光和光的傳播

光和光的傳播第一頁，共六十九頁，2022年，8月28日光和光的傳播第一章第二頁，共六十九頁，2022年，8月28日本章內(nèi)容本章內(nèi)容Contentschapter1光和光學(xué)

光的幾何光學(xué)傳播規(guī)律惠更斯原理費馬原理光度學(xué)基本概念第三頁，共六十九頁，2022年，8月28日機(jī)械波的產(chǎn)生及描述光和光學(xué)1ssss第四頁，共六十九頁，2022年，8月28日§1.1光的本性？電磁波在介質(zhì)分解面發(fā)生的發(fā)射和折射現(xiàn)象，傳播過程中的干涉、衍射和偏振現(xiàn)象，電磁波在真空中的傳播速度等于c……光是一種頻率極高的電磁波，具有波粒二象性:光在傳播過程中，表現(xiàn)出波動性；光在與物質(zhì)相互作用過程中表現(xiàn)出光的粒子性（量子性）。第五頁，共六十九頁，2022年，8月28日1.2光源與光譜1、熱（輻射）光源熱能轉(zhuǎn)變?yōu)檩椛涞墓庠础Ｈ魏螠囟认?，任何固體或液體中原子、分子熱運(yùn)動能量改變時輻射出各種波長的電磁波（光波）。光波為連續(xù)譜。如太陽，白熾燈等。固體在溫度升高時顏色的變化。

1400K800K1000K1200K

由于物體輻射總能量及能量按波長分布都決定于溫度，所以稱為熱輻射。第六頁，共六十九頁，2022年，8月28日物體由大量原子組成，熱運(yùn)動引起原子碰撞使原子激發(fā)而輻射電磁波。原子的動能越大，通過碰撞引起原子激發(fā)的能量就越高，從而輻射電磁波的波長就越短。熱運(yùn)動是混亂的，原子的動能與溫度有關(guān)，因而輻射電磁波的能量也與溫度有關(guān)。這樣能理解：加熱鐵塊，溫度，鐵塊顏色由看藍(lán)白色不出發(fā)光

暗紅橙色黃白色第七頁，共六十九頁，2022年，8月28日即這種與溫度有關(guān)的電磁輻射，稱為熱輻射。激光、日光燈發(fā)光就不是熱輻射。并不是所有發(fā)光現(xiàn)象都是熱輻射，例如：任何物體在任何溫度下都有熱輻射，波長自遠(yuǎn)紅外區(qū)連續(xù)延伸到紫外區(qū)（連續(xù)譜）。溫度輻射中短波長的電磁波的比例

第八頁，共六十九頁，2022年，8月28日頭部的紅外照片（熱的地方顯白色，冷的顯黑色）

低溫物體（例如人體）也有熱輻射，但輻射較弱，并且主要成分是波長較長的紅外線。第九頁，共六十九頁，2022年，8月28日中國第一張紅外照片（熊大縝于1935年拍攝的北京西山夜景）第十頁，共六十九頁，2022年，8月28日鳥的羽毛的顏色是不是熱輻射？第十一頁，共六十九頁，2022年，8月28日2、非熱光源A氣體放電光源—日光燈水銀燈氣體激光器。。－＋放電管高壓鎮(zhèn)流電阻原子從較高的能級躍遷到較低的能級時，以輻射的方式釋放能量，獲得單色性優(yōu)良的光波。B

金屬蒸氣電弧光源在放電管中注入少量低熔點的金屬元素如Na、Hg、Cs，金屬原子將參與放電而被激勵到高能級上，隨后又自發(fā)地躍遷到基態(tài)或其他低能級而發(fā)光。第十二頁，共六十九頁，2022年，8月28日C固態(tài)發(fā)光體—紅寶石藍(lán)寶石YAG激光器固體材料受到外界激勵后可產(chǎn)生光輻射。電致發(fā)光光致發(fā)光熒光：被激勵到上能級的電子的壽命很短。磷光：被激勵電子較長時間停留在上能級。D同步輻射光源加速運(yùn)動的電荷以電磁波的形式輻射能量。電子加速后進(jìn)入“貯存環(huán)”中，電子在受磁場作用改變運(yùn)動方向時，可發(fā)射各波段的同步輻射。第十三頁，共六十九頁，2022年，8月28日同步輻射光源高強(qiáng)度

利用同步輻射光源只需要十幾秒或幾分鐘，工作效率提高了幾萬倍。寬波譜

同步輻射從紅外線、可見光、真空紫外、軟X射線一直延伸到硬X射線，是目前唯一能覆蓋這樣寬的頻譜范圍又能得到高亮度的光源。高準(zhǔn)直性

利用同步輻射光學(xué)元件引出的同步輻射廣源具有高度的準(zhǔn)直性，經(jīng)過聚焦，可大大提高光的亮度，可進(jìn)行極小樣品和材料中微量元素的研究。脈沖性

同步輻射光是由與儲存環(huán)中周期運(yùn)動的電子束團(tuán)輻射發(fā)出的，具有納秒至微秒的時間脈沖結(jié)構(gòu)。利用這種特性，可研究與時間有關(guān)的化學(xué)反應(yīng)、物理激發(fā)過程等。偏振性

與可見光一樣，儲存環(huán)發(fā)出的同步輻射光根據(jù)觀察者的角度可具有線偏振性或圓偏振性，可用來研究樣品中特定參數(shù)的取向問題。第十四頁，共六十九頁，2022年，8月28日3、熱光源與非熱光源的區(qū)別（1）本質(zhì)上在熱光源中是原子、分子的熱運(yùn)動能量轉(zhuǎn)化為光輻射；而非熱光源是電子躍遷產(chǎn)生輻射。（2）光譜上熱光源為連續(xù)譜；而非熱光源是各原子獨立發(fā)光，為分立的線光譜。（3）溫度上熱光源輻射的光譜與物質(zhì)無關(guān)，強(qiáng)度與物質(zhì)的表面溫度有關(guān)；而非熱光源與溫度無關(guān)。第十五頁，共六十九頁，2022年，8月28日

能流：單位時間內(nèi)垂直通過某一面積S的能量.udtS

平均能流：能流也是周期性變化的，其在一個周期內(nèi)的平均值稱為平均能流。

能流密度(光的強(qiáng)度)單位時間，垂直通過單位面積的平均能量。單位時間垂直通過面積S的平均能量：能流(功率)單位：瓦特W即光的強(qiáng)度等于光波平均能量與波速的乘積。同時可以看出光的強(qiáng)度與振幅也有關(guān)。4.光強(qiáng)能量密度第十六頁，共六十九頁，2022年，8月28日能流密度：在單位時間內(nèi)通過與波的傳播方向垂直的單位面積的能量或者表示為通過單位面積的功率。在波動光學(xué)中常把振幅的平方所表征的光照度叫光強(qiáng)度?？傊馐悄骋徊ǘ蔚碾姶挪?，人眼能夠感知的只是非常窄的一個電磁波段。每一種顏色的光并不是只對應(yīng)唯一的一個頻率，而是一個波段。對人眼和感光儀器起作用的是電矢量。對人眼和感光儀器起作用的是電矢量E。第十七頁，共六十九頁，2022年，8月28日

5光譜單色光：單一波長的光。非單色光（復(fù)色光）。光譜：非單色光的光強(qiáng)按波長的分布i~λλi0準(zhǔn)單色光：具有單一線狀光譜的光，近似單色光。有連續(xù)光譜，線狀光譜，帶狀光譜。譜線寬度ΔλΔλ單位波長區(qū)間的光強(qiáng)，又稱為譜密度：第十八頁，共六十九頁，2022年，8月28日10310610910121015102210310010-610-9101310510-2HZ1KHZ1MHZ1GHZ1T1km1m1cm11nmA01μmX射線紫外線可見光紅外線微波高頻電視調(diào)頻廣播雷達(dá)無線電射頻電力傳輸射線γ電磁波譜頻率波長第十九頁，共六十九頁，2022年，8月28日TheElectromagnetic-PhotonSpectrum第二十頁，共六十九頁，2022年，8月28日電磁波譜10310110-110-310-510-710-910-1110-1310-1510-910-710-510-310-1101103105107109無線電波可見光紅外線紫外線硬X射線伽馬射線軟X射線微波同步輻射光源(eV)可探測的物體建筑物波長（米）輻射源粒子加速器棒球昆蟲細(xì)胞病毒蛋白質(zhì)分子原子核質(zhì)子夸克？原子放射性源X射線管電燈無線電天線速度調(diào)制管光子能量（eV）第二十一頁，共六十九頁，2022年，8月28日六、光是電磁波的一部分

長波段表現(xiàn)出顯著的波動性。檢測方法是利用電磁振蕩耦合，得到輸入信號的振幅和相位。短波段表現(xiàn)出極強(qiáng)的粒子性。檢測方法是利用它與其他物質(zhì)的相互作用，得到粒子流的強(qiáng)度，而無需相位關(guān)系。

光通訊：光波作為信息的載體而遠(yuǎn)距離傳輸信息。光信息處理：光波中的各種信息如相位、偏振態(tài)、頻率的變化都可用光強(qiáng)的變化來測量。第二十二頁，共六十九頁，2022年，8月28日指紋采集圖樣第二十三頁，共六十九頁，2022年，8月28日六、光子與電子之間的相似性

德布羅意假設(shè)：一切實物粒子（電子，分子...）具有波粒二象性。

1927年戴維孫（C.J.Davisson）和革末（L.H.Germer）用加速后的電子投射到晶體上進(jìn)行電子衍射實驗。GφφK狹縫電流計鎳集電器U電子射線單晶第二十四頁，共六十九頁，2022年，8月28日相似性：1、光子與電子都是具有能量和動量的粒子。都可以與其他物質(zhì)相互作用而交換其動量和能量。

P=mv=h/λ，E=hν

2、光子與電子都可以進(jìn)行衍射、偏折、成象。不同點：

光子靜質(zhì)量為零，呈電中性；電子具有質(zhì)量，帶負(fù)電荷

光子探針可利用超短光脈沖探測超快演變過程，具有更普遍的應(yīng)用性。第二十五頁，共六十九頁，2022年，8月28日晶體中有很多的晶面族。不同的晶面族有不同的間距，即，晶格常數(shù)，d。晶體結(jié)構(gòu)周期性——立體光柵第二十六頁，共六十九頁，2022年，8月28日晶體周期性的空間結(jié)構(gòu)可以作為衍射光柵晶體結(jié)構(gòu)周期性——立體光柵晶體是一種三維周期結(jié)構(gòu)的光柵二維周期三維周期一維周期第二十七頁，共六十九頁，2022年，8月28日原子層間散射的電子束相遇也產(chǎn)生干涉，

即面間干涉。取極大值的條件為:Bragg條件，或Bragg方程，θ為相對于晶面的掠射角。電子在晶體中衍射原理第二十八頁，共六十九頁，2022年，8月28日電子衍射法與X射線衍射法比較

電子衍射法X射線衍射法穿透能力小于10-4mm可達(dá)1mm以上散射對象主要是原子核主要是電子研究對象適宜氣體、薄膜適宜晶體結(jié)構(gòu)和固體表面結(jié)構(gòu)適合元素各種元素不適合元素H由于中子穿透能力大，所以用中子衍射法確定晶體中H原子位置就更有效。第二十九頁，共六十九頁，2022年，8月28日

掃描隧穿電子顯微鏡（STM）是利用一個極細(xì)的金屬探針在與被觀察的表面相距為納米級的情況下發(fā)生的隧道效應(yīng)。電子波在隧道中是指數(shù)衰減的，金屬探針因而可探測到隨表面形態(tài)變化的電流從而獲得表面的圖象。

光子掃描隧穿顯微鏡（PSTM）是用一支極細(xì)的光導(dǎo)纖維與該表面相貼近到小于光波長的距離，在光疏介質(zhì)中光子將會通過隧道效應(yīng)而被耦合到光導(dǎo)纖維中而被檢測到，由于被檢測的表面所產(chǎn)生的衰減電磁場與該表面的形態(tài)相似，所以可逐點掃描并記錄其強(qiáng)度而獲得表面的圖象信息。第三十頁，共六十九頁，2022年，8月28日第三十一頁，共六十九頁，2022年，8月28日

電子在晶體的周期性晶格結(jié)構(gòu)中運(yùn)動時受到固體能帶結(jié)構(gòu)的限制。同理光子在周期性結(jié)構(gòu)的介質(zhì)中傳播時也受到約束。若光子的能量小于介質(zhì)的禁帶寬度則光子將受阻，當(dāng)把發(fā)光的原子放在該介質(zhì)的內(nèi)部時，原子的發(fā)光會受抑制。

利用能隙結(jié)構(gòu)制備在光波波段具有三維周期性結(jié)構(gòu)的材料。光子能隙結(jié)構(gòu)第三十二頁，共六十九頁，2022年，8月28日1.工業(yè)：激光加工，納米材料合成，測量；2.通訊IT：光纖通訊、信息處理、光盤存儲；3.軍事：制導(dǎo)，激光武器；4.能源領(lǐng)域：激光核聚變，人造太陽；5.醫(yī)學(xué)：心血管和近視眼手術(shù)；6.生物農(nóng)業(yè)：改性、育種；7.建筑：準(zhǔn)直、測距；8.激光印刷；9.光計算機(jī)；10.室外燈光廣告，舞臺藝術(shù)。1.3光學(xué)技術(shù)的應(yīng)用第三十三頁，共六十九頁，2022年，8月28日機(jī)械波的產(chǎn)生及描述光的幾何光學(xué)傳播規(guī)律2ssss第三十四頁，共六十九頁，2022年，8月28日

幾何光學(xué)是以光的直線傳播為根據(jù)來研究光線在介質(zhì)中的傳播規(guī)律，如成象，反射，折射….,各種光線儀器是以幾何光學(xué)為基礎(chǔ)發(fā)展起來的。幾何光學(xué)也在這些儀器的改進(jìn)和發(fā)展中得到發(fā)展。理論和實踐是分不開的。

在波面線度比波長很多大時，研究光的反射，折射及成象等問題，如果不用波長、位相等波動概念而代之以光線和波面等概念，并用幾何的方法來研究，將更為方便。第三十五頁，共六十九頁，2022年，8月28日光線—光能傳播方向的幾何線光束—有一定幾何關(guān)系的一些光線的集合一.光源和光線1.光源光源—任何發(fā)光物體：太陽、燭焰、鎢絲白熾燈、日光燈、高壓水銀熒光燈等點光源—可看成幾何上的點，只有空間位置無體積的光源2.光線和光束第三十六頁，共六十九頁，2022年，8月28日幾何光學(xué)中幾何方法討論成像規(guī)律3.光波波面波面：在任意時刻,振動位相值相同的各點所構(gòu)成的曲面光振動—用電磁波中電場強(qiáng)度的變化表示波面對應(yīng)的法線就是光束第三十七頁，共六十九頁，2022年，8月28日二.幾何光學(xué)的基本定律1.光的直線傳播定律：光在均勻介質(zhì)中沿直線傳播2.光的獨立傳播定律：兩束光在傳播途中相遇時互不干擾，即每一束光的傳播方向及其他性質(zhì)(頻率、波長、偏振狀態(tài))都不因另一束光線的存在而發(fā)生改變(1)光的反射定律：反射線位于入射面內(nèi)，反射線和入射線分居法線兩側(cè)，反射角等于入射角，即3.光的折射反射定律：第三十八頁，共六十九頁，2022年，8月28日平面鏡是一個最簡單的、不改變光束單心性的、能成完善像的光學(xué)系統(tǒng)第三十九頁，共六十九頁，2022年，8月28日ThebundleofraysfromthetopoftheobjectappearstooriginatefromtheimagebehindthemirrorThereisanimagepointforeverysourcepoint第四十頁，共六十九頁，2022年，8月28日Forthewomantoseeherfull-sizedimage,onlyahalf-sizedmirrorisneeded.Multiplereflectionscanbeobtainedwithtwoplanemirrors.第四十一頁，共六十九頁，2022年，8月28日Manyemergencyvehiclesarereversed-letteredsotheletteringappearsnormalwhenviewedthroughtherearviewmirrorofacar第四十二頁，共六十九頁，2022年，8月28日TheincomingraythatstrikespointAeventuallyemergesalongBD,paralleltotheincomingray.ThisarrayofcornerreflectorswasleftontheMoonbytheApollo14astronauts.Acornerreflector入射光線反射光線第四十三頁，共六十九頁，2022年，8月28日?思考題有人設(shè)想用右圖所示的反射圓錐腔使光束的能量集中到極小的面積上，因為出口可以做得任意小，從而射出的光束的能流密度可以任意大。這種想法正確嗎？注意：由于圓錐的截面兩母線是不平行的，從入口進(jìn)入的光線在逐次反射過程中入射角不斷減小，必然會在某一點處光線從法線右側(cè)入射，從而使光線返回入口。所以僅從反射定律來看，利用反射錐腔來聚焦光束能流的設(shè)想是不可能實現(xiàn)的。第四十四頁，共六十九頁，2022年，8月28日(2)光的折射定律：折射線位于入射面內(nèi),折射線與入射線分居法線兩側(cè)，入射角的正弦與折射角的正弦之比為一與入射角無關(guān)的常數(shù)，即*漫射：當(dāng)界面粗糙時,各入射點處法線不平行,即使入射光是平行的,反射光和折射光也向各方向分散開—漫反射或漫折射。介紹第四十五頁，共六十九頁，2022年，8月28日太陽能電池應(yīng)用漫反射對比第四十六頁，共六十九頁，2022年，8月28日舉

例單晶硅/納米硅的鏡面反射對比第四十七頁，共六十九頁，2022年，8月28日R<2.0%(可見光區(qū))

廣譜、強(qiáng)的光吸收！Si和nc-Si漫反射譜比較HaijunXuandXinjianLi,OpticsExpress.16，2933(2008)第四十八頁，共六十九頁，2022年，8月28日有效折射率:

實部

n(E)和虛部K(E)

Basedon:

1.Kramers-Kronigtransform2.Tauc’sprinciple(ink-space)第四十九頁，共六十九頁，2022年，8月28日有效介電函數(shù)ε

(E):實部

ε1(E)和虛部ε2(E)樣品低能峰位(eV)高能峰位(eV)

c-Si

3.44.6Si-NPA4.055.0

ΔE

0.650.4HaijunXu,XinjianLi,etal.,Semi.Sci.Technol.,19,2352(2009)第五十頁，共六十九頁，2022年，8月28日三.折射率光在真空中的傳播速度為c折射率較大的介質(zhì)稱為光密介質(zhì)，折射率較小的介質(zhì)稱為光疏介質(zhì)。平行光的折射？試討論一下平行光束折射后截面積的變化。第五十一頁，共六十九頁，2022年，8月28日有：在線性介質(zhì)的光場中，光的擾動頻率僅由光源決定，它與傳播的介質(zhì)無關(guān)。同一譜線的光波在不同介質(zhì)中雖然有不同速度，但其頻率是不會改變的，均同于真空中的光頻，即n

>1，介質(zhì)中的波長變短了！介質(zhì)中的光頻是否等于真空中的光頻?思考第五十二頁，共六十九頁，2022年，8月28日?

色散：一種介質(zhì)對不同波長的光具有不同的折射率。一束白光經(jīng)界面折射，就被分為不同顏色的光束。棱鏡分光是先后兩次折射的色散效應(yīng)。大氣中的虹霓是陽光經(jīng)大量水滴的折射和反射而產(chǎn)生的色散現(xiàn)象。水晶的色散明顯強(qiáng)于玻璃或有機(jī)玻璃。1.現(xiàn)象：第五十三頁，共六十九頁，2022年，8月28日四.光的可逆性由于折射定律的對稱性,可得出光線傳播的可逆性。表明：當(dāng)光線沿與原來方向相反的方向傳播時，其路徑不變。注意：在不考慮介質(zhì)吸收引起損耗時，波動現(xiàn)象就是一個可逆過程。當(dāng)光從光密()射到光疏()介質(zhì)時,一般情況下,折射角大于入射角,當(dāng)入射角為某一ic

時,折射角為,折射線沿界面?zhèn)鞑ァＮ?臨界角若入射角再增大，就不再有折射線了，此時光線將全部返回光密介質(zhì)，且反射角等于入射角—全反射第五十四頁，共六十九頁，2022年，8月28日六.全反射（TotalInternalReflection：TIR）臨界角ic第五十五頁，共六十九頁，2022年，8月28日只有反射而無折射的現(xiàn)象。當(dāng)光從光密介質(zhì)n1射向光疏介質(zhì)n2（<n1）時,光線不再有折射，全部反射。入射角：臨界角第五十六頁，共六十九頁，2022年，8月28日（1）全反射棱鏡比一般平面鏡能量損失小。全反射的應(yīng)用用于倒像器中。（２）角錐棱鏡第五十七頁，共六十九頁，2022年，8月28日（３）轉(zhuǎn)向90°的五棱鏡和倒向棱鏡第五十八頁，共六十九頁，2022年，8月28日利用全反射原理，可制成光學(xué)元件——光纖利用高折射率材料制成芯線，外包一層低折射率的皮，由于光線的全反射，光線在芯內(nèi)是鋸齒形折線的徑跡。單根階躍型光纖只能傳光而不能傳圖像，將眾多光纖集束為光纜便可傳圖像。七.

光導(dǎo)纖維第五十九頁，共六十九頁，2022年，8月28日由直徑約幾微米的多根或單根玻璃（或透明塑料）纖維組成，每根纖維分內(nèi)外兩層，內(nèi)層芯料的折射率n1=1.8左右，外涂層n2=1.4左右，其界面上全反射的臨界角入射光的最大孔徑角

數(shù)值孔徑（鏡口率），簡寫為N.A定義：媒質(zhì)的折射率n與物鏡孔徑角的一半的正弦值的乘積。光纖通信具有容量大、抗干擾、保密性好的特點。第六十頁，共六十九頁，2022年，8月28日光導(dǎo)纖維