1、光的基本性質(zhì)光的基本性質(zhì)介質(zhì)對(duì)光的反射與折射介質(zhì)對(duì)光的反射與折射介質(zhì)對(duì)光的吸收介質(zhì)對(duì)光的吸收介質(zhì)對(duì)光的散射與色散介質(zhì)對(duì)光的散射與色散材料的光發(fā)射材料的光發(fā)射激光與激光材料激光與激光材料光的現(xiàn)象光的微粒說光的波動(dòng)說光的電磁說光的波粒二象性光的直線傳播光的傳播速度光的反射光的折射光的干涉光的衍射電磁波譜光譜?引言引言 ：（1）微粒學(xué)說）微粒學(xué)說 ( corpuscular theory )（2）波動(dòng)學(xué)說）波動(dòng)學(xué)說 ( undulatory theory )（3）光）光 具有波粒二象性的物質(zhì)具有波粒二象性的物質(zhì) 粒子性：粒子性：光子光子(Photon ) ：E = h= h c / 一一 電磁波是矢

2、量波電磁波是矢量波電磁波電磁波 交變電磁狀態(tài)的傳播交變電磁狀態(tài)的傳播EHHHHEE 設(shè)一平面電磁波設(shè)一平面電磁波xyzoHEu2222tExE 由麥克斯韋理論可得：由麥克斯韋理論可得：222221tEuxE 真空中的電磁波真空中的電磁波2222tHxH 同理：同理：222221tHuxH )uxt (cosEE 0當(dāng)電場(chǎng)振動(dòng)沿當(dāng)電場(chǎng)振動(dòng)沿x軸正向傳播時(shí)，有反映該振動(dòng)的平面簡(jiǎn)諧波軸正向傳播時(shí)，有反映該振動(dòng)的平面簡(jiǎn)諧波)uxt (cosHH 0用麥?zhǔn)想姶艌?chǎng)方程組可推出用麥?zhǔn)想姶艌?chǎng)方程組可推出000000EuEH 在真空中：在真空中：s/m./u80010997921 c 在介質(zhì)中：在介質(zhì)中：rr/

3、u001 rr/c cn/c 折射率折射率 (refractive index)(1) 電磁波是橫波電磁波是橫波 H,E振動(dòng)量振動(dòng)量與波速與波速構(gòu)成相互構(gòu)成相互EHu垂直的右手螺旋關(guān)系。垂直的右手螺旋關(guān)系。u(2) 電磁波的偏振性電磁波的偏振性分別在各自的平面上振動(dòng)。分別在各自的平面上振動(dòng)。H,E旋光現(xiàn)象。旋光現(xiàn)象。HE oxyuEHz(3) 電場(chǎng)與磁場(chǎng)同相變化電場(chǎng)與磁場(chǎng)同相變化 0000HE 振幅之間滿足振幅之間滿足電電、磁場(chǎng)分量與電磁波傳播方向互相垂直磁場(chǎng)分量與電磁波傳播方向互相垂直(4) 電磁波的能量電磁波的能量 mewww uEHEH 221Ewe 221Hwm 電磁波的能流密度電磁波

4、的能流密度 wuS EH 坡印廷矢量坡印廷矢量 HES 電磁波的強(qiáng)度電磁波的強(qiáng)度 TTEHdtTSdtTI00110021HE 2021E 20EI 電磁波具有各種頻率：無(wú)線電，微波，紅外線，可見光，電磁波具有各種頻率：無(wú)線電，微波，紅外線，可見光，紫外線，紫外線，X射線射線和和射線等。射線等。 可見光可見光 (visible light) 能夠引起人的視覺的電磁波。能夠引起人的視覺的電磁波。m.771090310607 nm 390760光色 波長(zhǎng)(nm) 頻率(Hz) 中心波長(zhǎng) (nm) 紅 760622 660 橙 622597 610 黃 597577 570 綠 577492 540

5、 青 492470 480 蘭 470455 460 紫 455400 430 1414108 . 4109 . 31414100 . 5108 . 41414104 . 5100 . 51414101 . 6104 . 51414104 . 6101 . 61414106 . 6104 . 61414105 . 7106 . 6可見光七彩顏色的波長(zhǎng)和頻率范圍可見光七彩顏色的波長(zhǎng)和頻率范圍人眼最為敏感的光是黃綠光，即人眼最為敏感的光是黃綠光，即nm555附近。附近。電電磁磁波波光光譜譜n無(wú)線電波無(wú)線電波波長(zhǎng)比可見光長(zhǎng)得多，不能引起人的視覺，可以引起電子的振蕩。由于波長(zhǎng)很長(zhǎng)，一個(gè)金屬網(wǎng)籠，甚至橋

6、梁上的鋼架就可以將其阻止。n微波微波波長(zhǎng)范圍分布從毫米到幾十厘米，他們?cè)谑澄锢锖苋菀妆凰肿游?，可是食物迅速被加熱。n紅外線紅外線（IR）分布在微波和可見光之間，且僅能夠在它聚集熱的地方探測(cè)到。蛇和其他一些生物對(duì)紅外線很敏感；紅外線不能透過玻璃，這一特性可以解釋溫室效應(yīng)：晴天時(shí)，經(jīng)過溫室玻璃的可見光被植物吸收，而紅外線被再次輻射，被玻璃捕獲的紅外線引起溫室內(nèi)部的溫度升高，整個(gè)宇宙充滿了宇宙大爆炸時(shí)殘留的冷卻物質(zhì)發(fā)出的紅外輻射。n紫外線（紫外線（UV）：）：頻率高于可見光的，不能引起視覺，對(duì)生命有危害，來(lái)自太陽(yáng)的紫外線幾乎被大氣中的臭氧完全吸收，臭氧保護(hù)著地球的生命，少量透過大氣的紫外線會(huì)曬黑

7、皮膚或使進(jìn)行日光浴的人體產(chǎn)生曬斑。nX射線：射線：波長(zhǎng)比紫外線還短的電磁波，它們很易穿過大多數(shù)物質(zhì)。致密的物質(zhì)、固體材料比稀疏物質(zhì)容易吸收更多的X射線，這就是為什么在X射線照片上顯現(xiàn)的是骨骼而不是骨骼周圍的組織。其波長(zhǎng)可與原子尺寸相比擬。射線和宇宙射線：射線和宇宙射線：n波長(zhǎng)最短，波長(zhǎng)尺寸約為原子核大小量級(jí)n射線產(chǎn)生于核反應(yīng)及其他特殊的激發(fā)過程n宇宙射線來(lái)自地球之外的空間。n在固體材料中出現(xiàn)的光學(xué)現(xiàn)象的電磁輻射與固體材料中的原子、離子或電子相互作用的結(jié)果。n從宏觀上講，當(dāng)光從一種介質(zhì)進(jìn)入另一種介質(zhì)時(shí)，回發(fā)生光的透過、吸收和反射。n設(shè)入射到固體表面的光輻射能流率為0，透過、吸收和反射光的光輻射能

8、流率為T， A和 R，則有RAT0光輻射能流率：表示單位時(shí)間內(nèi)通過單位面積（與光線傳播方向垂直）的能量。n光與固體相互作用的本質(zhì)有兩種方式：q電子極化q電子能態(tài)轉(zhuǎn)變電磁波的分量之一是迅速變化的電場(chǎng)分量；在可見光范圍內(nèi)，電場(chǎng)分量與傳播過程中遇到的每一個(gè)原子都發(fā)生相互作用引起電子極化，即造成電子云與原子核的電荷中心發(fā)生相對(duì)位移；所以，當(dāng)光通過介質(zhì)時(shí)，一部分能量被吸收，同時(shí)光速減小，后者導(dǎo)致折射。電磁波的吸收和發(fā)射包含電子從一種能態(tài)轉(zhuǎn)變到另一種能態(tài)的過程；材料的原子吸收了光子的能量之后可將較低能級(jí)上的電子激發(fā)到較高能級(jí)上去，電子發(fā)生的能級(jí)變化E與電磁波頻率有關(guān)： E=h受激電子不可能無(wú)限長(zhǎng)時(shí)間地保持

9、.在激發(fā)狀態(tài)，經(jīng)過一個(gè)短時(shí)期后，它又會(huì)衰變回基態(tài)，同時(shí)發(fā)射出電磁波，即自發(fā)輻射。2. 2. 光的反射與折射光的反射與折射2.1 2.1 反射定律與折射定律反射定律與折射定律光的反射和折射光的反射和折射n反射定律三線共面；反射角等于入射角n折射定律三線共面；2121nuusinisinn光速： ,真空:n折射率:n折射定律:三線共面； n反射率R:兩媒質(zhì)界面上光的折射和反射兩媒質(zhì)界面上光的折射和反射 1v001crvcn0002121sinsinnvvi212122212122)()11(nnnnnnvvRir2. 2. 光的反射與折射光的反射與折射2.1 2.1 反射定律與折射定律反射定律與折

10、射定律影響折射率的因素影響折射率的因素 n（1）構(gòu)成材料元素的離子半徑和電子結(jié)構(gòu)n（2）材料的結(jié)構(gòu)、晶型和非晶態(tài) 非晶態(tài)和立方體這些各向異性的材料（均質(zhì)介質(zhì)） 非均質(zhì)介質(zhì)（雙折射現(xiàn)象） （2）材料的結(jié)構(gòu)、晶型和非晶態(tài)尋常光（o光，平行于入射面的光） 非尋常光（e光，垂直于入射面的光） 光軸：晶體內(nèi)存在著一個(gè)特殊方向，光沿這 個(gè)方向傳播時(shí)不產(chǎn)生雙折射，即 o光和e光重合，在該方向o光和 e光的折射率相等，光的傳播速 度相等。這個(gè)特殊的方向稱為 晶體的光軸。光軸”不是指一 條直線，而是強(qiáng)調(diào)其“方向”。 當(dāng)沿光軸方向入射時(shí)，只有n0存在；當(dāng)垂直于光軸方向時(shí)，只有ne達(dá)最大值， ne是材料特性，晶體密

11、堆積方向大的ne大。影響折射率的因素影響折射率的因素n（3）同質(zhì)異構(gòu)體 一般情況下，同質(zhì)異構(gòu)材料的高溫晶型原子的密堆積程度低，因此高溫晶型的折射率較低，低溫晶型原子的密堆積程度高，因此其折射率較高。n（4）外界因素對(duì)折射率的影響 材料在機(jī)械應(yīng)力、超聲波、電場(chǎng)等的作用下，折射率會(huì)發(fā)生改變，如有內(nèi)應(yīng)力存在時(shí)的透明材料，垂直于受拉主應(yīng)力方向的n大，平行于受拉主應(yīng)力方向的n小。這些效應(yīng)分別稱為光彈性效應(yīng)、聲光效應(yīng)、電光效應(yīng)等。光彈性效應(yīng)光彈性效應(yīng) n塑料、玻璃、環(huán)氧樹脂等非晶體在通常情況下是各向同性而不產(chǎn)生雙折射現(xiàn)象的，但當(dāng)它們受到應(yīng)力時(shí)，就會(huì)變成各向異性顯示出雙折射性質(zhì)，這種現(xiàn)象稱為光彈性效應(yīng)，例如

12、把塑料膜拉緊后夾在兩塊偏振片之間，通過白光觀察可以看到彩色圖樣，拉圖改變，彩色圖樣也發(fā)生變化，顯示出雙折射性質(zhì)隨應(yīng)力變化，又如玻璃在制造過程中，由于冷卻不均勻，使內(nèi)部受到不同程度的應(yīng)力，常常會(huì)自行破裂，把玻璃放在兩塊偏振片之間觀察應(yīng)力引起的雙折射現(xiàn)象，就可以檢查出內(nèi)部應(yīng)力的分布情況，在單色光照射下可以看到明暗交替的花樣；在白光照射下，則顯示出彩色花樣，為了消除光學(xué)玻璃的內(nèi)部應(yīng)力，在磨制光學(xué)元件例如天文望遠(yuǎn)鏡的鏡頭等之前，必須進(jìn)行緩冷處理和偏振光檢查。聲光效應(yīng)n超聲波通過介質(zhì)時(shí)會(huì)造成介質(zhì)的局部壓縮和伸長(zhǎng)而產(chǎn)生彈性應(yīng)變,該應(yīng)變隨時(shí)間和空間作周期性變化,使介質(zhì)出現(xiàn)疏密相間的現(xiàn)象,如同一個(gè)相位光柵光柵

13、.當(dāng)光通過這一受到超聲波擾動(dòng)的介質(zhì)時(shí)就會(huì)發(fā)生衍射現(xiàn)象,這種現(xiàn)象稱之為聲光效應(yīng)。n聲光效應(yīng)就是研究光通過聲波擾動(dòng)的介質(zhì)時(shí)發(fā)生散射或衍射的現(xiàn)象。由于彈光效應(yīng)，當(dāng)超聲縱波以行波形式在介質(zhì)中傳播時(shí)會(huì)使介質(zhì)折射率產(chǎn)生正弦或余弦規(guī)律變化，并隨超聲波一起傳播，當(dāng)激光通過此介質(zhì)時(shí)，就會(huì)發(fā)生光的衍射，即聲光衍射。衍射光的強(qiáng)度、頻率、方向等都隨著超聲波場(chǎng)而變化。其中衍射光偏轉(zhuǎn)角隨超聲波頻率的變化現(xiàn)象稱為聲光偏轉(zhuǎn)；衍射光強(qiáng)度隨超聲波功率而變化的現(xiàn)象稱為聲光調(diào)制。 電光效應(yīng)n某些各向同性的透明物質(zhì)在電場(chǎng)作用下顯示出光學(xué)各向異性，物質(zhì)的折射率因外加電場(chǎng)而發(fā)生變化的現(xiàn)象為電光效應(yīng).電光效應(yīng)包括泡克耳斯(Pockels)效

14、應(yīng)和克爾(Kerr)效應(yīng)。折射率與所加電場(chǎng)強(qiáng)度的一次方成正比改變的為Pockels效應(yīng)或線性電光效應(yīng)，1893年由德國(guó)物理學(xué)家泡克耳斯(Friedrich Carl Alwin Pockels ,1865 - 1913)發(fā)現(xiàn).折射率與所加電場(chǎng)強(qiáng)度的二次方成正比改變的為Kerr效應(yīng)或二次電光效應(yīng)，1875年由英國(guó)物理學(xué)家克爾(John kerr,1824-1907)發(fā)現(xiàn)。n媒質(zhì)中波動(dòng)傳到的各點(diǎn)，都可以看作是發(fā)射子波的波源，而在其后的任意時(shí)刻，這些子波的包絡(luò)面就是新的波面。n也就是說，光波波前（最前沿的波面）上的每一點(diǎn)都可看作球面次波源，每一次波源發(fā)射的球面波以光波的速度v傳播，經(jīng)過時(shí)間t之后形成

15、球面半徑為vt的球面次波。如此產(chǎn)生的無(wú)數(shù)個(gè)次波的包絡(luò)就是t時(shí)間后的新波前。n該原理適用于機(jī)械波和電磁波2. 2. 光的反射與折射光的反射與折射2.2 2.2 折射率與傳播速度的關(guān)系折射率與傳播速度的關(guān)系2. 2. 光的反射與折射光的反射與折射2.2 2.2 折射率與傳播速度的關(guān)系折射率與傳播速度的關(guān)系n材料的折射率反映了光在該材料中傳播速度的快慢。光密介質(zhì)：在折射率大的介質(zhì)中，光的傳播速度慢；光疏介質(zhì)：在折射率小的介質(zhì)中，光的傳播速度快。n材料的折射率從本質(zhì)上講，反映了材料的電磁結(jié)構(gòu)（對(duì)非鐵磁介質(zhì)主要是電結(jié)構(gòu)）在光波作用下的極化性質(zhì)或介電特性。122121nnvvnn正是因?yàn)榻橘|(zhì)的極化，“拖住

16、”了電磁波的步伐，才使得其傳播速度變得比真空中慢。鐵磁性材料非鐵磁性材料rrnrn2. 2. 光的反射與折射光的反射與折射2.2 2.2 折射率與傳播速度的關(guān)系折射率與傳播速度的關(guān)系n光疏介質(zhì)和光密介質(zhì)n全反射：當(dāng)光從光密介質(zhì)射向光疏介質(zhì)，且入射角大于臨界角時(shí)，光線被100%反射的現(xiàn)象。此時(shí)不再有折射光線，入射光的能量全部回到第一介質(zhì)中。n臨界角：n光纖導(dǎo)光原理：全反射)()sin(2112nnnnc2. 2. 光的反射與折射光的反射與折射2.3 2.3 光的全反射光的全反射光學(xué)纖維材料-光的傳輸光纖結(jié)構(gòu)示意圖：575m摻雜了的SiO2，n一定或隨半徑增加而減小。 總直徑為100 200m,折

17、射率稍小于纖芯的摻雜了的SiO2。硅銅或丙烯酸鹽，隔離雜光。尼龍或有機(jī)材料，增加強(qiáng)度，保護(hù)光纖。2. 2. 光的反射與折射光的反射與折射2.3 2.3 光的全反射光的全反射2.4 2.4 n多普勒效應(yīng)（Doppler effect）是為紀(jì)念?yuàn)W地利物理學(xué)家及數(shù)學(xué)家克里斯琴約翰多普勒（Christian Johann Doppler）而命名的，他于1842年首先提出了這一理論。多普勒認(rèn)為，物體輻射的波長(zhǎng)因?yàn)楣庠春陀^測(cè)者的相對(duì)運(yùn)動(dòng)而產(chǎn)生變化。在運(yùn)動(dòng)的波源前面，波被壓縮，波長(zhǎng)變得較短，頻率變得較高 (藍(lán)移 (blue shift)。在運(yùn)動(dòng)的波源后面，產(chǎn)生相反的效應(yīng)。波長(zhǎng)變得較長(zhǎng)，頻率變得較低 (紅移

18、(red shift)。波源的速度越高，所產(chǎn)生的效應(yīng)越大。根據(jù)光波紅/藍(lán)移的程度，可以計(jì)算出波源循著觀測(cè)方向運(yùn)動(dòng)的速度。恒星光譜線的位移顯示恒星循著觀測(cè)方向運(yùn)動(dòng)的速度。除非波源的速度非常接近光速，否則多普勒位移的程度一般都很小。所有波動(dòng)現(xiàn)象 (包括光波) 都存在多普勒效應(yīng)。 n多普勒效應(yīng)：多普勒效應(yīng)：波源或觀察者相對(duì)于媒質(zhì)運(yùn)動(dòng)而使觀察者接受到的波的頻率有所變化的現(xiàn)象。n頻率計(jì)算：頻率計(jì)算：q波源不動(dòng)，觀察者運(yùn)動(dòng)，即： ，觀察者認(rèn)為接受到的波數(shù)變了。q觀察者不動(dòng)，波源運(yùn)動(dòng)，即： ，觀察者認(rèn)為接受到的波長(zhǎng)變了。00RSu ,u01)uu(R00RSu ,u0Suuu2. 2. 光的反射與折射光的反

19、射與折射2.4 2.4 n波源與觀察者同時(shí)運(yùn)動(dòng)，即： ，四種情況：n波源和觀察者不在一直線上運(yùn)動(dòng) n光源與觀察者的相對(duì)速度為 n接近： n遠(yuǎn)離00RSu ,u0SRuuuu0SxRxuuuu0ucuc0ucuc2. 2. 光的反射與折射光的反射與折射2.4 2.4 2.52.5光的反射光的反射n反射現(xiàn)象2.52.5光的反射光的反射n透射系數(shù)和反射系數(shù)透射系數(shù)和反射系數(shù) 設(shè)光總能量為設(shè)光總能量為:W=W+W:W=W+W 根據(jù)波動(dòng)理論：根據(jù)波動(dòng)理論： 可得：可得： 導(dǎo)出導(dǎo)出 得到總的能量流之比：得到總的能量流之比： 當(dāng)角度很小時(shí)，即垂直入射時(shí)：當(dāng)角度很小時(shí)，即垂直入射時(shí)：VSAW2)(AAWW)(

20、)()()()(sin)(sin)()(222/222ritgritgAAWWririAAWWppss)()()(sin)(sin 2/12222ritgritgririWW22) 1/() 1/()()()()()(sin)(sin222222ririririritgritgriri透射系數(shù)和反射系數(shù)透射系數(shù)和反射系數(shù)rin/21mnnWW221221) 1() 1(M M稱為反射系數(shù)，稱為反射系數(shù)，1-m1-m稱為透射系數(shù)稱為透射系數(shù)若若n n1 1和和n n2 2相差很大時(shí)，界面反射損失嚴(yán)重；相差很大時(shí)，界面反射損失嚴(yán)重；若若n n1 1=n=n2 2時(shí)時(shí)，m=0m=0，在垂直入射的條件

21、小，幾乎沒有反射損失；，在垂直入射的條件小，幾乎沒有反射損失；如果光連續(xù)透過如果光連續(xù)透過x x塊玻璃，則透過部分為：塊玻璃，則透過部分為：xm2)1 ( n作為一種波動(dòng)，光在兩種介質(zhì)界面上的行為除了作為一種波動(dòng)，光在兩種介質(zhì)界面上的行為除了傳播方向可能改變外，還有能流的分配、位相的傳播方向可能改變外，還有能流的分配、位相的躍變和偏振態(tài)的變化等問題，這些問題可根據(jù)光躍變和偏振態(tài)的變化等問題，這些問題可根據(jù)光的電磁理論，由電磁場(chǎng)的邊界條件求得全面的解的電磁理論，由電磁場(chǎng)的邊界條件求得全面的解決。反射率和透射率是由兩種介質(zhì)的折射率決定決。反射率和透射率是由兩種介質(zhì)的折射率決定的，如果的，如果n1n

22、1和和n2n2相差很大，那么界面反射損失就相差很大，那么界面反射損失就嚴(yán)重。這意味著在光學(xué)系統(tǒng)中當(dāng)折射率增大時(shí)，嚴(yán)重。這意味著在光學(xué)系統(tǒng)中當(dāng)折射率增大時(shí)，反射損失增大。反射損失增大。n介質(zhì)的折射率與波長(zhǎng)有關(guān)，因此同一種材料對(duì)不介質(zhì)的折射率與波長(zhǎng)有關(guān)，因此同一種材料對(duì)不同波長(zhǎng)的有不同的反射率。如金對(duì)綠光的垂直反同波長(zhǎng)的有不同的反射率。如金對(duì)綠光的垂直反射率為射率為50%50%，而對(duì)紅外光的反射率達(dá)到了，而對(duì)紅外光的反射率達(dá)到了96%96%以上。以上。n由于陶瓷、玻璃等材料的折射率較空氣的大，所以反射損失由于陶瓷、玻璃等材料的折射率較空氣的大，所以反射損失嚴(yán)重。如果透鏡系統(tǒng)由許多塊玻璃組成，則反射

23、損失更可觀。嚴(yán)重。如果透鏡系統(tǒng)由許多塊玻璃組成，則反射損失更可觀。為了減少這種界面損失，常常采用折射率和玻璃相近的膠將為了減少這種界面損失，常常采用折射率和玻璃相近的膠將它們粘起來(lái)，這樣，除了最外和最內(nèi)的表面是玻璃和空氣的它們粘起來(lái)，這樣，除了最外和最內(nèi)的表面是玻璃和空氣的相對(duì)折射率外，內(nèi)部各界面都是玻璃和膠的較小的相對(duì)折射相對(duì)折射率外，內(nèi)部各界面都是玻璃和膠的較小的相對(duì)折射率，從而大大減小了界面的反射損失。相反，對(duì)于雕花玻璃率，從而大大減小了界面的反射損失。相反，對(duì)于雕花玻璃“晶體晶體”，則在強(qiáng)折射的基礎(chǔ)上企求高的反射性能，這種玻，則在強(qiáng)折射的基礎(chǔ)上企求高的反射性能，這種玻璃含鉛量高，折射率

24、高，因而反射率約為普通鈉鈣硅玻璃的璃含鉛量高，折射率高，因而反射率約為普通鈉鈣硅玻璃的兩倍。同樣寶石的高折射率使得它具有所需的強(qiáng)折射作用和兩倍。同樣寶石的高折射率使得它具有所需的強(qiáng)折射作用和高反射性能。玻璃纖維作為照明和通訊的光導(dǎo)管時(shí)，有賴于高反射性能。玻璃纖維作為照明和通訊的光導(dǎo)管時(shí)，有賴于光束的總的內(nèi)反射。這是用一種具有可變折射率的玻璃或涂光束的總的內(nèi)反射。這是用一種具有可變折射率的玻璃或涂層來(lái)實(shí)現(xiàn)的。層來(lái)實(shí)現(xiàn)的。n對(duì)于光學(xué)工程的應(yīng)用，希望強(qiáng)折射和低反射相結(jié)合。這可以對(duì)于光學(xué)工程的應(yīng)用，希望強(qiáng)折射和低反射相結(jié)合。這可以在鏡片上涂一層中等折射率、厚度為光波長(zhǎng)的在鏡片上涂一層中等折射率、厚度為

25、光波長(zhǎng)的1/41/4涂層，這涂層，這種光波通常在可見光譜的中部（即種光波通常在可見光譜的中部（即0.60m0.60m左右），這樣的左右），這樣的一次反射波剛好被大小相等位相相反的二次反射波所抵消。一次反射波剛好被大小相等位相相反的二次反射波所抵消。在大多數(shù)顯微鏡和許多其他光學(xué)系統(tǒng)都采用這種涂層的物鏡，在大多數(shù)顯微鏡和許多其他光學(xué)系統(tǒng)都采用這種涂層的物鏡，同樣的系統(tǒng)被用來(lái)制作同樣的系統(tǒng)被用來(lái)制作“不可見不可見”的窗口。的窗口。在光束通過物質(zhì)時(shí)，它的傳播情況將要發(fā)生變化。首先光束越深入物質(zhì)，它的光強(qiáng)將越減弱，這是由于一部分光的能量被物質(zhì)所吸收，而另一部分光向各個(gè)方向散射所造成的，這就是光的吸收和散

26、射現(xiàn)象。其次，光在物質(zhì)中的速度將小于光在真空中的速度，并將隨頻率而改變，這就是光的色散現(xiàn)象，光的吸收、散射和色散這三種現(xiàn)象，都有是由于光與物質(zhì)的相互作用引起的，實(shí)質(zhì)上是由光與原子中的電子相互作用引起的。這些現(xiàn)象是不同物質(zhì)光學(xué)性質(zhì)的主要表現(xiàn)，對(duì)它們的討論可以為我們提供關(guān)于原子、分子和物質(zhì)結(jié)構(gòu)的信息。本節(jié)側(cè)重于對(duì)現(xiàn)象及其唯象規(guī)律的描述，并用經(jīng)典電子論對(duì)這些現(xiàn)象作進(jìn)一步的解釋。q由于光是一種能量流，在光通過材料傳播時(shí)，會(huì)引起材料的電子躍遷或使原子振動(dòng)，從而使光能的一部分變成熱能，導(dǎo)致光能的衰減，這種現(xiàn)象稱為。n吸收系數(shù)na為物質(zhì)對(duì)光的吸收系數(shù)，單位cm-1。取決于材料的性質(zhì)和光的波長(zhǎng)。3.1 基本性

27、質(zhì)基本性質(zhì)光通過物質(zhì)時(shí)，光波中的振動(dòng)著的電矢量，將使物質(zhì)中的帶電粒子作受迫振動(dòng)，光的部分能量將用來(lái)提供這種受迫振動(dòng)所需要的能量。這些帶電粒子如果與其它原子或分子發(fā)生碰撞，振動(dòng)能量就會(huì)轉(zhuǎn)變?yōu)槠絼?dòng)動(dòng)能，從而使分子熱運(yùn)動(dòng)能量增加，物體發(fā)熱。光的部分能量被組成物質(zhì)的微觀粒子吸取后轉(zhuǎn)化為熱能，從而使光的強(qiáng)度隨著穿進(jìn)物質(zhì)的深度而減小的現(xiàn)象，形成光的吸收（absorption）。3.23.2 吸收定律吸收定律如圖所示，光強(qiáng)為I0的單色平行光束沿x軸方向通過均勻物質(zhì)，在經(jīng)過一段距離x后光強(qiáng)已減弱到I，再通過一無(wú)限薄層dx后光強(qiáng)變?yōu)镮 +dI(dI0)。實(shí)驗(yàn)表明，在相當(dāng)寬的光強(qiáng)度范圍內(nèi)，-dI相當(dāng)精確地正比于I

28、和dx，即 - dI = aIdxx+dxldxxII+dI光的吸收規(guī)律光的吸收規(guī)律式中a是與光強(qiáng)無(wú)關(guān)的比例系數(shù)，稱為該物質(zhì)的吸收系數(shù)（absorption coefficient）。于是，上式是光強(qiáng)的線性微分方程，表征了光的吸收的線性規(guī)律。3.23.2 吸收定律吸收定律 為了求出光束穿過厚度為l的物質(zhì)后光強(qiáng)的改變，可將上式改寫為然后對(duì)x積分，即可得 換言之，若入射光強(qiáng)為I0，則通過l的物質(zhì)后的光強(qiáng)為稱為布格定律（Bouguer law）或朗伯定律。 該定律是布格（P.Bouguer，16981758）在1729年發(fā)現(xiàn)的，后來(lái)朗伯（J.H.Lambert，17281777）在1760年又重新作

29、了表述。6-2laeII0lIIa0lnlndxIdIa/3.23.2 吸收定律吸收定律3.23.2 吸收定律吸收定律n該式表明，光強(qiáng)度隨厚度的變化符合指數(shù)衰減規(guī)律。稱為朗伯定律。式中的是一個(gè)與光強(qiáng)無(wú)關(guān)的比例系數(shù)，稱為介質(zhì)對(duì)光的吸收系數(shù)，其單位為cm-1。取決于材料的性質(zhì)和光的波長(zhǎng)。對(duì)于一定波長(zhǎng)的光波而言，越大，材料越厚，光被吸收的就越多，因而透過后的光強(qiáng)度就越小。光吸收系數(shù)可按不同的光譜區(qū)進(jìn)行測(cè)定。如果對(duì)于光強(qiáng)比原來(lái)光波大幾個(gè)乃至十幾個(gè)數(shù)量級(jí)的激光來(lái)說，光和物質(zhì)的非線性相互作用顯示出來(lái)，吸收系數(shù)則和其他許多系數(shù)（如折射率）一樣都依賴于光的強(qiáng)度，朗伯特定律不再成立。實(shí)驗(yàn)表明，當(dāng)光被透明溶劑中溶

30、解的物質(zhì)吸收時(shí)，吸收系數(shù)a與溶液的濃度C成正比，即a =AC，其中A是一個(gè)與濃度無(wú)關(guān)的常量。這時(shí)可以寫成 稱為比爾定律比爾定律（Beer law）。根據(jù)比爾定律，可以測(cè)定溶液的濃度，這就是吸收光譜分析的原理。比爾定律表明，被吸收的光能是與光路中吸收光的分子數(shù)成正比的，這只有每個(gè)分子的吸收本領(lǐng)不受周圍分子影響時(shí)才成立。事實(shí)也正是這樣，當(dāng)溶液濃度大到足以使分子間的相互作用影響到它們的吸收本領(lǐng)時(shí)就會(huì)發(fā)生對(duì)比爾定律的偏離。ACeII03.23.2 吸收定律吸收定律3.33.3 吸收的物理機(jī)制吸收的物理機(jī)制材料對(duì)光的吸收機(jī)理：材料對(duì)光的吸收機(jī)理：電子極化：電子極化：只有當(dāng)光的頻率與電子極化時(shí)間的倒數(shù)處在

31、同一個(gè)數(shù)量級(jí)時(shí)，由此引起的吸收才變得比較重要；電子受激吸收光子而越過禁帶；電子受激進(jìn)入位于禁帶中的雜質(zhì)或缺陷能級(jí)上而吸收光；所以，只有當(dāng)入射光子的能量與材料的某兩個(gè)能態(tài)之間的能量差值相等時(shí)，光量子才可能被吸收。同時(shí)，材料中的電子從較低能態(tài)躍遷到高能態(tài)。光的吸收是材料中的微觀粒子與光相互作用的過程中表現(xiàn)出的能量交換過程。3.33.3 吸收的物理機(jī)制吸收的物理機(jī)制可見光中波長(zhǎng)最短的是紫光，波長(zhǎng)最長(zhǎng)的是紅光：所以，Eg 0，這種在吸收帶附近不符合科希公式，與正常色散曲線大不相同的特征稱之為（anomalous dispersion） 盡管通常把這種色散稱為反常色散，但實(shí)際上它反映了物質(zhì)在吸收區(qū)域內(nèi)所

32、普遍遵從的色散規(guī)律。 大多數(shù)材料在遇到吸收帶時(shí)，色散曲線都有這種不連續(xù)的性質(zhì)。在吸收區(qū)域以外，物質(zhì)的色散曲線仍屬于正常曲線。6-65 5 介質(zhì)對(duì)光介質(zhì)對(duì)光的色散的色散 5.3 5.3 反常反常色散色散物理模型物理模型-阻尼受迫振子模型阻尼受迫振子模型介質(zhì)原子的電結(jié)構(gòu)可以看作是由正負(fù)電荷之間用一根無(wú)形的彈簧束縛在一起的振子；光波引起介質(zhì)中舒服電荷的受迫振動(dòng)；同時(shí)做受迫振動(dòng)的振子（舒服電荷）也可以作為電磁波的波源，向外發(fā)射“電磁次波”；因?yàn)楣馑偈堑认辔粻顟B(tài)的傳播速度，由于次波的疊加改變了波的相位，即改變了光速；次波的位相即振子受迫振動(dòng)的位相，它與兩個(gè)因素有關(guān)：1.入射光波的頻率：即波長(zhǎng)2.振子的固

33、有頻率：在經(jīng)典理論中指材料的固有振動(dòng)頻率5 5 介質(zhì)對(duì)光介質(zhì)對(duì)光的色散的色散 5.4 5.4 經(jīng)典經(jīng)典色散理論色散理論6 6 材料的材料的光發(fā)射光發(fā)射 6.16.1 光發(fā)射的定義光發(fā)射的定義一、定義一、定義n材料以某種方式吸收能量之后，將其轉(zhuǎn)化為光能即發(fā)射光子的過程，這就是光發(fā)射光發(fā)射。n自然界中很多物質(zhì)都可發(fā)光，但近代顯示技術(shù)所用的發(fā)光材料主要是無(wú)機(jī)化合物，在固體材料中主要是采用禁帶寬度較大的絕緣體，其次的半導(dǎo)體它們通常以多晶粉末、薄膜或單晶的形式被應(yīng)用。n從應(yīng)用的角度，主要關(guān)注材料的光學(xué)性能包括：發(fā)光顏色、發(fā)光強(qiáng)度及延續(xù)時(shí)間等。n材料的透光性6 6 材料的材料的光發(fā)射光發(fā)射 6.16.1

34、光發(fā)射的定義光發(fā)射的定義二、平衡輻射和非平衡輻射二、平衡輻射和非平衡輻射1. 平衡輻射q只與輻射體的溫度和發(fā)射本領(lǐng)有關(guān)，如白熾燈的發(fā)光。2. 非平衡輻射在外界激發(fā)下物體偏離了原來(lái)的熱平衡，繼而發(fā)出的輻射。6 6 材料的材料的光發(fā)射光發(fā)射 6.1 6.1 光發(fā)射的定義光發(fā)射的定義三、三、 光源光源能夠發(fā)光的物體稱為光源能夠發(fā)光的物體稱為光源 = (E2-E1) / hE1E2 原子光波列原子光波列 (wave train) cL c 一般光源的發(fā)光特點(diǎn)：一般光源的發(fā)光特點(diǎn)： 1 間歇性；間歇性； 2 隨機(jī)性。隨機(jī)性。 （1）熱輻射）熱輻射 （2）電致發(fā)光）電致發(fā)光 （3）光致發(fā)光）光致發(fā)光 （4

35、）化學(xué)發(fā)光）化學(xué)發(fā)光 自發(fā)自發(fā)輻射輻射（5）同步輻射光源）同步輻射光源 （6）激光光源）激光光源 受激受激輻射輻射激發(fā)態(tài)原子或分子的自發(fā)輻射激發(fā)態(tài)原子或分子的自發(fā)輻射 = (E2-E1) / hE1E2激發(fā)態(tài)原子或分子的受激輻射激發(fā)態(tài)原子或分子的受激輻射 6 6 材料的材料的光發(fā)射光發(fā)射 6.26.2 激勵(lì)方式激勵(lì)方式材料發(fā)光前可以有多種方式向其注入能量6 6 材料的材料的光發(fā)射光發(fā)射 6.26.2 激勵(lì)方式激勵(lì)方式一、光激勵(lì)（光致發(fā)光） 通過光的輻照將材料中的電子激發(fā)到高能態(tài)從而導(dǎo)致發(fā)光。 激勵(lì)光源可以采用光頻波段、x-射線波段、-射線波段。 如熒光燈：通過紫外線激發(fā)涂布于燈管內(nèi)壁的熒光粉而

36、發(fā)光。6 6 材料的材料的光發(fā)射光發(fā)射 6.26.2 激勵(lì)方式激勵(lì)方式二、陰極射線發(fā)光 利用高能量的電子來(lái)轟擊材料，通過電子在材料內(nèi)部的多次散射碰撞，使材料中多種發(fā)光中心被激發(fā)或電離而發(fā)光的過程。 如彩電的顏色：采用電子束掃描，激發(fā)顯象管內(nèi)表面上不同成分的熒光粉，使它們發(fā)射紅、綠、藍(lán)三種基本光波而實(shí)現(xiàn)發(fā)光。6 6 材料的材料的光發(fā)射光發(fā)射 6.26.2 激勵(lì)方式激勵(lì)方式三、電激勵(lì)（電致發(fā)光） 通過對(duì)絕緣發(fā)光體施加強(qiáng)電場(chǎng)而導(dǎo)致發(fā)光，或者從外電路將電子（或空穴）注入到半導(dǎo)體的導(dǎo)帶（或價(jià)帶），導(dǎo)致載流子復(fù)合而發(fā)光。 如儀器指示燈的發(fā)光二極管：半導(dǎo)體復(fù)合發(fā)光。一、發(fā)射光譜：一、發(fā)射光譜：發(fā)射光強(qiáng) 發(fā)射

37、光波長(zhǎng)指在一定的激發(fā)條件下發(fā)射光強(qiáng)按波長(zhǎng)的分布。其形狀與材料的能量結(jié)構(gòu)有關(guān)。反映材料中從高能級(jí)始發(fā)的向下躍遷過程。6 6 材料的材料的光發(fā)射光發(fā)射 6.36.3 材料發(fā)光的基本性質(zhì)材料發(fā)光的基本性質(zhì)二、激發(fā)光譜：二、激發(fā)光譜：發(fā)光強(qiáng)度 激發(fā)光波長(zhǎng)指材料發(fā)射某一特定譜線（或譜帶）的發(fā)光強(qiáng)度隨激發(fā)光的波長(zhǎng)而變化的曲線能夠引起材料發(fā)光的激發(fā)波長(zhǎng)也一定是材料可以吸收的波長(zhǎng)，但激發(fā)光譜吸收光譜（因?yàn)橛械牟牧衔展夂蟛灰欢〞?huì)發(fā)射光困難把吸收的光能轉(zhuǎn)化為熱能而耗散掉對(duì)發(fā)光沒有貢獻(xiàn)的吸收是不會(huì)在激發(fā)光譜上反映的）。反映材料中從基態(tài)始發(fā)的向上躍遷過程。6 6 材料的材料的光發(fā)射光發(fā)射 6.36.3 材料發(fā)光的基

38、本性質(zhì)材料發(fā)光的基本性質(zhì)三、發(fā)光壽命：三、發(fā)光壽命：發(fā)光壽命指發(fā)光體在激發(fā)停止之后持續(xù)發(fā)光時(shí)間的長(zhǎng)短。發(fā)光強(qiáng)度也以指數(shù)規(guī)律衰減：余輝時(shí)間：從激發(fā)停止時(shí)的發(fā)光強(qiáng)度I0衰減到I0 /10的時(shí)間，按余輝時(shí)間長(zhǎng)短分為：6 6 材料的材料的光發(fā)射光發(fā)射 6.36.3 材料發(fā)光的基本性質(zhì)材料發(fā)光的基本性質(zhì)ttIIenn00n - 初始激發(fā)態(tài)的電子數(shù)- 電子在單位時(shí)間內(nèi)躍遷到基態(tài)的概率=1/ 發(fā)光壽命四、發(fā)光效率四、發(fā)光效率量子效率q：指發(fā)射光子數(shù)nout與吸收光子數(shù)（或輸入的電子數(shù)） nin之比。功率效率p：表示發(fā)光功率Pout與吸收光功率（或輸入的電功率）Pin之比。光度效率l：表示發(fā)射的光通量L與輸入

39、的光功率（或電功率）Pin之比。功率效率與光度效率的關(guān)系： （）-人眼的視見函數(shù) I （）-發(fā)光功率的光譜分布函數(shù) D 光功當(dāng)量6 6 材料的材料的光發(fā)射光發(fā)射 6.36.3 材料發(fā)光的基本性質(zhì)材料發(fā)光的基本性質(zhì)inoutqnninoutqPPinlPL DdIdIql002. 復(fù)合發(fā)光復(fù)合發(fā)光 源于固體本征態(tài)的輻射躍遷源于固體本征態(tài)的輻射躍遷 固體能帶模型描述（限于最高能隙固體能帶模型描述（限于最高能隙Eg內(nèi)）內(nèi)）如如II-VI、III-V族半導(dǎo)體發(fā)光族半導(dǎo)體發(fā)光1. 分立中心發(fā)光分立中心發(fā)光3. 特殊的復(fù)合發(fā)光特殊的復(fù)合發(fā)光BaF2型型 固體中局域中心內(nèi)部電子態(tài)間的輻射躍遷固體中局域中心內(nèi)

40、部電子態(tài)間的輻射躍遷 位形坐標(biāo)描述位形坐標(biāo)描述如稀土離子發(fā)光（寬禁帶絕緣體材料）如稀土離子發(fā)光（寬禁帶絕緣體材料）發(fā)光分類發(fā)光分類6 6 材料的材料的光發(fā)射光發(fā)射 6.46.4 發(fā)光的物理機(jī)制發(fā)光的物理機(jī)制一、分立中心發(fā)光一、分立中心發(fā)光 RE3+發(fā)光，雜質(zhì)、缺陷發(fā)光發(fā)光，雜質(zhì)、缺陷發(fā)光 其發(fā)光通常是摻雜在透明基質(zhì)材料中的離子，或基質(zhì)材料自身結(jié)構(gòu)的某一個(gè)基團(tuán)。 選擇不同的發(fā)光中心和不同的基質(zhì)組合，可以改變發(fā)光體的發(fā)光波長(zhǎng)，調(diào)節(jié)其光色。 發(fā)光中心分布在晶體點(diǎn)陣中，受晶體點(diǎn)陣作用，使其能量狀態(tài)發(fā)生變化進(jìn)而影響材料餓發(fā)光性能。6 6 材料的材料的光發(fā)射光發(fā)射 6.46.4 發(fā)光的物理機(jī)制發(fā)光的物理機(jī)

41、制根據(jù)發(fā)光中心與晶體點(diǎn)陣之間相互作用的強(qiáng)弱可分為兩種情況：1.發(fā)光中心基本上是孤立的它的發(fā)光光譜與自由離子相似；2.發(fā)光中心受基質(zhì)點(diǎn)陣電場(chǎng)（或晶體場(chǎng)）影響較大，其發(fā)光特性與自由離子不同必須把中心和基質(zhì)作為一個(gè)整體來(lái)分析。6 6 材料的材料的光發(fā)射光發(fā)射 6.46.4 發(fā)光的物理機(jī)制發(fā)光的物理機(jī)制稀土離子發(fā)光：稀土離子發(fā)光： “4f4f”電子組態(tài)間的躍遷電子組態(tài)間的躍遷 如Tb3+, Eu3+, Gd3+ +, Pr3+ 線譜，禁戒部分解除）“4f5d”電子組態(tài)間的躍遷電子組態(tài)間的躍遷 如Ce3+帶譜，允許躍遷 n特點(diǎn)：及其豐富的能級(jí)，具有光譜的可調(diào)性。特點(diǎn)：及其豐富的能級(jí)，具有光譜的可調(diào)性。6

42、 6 材料的材料的光發(fā)射光發(fā)射 6.46.4 發(fā)光的物理機(jī)制發(fā)光的物理機(jī)制 缺陷發(fā)光缺陷發(fā)光 F心，心，PWO的綠光、紅光中心，的綠光、紅光中心， ZnO的綠光，的綠光，ZrO2的發(fā)光的發(fā)光氧化物、氟化物、堿鹵化物，氧化物、氟化物、堿鹵化物，負(fù)離子缺位（電子陷阱）負(fù)離子缺位（電子陷阱）+ e F心心6 6 材料的材料的光發(fā)射光發(fā)射 6.46.4 發(fā)光的物理機(jī)制發(fā)光的物理機(jī)制1. 固體“導(dǎo)帶電子價(jià)帶空穴”間的復(fù)合2. “導(dǎo)帶電子受主A（空穴）”或“價(jià)帶空穴施主D（電子）”或“DA”復(fù)合3. 激子（“eh”）或束縛激子的復(fù)合6 6 材料的材料的光發(fā)射光發(fā)射 6.46.4 發(fā)光的物理機(jī)制發(fā)光的物理機(jī)

43、制固體中可能的躍遷固體中可能的躍遷（1）帶間吸收；（21）帶間發(fā)射或自由激子發(fā)射（因有一定結(jié)合能，略Eg,圖上未顯示）；（22）有一定聲子參與的光發(fā)射；（3）（5）與雜質(zhì)、缺陷有關(guān)的輻射復(fù)合；（6）分立中心內(nèi)部的發(fā)射；（7）無(wú)輻射（多聲子）弛豫；（8）俄歇Auger過程6 6 材料的材料的光發(fā)射光發(fā)射 6.46.4 發(fā)光的物理機(jī)制發(fā)光的物理機(jī)制復(fù)合發(fā)光效率：復(fù)合發(fā)光效率：帶間躍遷帶間躍遷直接高 （僅有光子參與的電子躍遷） 間接低 （有光子和聲子同時(shí)參與的電子躍遷）帶間躍遷中要保持能量守衡和動(dòng)量守衡帶間躍遷中要保持能量守衡和動(dòng)量守衡6 6 材料的材料的光發(fā)射光發(fā)射 6.46.4 發(fā)光的物理機(jī)制發(fā)

44、光的物理機(jī)制 發(fā)光體被激發(fā)后，電子、空穴如何運(yùn)動(dòng)，激發(fā)發(fā)光體被激發(fā)后，電子、空穴如何運(yùn)動(dòng)，激發(fā)態(tài)如何去激發(fā)態(tài)如何去激發(fā)激發(fā)激發(fā) 能量傳遞能量傳遞 發(fā)光發(fā)光 研究方法：發(fā)光衰減（研究方法：發(fā)光衰減（ ），激發(fā)光譜，時(shí)間），激發(fā)光譜，時(shí)間分辨譜，發(fā)光的濃度依賴，溫度依賴，熱釋光。分辨譜，發(fā)光的濃度依賴，溫度依賴，熱釋光。6 6 材料的材料的光發(fā)射光發(fā)射 6.56.5 發(fā)光動(dòng)力學(xué)發(fā)光動(dòng)力學(xué)一、能量傳遞現(xiàn)象：一、能量傳遞現(xiàn)象：激發(fā)于某處（某中心），激發(fā)于某處（某中心），發(fā)光在另一處（另一中心）發(fā)光在另一處（另一中心）如如 Ca3(PO4)2:Mn，250nm激發(fā)時(shí)，激發(fā)時(shí)，Mn不發(fā)光，不發(fā)光， Ca3

45、(PO4)2:Ce，250nm激發(fā)時(shí)，激發(fā)時(shí)，Ce發(fā)光，發(fā)光， Ca3(PO4)2:Mn，250nm激發(fā)時(shí)，可見激發(fā)時(shí)，可見Mn，Ce發(fā)光，發(fā)光， Ce Mn激發(fā)激發(fā)CdS 10-5cm發(fā)射發(fā)射6 6 材料的材料的光發(fā)射光發(fā)射 6.56.5 發(fā)光動(dòng)力學(xué)發(fā)光動(dòng)力學(xué) 二、能量傳遞方式：二、能量傳遞方式： 載流子傳遞載流子傳遞 再吸收光子傳遞再吸收光子傳遞 共振傳遞共振傳遞 激子傳遞激子傳遞VBCB發(fā)光發(fā)光激發(fā)激發(fā)CuZnS:Cu6 6 材料的材料的光發(fā)射光發(fā)射 6.56.5 發(fā)光動(dòng)力學(xué)發(fā)光動(dòng)力學(xué) 激光（Laser）是受激輻射光放大的簡(jiǎn)稱，是一種單色性好,亮度高、相干性強(qiáng)、方向性好的相干光束。 激光

46、技術(shù)是20世紀(jì)60年代后發(fā)展起來(lái)的一門技術(shù)，它帶動(dòng)了傅里葉光學(xué)、全息術(shù)、光學(xué)信息處理、光纖通信、非線性光學(xué)和激光光譜學(xué)等學(xué)科的發(fā)展，形成了現(xiàn)代光學(xué)。 僅就全息照相和傅里葉光學(xué)中的一些最基礎(chǔ)的內(nèi)容作扼要的介紹。7-1激光（激光（LaserLaser）7 7 其它光學(xué)性質(zhì)其它光學(xué)性質(zhì) 7.1 7.1 激光激光全息照相全息照相（holography）是利用光的干涉和衍射原利用光的干涉和衍射原理理，將攜帶物質(zhì)信息的光波以干涉圖的形式記錄下來(lái)，并且在一定的條件下使其再現(xiàn)，形成原物體逼真的立體象。由于記錄了物體的全部信息，由于記錄了物體的全部信息，包括振幅和相位因此稱為全息術(shù)包括振幅和相位因此稱為全息術(shù)。

47、7 7 其它光學(xué)性質(zhì)其它光學(xué)性質(zhì) 7.2 7.2 全息照相全息照相n為了提高電子顯微鏡的分辨本領(lǐng)，伽伯（D.Gabor，19001979）在1948年提出了全息術(shù)原理，并開始了全息照相（holography）的早期研究工作。n那時(shí)的主要問題是再現(xiàn)的原始象與其共軛象不能分離，以及沒有好的相干光源。n1960年出現(xiàn)了激光以后，1962年萊特（E.Leith）和烏帕特尼克斯（J.Upatnieks）在全息術(shù)中利用了激光，并提出了離軸全息術(shù)，使全息技術(shù)迅速發(fā)展成為科學(xué)技術(shù)的一個(gè)新領(lǐng)域。n激光記錄和白光再現(xiàn)的全息術(shù)，例如反射全息、象全息、彩虹全息以及合成全息等，使全息術(shù)在顯示方面展現(xiàn)出了它的優(yōu)越性，并逐

48、步深入到了社會(huì)的各個(gè)領(lǐng)域中。n而且，聲全息術(shù)和微波全息術(shù)等也已經(jīng)開始發(fā)展，但進(jìn)展遠(yuǎn)不如光學(xué)全息術(shù)。7 7 其它光學(xué)性質(zhì)其它光學(xué)性質(zhì) 7.2 7.2 全息照相全息照相全息照片的獲得光的干涉n由激光器發(fā)出的激光束，通過分光鏡分成兩束。n一束稱物光，它是經(jīng)過透鏡擴(kuò)束后射向物體，再由物體反射后投向全息干版；n另一束光經(jīng)反射鏡反射和透鏡擴(kuò)束后直接照到全息干版上，稱為參考光。n在干版上相遇后，發(fā)生干涉，形成干涉條紋。它是無(wú)數(shù)組干涉條紋的集合，最終形成一肉眼不能識(shí)別的全息圖。n干涉條紋的間距： d = /2sin(/2)7 7 其它光學(xué)性質(zhì)其它光學(xué)性質(zhì) 7.2 7.2 全息照相全息照相全息照片的再現(xiàn)光的衍射

49、n感光以后的全息底片經(jīng)顯影、定影等處理得到的全息照片上，記錄了無(wú)數(shù)干涉條紋，相當(dāng)于一個(gè)“衍射光柵”，n一般是用相同于拍攝時(shí)的激光作為照明光，照明光經(jīng)全息照片（即“光柵”）便發(fā)生衍射，得到一列沿照射方向傳播的零級(jí)衍射光波和二列一級(jí)衍射波。透鏡物體透鏡全息干板全反鏡全反鏡分光鏡電快門He-Ne激光器 全息照片的拍攝全息照片的拍攝7 7 其它光學(xué)性質(zhì)其它光學(xué)性質(zhì) 7.2 7.2 全息照相全息照相全息照片的主要特點(diǎn)全息照片的主要特點(diǎn) 立體感強(qiáng)。 具有分割性。 同一張全息干版可重疊多個(gè)全息圖。 有視差效應(yīng)。 改變?nèi)⒄掌恢没蚋淖児獠úㄩL(zhǎng)可使再現(xiàn)圖像放大或縮小。7-2共軛實(shí)像三維虛像全息照片激光 全息照

50、片的再現(xiàn)全息照片的再現(xiàn)7 7 其它光學(xué)性質(zhì)其它光學(xué)性質(zhì) 7.2 7.2 全息照相全息照相傅立葉光學(xué)傅立葉光學(xué) 光學(xué)信息處理光學(xué)信息處理n20世紀(jì)30年代以來(lái)，光學(xué)與電通訊和電信息理論相互結(jié)合，逐漸形成了傅立葉光學(xué)。n傅立葉光學(xué)的數(shù)學(xué)基礎(chǔ)是傅立葉變換，它的物理基礎(chǔ)是光的衍射理論。n阿貝成象原理：1873年，阿貝（E.Abbe，18401905）在顯微鏡成象原理的論述中，首次提出了空間頻率和空間頻譜以及兩次衍射成象的概念，并用傅立葉變換來(lái)闡明顯微鏡成象的物理機(jī)制。1906年，波特（A.B.Porter）以一系列實(shí)驗(yàn)證實(shí)了阿貝成象原理。7 7 其它光學(xué)性質(zhì)其它光學(xué)性質(zhì) 7.3 7.3 傅立葉光學(xué)傅立

51、葉光學(xué)1、光電效應(yīng)的基本概念光電效應(yīng)的基本概念當(dāng)光照射到金屬表面時(shí)，金屬中有電子逸出的現(xiàn)象叫當(dāng)光照射到金屬表面時(shí)，金屬中有電子逸出的現(xiàn)象叫光電光電效應(yīng)效應(yīng)，所逸出的電子叫，所逸出的電子叫光電子光電子，由光電子形成的電流叫，由光電子形成的電流叫光光電流電流，使電子逸出某種金屬表面所需的功稱為該種金屬的，使電子逸出某種金屬表面所需的功稱為該種金屬的逸出功逸出功。8 8 光電效應(yīng)光電效應(yīng)8.1 8.1 光電效應(yīng)的實(shí)驗(yàn)規(guī)律光電效應(yīng)的實(shí)驗(yàn)規(guī)律2、實(shí)驗(yàn)裝置、實(shí)驗(yàn)裝置單色光通過石英窗照射金屬板單色光通過石英窗照射金屬板陰極上有光電子產(chǎn)生。陰極上有光電子產(chǎn)生。UGKA如將K接正極、A接負(fù)極，則光電子離開K后，

52、將受到電場(chǎng)的阻礙作用。當(dāng)K、A之間的反向電勢(shì)差等于U0時(shí)，從K逸出的動(dòng)能最大的電子剛好不能到達(dá)A，電路中沒有電流， U0叫遏止電壓。0maxeUEk 8 8 光電效應(yīng)光電效應(yīng)8.1 8.1 光電效應(yīng)的實(shí)驗(yàn)規(guī)律光電效應(yīng)的實(shí)驗(yàn)規(guī)律8 8 光電效應(yīng)光電效應(yīng)8.1 8.1 光電效應(yīng)的實(shí)驗(yàn)規(guī)律光電效應(yīng)的實(shí)驗(yàn)規(guī)律3、實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象、實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象(2)存在截止頻率：存在截止頻率：對(duì)某一種金屬來(lái)說，只有當(dāng)入射光的頻率大于某一頻率0時(shí)，電子才能從金屬表面逸出，電路中才有光電流，這個(gè)頻率0叫做截止頻率紅限.0UaU0紅限頻率紅限頻率(1)飽和光電流：飽和光電流：飽和光電流強(qiáng)度與入射光強(qiáng)度成正比。U0312UIIS0(3)線性性：線性性：用不同頻率的光照射金屬K的表面時(shí)，只要入射光的頻率大于截止頻率，遏止電勢(shì)差與入射光頻率具有線性關(guān)系。NaCaO2.01.06.08.010.0Hz1040102|US|8 8 光電效應(yīng)光電效應(yīng)8.1 8.1 光電效應(yīng)的實(shí)驗(yàn)規(guī)律光電效應(yīng)的實(shí)驗(yàn)規(guī)律(4)瞬時(shí)性瞬時(shí)性：無(wú)論入射光的強(qiáng)度如何，只要其頻率大于