光學(xué)與我們的生活課件

1、光學(xué)與我們的生活 Light and Optics in our daily life 生活中的光與光學(xué) About the Optics -Optical Science 光學(xué) Understanding the Light 對光的認識 The Origin of light 光的產(chǎn)生 Color Display 彩色顯示器 Microscopic and imagine 顯微鏡與成像 Laser 激光Nanomaterials 納米材料OutlineLight and Optics in our daily life生活中的光與光學(xué)Sun light4Rainbow5Bio-fluores

2、cence同星珊瑚海洋生物6A colorful sky is often due to scattering of light off particules and pollution7The effects of a polarizing filter on the sky in a photograph. Left picture is taken without polarizer. For the right picture, filter was adjusted to eliminate certain polarizations of the scattered blue li

3、ght from the sky.8When oil or fuel is spilled, colorful patterns are formed by thin-film interference.9Creation and application of the Light 10Indicator11液晶平板LCD顯示器等離子體平板PDP顯示器陰極射線管顯示CRT12CameraAmplifier13Glasses14TelescopeMicroscope15 哈勃太空望遠鏡Space Telescope16斯必澤空間望遠鏡（Spitzer Space Telescope，縮寫為SST）

4、是美國宇航局2003年發(fā)射的一顆紅外天文衛(wèi)星，是大型軌道天文臺計劃的最后一臺空間望遠鏡17天體物理緊密銜接粒子物理光學(xué)已應(yīng)用到物理學(xué)的各個空間尺度18About the Optics -Optical Science光學(xué)OpticsOptics is a branch of physics. It involves the behavior and properties of light, including its interactions with matter and the construction of instruments that use or detect it.It usu

5、ally describes the behavior of visible, ultraviolet, and infrared light. 20Models：Geometric optics：light as a collection of rays that travel in straight lines and bend when they pass through or reflect from surfaces. Physical optics：more comprehensive, it includes wave effects such as diffraction an

6、d interference that cannot be accounted for in geometric optics.21Nature of LightLight has both wave-like and particle-like properties. Explanation：quantum mechanics. Particle-like property：the light is a collection of photons. Wave-like property: the light is an electro-magnetic wave that has the c

7、haracteristics of waves.22Understanding the Light對光的認識Light dispersion through a prism24Color vs. Frequency/wavelength High frequency (blue) light is deflected the most, Low frequency (red) light is deflected the least.2526Position of the visible light 27Visible spectrum from violet (400nm) to red (

8、700nm)from left to right: Gamma rays, X-rays, ultraviolet rays, visible spectrum, infrared, microwaves, radio waves. 28Light spectrum Spectrum of sunlight29The Origin of light光的產(chǎn)生Nuclear model of atom量子理論能級位置、躍遷幾率能級位置譜線頻率/熒光波長本征函數(shù)譜線強度/躍遷幾率31能級結(jié)構(gòu) Energy levels32躍遷過程 Optical transition33Light Absorpti

9、on and Emission 34Mechanism of the up-conversion from Pr3+:LaF3Interactions among Ln3+ ions result in the energy transfer between the ionsDAPhonon assisted energy transfer Process of light emission 35Result of transition between energy levels36Color Display彩色顯示器37液晶平板顯示器LCD等離子體平板顯示器PDP陰極射線管顯示CRT彩色顯示

10、器工作原理38基本概念1 三原色（RGB）三種選定的顏色.各色相互獨立，其中任一種不能由另外兩種混合而得；當它們以不同比例混合就可得到不同的顏色。三原色的選擇在原則上是任意的，但驗研究發(fā)現(xiàn)，人的眼睛對紅、綠、藍三種顏色反應(yīng)最靈敏，而且它們的配色范圍廣，色可以隨意配出自然界中的大部分顏色，因此在大多數(shù)顯示器中選用紅（R）、綠（G）、藍（B）作為三原色.39基本概念2 像素（pixel ） 象素是指組成圖像的最小單位，也即發(fā)光“點”。 熒光屏上按一定方式緊密排列的紅、綠、藍三種顏色的熒光粉點或熒光粉條，稱為熒光粉單元，相鄰的紅、綠、藍熒光粉單元各一個為一組，學(xué)名稱之為像素（pixel ）。每個像素

11、中都擁有紅、綠、藍(R、G、B)三原色.40基本概念3點距(Dot Pitch)、分辨率(Resolution)點距是指屏幕上兩個相鄰熒光點的距離，點距越小，顯示器顯示圖形越清晰。常見點距規(guī)格有0.31mm、0.28mm、0.25mm等，某些產(chǎn)品甚至達到0.21mm。分辨率指屏幕上象素的數(shù)目。數(shù)目越大，分辨率也就越高，顯示器的性能越好。41 主要構(gòu)成：電子槍(Electron gun)、偏轉(zhuǎn)線圈(Deflection coils)、蔭罩(Shadow mask)、熒光粉層(phosphor)和玻璃外殼(熒光屏)。顯象管電子槍CRT顯示器 (陰極射線顯像管)42CRT顯示器工作原理 顯像管內(nèi)的電

12、子槍所發(fā)射的電子束穿過陰極罩上的小孔，聚焦在內(nèi)層涂滿了無數(shù)三原色（RGB，紅綠藍）熒光粉的玻璃屏幕上，使熒光粉激發(fā)并發(fā)光，最終在熒光屏形成有電子束位置所控制的顯示畫面。43原理：利用液晶的光學(xué)各項異性，在通電時導(dǎo)通，使液晶排列變得有秩序，使光線容易通過；不通電時，排列則變得混亂，阻止光線通過。常用液晶為Nematic類型。特點：體積小、重量輕、省電、不產(chǎn)生高溫, 低輻射、 畫面柔和不傷眼等。響應(yīng)時間反應(yīng)了液晶顯示器各像素點對輸入信號反應(yīng)的速度，此值愈小愈好。響應(yīng)時間越小，播放動態(tài)影像時才清晰無殘影，不會產(chǎn)生影像拖尾的現(xiàn)象。液晶顯示器LCD（Liquid Crystal Display）44LC

13、D顯示器 工作原理液晶，即液態(tài)晶體。是一種在常溫條件下呈現(xiàn)出既有液體的流動性，又有晶體的光學(xué)各向異性的有機化合物. 當通電時分子排列有秩序，使光線容易通過；不通電時排列混亂，阻止光線通過。LCD技術(shù)是把液晶灌入兩個列有細槽的平面之間，利用LC在電場作用下的光學(xué)旋轉(zhuǎn)性質(zhì)調(diào)節(jié)通過LCD平板的光強。即當給液晶上加一個電壓時，液晶分子便會轉(zhuǎn)動，從而改變光透過率,從而實現(xiàn)多灰階顯示。因此 LCD是依賴極化濾光器(片)和光線本身。對于更加復(fù)雜的彩色顯示器而言，還要具備專門處理彩色顯示的色彩過濾層。通常，在彩色LCD面板中，每一個像素都是由三個液晶單元格構(gòu)成，其中每一個單元格前面都分別有紅色，綠色，或藍色的

14、過濾器。這樣，通過不同單元格的光線就可以在屏幕上顯示出不同的顏色。45Liquid Crystal Pixel: ON46Liquid Crystal Pixel: OFF47 LCD Lighting Theory 48Operation of twisted nematic field effect mode liquid crystal cell. 49LCD 主要結(jié)構(gòu)冷陰極熒光燈作為背光源 50薄膜晶體管液晶顯示 TFT LCD (Thin Film Transistor LCD) TFT是有源矩陣類型液晶顯示器,在其背部設(shè)置特殊光管,可以主動對屏幕上的各個獨立的像素進行控制,這也是所

15、謂的主動矩陣TFT的來歷。 TFT LCD具有三明治狀的結(jié)構(gòu)，液晶填充在兩片玻璃之間。筆記本液晶屏常用的是TFT。51LED背光液晶顯示器“LED背光液晶顯示器”即目前市面上所謂的LED顯示器。仍屬液晶顯示器，只是背光源不一樣而已：它用LED代替了傳統(tǒng)的液晶背光模組。因為采用了固態(tài)發(fā)光器件，對環(huán)境的適應(yīng)能力非常強，所以LED的使用溫度范圍廣、低電壓、耐沖擊。而且LED光源沒有任何射線產(chǎn)生，低電磁輻射、無汞可謂是綠色環(huán)保光源。52有機發(fā)光顯示器 OLED Organic Light-Emitting Diode也稱有機發(fā)光二極管。是通過電流驅(qū)動有機薄膜本身發(fā)光，發(fā)的光可為紅、綠、藍、白等單色，同

16、樣也可以達到全彩的效果。發(fā)光機理：在外界電壓的驅(qū)動下，由電極注入的電子和空穴在有機材料中復(fù)合而釋放出能量，并將能量傳遞給有機發(fā)光物質(zhì)的分子使其激發(fā)，從基態(tài)躍遷到激發(fā)態(tài)，當受激分子回到基態(tài)時輻射躍遷而產(chǎn)生發(fā)光現(xiàn)象。OLED是一種不同于CRT，LED和液晶技術(shù)的全新發(fā)光原理。 是與LED背光完全不同的顯示技術(shù)。53LED顯示屏（LED panel）LED顯示屏（LED panel），通過控制半導(dǎo)體發(fā)光二極管的顯示方式，用來顯示文字、圖形圖像、動畫、視頻、錄像信號等各種信息的顯示屏幕。LED顯示器結(jié)構(gòu)及分類：通過發(fā)光二極管芯片的適當連接（包括串聯(lián)和并聯(lián)）和適當?shù)墓鈱W(xué)結(jié)構(gòu)?？蓸?gòu)成發(fā)光顯示器的發(fā)光段或發(fā)

17、光點。由這些發(fā)光段或發(fā)光點可以組成數(shù)碼管、符號管、米字管、矩陣管、電平顯示器管等等。通常把數(shù)碼管、符號管、米字管共稱筆畫顯示器，而把筆畫顯示器和矩陣管統(tǒng)稱為字符顯示器。 54等離子顯示器PDP（Plasma Display Panel）PDP又稱電漿顯示器,是采用了近幾年來高速發(fā)展的等離子平面屏幕技術(shù)的新一代顯示設(shè)備，是繼CRT、LCD后的最新一代顯示器。其特點是厚度極薄，分辨率佳.優(yōu)越性：不受磁力和磁場影響，具有機身纖薄、重量輕、屏幕大、色彩鮮艷、畫面清晰、亮度高、失真度小、視覺感受舒適、節(jié)省空間等優(yōu)點。純平面圖像無扭曲,環(huán)保無輻射。55PDP 的工作原理 是一種利用氣體放電的顯示技術(shù)，其工

18、作原理與日光燈很相似。它以等離子管作為發(fā)光元件，大量的等離子管排列在一起構(gòu)成屏幕，每個等離子對應(yīng)的每個小室內(nèi)都充有氖氙氣體，在等離子管電極間加上高壓后，封在兩層玻璃之間的等離子管小室中的氣體會產(chǎn)生紫外光，并激發(fā)平板顯示屏上的紅綠藍三基色熒光粉發(fā)出可見光。每個等離子管作為一個像素，由這些像素的明暗和顏色變化組合使之產(chǎn)生各種灰度和色彩的圖像，類似顯像管發(fā)光。56等離子管PDP屏幕上每一個等離子管對應(yīng)一個像素，屏幕以玻璃作為基板，基板間隔一定距離，四周經(jīng)氣密性封接形成一個個放電空間。放電空間內(nèi)充入氖、氙等混合惰性氣體作為工作媒質(zhì)。在兩塊玻璃基板的內(nèi)側(cè)面上涂有金屬氧化物導(dǎo)電薄膜作激勵電極。 PDP技術(shù)

19、按其工作方式可分為電極與氣體直接接觸的直流型PDP和電極上覆蓋介質(zhì)層的交流型PDP兩大類。 57Microscopic and imagine顯微鏡與成像光學(xué)顯微鏡59復(fù)膜顯示出了標本蝕刻面的形態(tài)，在電鏡下得到的影像即代表標本中細胞斷裂面處的結(jié)構(gòu)。人類血細胞SEM照片人類血細胞SEM照片60TEMTEM， SEM， STEM61IBM的實驗室用鐵原子拼出的漢字“原子”62光學(xué)及電子顯微鏡 Optical Microscope TEM SEMOptical Microscope TEM SEM63顯微鏡工作原理eyepieceLight sourcelensessampleobjectivefl

20、uorescent screen and image on itOptic MicroscopeElectron sourceMagnetic lensesprojectorlenseBeam detectorlensdetector Screen Image viewed TEMSEM64Laser激光The Most Important Progresses Made in Science and Technology During the 20th CentenaryLaser technology（激光技術(shù)）Semiconductor（半導(dǎo)體）Computer（計算機）Biotechn

21、ology（生物技術(shù)）Nuclear technology（核技術(shù)）Nanotechnology (納米技術(shù))Aerospace technology（航空航天技術(shù)）66 1860年，Maxwell建立了光的電磁理論 1900年，Plank提出了光量子假說 1916年，Einstein提出受激輻射理論 1953年，Towns建立了第一臺微波激射器(maser) 1958年，Towns, Shawlow開始研制激光器 1960年，Maiman制成第一臺紅寶石激光器 1961年，長春光機所制成我國第一臺激光器 -1965年，激光光譜用于大氣污染分析；半導(dǎo)體激光器用于 激光通訊；CO2激光器用于機關(guān)

22、熔煉、激光切割、激光鉆孔 -1969年，月球上設(shè)置激光反射器；地面與衛(wèi)星通訊 1982年，激光全息術(shù)誕生 80-90年代，激光外科手術(shù)、通訊、光盤、激光武器 光物理研究孕育激光器的誕生67激光技術(shù)與工程的迅速發(fā)展及其深刻影響 激光的特性使之在光學(xué)應(yīng)用領(lǐng)域帶來了革命性的變化：方向性單色性相干性高亮度68激光器的品種迅速增加：固體激光器、半導(dǎo)體激光器、固體激光器（半導(dǎo)體激光泵浦）化學(xué)激光器（HF/DF激光、氧碘化學(xué)激光器、CO2激光、燃料激光、氦氖激光）、自由電子激光器、x射線激光器、準分子激光器、金屬蒸氣激光器等。激光技術(shù)與工程的迅速發(fā)展及其深刻影響銅蒸氣激光69 激光器的輸出水平不斷提高：中、

23、小功率器件波長：線（幾千條分立譜線）脈沖體制從連續(xù)波、準連續(xù)波到各種短脈沖、超短脈沖激光。連續(xù)的高能激光單次輸出能量已達106J以上；超短脈沖：納秒 脈沖功率密度則可高達1020W/cm2以上。 高功率、高能量激光器；亞毫米(THz)x射線激光技術(shù)與工程響阿秒飛秒皮秒70 激光應(yīng)用的開創(chuàng)性表現(xiàn)在 ： 激光光譜技術(shù)比傳統(tǒng)的分辨率提高了百萬倍，靈敏度提 高了百億倍； 激光為信息技術(shù)開拓了豐富的頻率資源；激光技術(shù)與工程布滿全球的光纖網(wǎng)，加上衛(wèi)星通信網(wǎng)，形成了信息高速公路的基礎(chǔ)；光存儲、激光全息、激光照排、打印及條碼掃描技術(shù)等，提供了全新的多樣化的信息服務(wù)。 可擦除小型光盤的刻錄母盤71 激光可在很小

24、的區(qū)域上聚焦很高的功率密度：在工業(yè)制造中可進行精確的切削和表面改性做精密的醫(yī)療手術(shù)作用于微型靶實現(xiàn)激光核聚變。激光技術(shù)與工程72 激光技術(shù)開辟了嶄新的軍事應(yīng)用，包括：激光瞄準、制導(dǎo)、測距激光雷達激光陀螺激光引信激光致盲傳感器高能強激光武器等。 激光技術(shù)與工程的迅速發(fā)展及其深刻影響ABLABL73Nanomaterials納米材料Bulk - 3DNano-particlesNano-particles / Quantum dots Plane - 2DLine - 1DSize is in the range of 101 to 102 nm1 nm = 10-9 m, Rearth-6371

25、 km=6.371x109 mmDot - 0D75Confinement effect(限域效應(yīng))Surface/interface effect (表面效應(yīng)/界面效應(yīng))Nanocrystal 納 米 晶 體761959年1981年1985年1986年1987年1988年1989年1990年1991年2000年2002年1997年電子顯微 與微觀世界77稀土發(fā)光材料光致發(fā)光（以紫外光或可見光激發(fā)） 稀土節(jié)能熒光燈，發(fā)光涂料陰極射線發(fā)光（以電子束激發(fā)） 電視機、示波器、雷達和計算機等各類熒光屏和顯示器 X射線發(fā)光（以X射線激發(fā)） 醫(yī)用X射線照相用高靈敏度增感屏電致發(fā)光（以電場激發(fā)） 等離子顯示屏 7879 Applications80Conventional laser spectroscopypeak position, intensity, distributionFluorescence lifetimeFrequency domainTime domainAbsorption spectraEmission spectraExcitation spectraFluorescence decayTime resolved spectra81F