2光的本性2.ppt

1、光的波動性-干涉、衍射及偏振等特性。,頻率相同 振動方向相同 相位相同 具有固定相位差,相遇時，在相遇的區(qū)域內(nèi)產(chǎn)生干涉現(xiàn)象。,當光波間,如圖，點著酒精燈，在其火焰上灑一些食鹽，使酒精燈便發(fā)出黃色的火焰。把帶肥皂液薄膜的金屬圈放在酒精燈旁適當?shù)奈恢茫寡劬η∧芸吹接杀∧し瓷涠傻狞S色火焰的虛像。當肥皂薄膜下垂到一定程度，就在虛像上出現(xiàn)了明暗相間的干涉條紋。,干涉條紋形成的原因：豎立的肥皂薄膜在重力作用下形成了上薄下厚的楔形。當酒精燈的火焰照射到薄膜上時，分別從膜的前表面和后表面反射的兩列光波，它們頻率相同，方向一致，能產(chǎn)生干涉。,不同單色光的薄膜干涉條紋,可見，波長越長，干涉條紋越寬,白光的薄

2、膜干涉條紋 彩色條紋,肥皂泡和水面上的油膜所呈現(xiàn)的美麗色彩。,光的波動性-光的衍射,兩個主要特點， 光傳播方向會變，經(jīng)障礙物后會繞到其幾何陰影區(qū)域中去；,在幾何陰影區(qū)附近，波的強度會有起伏。,生活中，極少發(fā)現(xiàn)光繞到障礙物后面去的衍射現(xiàn)象,只有當障礙物的尺寸與波長相近時，衍射現(xiàn)象才較顯著。,在空氣中，無線電(10-103)米，可聞聲波 (102-10)米，其衍射現(xiàn)象極為常見,而光波波長在可見光區(qū)是(0.4-0.7)微米，故其衍射現(xiàn)象少見。,自然光或非偏振光如果電場振動方向漫無規(guī)則，則該光為,光波的偏振特性,偏振光電場矢量具有一定的規(guī)則,振動面線偏振光的振動方向與傳播方向構(gòu)成的平面。,部分偏振光,

3、園偏振光,橢園偏振光,在拍攝表面光滑的物體，如玻璃器皿、水面、陳列櫥柜、油漆表面、塑料表面等，常常會出現(xiàn)耀斑或反光，這是由于光線的偏振而引起的。在拍攝時加用偏振鏡，并適當?shù)匦D(zhuǎn)偏振鏡面，能夠阻擋這些偏振光，借以消除或減弱這些光滑物體表面的反光或亮斑。,1.3-4 光的相干性,相干性問題，無線電波段中存在，由于無線電頻率比較低，它們的相干性非常好。,對于光波來說，是電磁波，由于它的頻率高，它們的相干性較差，因此在那些與相干性有關(guān)的應(yīng)用中，必須討論這個問題。,一、光的相干性,光的相干性就是指在不同空間點、不同時刻的光波場的某些特性(例如光波場的相位)之間的相關(guān)性。,時間相干 空間相干,光的相干有兩

4、種類型,時間相干性,時間相干性是指同一空間點上，兩個不同時刻光波場之間的相干性.,或者說是指沿著光傳播方向，離光源不同距離的兩點，在同一時刻光波場之間的相干性。,時間相干性的含義,從原理上，可以在光路上兩點通過兩個分束器取出部分光，考察信號間的相關(guān)效應(yīng)。,兩個信號相關(guān)，則可以由一點的光電場(振幅、相位)確定另一點的光電場(振幅、相位)。,或由空間一點某時刻的光電場確定另一時刻的光電場。,相干長度,tC=LC/C，為相干時間，光波在該相干時間內(nèi)是時間相干的。 tC愈大，光的時間相干性愈好。,改變兩鏡間的距離時，干涉條紋將產(chǎn)生變化。當鏡間距離增加到某一長度LC時，干涉效應(yīng)消失，這個長度稱為相干長度

5、。光傳播速度c為常數(shù)，相應(yīng)該長度有一個光的傳播時間.,空間相干性,空間相干性是指在同一時刻、垂直于光傳播方向上的兩個不同空間點上的光波場之間的相干性。,如果兩個信號相關(guān)，即可由一個空間點的光電場確定另一空間點的光電場。,雙孔屏上存在著一個以O(shè)點為對稱中心的面積AC，只要S1和S2在AC之外，就不產(chǎn)生干涉現(xiàn)象。AC叫做相干面積。AC愈大，光的空間相干性愈好。,空間相干性:光源理想點光源，屏上會看到清晰的干涉條紋。,若固定光源到雙孔的距離R，改變兩孔的間隔，則干涉效應(yīng)變化，隨孔間距離增大，干涉條紋逐漸模糊。,S1和S2處的場具有明顯相干性的條件是 x,表明，光源愈小，則具有空間相干性的張角愈大。,

6、式中是兩縫間距對光源的張角。,二、光源的相干性,光源分兩類： 普通光源(熱光源)和激光光源 光是由處于高激發(fā)態(tài)的原子(分子或離子)自發(fā)地躍遷到低能態(tài)時發(fā)射出來的。,其發(fā)射過程并非無限延續(xù)，間斷地發(fā)射極短的光波列. 這些波列一般相隔很遠(與每一個波列的持續(xù)時間相比)，在時間上是隨機的。,某原子發(fā)出的一些波列之間沒有恒定的相位關(guān)系，是不相干的，不能產(chǎn)生干涉現(xiàn)象。,一個長度有限的波列按傅里葉展開時，相當于在頻帶寬度內(nèi)的一系列正弦波的疊加，波列的持續(xù)時間c與之間有如下的關(guān)系：,（c）（）1 c相干時間。,光源發(fā)出的波列頻帶愈窄，單色性愈好，相干時間愈長，時間相干性愈好。,對于普通光源來說，它們產(chǎn)生波列

7、的頻帶很寬，單色性很差，時間相干性很差。,（c）（）1 c相干時間。,對于普通光源 從一個原子不同時刻發(fā)出的光波列間沒有固定的相位關(guān)系外，處在激發(fā)態(tài)的各個原子之間彼此無關(guān)，不同原子所發(fā)出的光波之間，沒有固定的相位關(guān)系。,在雙孔干涉實驗中，由于光源有一定的大小，所以不同地方受激原子發(fā)出的光是不相干的，導致干涉效應(yīng)很差。,三、光子的相干性,利用光子的概念說明光的相干性。 x 它可寫成 (x)2 (/)2,該式的意義是：,如果要求傳播方向限于立體角()2之內(nèi)的光波是相干的。光源的面積 (x)2必須小于(/)2。因此，(/)2就是光源的相干面積。,可以證明: 在相干體積內(nèi)的光子具有相同的狀態(tài)，即處于同

8、一光子態(tài)；屬于同一光子態(tài)的光子是相干的。,把光源的相干面積作為底面，以相干長度為高。限定一個空間V。它被定義為相干體積，即V=ctc (x)2,利用針孔限制光源的有效尺寸或用濾光器限制其波長范圍，以獲得較好的相干性，光強非常弱。,綜上所述 普通光源處于激發(fā)態(tài)的原子發(fā)射光的振幅、相位隨著時間隨機地起伏變化，其時間、空間相干性都很差。,激光器中受激原子的發(fā)光不是自發(fā)地、隨機地進行，是受激發(fā)射，激光器作光源即可得到很好的干涉圖形。,1.3-5 電磁波譜,進一步證實了X射線、射線等都是電磁波。,它們的頻率(或波長)范圍差別很大。按其頻率(或波長) 次序排列成如圖l1所示的譜稱其為電磁波譜。,電磁波譜,

9、光學區(qū)域(或光學頻譜)包括紫外線、可見光和紅外線。,光的頻率極高(1012Hz一1016Hz)，數(shù)字很大，通常用波長表征，光譜區(qū)域的波長范圍約從10-7cm到lmm。 可見光是人眼可以看到的各種顏色光波，,紅色，076m-063m； 橙色，063m-06m； 黃色，060m-057m； 綠色，057m-050m； 青色，050m-045m； 藍色，045m-0.43m； 紫色，043m-040m 紫外線和紅外線不能引起視覺。 紅外線波段的波長范圍是076mlmm (相應(yīng)的頻率范圍是41014Hz-31011Hz)。,紅外線在地球大氣層中的傳播特性不同，分為如下幾個波段：,近紅外波段 076m-

10、3m； 中紅外波段 3m-6m； 遠紅外波段 6m-15m； 極遠紅外波段 15m-1000m。,近紅外波段，076m-24m (相應(yīng)于原子能級間躍遷)； 中紅外波段，25m-25m (相應(yīng)于分子振動一轉(zhuǎn)動能級間的躍遷)； 遠紅外波段，25m以上 (相應(yīng)于分子轉(zhuǎn)動能級間的躍遷)。,根據(jù)紅外輻射產(chǎn)生的機理不同，可將紅外線劃分為：,所有電磁波，雖其產(chǎn)生方法及與物質(zhì)間的相互作用各不相同，,但其本質(zhì)相同，都遵守同樣的反射、折射、干涉、衍射、偏振規(guī)律，在真空中的傳播速度都為c29979108ms,將電磁波在真空中的傳播速度與介質(zhì)中的傳播速度相比，得到傳播介質(zhì)的絕對折射率為,n=c/v= （rr）1/2,

11、n=（r）1/2,n=c/v=（rr）1/2,稱為麥克斯韋關(guān)系。對于一般物質(zhì)來說，或n都是頻率的函數(shù),式中r和r分別為介質(zhì)的相對介電常數(shù)和相對導磁率。除了鐵磁物質(zhì)外，大多數(shù)物質(zhì)的磁性都很弱，1，,1.3-6 光的能量及量度單位,一、光具有波、粒二重性 隨著光波的傳播，光的能量向空間傳播。 單位時間通過垂直于傳播方向的單位面積的電磁能量稱為輻射強度矢量或波印亭矢量S，并且有 S=EH,描述了光的電磁能量的傳播特性。,由于光的頻率高,S值變化極快，接收器不可能接收到S的瞬時值，只能接收S的平均值。 對于平面光波來說，在一個周期內(nèi)的平均值為,S=0TSdt/T=（/）-1/2E2/2,輻射強度的平均

12、值稱為光強度，即單位時間通過垂直光的傳播方向單位面積的能量，以I表示。,式中為介電系數(shù)，為導磁率。,另外，光電效應(yīng) X射線的散射 光作用下進行的化學反應(yīng)等現(xiàn)象 表明與光的波動理論相矛盾，,考慮光的微粒性，即光由光子所組成。每個光子的能量Ehv，光的頻率不同，光子的能量也不同。 根據(jù)光的量子理論，光波傳輸?shù)哪芰坑稍S多單個光子組成的光子流的能量。,設(shè)頻率為的光束的強度為I，光束的光子密度為n(單位體積內(nèi)的光子數(shù))，則 Inhc 或 nI/(hc) 二、光子的動量和光壓 光子除具有能量Eh外，還具有動量P 由相對論質(zhì)能關(guān)系,和動量的表示式,式中是光的波長。,因為光子的靜止質(zhì)量m0=0，所以由上式可得

13、,既然單個光子具有動量，光子流也具有動量，設(shè)光子流單位體積內(nèi)的能量為W，則與單位體積相對應(yīng)的光子流的動量p為,當在真空中沿某一方向傳輸?shù)墓庾恿魅肷涞轿矬w表面時，部分光子流被吸收，光子流的動量發(fā)生改變，這表明物體受到一定的力的作用，垂直于物體單位面積的作用力就是作用在該物體上的光壓P光壓。,式中n是單位體積內(nèi)的光子數(shù)。 動量p的方向指向光的傳播方向。,P光壓(1+R)W 考慮到WnhvI/c，所以 P光壓 (1+R)(I/c ),因為c很大,光壓都很小，晴天直射的日光被完全吸收時，所產(chǎn)生的光壓為每平方厘米04毫克，覺察它十分困難。,如果物體表面的反射系數(shù)為R1，可證明,歷史上的原因，先對電磁輻射

14、中的可見光的光通量、光強、亮度、照度等進行研究，描述人眼對光的敏感程度。,三、光能量的量度單位,光度學量受主觀視覺的限制，不是客觀的物理量,在光電子學及其應(yīng)用中，應(yīng)采用不受人們主觀視覺限制、建立在物理測量基礎(chǔ)上的輻射度量學量。光度學量可視為輻射度量學量的特例。,（一）輻射功率又叫輻射通量,它是發(fā)射、傳輸或接收輻射能量的時間變化率。其定義,Q / t,由于輻射能量是波長、面積、立體角等因素的函數(shù)，用偏微商,單位是瓦式中Q是輻射能量。,基本輻射量,2輻射通量密度,(輻射通量密度) 是描寫面源輻射特性的量，是源的單位面積向半球空間發(fā)射的輻射功率,P / A,源面積發(fā)射不一定均勻，面上各點附近單位面積

15、發(fā)射的功率也不一樣，故M 通常是源上位置的函數(shù)。,式中A是輻射源面積。單位是瓦米2,P是輻射通量,3輻射強度I,描寫點源輻射的功率在空間不同方向上的分布,點源不是輻射源真實的物理尺寸大小 距地球遙遠的星星，相對地面上的觀察者所張的角度，可以看成一個點,觀測距離比源本身的最大尺寸大10倍以上，觀測裝置是不帶光學系統(tǒng)的簡單探測器，可視為點源。,如采用光學系統(tǒng)，由探測器的尺寸和輻射源在探測器表面上的成象尺寸決定，若象比探測器小，則可將輻射源視為點源。,輻射強度是點源在單位立體角內(nèi)發(fā)射的輻射功率，它是輻射功率在某個方向上角密度的量度,P / ,單位是瓦球面度。式中是點源所張的立體角。,描述擴展源輻射功

16、率在空間和源表面上的分布情況而引入的量。,4輻射亮度,擴展源是指尺寸很大的輻射源。,實際上同一個輻射源既可以看作點源，又可以看作擴展源。,噴氣式飛機的尾噴口，在1公里以上觀察時可以看作一個點源，而在三米內(nèi)觀察時為一擴展源。,當采用光學系統(tǒng)觀測時，光輻射源的象比探測器大或者說輻射源充滿光學系統(tǒng)的視場則該輻射源叫做擴展源。,擴展源在某個方向上的輻射亮度是它在該方向上的單位表觀面積向單位立體角內(nèi)發(fā)射的輻射功率。,在擴展源表面上某點附近的一個小面積元dA向半球空間 (2球面度)發(fā)射的輻射功率為dP，該面積元向與面積元法線夾角為的方向上發(fā)射輻射時，,在方向上看到面積元dA的表觀面積為dAcos，dA向方

17、向 d立體角內(nèi)發(fā)射的輻射功率被看作是由源的表觀面積元dAcos發(fā)出的輻射功率，表示為,2P / A cos,單位是瓦米2球面度,5輻照度E,以上都是描述輻射源發(fā)射特性的量。受照表面接收輻射功率引入輻射照度,假設(shè)輻射源投射到被照表面某點附近小面積dA上的輻射功率為dP，則被照表面該點的輻照度E為,P / A,其意義表示投射被照面上單位面積上的輻射功率，雖然它與輻出度的單位相同，但兩者的物理意義不同。,單位為瓦米2,輻出度和輻照度區(qū)別,輻出度是源向整個半球空間發(fā)射的輻射功率。,輻照度是入射到被照表面上的輻射功率密度，(一個或幾個源的輻射功率。),輻照度E 除與被照面上的位置有關(guān)外，還與輻射源的特性

18、及被照明面與源的相對位置有關(guān)。,上面輻射量只考慮了輻射功率的空間分布特性。,任何一個輻射源發(fā)出的輻射或投射到一個表面上的輻射功率。 都有定的頻率分布特征(即光譜特征)，,由光譜輻射功率的意義。在波長為到+d的波長間隔內(nèi)的輻射功率為,dPPd,若d足夠小，式中dP可稱為波長為的單色輻射功率，用dP表示。在有限波長范圍其定義為,12Pd 如果1=0，2= 稱為全輻射功率。,(二) 基本光度學量,光度學涉及能引起視覺響應(yīng)的那部分輻射場。,在研究方法上和概念上基本相同。,輻射度量學量度的是電磁輻射場的能量，而光度學量是光場產(chǎn)生的視覺響應(yīng)。,光通量相應(yīng)于輻射度量學中的輻射通量 單位是流明。,選擇555nm的波長，人眼白晝視覺在這個波長上最靈敏。,其定義如下：定義波長為555nm的單色輻射功率為00015瓦的光通量為一流明。,光通量用P，由它出發(fā)，按與輻射度量學同樣定義方法，可定義出光度學中的其它量，如,光出射度M,光強度I,光亮度L 光照度E,光出射度M： P / A 流