光路是光源和探測(cè)器之間光學(xué)通道光路由光學(xué)元件和傳輸

1、光路是光源和探測(cè)器之間光學(xué)通道光路由光學(xué)元件和傳輸 3.1 根本光學(xué)關(guān)系式 在光電探測(cè)系統(tǒng)的光路分析中，用幾個(gè)根本定律就可以推導(dǎo)出其它許多重要的關(guān)系式。在本章有關(guān)問(wèn)題討論中始終都要用到守恒定律、折射定律、反射定律和吸收定律。3.1.1 守恒定律 對(duì)于波長(zhǎng)為的輻射，將被吸收、被反射、被透射的能量分?jǐn)?shù)依次記作()、()、()，可將能量守恒定律表示成 () + () + () = 1 (3.1-1) 8/24/202223.1.2 反射和折射定律電磁波在真空中的速度與在某物質(zhì)中傳播速度之比稱為該物質(zhì)的絕對(duì)折射率，即 (3.1-3) 這里，為無(wú)量綱的相對(duì)介電常數(shù)、相對(duì)磁導(dǎo)率。折射率隨著入射波長(zhǎng)變化的現(xiàn)

2、象叫做色散，其中，隨頻率增加而增加稱為正常色散。設(shè)光在介質(zhì)中傳播的距離記為x、速度記為，那么光線在多種不同介質(zhì)中傳播的總時(shí)間 (3.1-5) 8/24/20223 設(shè)光在介質(zhì)中傳播的距離記為x、速度記為，那么光線在多種不同介質(zhì)中傳播的總時(shí)間 (3.1-5) 又因?yàn)閕 = c0/ni，故式(3.1-5)可改寫為 (3.1-6) 上式的分子稱為光程OPL，等效于時(shí)間t內(nèi)光在真空中的傳播距離。 光的傳播服從Fermat原理：當(dāng)光從一點(diǎn)傳播到另外一點(diǎn)時(shí)，它將沿著具有最短光程長(zhǎng)度的路徑傳播。并且由此可以得到Snell折射定理： n1sin1 = n2sin2 (3.1-7) 當(dāng)光在兩種不同折射率物體外表

3、微元反射時(shí)，有反射定律：反射角等于入射角的。反射角、入射角為光線與面微元法線方向的夾角，在同一介質(zhì)中；而入射角、折射角那么在不同介質(zhì)中。8/24/202243.1.3 界面反射損失 如果非偏振輻射以非垂直的角度照射到界面上，根據(jù)Fresnel的完整方程，它的反射率隨入射角1、折射角2的變化是： (3.1-9) 對(duì)于垂直入射的單色光，有Fresnel方程來(lái)描述反射率 (3.1-8) 根據(jù)公式，兩種介質(zhì)的折射率差異越大，反射也就越大；而一些專門調(diào)和的玻璃膠可以使兩塊同一材質(zhì)的光學(xué)玻璃無(wú)反射地粘合在一起。8/24/202253.1.4 吸收定律對(duì)吸收現(xiàn)象的研究建立在如下的幾條假設(shè)上 入射光線是單色的

4、； 吸收粒子分子、原子、離子等等的吸收行為是相互獨(dú)立的； 入射輻射由平行光線構(gòu)成，并與吸收介質(zhì)的外表相垂直； 光束橫截面經(jīng)歷的光程一樣； 吸收介質(zhì)是均勻的，且不會(huì)散射輻射； 入射通量缺乏于導(dǎo)致飽和效應(yīng)。對(duì)激光來(lái)說(shuō)，其光束非常強(qiáng)，使原子的吸收能力飽和，即容易把能夠吸收光子的原子激發(fā)到激發(fā)態(tài)，從而不能更多地吸收其它光子，叫做飽和效應(yīng)。8/24/20226 考慮吸收劑濃度均勻的吸收介質(zhì)。設(shè)照射在吸收物薄片上的輻射通量為，而透過(guò)的輻射通量為d。當(dāng)入射通量增加時(shí)，光束中被吸收的光子數(shù)目也成比例地增加，也就是說(shuō)d與成正比；同樣，由于與光束相作用的吸收劑的數(shù)目和薄片的厚度成db正比： d= kdb (3.1

5、-10) 式中的比例常數(shù)k稱為吸收系數(shù)，負(fù)號(hào)表示光通量隨厚度的增加而減少。設(shè)厚度從0到b的變化使得光通量從0變?yōu)?，?duì)式(3.1-10)有 (3.1-11) 對(duì)式(3.1-11)積分，易得ln(/0) = kb，或 (3.1-12) (3.1-12)說(shuō)明，隨著通過(guò)吸收劑的路徑增加，輻射通量功率按冪指數(shù)率減小，常用于研究輻射在均勻介質(zhì)中傳播時(shí)的吸收。8/24/20227 在原子光譜分析中， k與濃度有關(guān)；在分子光譜中，k= kc，被分解成與物質(zhì)組分及其濃度相關(guān)的兩項(xiàng)。在吸收光譜中，更多的是關(guān)注透過(guò)率T =/0，或吸收度A= log(T)的測(cè)量。這樣一來(lái) (3.1-13) 或 (3.1-14) 即吸

6、收度等于吸收組分的吸收系數(shù)a、厚度b和組分濃度c的乘積。當(dāng)c的單位為molL-1時(shí)，b的單位是cm時(shí)，a稱為摩爾吸光系數(shù)，習(xí)慣用表示，單位Lmol-1cm-1。即 (3.1-15) 在紫外可見光譜范圍內(nèi)強(qiáng)吸收分子的值可達(dá)104105。式(3.1-12)和(3.1-15)稱為Beer- Lambert定律。8/24/20228 3.2 光路中的光現(xiàn)象 光在光路中傳播時(shí)，會(huì)不可防止地和物質(zhì)發(fā)生作用，產(chǎn)生各種各樣的光學(xué)現(xiàn)象，除了反射、折射和吸收，還會(huì)有干預(yù)、衍射、偏振、散射等等。8/24/202293.2.1 波的疊加 干預(yù)指兩列或多列光波在空間相遇時(shí)相互迭加，在某些區(qū)域始終加強(qiáng)，在另一些區(qū)域那么始

7、終削弱，形成穩(wěn)定的強(qiáng)弱分布的現(xiàn)象。相干 兩個(gè)波的相差2 1恒為0或者固定值，那么這兩個(gè)波被稱之為相干的。相干是產(chǎn)生干預(yù)的必要條件，另外一個(gè)條件是兩個(gè)波源的頻率幾乎一樣。 非偏振光可以描述成兩個(gè)正交的、振幅一樣但相位差隨時(shí)間變化的平面偏振波合成的結(jié)果，故在滿足相長(zhǎng)干預(yù)、相消干預(yù)的情況下，也有干預(yù)現(xiàn)象產(chǎn)生。8/24/202210 光波干預(yù)的產(chǎn)生 采用分波前裝置時(shí)，局部初級(jí)波前被用來(lái)發(fā)出可產(chǎn)生干預(yù)圖案的次級(jí)波，經(jīng)典的Yang雙縫干預(yù)實(shí)驗(yàn)就是這樣的一個(gè)例子。在Michelson干預(yù)儀中采用了分振幅裝置，初級(jí)波本身被分成兩個(gè)局部，按不同路徑組合后再產(chǎn)生干預(yù)。由薄膜和一系列不同厚度的薄片也可以產(chǎn)生干預(yù)，如

8、Fabry-Perot濾光片、Fabry-Perot干預(yù)計(jì)、Newton環(huán)干預(yù)裝置，等等。圖3.2-1 牛頓環(huán)干預(yù)圖樣8/24/2022113.2.1.2 衍射 當(dāng)障礙物的線度與光波波長(zhǎng)可比較時(shí)，光線偏離直線傳播，進(jìn)入幾何暗影區(qū)，并形成明暗相間的條紋的現(xiàn)象。衍射也是波疊加的結(jié)果，表現(xiàn)為直線傳播的光束在遇到障礙時(shí)的繞射。 按照光源和屏到障礙物的距離，可以把衍射分為兩種：當(dāng)光源和屏與障礙物的距離都是有限遠(yuǎn)，或其中一個(gè)是有限遠(yuǎn)時(shí)，稱為Fresnel衍射。當(dāng)光源和屏與障礙物的距離都是無(wú)限遠(yuǎn)時(shí)，稱為Fraunhofer衍射；在實(shí)驗(yàn)室常利用凸透鏡的聚焦性模擬來(lái)自“無(wú)限遠(yuǎn)處的平行光。 HuygensFres

9、nel原理解釋了衍射的成因，相關(guān)定量計(jì)算分析可采用菲涅耳衍射積分公式或菲涅耳基爾霍夫公式。1818年，菲涅耳提出了一種把半波帶作圖法，巧妙之處在于它讓相鄰半波帶對(duì)應(yīng)點(diǎn)發(fā)出的衍射光的光程差為/2，這樣可使相鄰波帶干預(yù)相消，簡(jiǎn)化了分析過(guò)程。8/24/202212 如圖3.2-2所示，從A點(diǎn)作由B點(diǎn)發(fā)出的某一光線的垂線，交于C。把BC分成假設(shè)干個(gè)半波長(zhǎng)，或說(shuō)以/2為寬度做平行于AC的許多線，這些線可以把AB分成假設(shè)干個(gè)半波帶。衍射角不同，單縫處波陣面分出的半波帶個(gè)數(shù)也不同，半波帶的個(gè)數(shù)取決于單縫兩個(gè)邊緣處的衍射光線之間的光程差BC。8/24/202213 艾里斑 如圖3.2-3所示，當(dāng)單色平行光垂直

10、照射到小孔上，產(chǎn)生衍射，衍射光被透鏡L會(huì)聚到屏幕E上，形成明暗交替的圓環(huán)，中心光斑較亮，稱為艾里斑。設(shè)艾里斑的直徑為d，透鏡的焦距為f，單色光的波長(zhǎng)為，圓孔的直徑為D，由理論計(jì)算可得，艾里斑對(duì)透鏡光心的張角為 (3.2-13) 圖3.2-3 夫瑯禾費(fèi)衍射 8/24/202214 瑞利判據(jù)： 當(dāng)一個(gè)艾里斑的邊緣，正好與另一個(gè)艾里斑的中心重合時(shí)，這兩個(gè)艾里斑剛好能被區(qū)分開。瑞利判據(jù)也是一條經(jīng)歷判據(jù)，它是根據(jù)正常人的眼睛的分辨能力提出的，正常人的眼睛可以分辨出光強(qiáng)差20%的差異，當(dāng)一個(gè)艾里斑邊緣與另一個(gè)艾里斑中心重疊時(shí)，兩艾里斑中心的光強(qiáng)是中心線連線中點(diǎn)處光強(qiáng)的1.2倍，剛好被人的眼睛區(qū)分開。光學(xué)儀

11、器的分辨率： 根據(jù)瑞利判據(jù)，兩個(gè)艾里斑中心對(duì)圓孔中心的張角，正好等于艾里斑半徑對(duì)圓孔中心的張角時(shí)，如圖3.2-4所示，這兩個(gè)艾里斑恰好能被區(qū)分可。因此，瑞利判據(jù)可用下式表示 (3.2-14) 8/24/202215 8/24/202216 最小分辨角越小，光學(xué)儀器的分辨本領(lǐng)越大，所以常用最小分辨角的倒數(shù)來(lái)表示光學(xué)儀器的分辨率，即 (3.2-15) 上式說(shuō)明，增大透鏡的直徑D，或減少入射光的波長(zhǎng)都可以提高光學(xué)儀器的分辨率。在天文望遠(yuǎn)鏡中，為了提高分辨率和增加光通量，總是用直徑很大的透鏡作物鏡；而在顯微鏡中，為了提高分辨率，可用紫外光照射，在電子顯微鏡中，電子物質(zhì)波的波長(zhǎng)很短0.010.1nm，因

12、此電子顯微鏡的分辨率可比一般光學(xué)顯微鏡提高數(shù)千倍。8/24/2022173.2.2 光的偏振態(tài)與旋光 光波電矢量振動(dòng)的空間分布對(duì)于光的傳播方向失去對(duì)稱性的現(xiàn)象叫做偏振。偏振光包括如下幾種： 線偏振光，在光的傳播過(guò)程中，只包含一種振動(dòng)，其振動(dòng)方向始終保持在同一平面內(nèi)，這種光稱為線偏振光或平面偏振光)。 局部偏振光，光波包含一切可能方向的橫振動(dòng)，但不同方向上的振幅不等，在兩個(gè)互相垂直的方向上振幅具有最大值和最小值，這種光稱為局部偏振光。自然光和局部偏振光實(shí)際上是由許多振動(dòng)方向不同的線偏振光組成。 橢圓偏振光，在光的傳播過(guò)程中，空間每個(gè)點(diǎn)的電矢量均以光線為軸作旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，且電矢量端點(diǎn)描出一個(gè)橢圓軌跡，

13、這種光稱為橢圓偏振光。 圓偏振光，旋轉(zhuǎn)電矢量端點(diǎn)描出圓軌跡的光稱圓偏振光，是橢圓偏振光的特殊情形。 8/24/202218Ey領(lǐng)先EX 27/4 3/2 5/4 3/4 /2 /4 0Ex領(lǐng)先Ey 0 /4 /2 3/4 5/4 3/2 7/4 2 圖3.2-6 橢圓偏振偏振的應(yīng)用：立體電影；照相技術(shù)中用于消除不必要的反射光或散射光；制造用于測(cè)量的光學(xué)器件；以及提供諸如巖礦鑒定、光測(cè)彈性及激光調(diào)制。8/24/202219 偏振的度量偏振度 假設(shè)與最大和最小振幅對(duì)應(yīng)的光強(qiáng)分別為Imax和Imin，那么偏振度的定義為 (3.2-17) 對(duì)于自然光：Imax=Imin，P=0，偏振度最小； 線偏振光

14、： Imin=0，P=1，偏振度最大； 局部偏振光：0P1。8/24/2022203.2.2.1 光偏振的產(chǎn)生 從自然光獲得線偏振光的方法有以下四種：利用反射和折射、二向色性、晶體的雙折射、散射。另外，線偏振光可以經(jīng)過(guò)波晶片產(chǎn)生圓偏振光和橢圓偏振光。8/24/2022213.2.2.2 人為雙折射現(xiàn)象： 某些各向同性介質(zhì)在外力機(jī)械力、電場(chǎng)力作用下會(huì)變成各向異性介質(zhì)，從而產(chǎn)生雙折射現(xiàn)象，而有些各向異性介質(zhì)在外力作用下會(huì)改變雙折射性質(zhì)，這類現(xiàn)象稱為人為雙折射現(xiàn)象。 前一章講過(guò)的電光效應(yīng)( Kerr效應(yīng)和Pockels效應(yīng))，在外界電場(chǎng)作用下會(huì)形成各向異性而產(chǎn)生雙折射。在磁場(chǎng)作用下，F(xiàn)araday效

15、應(yīng)也能使非晶體產(chǎn)生雙折射現(xiàn)象。 光彈性效應(yīng)：玻璃、塑料等非晶體在通常情況下是各向同性的，但在機(jī)械應(yīng)力拉力或壓力作用下會(huì)變成各向異性而顯示雙折射現(xiàn)象，這就是光彈性效應(yīng)。利用光彈性效應(yīng)來(lái)研究應(yīng)力分布方法已經(jīng)成為一個(gè)專門的學(xué)科，稱為光測(cè)彈性力學(xué)。8/24/202222 圖3.2-10 光彈性效應(yīng)8/24/2022233.2.2.3 旋光現(xiàn)象 線偏振光通過(guò)某些物質(zhì)后，其偏振面將也會(huì)以光傳播方向?yàn)檩S線轉(zhuǎn)過(guò)一定角度，類似于磁光Faraday效應(yīng)，這種現(xiàn)象稱為旋光現(xiàn)象，是Arago在1811年發(fā)現(xiàn)的。 能夠產(chǎn)生旋光現(xiàn)象的物質(zhì)稱為旋光物質(zhì)，又分兩類：(1) 右旋物質(zhì)：迎著光的傳播方向觀看，使振動(dòng)面按順時(shí)針?lè)较?/p>

16、轉(zhuǎn)動(dòng)的物質(zhì)，如葡萄糖、石英; (2) 左旋物質(zhì)：迎著光的傳播方向觀看，使振動(dòng)面按逆時(shí)針?lè)较蜣D(zhuǎn)動(dòng)的物質(zhì)，如果糖。 圖3.2-11 旋光效應(yīng)8/24/2022241對(duì)于晶體旋光物質(zhì)，振動(dòng)面的旋轉(zhuǎn)角與光在物質(zhì)中所經(jīng)過(guò)的距離l成正比，即 =l (3.2-21) 式中，為旋光率，與波長(zhǎng)和物質(zhì)性質(zhì)有關(guān)。 如石英：對(duì)=589.3 nm，=21.7/mm； 對(duì)=405 nm，=48.9/mm。2對(duì)于液體類旋轉(zhuǎn)物質(zhì)如松節(jié)油、糖溶液等，振動(dòng)面旋轉(zhuǎn)的角度與光在物質(zhì)中所經(jīng)過(guò)的距離l、以及溶液濃度成正比，即 =lc (3.2-22) 式中，c：溶液濃度； ：旋光率，與波長(zhǎng)和溶液性質(zhì)與溫度有關(guān)。8/24/2022253.

17、2.3 散射 光子與物質(zhì)粒子的作用會(huì)產(chǎn)生散射，所散射的輻射的強(qiáng)度、頻率及角度都可用來(lái)分析物質(zhì)的性質(zhì)，如進(jìn)展光譜分析。如果散射頻率與入射頻率一樣，稱這樣的散射為彈性散射；如果散射頻率不等于入射頻率，那么稱發(fā)生了非彈性散射；康普頓散射那么二者兼有。 Brillouin 和Raman 散射都是非彈性散射，Brillouin散射主要來(lái)自熱聲波對(duì)入射能量波的反射，而Raman 散射那么起源于分子的振動(dòng)能量子的增減。8/24/2022263.2.3.1 彈性散射 表3.3-1 彈性散射的分類表3.3-1中，s、m散射體、介質(zhì)的折射率，ds散射體的主要半徑。8/24/202227(1) Rayleigh散射

18、 Rayleigh散射是散射體的大小遠(yuǎn)比入射光束波長(zhǎng)小的分子、原子這樣一些粒子產(chǎn)生的散射。在這種情況下，可以把散射體當(dāng)作二次發(fā)射的點(diǎn)光源。對(duì)單個(gè)粒子而言，用非偏振輻射可獲得一個(gè)關(guān)于散射角為對(duì)稱的散射照度 (3.2-23) 其中，是以m3為單位的粒子極化性，是入射輻射的波長(zhǎng)，是入射和散射光線間的角度，E0是入射光束的輻射照度，d是散射中心到探測(cè)器之間的距離。極化性是一個(gè)給定入射頻率在粒子中誘導(dǎo)產(chǎn)生一個(gè)偶極的有效程度的一個(gè)度量。極化性大致隨粒子體積大小不同而變化，式(3.2-23)說(shuō)明散射輻射強(qiáng)度將隨粒子大小增加而增加。因此，在含有各種大小不同粒子的樣品中，較大粒子對(duì)散射起的作用最大。此外，用非偏

19、振入射輻射時(shí)，在垂直方向產(chǎn)生的散射輻射是線偏振的。 瑞利散射是造成天空是藍(lán)色的、初升太陽(yáng)是紅色的原因。8/24/2022282)大粒子散射 二十世紀(jì)初Mie和Debye先后用質(zhì)點(diǎn)模型詳細(xì)計(jì)算了電磁波的散射，建立了經(jīng)典的MIE散射理論。MIE散射理論是均勻介質(zhì)球形顆粒在單色平面波照射下遠(yuǎn)場(chǎng)散射的準(zhǔn)確解，其主要物理量有消光系數(shù)Kext、散射系數(shù)Ksca、吸收系數(shù)Kabs、散射振幅函數(shù)S1、S2 (3.2-24) (3.2-25) (3.2-26) (3.2-27) 由上式可見，計(jì)算MIE散射系數(shù)的關(guān)鍵就是計(jì)算，的值，一般采用連分式進(jìn)展計(jì)算。8/24/2022293.2.3.2 康普頓散射 康普頓研

20、究了X射線被較輕物質(zhì)(石墨、石蠟等)散射后光的成分，發(fā)現(xiàn)散射譜線中除了有波長(zhǎng)與原波長(zhǎng)一樣的成分外，還有波長(zhǎng)較長(zhǎng)的成分。這種散射現(xiàn)象稱為康普頓散射或康普頓效應(yīng)。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)： (1) 散射光中除了和原波長(zhǎng)0一樣的譜線外還有0的譜線。 (2) 波長(zhǎng)的改變量 =0隨散射角(散射方向和入射方向之間的夾角)的增大而增加. (3) 對(duì)于不同元素的散射物質(zhì)，在同一散射角下，波長(zhǎng)的改變量一樣。波長(zhǎng)為的散射光強(qiáng)度隨散射物原子序數(shù)的增加而減小。8/24/202230 康普頓利用光子理論成功地解釋了這些實(shí)驗(yàn)結(jié)果。X射線的散射是單個(gè)電子和單個(gè)光子發(fā)生彈性碰撞的結(jié)果。碰撞前后動(dòng)量和能量守恒，有 (3.2-28) (3.2-

21、29) 化簡(jiǎn)后得到 (3.2-30) 稱為康普頓散射公式。 (3.2-31) 稱為電子的康普頓波長(zhǎng)。8/24/2022313.2.3.3 非彈性散射 前文介紹的康普頓效應(yīng)是X射線光子與電子碰撞的結(jié)果，是光同原子之間的相互作用；如果用可見光與分子碰撞，那么會(huì)發(fā)生Raman散射，其最大特點(diǎn)是散射光的波長(zhǎng)和入射光不同。 可以區(qū)分出兩種類型的非彈性散射，即拉曼Raman散射和布里淵Brillouin散射。前者是由分子中的振動(dòng)和轉(zhuǎn)動(dòng)躍遷引起的，可發(fā)生較大的頻率位移且與入射角無(wú)關(guān)；后者由介質(zhì)中的熱波動(dòng)引起，是一種可以發(fā)生隨散射角度不同而變化的具有小頻率位移的散射。8/24/202232Raman散射 Ra

22、man散射是激光與大氣中液體和氣體分子之間的一種非彈性相互作用過(guò)程也會(huì)發(fā)生在光纖中，產(chǎn)生了向長(zhǎng)波或短波方向的移動(dòng)。詳見本書“7.2.4 散射光譜學(xué)。 拉曼散射為研究晶體或分子的構(gòu)造提供了重要手段，在光譜學(xué)中形成了拉曼光譜學(xué)的一分支。用拉曼散射的方法可迅速定出分子振動(dòng)的固有頻率，并可決定分子的對(duì)稱性、分子內(nèi)部的作用力等。自激光問(wèn)世以后，關(guān)于激光的拉曼散射的研究得到了迅速開展，強(qiáng)激光引起的非線性效應(yīng)導(dǎo)致了新的拉曼散射現(xiàn)象。8/24/202233Brillouin散射 布里淵散射是布里淵(Brillouin)于1922年提出的，可以研究氣體，液體和固體中的聲學(xué)振動(dòng)，但作為一種實(shí)用的研究手段，是在激光

23、出現(xiàn)以后才開展起來(lái)的。布里淵散射也屬于喇曼效應(yīng)，即光在介質(zhì)中受到各種元激發(fā)的非彈性散射，其頻率變化表征了元激發(fā)的能量。與喇曼散射不同的是，在布里淵散射中是研究能量較小的元激發(fā)，如聲子和磁振子等。 由布里淵散射實(shí)驗(yàn)可測(cè)出散射峰的頻移，線寬及強(qiáng)度。由頻移可直接算出聲速，這是和用超聲技術(shù)測(cè)量聲速互補(bǔ)的方法，其特點(diǎn)是可測(cè)高頻聲子和高衰減的情況，試樣比超聲測(cè)量用的小得多。由聲速可以算出彈性常數(shù)，由聲速的變化可以得到關(guān)于聲速的各向異性，弛豫過(guò)程和相變的信息。由線寬 需用高分辨裝置可以研究聲衰減過(guò)程，這與非簡(jiǎn)諧性和構(gòu)造弛豫等有關(guān)。根據(jù)強(qiáng)度的測(cè)量可以研究聲子和電子態(tài)的耦合等。 8/24/2022343.3 光

24、學(xué)元件 除光調(diào)制器以外，光電探測(cè)系統(tǒng)中的光學(xué)元件大概可分為： 成像與導(dǎo)光元件、 濾光與色散分光元件、 干預(yù)儀系統(tǒng)等三類。8/24/2022353.3.1 成像與導(dǎo)光元件成像與導(dǎo)光元件主要有反射鏡、透鏡、光纖。(1) 反射鏡常用的反射鏡有平面鏡、球面鏡、拋物面鏡。(2) 透鏡透鏡是一種將光線聚合或分散的設(shè)備。(3) 光纖光纖全稱光導(dǎo)纖維，是利用全反射規(guī)律而使光沿著彎曲途徑傳播的光學(xué)元件。8/24/202236 光纖不僅在通信領(lǐng)域取得了廣泛的應(yīng)用，而且在分光廣度計(jì)中也用來(lái)實(shí)現(xiàn)不同地點(diǎn)的光傳輸。光纖的構(gòu)造見圖3.3-1。 圖3.3-1 光纖構(gòu)造圖，實(shí)際的光纖在薄層之外還有保護(hù)層8/24/202237

25、 圖3.3-1中，在纖芯和包層的分界面上發(fā)生全反射的約束條件是 。對(duì)纖芯內(nèi)的光束軌跡，有 ，又因?yàn)椋?故在光纖內(nèi)部發(fā)生全反射的條件可寫成 ，或 (3.3-1) 考慮到，角1和入射角0的關(guān)系服從Snell定律，即 ，于是，式(3.3-1)可改寫為 (3.3-2) 通過(guò)式(3.3-2)可求出光纖內(nèi)部發(fā)生全反射時(shí)的最大的入射角c ；假設(shè)入射角0大于c，那么只會(huì)在芯壁外表發(fā)生局部反射，并將有一局部光線穿出光纖?？杀还饫w接收的光錐定義為數(shù)值孔徑，符號(hào) NA= (3.3-3) 光纖芯直徑一般為50600 m，而外包層的折射率比中心低0.020.2，因而，NA值一般在0.11.5之間。8/24/202238

26、3.3.2 濾光與分光器件濾光與分光器件一般包括濾光片、棱鏡、光柵、分光器。(1) 濾光片 濾光片按照濾光特性分為長(zhǎng)波通、短波通、帶通和帶阻四大類。(2) 棱鏡棱鏡是由透光材料如玻璃、水晶等做成的多面體。棱鏡的色散 如果平行的入射光由1，2，3三色光組成，且1223，這即為棱鏡的分光作用，又稱光的色散，棱鏡分光器就是根據(jù)此原理設(shè)計(jì)的。8/24/202239圖3.3-2 不同波長(zhǎng)的光在棱鏡中的色散8/24/202240(3) 光柵 光柵是一種非常重要的光學(xué)元件。廣義的光柵定義為：可以使入射光的振幅或相位或兩者同時(shí)受到周期性空間調(diào)制的光學(xué)元件。只能使光受到振幅調(diào)制或相位調(diào)制的光柵，分別稱為振幅光柵

27、和相位光柵。按工作方式分，光柵又可分為透射光柵透射光受調(diào)制和反射光柵反射光受調(diào)制。 通常所說(shuō)的光柵，是指利用衍射效應(yīng)對(duì)光進(jìn)展調(diào)制的衍射光柵。但也存在利用其它原理對(duì)光進(jìn)展調(diào)制的光柵，如聲光效應(yīng)晶體折射率光柵。(4) 分光器 分光器有兩種類型，一種是空域?qū)崿F(xiàn)的光束分路裝置，例如12，1 3等等；一種是頻域?qū)崿F(xiàn)的不同波長(zhǎng)的不同位置顯示，如在原子吸收光譜儀，考察分光器對(duì)Mn 279.5nm和279.8nm的分辨能力。8/24/2022413.2.3 單色儀、多色儀和干預(yù)儀3.2.3.1 單色儀 單色儀是將復(fù)合光分出單色光的裝置，一般可用濾光片、棱鏡、光柵、全息柵等元件?，F(xiàn)在比較常用的是棱鏡和光柵。(1

28、) 棱鏡單色器 棱鏡是分光的主要元件之一，一般是三角柱體。棱鏡單色器示意圖如圖3.3-3所示。1-入射狹縫；2-準(zhǔn)直透鏡；3-色散元件；4-聚焦透鏡；5-焦面；6-出射狹縫 8/24/202242(2) 光柵單色器 單色器還可以用光柵作為色散元件，反射光柵是由磨平的金屬外表上刻劃許多平行的、等距離的槽構(gòu)成。輻射由每一刻槽反射，反射光束之間的干預(yù)造成色散。 當(dāng)一束復(fù)合光線進(jìn)入光譜儀的入射狹縫，首先由光學(xué)準(zhǔn)直鏡準(zhǔn)直成平行光，再通過(guò)衍射光柵色散為分開的波長(zhǎng)(顏色)。利用不同波長(zhǎng)離開光柵的角度不同，由聚焦反射鏡再成像于出射狹縫(圖3.3-4b)。通過(guò)電腦控制可準(zhǔn)確地改變出射波長(zhǎng)。 多色儀不同于單色儀在

29、與它有多個(gè)輸出狹縫，所以許多波長(zhǎng)帶可以被同時(shí)分開，常見有羅蘭圓多色儀、階梯光柵多色儀。多色儀配必要的攝譜裝置可形成攝譜儀。8/24/202243圖3.3-4a 光柵截面高倍放大示意圖 圖3.3-4b 一個(gè)簡(jiǎn)單的光柵單色器 圖3.3-4 光柵及光柵單色器8/24/2022443.2.3.2 干預(yù)儀干預(yù)儀種類較多，這里介紹其中最典型的三種。8/24/202245 (2) 馬赫-曾特干預(yù)儀這種干預(yù)儀，由于其兩束光可分得很開，特別適用于空氣動(dòng)力學(xué)中關(guān)于氣流折射率或密度分布變化的研究。 8/24/202246(3) 法布里-珀羅干預(yù)儀光譜分辨率極高的多光束干預(yù)儀。入射光在相對(duì)兩面上反復(fù)反射和折射后產(chǎn)生多

30、束相干反射光和透射光，透射光束在透鏡 L2的焦面上疊加，形成等傾圓環(huán)狀干預(yù)條紋。干預(yù)強(qiáng)度分布公式為It=I0/1+4Rsin(/2)2(1-R)-2 (3.3-6) 式中I0 為入射光強(qiáng)；R 為反射面的能量反射率；為相鄰兩相干光間的相位差，與入射光傾角有關(guān)。根據(jù)式(3.3-6)，反射率R愈高，干預(yù)極大就愈銳法布里-珀羅干預(yù)儀的反射率在90以上。 8/24/202247 3.4 光調(diào)制和光束掃描光調(diào)制器指的是改變光束物理參量如幅度、相位、頻率、偏振等的元件或裝置在光源內(nèi)部實(shí)現(xiàn)的叫做內(nèi)調(diào)制，在光源外部實(shí)現(xiàn)的叫做外調(diào)制。光束掃描由使光束定向的裝置掃描器實(shí)現(xiàn)，實(shí)現(xiàn)光路在空間上的選通功能。3.4.1 光

31、調(diào)制器 光調(diào)制器參見第2.5節(jié)。3.4.2 光束掃描 通過(guò)使探測(cè)器的瞬時(shí)視場(chǎng)在系統(tǒng)視場(chǎng)中移動(dòng)，實(shí)現(xiàn)順序并且完全地分解圖像。8/24/2022488/24/202249 最通常的機(jī)械掃描器有：旋轉(zhuǎn)鏡鼓、多面鏡、折射棱鏡和擺動(dòng)平面反射鏡。 掃描機(jī)構(gòu)可以在光學(xué)子系統(tǒng)的內(nèi)部，也可以在外部。當(dāng)在外部時(shí)(圖3.4-1a)，反射鏡必須要比通光孔徑大，并且掃描角為scan /2；當(dāng)在光學(xué)子系統(tǒng)內(nèi)部時(shí)，反射鏡可以小得多，但必須有較大的掃描角。3.4.2.1 機(jī)械掃描8/24/202250圖3.4-1掃描機(jī)構(gòu)的位置關(guān)系。(a)在光學(xué)子系統(tǒng)的外部，(b)在光學(xué)子系統(tǒng)的內(nèi)部8/24/2022513.4.2.2 電光掃

32、描電光掃描是利用電光效應(yīng)來(lái)改變光束在空間的傳播方向，其原理如圖3.4-2所示。8/24/2022528/24/2022533.4.2.3 聲光掃描 聲光掃描器的構(gòu)造與布拉格聲光調(diào)制器根本一樣，所不同之處在于調(diào)制器是改變衍射光的強(qiáng)度，而掃描器那么是利用改變聲波頻率來(lái)改變衍射光的方向。8/24/2022548/24/2022553.5 大氣調(diào)光 光在大氣中的傳播與衰減 光電探測(cè)、大氣激光通信等技術(shù)應(yīng)用通常以大氣為信道。 當(dāng)電磁輻射通過(guò)大氣從輻射源向接收器傳輸時(shí)，可觀察到三種主要現(xiàn)象：到達(dá)傳感器的輻射強(qiáng)度降低了。 外界輻射經(jīng)散射進(jìn)入視場(chǎng)，降低了目標(biāo)比照度。 圖像的重現(xiàn)精度由于紊流和微粒雜質(zhì)的前向小角

33、度散射而降低。8/24/202256圖3.5-1展示了吸收和散射出視場(chǎng)降低了目標(biāo)信號(hào)，紊流和微粒前向散射使圖像失真，進(jìn)入視場(chǎng)的散射和路徑輻射降低了目標(biāo)的比照度。8/24/2022573.5.1 大氣衰減8/24/202258 大氣分子的吸收光波在大氣中傳播時(shí)，大氣分子在光波電場(chǎng)的作用下產(chǎn)生極化，并以入射光的頻率作受迫振動(dòng)。所以為了抑制大氣分子內(nèi)部阻力要消耗能量，表現(xiàn)為大氣分子的吸收。8/24/202259 大氣分子散射大氣氣溶膠的衰減大氣中有大量的粒度在 0.03 m到2000 m之間的固態(tài)和液態(tài)微粒，它們大致是塵埃、煙粒、微水滴、鹽粒以及有機(jī)微生物等。由于這些微粒在大氣中的懸浮呈膠溶狀態(tài)，所

34、以通常又稱為大氣氣溶膠。氣溶膠對(duì)光波的衰減包括氣溶膠的散射和吸收。8/24/2022603.5.2 大氣湍流效應(yīng)在氣體或液體的某一容積內(nèi)，慣性力與此容積邊界上所受的粘滯力之比超過(guò)某一臨界值時(shí)，液體或氣體的有規(guī)那么的層流運(yùn)動(dòng)就會(huì)失去其穩(wěn)定性而過(guò)渡到不規(guī)那么的湍流運(yùn)動(dòng)，這一比值就是表示流體運(yùn)動(dòng)狀態(tài)特征的雷諾數(shù)Re：式中， 為流體密度kg/m3；l為某一特征線度m vl為在 l量級(jí)距離上運(yùn)動(dòng)速度的變化量m/s； 為流體粘滯系數(shù)kg/ms。雷諾數(shù)Re是一個(gè)無(wú)量綱的數(shù)。當(dāng)Re 小于臨界值Recr由實(shí)驗(yàn)測(cè)定時(shí)，流體處于穩(wěn)定的層流運(yùn)動(dòng)，而大于Recr時(shí)為湍流運(yùn)動(dòng)。由于氣體的粘滯系數(shù) 較小，所以氣體的運(yùn)動(dòng)多半

35、為湍流運(yùn)動(dòng)。8/24/2022618/24/202262式中， i分別代表速度v、溫度T和折射率n； r為考察點(diǎn)之間的距離；Ci為相應(yīng)場(chǎng)的構(gòu)造常數(shù)，單位是m-1/3。 大氣湍流折射率的統(tǒng)計(jì)特性直接影響激光束的傳輸特性，通常用折射率構(gòu)造常數(shù)Ci的數(shù)值大小表征湍流強(qiáng)度，即弱湍流 Cn =810-9m-1/3中等湍流 Cn =410-8m-1/3強(qiáng)湍流 Cn =510-7m-1/3折射率的變化引起擾動(dòng)，它由密度梯度、溫度和濕度梯度以及大氣壓差而引起，微粒雜質(zhì)的小角度散射，尤其是其多重散射使景象輻射的光子沿各個(gè)方向散射，因而模糊了細(xì)節(jié)。對(duì)于光電成像系統(tǒng)，擾動(dòng)同樣影響圖像質(zhì)量。在成像系統(tǒng)分析中，通過(guò)MT

36、F理論來(lái)描述圖象質(zhì)量，大氣的MTF用以表征大氣的紊流和微粒散射。當(dāng)前的自適應(yīng)光學(xué)技術(shù)能夠在一定程度上抑制大氣湍流效應(yīng)帶來(lái)的影響。8/24/202263自適應(yīng)光學(xué)空氣會(huì)因溫度、流動(dòng)或密度不同而有不同的折射率，使穿越大氣層的光線扭曲；而一般鏡面無(wú)法修正，反射出的也是變形的影像。為了抑制這一問(wèn)題，于是產(chǎn)生了自適應(yīng)光學(xué)系統(tǒng)Adaptive optics，縮寫為AO，它是一項(xiàng)使用可變形鏡面矯正因大氣抖動(dòng)造成光波波前發(fā)生畸變，從而改進(jìn)光學(xué)系統(tǒng)性能的技術(shù)。自適應(yīng)光學(xué)的原理 自適應(yīng)光學(xué)技術(shù)的鏡面可以改變細(xì)部的反射，將變形修正回來(lái)。因?yàn)槿肷涔獾淖冃问遣粩喔淖兊?，因此適應(yīng)光學(xué)的可調(diào)鏡面也要不斷動(dòng)作。8/24/202264 為了修復(fù)大氣湍流等因素對(duì)光波波前的扭曲，自適應(yīng)光學(xué)首先要檢測(cè)波前扭曲情況，然后，通過(guò)安裝在望遠(yuǎn)鏡焦面前方的一塊小型的可變形鏡面對(duì)波前實(shí)時(shí)進(jìn)展矯正?？勺冃午R面后安裝有促動(dòng)器。自適應(yīng)光學(xué)的控制系統(tǒng)是一臺(tái)專門的計(jì)算機(jī)，它通過(guò)分析由波前傳感器采集的數(shù)據(jù)來(lái)對(duì)鏡面的形狀做出修正。分析必須在極短的時(shí)間內(nèi)完成0.5到1毫秒內(nèi)，不然大氣情況的改變將使系統(tǒng)的改