光滑程度. .d d待測(cè)工件待測(cè)工件標(biāo)準(zhǔn)樣板標(biāo)準(zhǔn)樣板待測(cè)工件待測(cè)工件標(biāo)準(zhǔn)樣板標(biāo)準(zhǔn)樣板下列現(xiàn)象中哪些是由于光的干涉產(chǎn)生的下列現(xiàn)象中哪些

18、是由于光的干涉產(chǎn)生的A.天空中出現(xiàn)的彩虹天空中出現(xiàn)的彩虹B.肥皂泡在陽(yáng)光下呈現(xiàn)彩色條紋肥皂泡在陽(yáng)光下呈現(xiàn)彩色條紋C.陽(yáng)光通過(guò)三棱鏡形成的彩色光帶陽(yáng)光通過(guò)三棱鏡形成的彩色光帶D.光線通過(guò)一條極窄的縫呈現(xiàn)明暗相間的條紋光線通過(guò)一條極窄的縫呈現(xiàn)明暗相間的條紋解解:(A)是陽(yáng)光被懸浮在空氣中的小水滴經(jīng)折射、反射后是陽(yáng)光被懸浮在空氣中的小水滴經(jīng)折射、反射后產(chǎn)生的產(chǎn)生的; (B)是屬于薄膜干涉是屬于薄膜干涉 (C)是棱鏡色散是棱鏡色散 (D)是單縫衍射是單縫衍射.任何光在碰到障礙和小孔時(shí)都會(huì)發(fā)生衍射現(xiàn)象，只是明顯與不明顯的區(qū)別任何光在碰到障礙和小孔時(shí)都會(huì)發(fā)生衍射現(xiàn)象，只是明顯與不明顯的區(qū)別光發(fā)生光發(fā)生明顯

19、明顯衍射現(xiàn)象衍射現(xiàn)象要求：小孔尺寸比光的波長(zhǎng)小要求：小孔尺寸比光的波長(zhǎng)小 光發(fā)生光發(fā)生明顯明顯衍射現(xiàn)象衍射現(xiàn)象要求：障礙物尺寸比光的波長(zhǎng)小要求：障礙物尺寸比光的波長(zhǎng)小 光的衍射光的衍射: :光波在通過(guò)單縫后光波在通過(guò)單縫后, ,形成形成明暗相間的衍射條紋明暗相間的衍射條紋. .條紋特點(diǎn)條紋特點(diǎn): :以中間亮條紋對(duì)稱以中間亮條紋對(duì)稱, ,有明顯寬有明顯寬的中間亮紋的中間亮紋, ,向兩側(cè)逐漸變窄向兩側(cè)逐漸變窄變暗變暗. .單縫衍射實(shí)驗(yàn):白色點(diǎn)光源S光屏單孔單縫衍射實(shí)驗(yàn):紅色點(diǎn)光源S光屏2單縫2單縫衍射實(shí)驗(yàn):紫色點(diǎn)光源S光屏3單縫3小孔衍射小孔衍射S孔很大時(shí)，屏孔很大時(shí)，屏上出現(xiàn)的光斑上出現(xiàn)的光斑孔

20、很小時(shí)，屏上孔很小時(shí)，屏上出現(xiàn)衍射條紋出現(xiàn)衍射條紋白光白光孔很大時(shí)，屏孔很大時(shí)，屏上出現(xiàn)的光斑上出現(xiàn)的光斑S紅光紅光S黃光黃光圓板衍射圓板衍射S圓板很大時(shí)，圓板很大時(shí)，在光屏上出現(xiàn)在光屏上出現(xiàn)圓形的影圓形的影圓板很小時(shí)，圓板很小時(shí)，在影的中心出在影的中心出現(xiàn)了一個(gè)亮斑現(xiàn)了一個(gè)亮斑泊松亮斑泊松亮斑二）光的衍射二）光的衍射特點(diǎn)：特點(diǎn)：1 1）光波傳播方向會(huì)變，經(jīng)障礙物后會(huì)在某種）光波傳播方向會(huì)變，經(jīng)障礙物后會(huì)在某種程度上繞到其幾何陰影區(qū)域中去。程度上繞到其幾何陰影區(qū)域中去。2 2）波的強(qiáng)度會(huì)有起伏。）波的強(qiáng)度會(huì)有起伏。光的衍射現(xiàn)象與光的干涉現(xiàn)象其光的衍射現(xiàn)象與光的干涉現(xiàn)象其實(shí)質(zhì)實(shí)質(zhì)都是相干光都是相

21、干光波疊加引起的光強(qiáng)的重新分布；波疊加引起的光強(qiáng)的重新分布；不同之處：不同之處：光的干涉現(xiàn)象是有限個(gè)相干光波的疊光的干涉現(xiàn)象是有限個(gè)相干光波的疊加，光的衍射則是無(wú)限多個(gè)相干光波疊加的結(jié)果。加，光的衍射則是無(wú)限多個(gè)相干光波疊加的結(jié)果。衍射分為：夫瑯和費(fèi)衍射和菲涅耳衍射。衍射分為：夫瑯和費(fèi)衍射和菲涅耳衍射。A 光遇到障礙物時(shí)，一定會(huì)發(fā)生明顯的衍射光遇到障礙物時(shí)，一定會(huì)發(fā)生明顯的衍射現(xiàn)象現(xiàn)象B 當(dāng)障礙物的尺寸比光的波長(zhǎng)大得多時(shí)，衍當(dāng)障礙物的尺寸比光的波長(zhǎng)大得多時(shí)，衍射現(xiàn)象很明顯射現(xiàn)象很明顯C 當(dāng)孔的大小比光的波長(zhǎng)小時(shí)，衍射現(xiàn)象很當(dāng)孔的大小比光的波長(zhǎng)小時(shí)，衍射現(xiàn)象很明顯明顯D只有當(dāng)障礙物的尺寸與光的波

22、長(zhǎng)差不多時(shí)，只有當(dāng)障礙物的尺寸與光的波長(zhǎng)差不多時(shí)，才會(huì)發(fā)生明顯的衍射現(xiàn)象才會(huì)發(fā)生明顯的衍射現(xiàn)象答：答：正確的是正確的是C 思考思考以下關(guān)于光的衍射的說(shuō)法，正確的是：以下關(guān)于光的衍射的說(shuō)法，正確的是：為什么在日常生活中很難觀察到光的衍射為什么在日常生活中很難觀察到光的衍射現(xiàn)象現(xiàn)象因?yàn)楣獠ǖ牟ㄩL(zhǎng)很短，只有十因?yàn)楣獠ǖ牟ㄩL(zhǎng)很短，只有十分之幾微米，一般的物體都比分之幾微米，一般的物體都比波長(zhǎng)大很多，因此很難觀察到波長(zhǎng)大很多，因此很難觀察到光的衍射現(xiàn)象。光的衍射現(xiàn)象。三）光的偏振三）光的偏振平面光波是橫電磁波，其矢量的振動(dòng)方向與光平面光波是橫電磁波，其矢量的振動(dòng)方向與光波傳播方向垂直。波傳播方向垂直。

23、根據(jù)空間任一點(diǎn)電場(chǎng)根據(jù)空間任一點(diǎn)電場(chǎng) E E 的矢量末端在不同時(shí)的矢量末端在不同時(shí)刻的軌跡不同，其偏振態(tài)可分為：刻的軌跡不同，其偏振態(tài)可分為：0( , )exp()E r tEitk r線偏振光線偏振光橢圓偏振光橢圓偏振光圓偏振光圓偏振光00( , )exp()( , )exp()E r tEitk rH r tHitk r自然光自然光-是無(wú)數(shù)多個(gè)振幅相等、振動(dòng)方向任意是無(wú)數(shù)多個(gè)振幅相等、振動(dòng)方向任意、彼此沒(méi)有固定相位關(guān)系的光振動(dòng)之和。、彼此沒(méi)有固定相位關(guān)系的光振動(dòng)之和。 Ix=Iy=I0/2任意時(shí)刻，可以把每個(gè)光矢量分解成相互垂直任意時(shí)刻，可以把每個(gè)光矢量分解成相互垂直的兩個(gè)光矢量分量，每個(gè)

24、光矢量分量的光強(qiáng)等的兩個(gè)光矢量分量，每個(gè)光矢量分量的光強(qiáng)等于自然光光強(qiáng)的一半。于自然光光強(qiáng)的一半。光矢量在屏平面內(nèi)光矢量在屏平面內(nèi)光矢量與屏平面垂直光矢量與屏平面垂直光矢量與屏平面斜交光矢量與屏平面斜交線偏振光線偏振光( (平面偏振光平面偏振光)-)-光矢量始終沿某一光矢量始終沿某一個(gè)振動(dòng)方向。個(gè)振動(dòng)方向。部分偏振光部分偏振光-是無(wú)數(shù)個(gè)沒(méi)有固定相位關(guān)系的方是無(wú)數(shù)個(gè)沒(méi)有固定相位關(guān)系的方向任意的光振動(dòng)的組合，不同方向的振幅大小不向任意的光振動(dòng)的組合，不同方向的振幅大小不同。同。偏振度偏振度10;minmaxminmax PIIIIP自然光自然光P =0. 線偏振光線偏振光P=1 y yx z傳播方

25、向傳播方向 /2x某時(shí)刻右旋圓偏振光某時(shí)刻右旋圓偏振光E隨隨z的變化的變化E 0 圓偏振光圓偏振光 橢圓偏振光橢圓偏振光右旋圓右旋圓偏振光偏振光可以看作互相垂直的兩個(gè)線可以看作互相垂直的兩個(gè)線偏偏振光的合成振光的合成. .且且y y向光矢量的振動(dòng)向光矢量的振動(dòng)位相超前位相超前/2; /2; 如果如果y y向落后向落后/2/2形成左形成左旋圓偏振光旋圓偏振光. ; ; 如果它們?nèi)绻鼈兊恼穹嗟瓤傻谜龣E圓偏振光的振幅相等可得正橢圓偏振光. .偏振光的獲取偏振光的獲取問(wèn)題：?jiǎn)栴}： 如何從普通光源中取得偏振光呢如何從普通光源中取得偏振光呢方法：方法： （1 1）偏振片法）偏振片法 （2 2）反射折射

26、法）反射折射法方法：方法： （1 1）用起偏器獲取偏振光）用起偏器獲取偏振光1.1.一般入射角的情況一般入射角的情況反射光反射光 折射光都是折射光都是部分偏振光部分偏振光 反射光中反射光中 垂直入射面振動(dòng)占優(yōu)垂直入射面振動(dòng)占優(yōu)折射光中折射光中平行入射面振動(dòng)占優(yōu)平行入射面振動(dòng)占優(yōu)方法：方法： （2 2）布儒斯特定律布儒斯特定律2.特殊入射角的情況特殊入射角的情況1 ) ) 兩光偏振狀態(tài)兩光偏振狀態(tài)反射光反射光 - 完全偏振光完全偏振光折射光折射光 - 部分偏振光部分偏振光2 ) )反射光線與折射光線垂直反射光線與折射光線垂直( (起偏角起偏角或或布儒斯特角布儒斯特角 ) )1210nntgi入射

27、角滿足入射角滿足3、布儒斯特定律、布儒斯特定律 1210nntgi光在兩各向同性介質(zhì)表面入射時(shí)光在兩各向同性介質(zhì)表面入射時(shí)如果入射角與兩介質(zhì)折射率存在下述關(guān)系如果入射角與兩介質(zhì)折射率存在下述關(guān)系反射光成為只有垂直振動(dòng)的反射光成為只有垂直振動(dòng)的線偏振光線偏振光這就是布儒斯特定律這就是布儒斯特定律偏振光的應(yīng)用偏振光的應(yīng)用光的偏振在科學(xué)技術(shù)及工業(yè)生產(chǎn)中有著廣泛的光的偏振在科學(xué)技術(shù)及工業(yè)生產(chǎn)中有著廣泛的應(yīng)用。比如在機(jī)械工業(yè)中，利用偏振光的干涉應(yīng)用。比如在機(jī)械工業(yè)中，利用偏振光的干涉來(lái)分析機(jī)件內(nèi)部應(yīng)力分布情況，這就是光測(cè)彈來(lái)分析機(jī)件內(nèi)部應(yīng)力分布情況，這就是光測(cè)彈性力學(xué)的課題。在化工廠里，我們可以利用偏性

28、力學(xué)的課題。在化工廠里，我們可以利用偏振光測(cè)量溶液的濃度。偏光干涉儀、偏光顯微振光測(cè)量溶液的濃度。偏光干涉儀、偏光顯微鏡在生物學(xué)、醫(yī)學(xué)、地質(zhì)學(xué)等方面有著重要的鏡在生物學(xué)、醫(yī)學(xué)、地質(zhì)學(xué)等方面有著重要的應(yīng)用。在航海、航空方面則制出了偏光天文羅應(yīng)用。在航海、航空方面則制出了偏光天文羅盤。盤。偏振光應(yīng)用的實(shí)例：偏振光應(yīng)用的實(shí)例：1 1、汽車車燈、汽車車燈汽車夜間在公路上行駛與對(duì)面的車輛相遇時(shí)，為了避汽車夜間在公路上行駛與對(duì)面的車輛相遇時(shí)，為了避免雙方車燈的眩目，司機(jī)都關(guān)閉大燈，只開(kāi)小燈，放免雙方車燈的眩目，司機(jī)都關(guān)閉大燈，只開(kāi)小燈，放慢車速，以免發(fā)生車禍。如駕駛室的前窗玻璃和車燈慢車速，以免發(fā)生車禍。

29、如駕駛室的前窗玻璃和車燈的玻璃罩都裝有偏振片，而且規(guī)定它們的偏振化方向的玻璃罩都裝有偏振片，而且規(guī)定它們的偏振化方向都沿同一方向并與水平面成都沿同一方向并與水平面成4545度角，那么，司機(jī)從前度角，那么，司機(jī)從前窗只能看到自已的車燈發(fā)出的光，而看不到對(duì)面車燈窗只能看到自已的車燈發(fā)出的光，而看不到對(duì)面車燈的光，這樣，汽車在夜間行駛時(shí)，即不要熄燈，也不的光，這樣，汽車在夜間行駛時(shí)，即不要熄燈，也不要減速，可以保證安全行車。要減速，可以保證安全行車。另外，在陽(yáng)光充足的白天駕駛汽車，從路面或周另外，在陽(yáng)光充足的白天駕駛汽車，從路面或周圍建筑物的玻璃上反射過(guò)來(lái)的耀眼的陽(yáng)光，常會(huì)圍建筑物的玻璃上反射過(guò)來(lái)的

30、耀眼的陽(yáng)光，常會(huì)使眼睛睜不開(kāi)。由于光是橫波，所以這些強(qiáng)烈的使眼睛睜不開(kāi)。由于光是橫波，所以這些強(qiáng)烈的來(lái)自上空的散射光基本上是水平方向振動(dòng)的。因來(lái)自上空的散射光基本上是水平方向振動(dòng)的。因此，只需此，只需帶一副只能透射豎直方向偏振光的偏振帶一副只能透射豎直方向偏振光的偏振太陽(yáng)鏡便可擋住部分的散射光太陽(yáng)鏡便可擋住部分的散射光。 在拍攝立體電影時(shí)，用兩個(gè)攝影機(jī)，兩個(gè)攝影機(jī)的鏡頭相當(dāng)于人的在拍攝立體電影時(shí)，用兩個(gè)攝影機(jī)，兩個(gè)攝影機(jī)的鏡頭相當(dāng)于人的兩只眼睛，它們同時(shí)分別拍下同一物體的兩個(gè)畫像，放映時(shí)把兩個(gè)兩只眼睛，它們同時(shí)分別拍下同一物體的兩個(gè)畫像，放映時(shí)把兩個(gè)畫像同時(shí)映在銀幕上。如果設(shè)法使觀眾的一只眼睛

31、只能看到其中一畫像同時(shí)映在銀幕上。如果設(shè)法使觀眾的一只眼睛只能看到其中一個(gè)畫面，就可以使觀眾得到立體感。為此，在放映時(shí)，兩個(gè)放放像個(gè)畫面，就可以使觀眾得到立體感。為此，在放映時(shí)，兩個(gè)放放像機(jī)每個(gè)放像機(jī)鏡頭上放一個(gè)偏振片，機(jī)每個(gè)放像機(jī)鏡頭上放一個(gè)偏振片，兩個(gè)偏振片的偏振化方向相互兩個(gè)偏振片的偏振化方向相互垂直，觀眾戴上用偏振片做成的眼鏡垂直，觀眾戴上用偏振片做成的眼鏡，左眼偏振片的偏振化方向與，左眼偏振片的偏振化方向與左面放像機(jī)上的偏振化方向相同，右眼偏振片的偏振化方向與右面左面放像機(jī)上的偏振化方向相同，右眼偏振片的偏振化方向與右面放像機(jī)上的偏振化方向相同，這樣，放像機(jī)上的偏振化方向相同，這樣，

32、銀幕上的兩個(gè)畫面分別通過(guò)兩銀幕上的兩個(gè)畫面分別通過(guò)兩只眼睛觀察，在人的腦海中就形成立體化的影像了只眼睛觀察，在人的腦海中就形成立體化的影像了。 2、觀看立體電影、觀看立體電影偏光鏡頭偏光鏡頭 立體電影立體電影人的眼睛對(duì)光的偏振狀態(tài)是不能分辨的，但某些昆蟲(chóng)人的眼睛對(duì)光的偏振狀態(tài)是不能分辨的，但某些昆蟲(chóng)的眼睛對(duì)偏振卻很敏感。比如蜜蜂有五支眼、三支復(fù)的眼睛對(duì)偏振卻很敏感。比如蜜蜂有五支眼、三支復(fù)眼、兩支復(fù)眼，每個(gè)復(fù)眼包含有眼、兩支復(fù)眼，每個(gè)復(fù)眼包含有63006300個(gè)個(gè)小眼，這些小小眼，這些小眼能眼能根據(jù)太陽(yáng)的偏光確定太陽(yáng)的方位根據(jù)太陽(yáng)的偏光確定太陽(yáng)的方位，然后以太陽(yáng)為，然后以太陽(yáng)為定向標(biāo)來(lái)判斷方向

33、，所以蜜蜂可以準(zhǔn)確無(wú)誤地把它的定向標(biāo)來(lái)判斷方向，所以蜜蜂可以準(zhǔn)確無(wú)誤地把它的同類引到它所找到的花叢。同類引到它所找到的花叢。再如在沙漠中，如果不帶羅盤，人是會(huì)迷路的，但是再如在沙漠中，如果不帶羅盤，人是會(huì)迷路的，但是沙漠中有一種螞蟻，它能沙漠中有一種螞蟻，它能利用天空中的紫外偏光導(dǎo)航利用天空中的紫外偏光導(dǎo)航，因而不會(huì)迷路。因而不會(huì)迷路。3、生物的生理機(jī)能與偏振光、生物的生理機(jī)能與偏振光（C C）用偏光鏡用偏光鏡消除消除了了反射偏振光反射偏振光 使使玻璃門內(nèi)的人物玻璃門內(nèi)的人物清晰可見(jiàn)清晰可見(jiàn)（A A）玻璃門玻璃門表面的表面的反光很強(qiáng)反光很強(qiáng)（B B）用偏光鏡用偏光鏡減弱減弱了反射偏振光了反射偏

34、振光櫥窗設(shè)計(jì)櫥窗設(shè)計(jì)主要內(nèi)容主要內(nèi)容光的波動(dòng)性光的波動(dòng)性電磁波譜電磁波譜光的相干性光的相干性光的能量及量度單位光的能量及量度單位1.21.2電磁波譜電磁波譜一）電磁波譜的定義一）電磁波譜的定義按照頻率或波長(zhǎng)的順序把這些電磁波排列成圖表按照頻率或波長(zhǎng)的順序把這些電磁波排列成圖表二）電磁波譜的范圍二）電磁波譜的范圍從無(wú)線電波到光波，從從無(wú)線電波到光波，從X X射線到射線到 射線，都屬于射線，都屬于電磁波的范疇，只是波長(zhǎng)不同而已。目前已經(jīng)發(fā)電磁波的范疇，只是波長(zhǎng)不同而已。目前已經(jīng)發(fā)現(xiàn)并得到廣泛利用的電磁波有波長(zhǎng)達(dá)現(xiàn)并得到廣泛利用的電磁波有波長(zhǎng)達(dá)10104 4m m以上的以上的（無(wú)線電波），也有波長(zhǎng)短

35、到（無(wú)線電波），也有波長(zhǎng)短到1010-5-5nmnm以下的（以下的（射線射線）。波長(zhǎng) / nm波長(zhǎng) / m無(wú)線電波微波紅外線紫外線可見(jiàn)光 X 射線 射線宇宙射線1m103m106mm10910-310-610-9nm10610200390455 4925775976227605x1036x1034x104300極遠(yuǎn)遠(yuǎn)近極遠(yuǎn)遠(yuǎn)中近紅橙黃綠藍(lán)紫電磁波譜圖電磁波譜圖光學(xué)區(qū)域光學(xué)區(qū)域紅外線（紅外線（100010000.760.76 m m）：）：近紅外、中紅外和遠(yuǎn)紅近紅外、中紅外和遠(yuǎn)紅外。外?？梢?jiàn)光（可見(jiàn)光（0.760.40um ）： 紅色（紅色（0.760.63um）、橙色（）、橙色（0.630.6

36、0um） 黃色（黃色（0.600.57um）、綠色（）、綠色（0.570.50um） 青色（青色（0.500.45um）、藍(lán)色（）、藍(lán)色（0.450.43um） 紫色（紫色（0.430.40um）。）。紫外線（紫外線（0.400.400.001um0.001um）：）：近紫外、遠(yuǎn)紫外和極遠(yuǎn)近紫外、遠(yuǎn)紫外和極遠(yuǎn)紫外。紫外。rrcnuvrn絕對(duì)折射率絕對(duì)折射率絕對(duì)折射率絕對(duì)折射率電磁波譜在真空中的傳播速度和在介質(zhì)中的電磁波譜在真空中的傳播速度和在介質(zhì)中的傳播速度不同，兩者相比傳播速度不同，兩者相比主要內(nèi)容主要內(nèi)容光的波動(dòng)性光的波動(dòng)性電磁波譜電磁波譜光的相干性光的相干性光的能量及量度單位光的能量及量

37、度單位1.3 光的相干性光的相干性定義定義 在在不同空間點(diǎn)不同空間點(diǎn)、不同時(shí)刻不同時(shí)刻的光波場(chǎng)的某些特的光波場(chǎng)的某些特性（如光波場(chǎng)的相位）之間的關(guān)系。性（如光波場(chǎng)的相位）之間的關(guān)系。 分類分類時(shí)間相干性時(shí)間相干性 空間相干性空間相干性 時(shí)間相干性時(shí)間相干性指同一空間點(diǎn)上，兩個(gè)不同時(shí)刻光波指同一空間點(diǎn)上，兩個(gè)不同時(shí)刻光波場(chǎng)之間的相干性；場(chǎng)之間的相干性；空間相干性空間相干性在同一時(shí)刻、垂直于光傳播方向上的兩在同一時(shí)刻、垂直于光傳播方向上的兩個(gè)空間點(diǎn)上的光波場(chǎng)之間的相干性；個(gè)空間點(diǎn)上的光波場(chǎng)之間的相干性；dRRd 楊氏實(shí)驗(yàn)：光源極限寬度XX在雙縫屏上存在著一個(gè)以在雙縫屏上存在著一個(gè)以0 0點(diǎn)為對(duì)稱中

38、心的面積點(diǎn)為對(duì)稱中心的面積A A0 0，只，只要要S S1 1和和S S2 2在在A A0 0之外，則不能產(chǎn)生干涉現(xiàn)象，這一面積稱之外，則不能產(chǎn)生干涉現(xiàn)象，這一面積稱相干面積相干面積。A A0 0越大，則該光的空間相干性愈好。越大，則該光的空間相干性愈好。 雙縫實(shí)驗(yàn)雙縫實(shí)驗(yàn)影響干涉條紋清晰度的原因影響干涉條紋清晰度的原因1 1、光源的大小（光源尺寸、光源的大?。ü庠闯叽?大，干涉效應(yīng)差大，干涉效應(yīng)差whywhy？不同地方受激發(fā)原子發(fā)出的光是不相干的不同地方受激發(fā)原子發(fā)出的光是不相干的 ）2 2、光源到雙縫的距離、光源到雙縫的距離R R（R R越大，干涉條紋越模糊越大，干涉條紋越模糊whywhy

39、？ R R大，大， 變小變小 ，A A0 0變小，光的空間相干性變小，光的空間相干性變差變差 ）相干性的條件相干性的條件 越大，光源越大，光源 越小，越趨近于點(diǎn)光源，干涉效越小，越趨近于點(diǎn)光源，干涉效果越好果越好XXX主要內(nèi)容主要內(nèi)容光的波動(dòng)性光的波動(dòng)性電磁波譜電磁波譜光的相干性光的相干性光的能量及量度單位光的能量及量度單位SEH20112TSSdtET單位時(shí)間通過(guò)垂直光的傳播方向單面面積的能量單位時(shí)間通過(guò)垂直光的傳播方向單面面積的能量光強(qiáng)度光強(qiáng)度1.4光的能量及量度單位光的能量及量度單位輻射強(qiáng)度矢量輻射強(qiáng)度矢量S S單位時(shí)間單位時(shí)間通過(guò)通過(guò)垂直垂直于傳播方向的于傳播方向的單位面積單位面積的電

40、磁的電磁能量能量一、光的能量一、光的能量光強(qiáng)度（光強(qiáng)度（I I）EhvE E為光子的能量，為光子的能量，h h是普朗克常數(shù)（是普朗克常數(shù)（6.66.6* *10-3410-34焦耳秒）焦耳秒）光的頻率光的頻率 光波傳播的能量是由許多單個(gè)光子組成的光子流光波傳播的能量是由許多單個(gè)光子組成的光子流的能量，不同頻率的光傳播，光子的能量是不同的能量，不同頻率的光傳播，光子的能量是不同?？紤]光的微粒性考慮光的微粒性-光是由光子組成光是由光子組成vP相對(duì)論質(zhì)能關(guān)系相對(duì)論質(zhì)能關(guān)系2202/1vEm cc動(dòng)量的表達(dá)式動(dòng)量的表達(dá)式202/ 1vpmvm cc242220m cEp c光子靜止質(zhì)量光子靜止質(zhì)量 m

41、 m0 0=0=0/vphv ch二、光子的動(dòng)量二、光子的動(dòng)量三、光能量的量度單位三、光能量的量度單位一）基本輻射量一）基本輻射量I輻射功率輻射功率P輻射度輻射度M輻射強(qiáng)度輻射強(qiáng)度輻射亮度輻射亮度L輻照度輻照度E1.1.輻射功率輻射功率P P定義定義稱輻射通量，它是發(fā)射、傳輸或接收輻射能量的稱輻射通量，它是發(fā)射、傳輸或接收輻射能量的時(shí)間變化率時(shí)間變化率單位單位：瓦：瓦tQP定義表達(dá)式定義表達(dá)式式中式中Q Q是輻射能量，由于輻射能量還是波長(zhǎng)、面積、立體是輻射能量，由于輻射能量還是波長(zhǎng)、面積、立體角等因素的函數(shù)，所以輻射功率用輻射能量對(duì)時(shí)間的偏角等因素的函數(shù)，所以輻射功率用輻射能量對(duì)時(shí)間的偏微商定義。微商定義。2.2.輻出度輻出度M M定義定義又叫輻射通量密度，是描寫面源輻射特性量，其又叫輻射通量密度，是描寫面源輻射特性量，其數(shù)值是源的單位面積向半球空間發(fā)射的輻射功率數(shù)值是源的單位面積向半球空間發(fā)射的輻射功率 單位：?jiǎn)挝唬和咄? /米米2 2定義表達(dá)式定義表達(dá)式APMA A：輻射源面積（源面積發(fā)射不一定均勻，面上：輻射源面積（源面積發(fā)射不一定均勻，面上各點(diǎn)附近單位面積發(fā)射的功率也不一樣，故各點(diǎn)附近單位面積發(fā)射的功率也不一樣，故M M通通常是源上的函數(shù)。常是源上的函數(shù)。