光學(xué)在生活中的應(yīng)用

1、東南大學(xué)大學(xué)物理課程論文光學(xué)在生活中的應(yīng)用韋孝誠(chéng)（ 12013128）（東南大學(xué)，南京 211189 ）摘 要： 我們生活的每天都有光的影子，它在我們的日常生活中占據(jù)著重要的地位，沒(méi)有了光我們將無(wú)法享受 這五彩斑斕的世界。當(dāng)然光學(xué)在人們的日常生活中同樣有著廣泛的應(yīng)用，比如我們常接觸的光纖通訊、激光、望遠(yuǎn) 鏡、照相機(jī)、攝像機(jī)等，都是其在生活中的廣泛應(yīng)用。文章就光的幾個(gè)重點(diǎn)性質(zhì)在生活中的體現(xiàn)做重點(diǎn)分析，并簡(jiǎn) 單介紹了一些應(yīng)用，使大家能夠簡(jiǎn)單了解到生活中的一些光學(xué)。關(guān)鍵詞： 生活；光學(xué)；應(yīng)用Application of optical in lifeWei Xiaocheng(Southeast U

2、niversity, Nanjing 211189)Abstract:we live every day light shadow, it plays an important role in our daily life, there is no light we will not be ableto enjoy the colorful world. Of course,optical in people's daily life also has a wide range of applications, such as theoptical fiber communicatio

3、n, laser, telescope, camera, video camera, is its wide application in life. This paper focuses on the analysisof embodied do several keyproperties of light in life, and some simple optics in life.key words:life; optical; application光學(xué)是研究光與物質(zhì)相互作用及光傳播的學(xué)科， 物理學(xué)中所包含的重要的基礎(chǔ)學(xué)科之中，就有光學(xué)。 同時(shí)，光學(xué)也有廣泛的應(yīng)用，比如為了設(shè)計(jì)各種光

4、學(xué) 儀器而發(fā)展起來(lái)的幾何光學(xué)，隨著科技進(jìn)步，物理光 學(xué)也開(kāi)始嶄露頭角，例如一直以來(lái)作為精密儀器測(cè)量 中的一個(gè)重要手段一光的干涉，以及實(shí)驗(yàn)中我們經(jīng)常 使用到的一種重要的分光儀器一衍射光柵，都是物理 光學(xué)發(fā)展的成果。隨著光學(xué)的不斷發(fā)展，當(dāng)代光學(xué)被韋孝誠(chéng)，1995.5.23 ,男，山東，材料科學(xué)與工程學(xué)院，briefly introduces some applications, so that we canlearn廣泛應(yīng)用到通訊、信息處理、材料加工、醫(yī)療、農(nóng)業(yè)、 軍事等重要領(lǐng)域，有著光輝的前景。光源，顧名思義，也就是任何能夠發(fā)出可見(jiàn)光的物體太陽(yáng)、螢火蟲(chóng)等發(fā)出的光（自然光源），蠟燭、火焰、各種各樣

5、的燈（人造光源）等所發(fā)出的光，都是我們 日常生活中所熟悉的光源。光源不僅用來(lái)照明，在科 學(xué)實(shí)驗(yàn)中為了各種科學(xué)研究課題的需要，人們常使用 形式多樣的特殊光源，尤其是在上世紀(jì)六十年代美國(guó) 紅寶石激光器的成功發(fā)射，更是人們?cè)谔剿鞴獾穆吠?中的一項(xiàng)重大里程碑。wxc19950523126.con東南大學(xué)大學(xué)物理課程論文1生活中的光的直線傳播光在同種均勻介質(zhì)中沿直線傳播，通常簡(jiǎn)稱光 的直線傳播.它是幾何光學(xué)的重要基礎(chǔ)，利用它可 以簡(jiǎn)明地解決成像問(wèn)題.人眼就是根據(jù)光的直線傳 播來(lái)確定物體或像的位置的。1.1 日食、月食近些年來(lái)在我國(guó)可觀測(cè)到的各種日食，作為大 自然的奇特景象，我們?cè)谛蕾p的同時(shí)也不僅為之驚

6、嘆。這奇特的自然現(xiàn)象，實(shí)際上主要是由光的直線簡(jiǎn)單來(lái)講，日食的產(chǎn)生就是由于光的直線傳 播，地球、月球、太陽(yáng)在同一直線，月球遮擋了太 陽(yáng)光導(dǎo)致的。一般情況下，日食是不容易產(chǎn)生的， 能夠親身觀測(cè)更是機(jī)會(huì)難得。與日食相對(duì)應(yīng)的，是 月食：當(dāng)太陽(yáng)、地球、月球三者恰好或幾乎運(yùn)行在 同一條直線上時(shí)，地球全部或部分地遮擋了太陽(yáng) 光，產(chǎn)生月食。月食的發(fā)生時(shí)間，經(jīng)常是在每個(gè)月 的月圓前后，也就是我國(guó)傳統(tǒng)的農(nóng)歷十五左右，這 是月繞地、地繞日的周期性規(guī)律決定的，并且月繞 地軌道與日自身軌道在宇宙空間并非為同一平面， 但這上述軌道在空間有兩個(gè)交點(diǎn)，只有在日、月均 接近對(duì)應(yīng)的交點(diǎn)時(shí)方可形成一直線，因此月食也并 非月月可見(jiàn)的

7、。圖1月食原理1.2 光沿直線傳播在生活中的一些應(yīng)用作為光的一個(gè)基本性質(zhì)，光的直線傳播在我們 的日常生活中有著廣泛的應(yīng)用。比如士兵打槍瞄 準(zhǔn)、站隊(duì)時(shí)判斷隊(duì)伍是否整齊、駕車行駛時(shí)判斷是 否直行等，這里主要介紹激光準(zhǔn)直技術(shù)。我們知道優(yōu)良的方向性是激光優(yōu)于其他光的 一大特點(diǎn)，激光準(zhǔn)直通俗來(lái)講，就是以激光束作為 基準(zhǔn)，并配合其他物理光學(xué)測(cè)量法，測(cè)定一條直線 上的點(diǎn)位偏離情況，激光準(zhǔn)直儀主要根據(jù)這一原理 制作。簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，激光準(zhǔn)直儀就是將其發(fā)出的準(zhǔn)直 激光束作為基準(zhǔn)線，用于校準(zhǔn)的測(cè)量?jī)x器，激光器 作為其光源發(fā)射系統(tǒng)，同時(shí)它還具有光電接收系統(tǒng) 及配件。我們的工業(yè)生產(chǎn)生活中經(jīng)常有它的身影， 它經(jīng)常用于測(cè)量平面

8、的平整度、平行度、直線度以 及長(zhǎng)距離的孔、軸的同心度。傳統(tǒng)方法，耗功耗時(shí), 測(cè)量過(guò)程中不少因素都會(huì)影響到測(cè)量精度，并最終 導(dǎo)致整個(gè)系統(tǒng)的精度偏低，而現(xiàn)代激光準(zhǔn)直儀，不 需多人操作，受外界影響因素小，因而更加省工省 時(shí)并且更為精確。國(guó)防工業(yè)、檢修公司、電力學(xué)校、 火力發(fā)電廠、鋼廠、等重要的工業(yè)場(chǎng)所都經(jīng)常使用 到它。2光的反射與折射光遇到水面、玻璃以及其他許多物體的表面都 會(huì)發(fā)生反射。當(dāng)光在兩種物質(zhì)分界面上改變傳播方 向又返回原來(lái)物質(zhì)中的現(xiàn)象，叫做光的反射。光從一種介質(zhì)斜射入另一種介質(zhì)時(shí)，傳播方向 發(fā)生改變，從而使光線在不同介質(zhì)的交界處發(fā)生偏 折，叫做光的折射。2.1 月球上的反射月亮對(duì)于人類來(lái)說(shuō)

9、，是最大規(guī)模的反射現(xiàn)象， 月亮作為地球的一個(gè)天然衛(wèi)星，本身不會(huì)發(fā)光，它 只是反射太陽(yáng)的光，所以我們才能觀測(cè)得到日食和 月食（若月球會(huì)發(fā)光這兩種現(xiàn)象就不可能發(fā)生） 由于月球表面比較凹凸不平，主要發(fā)生漫反射，所 以夜空中我們看到的月光相對(duì)柔和，沒(méi)有太陽(yáng)光那 么刺眼，因而能夠“賞月”。2.2 海市蜃樓海市蜃樓是非常神奇又難得一見(jiàn)的自然景觀 之一，在我國(guó)沿海省份的夏季經(jīng)常可以看到此奇景 在我國(guó)古代經(jīng)常被神化，其實(shí)它的的形成主要是由 于光的折射和全反射造成的。氣溫較高時(shí)，海面上空氣的溫度，上層空氣要 比下層高，且其密度也比下層小，因而有相對(duì)較小 的折射率，因此我們可以假設(shè)海面上的空氣是一層 層疊起的，折

10、射率從下到上呈減小趨勢(shì)，當(dāng)遠(yuǎn)處的 景物反射或發(fā)出的光線射向空中時(shí)，發(fā)生連續(xù)折 射，致使進(jìn)入上層空氣的光線的入射角呈連續(xù)增大 趨勢(shì)，當(dāng)達(dá)到一定角度時(shí)便發(fā)生了全反射，光線便 在另一地點(diǎn)回到地面上，進(jìn)入到人眼睛的光線便是 遠(yuǎn)處的景物，仿若飄于空中。如果柏油馬路上的溫 度過(guò)高，我們常會(huì)觀察到前方景象飄忽的現(xiàn)象，這'I JS， / 二是由于熱路面的空氣層，上層空氣密度比貼近熱路 面的空氣層要大，折射率情況與上述情況相反，但 也具備發(fā)生全反射的條件，故而會(huì)產(chǎn)生類似通過(guò)火 焰上層空氣看前方景象時(shí)的飄忽現(xiàn)象。2.3 生活中光的反射應(yīng)用根據(jù)鏡面反射、漫反射特點(diǎn)，反射在我們的日常生 活中有著極其廣泛的應(yīng)用

11、。我們每天都接觸鏡子， 正是有了光的反射，鏡子才可以把接收到的光反射 過(guò)來(lái)，這樣人就可以在鏡子中看到自己的樣子。如 果想使鏡子中所成的像變得有趣，只需把鏡面做的 不平整即可，此時(shí)我們會(huì)觀察到鏡中所成像變得扭 曲或拉伸，這便是哈哈鏡了。汽車后視鏡也運(yùn)用了 這個(gè)原理，我們注意到，汽車后視鏡是凹面的，這 樣一來(lái)便會(huì)在鏡中形成縮小的像，從而大面積的景 物在小小的汽車鏡面中都可以看到，擴(kuò)大了司機(jī)視 野。還有自行車的尾燈、公路上的標(biāo)志牌、潛望鏡 等都是光的反射應(yīng)用。2.4 生活中光的折射應(yīng)用眼鏡、放大鏡、相機(jī)鏡頭、凸、凹透鏡等都是 生活中常見(jiàn)的物品，這些都是光的折射在生活中的 具體應(yīng)用。3光的色散光的色散

12、(Dispersion of light )指的是復(fù)色光 分解為單色光的現(xiàn)象；復(fù)色光通過(guò)棱鏡分解成單色 光的現(xiàn)象；光纖中由光源光譜成分中不同波長(zhǎng)的不 同群速度所引起的光脈沖展寬的現(xiàn)象。色散也是對(duì) 光纖的一個(gè)傳播參數(shù)與波長(zhǎng)關(guān)系的描述。東南大學(xué)大學(xué)物理課程論文圖3光的色散原理3.1 蔚藍(lán)的天空細(xì)微顆粒的散射遵循瑞利定律：散射光強(qiáng)度正 比于波長(zhǎng)的四次方的倒數(shù)。后三個(gè)可見(jiàn)光的波長(zhǎng)較 短，最容易被散射，而前三個(gè)可見(jiàn)光的波長(zhǎng)較長(zhǎng)， 不容易被散射；與此同時(shí)空氣自身的密度漲落對(duì)光 也有一定的散射，尤其是大氣中氧氣的漲落引起的 散射，大氣中氮?dú)庹加凶畲蟊壤欢獨(dú)鉄o(wú)色， 而氧氣在一定物理?xiàng)l件下成淡藍(lán)色，故氧氣

13、對(duì)天空 呈現(xiàn)藍(lán)色也起到了一定作用。大雨過(guò)后或越晴朗的 天空由于懸浮小微粒增多，散射變強(qiáng)，這就是天空 更加藍(lán)的原因。如果空氣中由于汽車尾氣、工業(yè)廢 氣等的增多，這些污染性氣體粒子尺寸較大，發(fā)生 米氏散射，致使天空呈現(xiàn)青灰甚至灰白色。我們或 許會(huì)觀察到，在夜晚即將來(lái)臨，沒(méi)有太陽(yáng)后的天空, 會(huì)出現(xiàn)深藍(lán)色，這其實(shí)是大氣中的臭氧層在起作 用，它在離地球表面 20至30公里的高空，截獲了 太陽(yáng)光中的黃色和橙色部分，讓藍(lán)光部分通過(guò)，直 到所有光亮消失，所有的顏色才消失在夜色中。3.2 生活中光的散射的應(yīng)用由于黃光不易被散射，被廣泛應(yīng)用于交通領(lǐng)域 的霧燈、車牌、警示牌等方面；在拍照攝影領(lǐng)域， 利用光的散射可以

14、拍攝出更加有意境的場(chǎng)景；在科 研領(lǐng)域中，光的散射被大量應(yīng)用于微小粒子分析當(dāng) 中。4光的干涉與衍射兩列或幾列光波在空間相遇時(shí)相互疊加，在某 些區(qū)域始終加強(qiáng)，在另一些區(qū)域則始終削弱，形成 穩(wěn)定的強(qiáng)弱分布的現(xiàn)象。這種現(xiàn)象叫作光的干涉。光在傳播過(guò)程中，遇到障礙物或小孔時(shí)，光將 偏離直線傳播的途徑而繞到障礙物后面?zhèn)鞑サ默F(xiàn) 象，叫光的衍射。光的衍射和光的干涉一樣證明了光具有波動(dòng)性。4.1 燈光的光暈我們?cè)诩依锘蛩奚釋?duì)著燈棍瞪大或瞇小眼睛 時(shí)，會(huì)發(fā)現(xiàn)周圍的輻射光芒，這是我們經(jīng)常觀察到 的現(xiàn)象，這種現(xiàn)象產(chǎn)生的本質(zhì)便是光的衍射。我們知道，如果波長(zhǎng)與障礙物尺寸相當(dāng)，衍射東南大學(xué)大學(xué)物理課程論文現(xiàn)象最明顯，我們?cè)诓[

15、起眼睛的時(shí)候，在某個(gè)時(shí)刻 便會(huì)產(chǎn)生與燈光波長(zhǎng)相近的縫隙，于是在眼睛上發(fā) 生衍射，我們便看到了燈棍周圍的光暈。類似還有影子，我們經(jīng)常見(jiàn)到的影子都有模糊 的輪廓，這都是由于光在物體的輪廓邊緣發(fā)生衍射 導(dǎo)致的。4.2 干涉、衍射在生活中的應(yīng)用全息照相、電子顯微鏡、光譜儀等都是其重要 應(yīng)用。4.2.1 全息照相息顯示主要利用全息照相能重現(xiàn)物體三維立 體圖像的特點(diǎn)，因全息片能給出和原物大小一樣、 細(xì)節(jié)精美、形狀逼真的三維圖像，所以是極有發(fā)展 前景的應(yīng)用之一。它可以用來(lái)復(fù)制歷史文物藝術(shù)珍 品、全息肖像、全息裝飾品和全息風(fēng)景畫(huà)等也可用 于超景深照相，使遠(yuǎn)距離到近距離的物體同時(shí)記錄 在一張全息底片上。而從其再

16、現(xiàn)像中逐次按不同距 離分層觀測(cè)，不受普通照相景深的限制。全息顯示 常用的全息術(shù)有：透射和反射全息、像面全息 虹全息、真彩色全息、合成全息和模壓全息等多種 類型。其中除透射全息圖需要用激光再現(xiàn)外，其余 都可用自光再現(xiàn)，從而使在自晝自然環(huán)境中可觀察 到三維景像。近年來(lái)模壓全息逐步進(jìn)入到人們生活 中，并受到人們的歡迎和喜愛(ài)模壓全息把浮雕藝術(shù) 和照相藝術(shù)相結(jié)合，用多層次體現(xiàn)三維空間，極具 有觀賞價(jià)值它除了作為藝術(shù)全息品便于攜帶和保 存外，已廣泛用于防偽標(biāo)識(shí)、賀卡、商標(biāo)、紀(jì)念封 和圖書(shū)插圖等領(lǐng)域，國(guó)內(nèi)外都已形成一種巨大的產(chǎn) 業(yè)。圖4全息照相原理4.2.2 光譜儀光譜儀，又稱分光儀，廣泛為認(rèn)知的為直讀光

17、譜儀。以光電倍增管等光探測(cè)器測(cè)量譜線不同波長(zhǎng) 位置強(qiáng)度的裝置。其構(gòu)造由一個(gè)入射狹縫，一個(gè)色 散系統(tǒng)，一個(gè)成像系統(tǒng)和一個(gè)或多個(gè)出射狹縫組 成。以色散元件將輻射源的電磁輻射分離出所需要 的波長(zhǎng)或波長(zhǎng)區(qū)域，并在選定的波長(zhǎng)上（或掃描某 一波段）進(jìn)行強(qiáng)度測(cè)定。分為單色儀和多色儀兩種。根據(jù)現(xiàn)代光譜儀器的工作原理，光譜儀可以分 為兩大類：經(jīng)典光譜儀和新型光譜儀。經(jīng)典光譜儀 器是建立在空間色散原理上的儀器；新型光譜儀器 是建立在調(diào)制原理上的儀器。經(jīng)典光譜儀器都是狹 縫光譜儀器。調(diào)制光譜儀是非空間分光的，它采用圓 孔進(jìn)光。根據(jù)色散組件的分光原理，光譜儀器可分為 棱鏡光譜儀，衍射光柵光譜儀和干涉光譜儀。光學(xué) 多道

18、分析儀 OMA （Optical Multi-channel Analyzer） 是近十幾年出現(xiàn)的采用光子探測(cè)器（CCD）和計(jì)算機(jī)控制的新型光譜分析儀器，它集信息采集，處理， 存儲(chǔ)諸功能于一體。由于OMA不再使用感光乳膠， 避免和省去了暗室處理以及之后的一系列繁瑣處 理，測(cè)量工作，使傳統(tǒng)的光譜技術(shù)發(fā)生了根本的改 變，大大改善了工作條件，提高了工作效率；使用 OMA分析光譜，測(cè)量準(zhǔn)確迅速，方便，且靈敏度 高，響應(yīng)時(shí)間快，光譜分辨率高，測(cè)量結(jié)果可立即 從顯示屏上讀出或由打印機(jī)，繪圖儀輸出。它己被 廣泛使用于幾乎所有的光譜測(cè)量，分析及研究工作 中，特別適應(yīng)于對(duì)微弱信號(hào)，瞬變信號(hào)的檢測(cè)。5光學(xué)在高新技

19、術(shù)中的應(yīng)用5.1 X光線在醫(yī)學(xué)中的應(yīng)用從1895年德國(guó)物理學(xué)家倫琴發(fā)現(xiàn) X線至今已 有100多年的歷史，X線透視和攝片為人類的健康 做出了巨大的貢獻(xiàn)，而今影像醫(yī)學(xué)作為一門(mén)嶄新的 學(xué)科，在近20年中以技術(shù)的快速發(fā)展和作用的日 益擴(kuò)大而受到普遍的重視，在我國(guó)大中城市的大醫(yī) 院中，影像學(xué)科已成為醫(yī)院的重要科室，在醫(yī)院的 醫(yī)療業(yè)務(wù)、設(shè)備投資、科研中占有重要的地位。X線之所以能使人體在熒光屏上或膠片上形成 影像，一方面是基于 X線的特性，即其穿透性、熒 光效應(yīng)和攝影效應(yīng)；另一方面是基于人體組織有密東南大學(xué)大學(xué)物理課程論文度和厚度的差別。由于存在這種差別， 當(dāng)X線透過(guò) 人體各種不同組織結(jié)構(gòu)時(shí)，它被吸收的程

20、度不同， 所以達(dá)到熒光屏或 X線片上的X線量即有差異。 這樣，在熒光屏或X線片上就形成黑白對(duì)比不同的 影像。因此，X線影像的形成，應(yīng)具備以下三個(gè)基本 條件：首先，X線應(yīng)具有一定的穿透力，這樣才能 穿透被照射的組織結(jié)構(gòu)， 第二，被穿透的組織結(jié)構(gòu)， 必須存在著密度和厚度的差異，這樣，在穿透過(guò)程 中校吸收后剩余下來(lái)的 X線量，才會(huì)是有差別的； 第三，這個(gè)有差別的剩余 X線，仍是不可見(jiàn)的，還 必須經(jīng)過(guò)顯像這一過(guò)程，例如經(jīng)X線照片或熒光屏 顯像，才能顯示出具有黑白對(duì)比和層次差異的 X線 影像。X線穿透密度不同的組織時(shí)，密度高的組織被 吸收的多，密度低的組織被吸收的少，因而剩余的 X線量就出現(xiàn)差別，從而形

21、成黑白對(duì)比的 X線影像5.2 光纖通信及在配電網(wǎng)上的應(yīng)用5.2.1 波分復(fù)用技術(shù)波分復(fù)用技術(shù)可以充分利用單模光纖低損耗 區(qū)帶來(lái)的巨大帶寬資源。根據(jù)每一信道光波的頻率 （或波長(zhǎng)）不同，將光纖的低損耗窗口劃分成若干個(gè) 信道，把光波作為信號(hào)的載波，在發(fā)送端采用波分 復(fù)用器（合波器），將不同規(guī)定波長(zhǎng)的信號(hào)光載波合 并起來(lái)送入一根光纖進(jìn)行傳輸。在接收端，再由一 波分復(fù)用器（分波器）將這些不同波長(zhǎng)承載不同信號(hào) 的光載波分開(kāi)。由于不同波長(zhǎng)的光載波信號(hào)可以看 作互相獨(dú)立（不考慮光纖非線性時(shí)），從而在一根光 纖可實(shí)現(xiàn)多路光信號(hào)的復(fù)用傳輸。5.2.2 光纖接入技術(shù)光纖接入網(wǎng)是信息高速公路的最后一公里實(shí)現(xiàn)信息傳輸?shù)母咚倩?，滿足大眾的需求，不僅要 有寬帶的主干傳輸網(wǎng)絡(luò)，用戶接入部分更是關(guān)鍵， 光纖接入網(wǎng)是高速信息流進(jìn)千家萬(wàn)戶的關(guān)鍵技術(shù)。 在光纖寬帶接入中，由于光纖到達(dá)位置的不同，有 FTTB、FTTC、FTTCab和FTTH 等不同的應(yīng)用， 統(tǒng)稱FTTxo FTTH（光纖到戶）是光纖寬帶接入的最 終方式，它提供全光的接入，因此，可以充分利用 光纖的寬帶特性，為用戶提供所需要的不受限制的 帶寬，充分滿足寬帶接入的需求。目前，國(guó)內(nèi)的技 術(shù)可以為用戶提供 FE或GE的帶寬，對(duì)大中型企 業(yè)用戶來(lái)說(shuō)，是比較理想的接入方式。5.3 OL