光的本性精品課件

1、光的本性第1頁(yè)，共61頁(yè)，2022年，5月20日，4點(diǎn)39分，星期一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(dāng)酒精燈的火焰照射到薄膜上時(shí)，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(zhǎng)越長(zhǎng)，干涉條紋越寬第2頁(yè)，共61頁(yè)，2022年，5月20日，4點(diǎn)39分，星期一白光的薄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。第3頁(yè)，共61頁(yè)，2022年，5月20日，4點(diǎn)39分，星期一光的波動(dòng)性-光的衍射兩個(gè)主要特點(diǎn)，光傳播方向會(huì)變，經(jīng)障礙物后會(huì)繞到其幾何陰影區(qū)域中去；在幾何陰影區(qū)附近，波的強(qiáng)度會(huì)有起伏

2、。第4頁(yè)，共61頁(yè)，2022年，5月20日，4點(diǎn)39分，星期一生活中，極少發(fā)現(xiàn)光繞到障礙物后面去的衍射現(xiàn)象 只有當(dāng)障礙物的尺寸與波長(zhǎng)相近時(shí)，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(zhǎng)在可見光區(qū)是(0.4-0.7)微米，故其衍射現(xiàn)象少見。第5頁(yè)，共61頁(yè)，2022年，5月20日，4點(diǎn)39分，星期一 自然光或非偏振光如果電場(chǎng)振動(dòng)方向漫無規(guī)則，則該光為光波的偏振特性 偏振光電場(chǎng)矢量具有一定的規(guī)則 振動(dòng)面線偏振光的振動(dòng)方向與傳播方向構(gòu)成的平面。 部分偏振光園偏振光橢園偏振光第6頁(yè)，共61頁(yè)，2022年，5月20日，4點(diǎn)39分，星

3、期一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(huì)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(shí)加用偏振鏡，并適當(dāng)?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。第7頁(yè)，共61頁(yè)，2022年，5月20日，4點(diǎn)39分，星期一1.3-4 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。第8頁(yè)，共61頁(yè)，2022年，5月20日，4點(diǎn)39分，星期一對(duì)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(gè)問題。第9頁(yè)，共61頁(yè)，2022年，5月20日，4

4、點(diǎn)39分，星期一一、光的相干性 光的相干性就是指在不同空間點(diǎn)、不同時(shí)刻的光波場(chǎng)的某些特性(例如光波場(chǎng)的相位)之間的相關(guān)性。時(shí)間相干空間相干光的相干有兩種類型第10頁(yè)，共61頁(yè)，2022年，5月20日，4點(diǎn)39分，星期一時(shí)間相干性 時(shí)間相干性是指同一空間點(diǎn)上，兩個(gè)不同時(shí)刻光波場(chǎng)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(diǎn)，在同一時(shí)刻光波場(chǎng)之間的相干性。t1t1t1t2第11頁(yè)，共61頁(yè)，2022年，5月20日，4點(diǎn)39分，星期一時(shí)間相干性的含義 從原理上，可以在光路上兩點(diǎn)通過兩個(gè)分束器取出部分光，考察信號(hào)間的相關(guān)效應(yīng)。 兩個(gè)信號(hào)相關(guān)，則可以由一點(diǎn)的光電場(chǎng)(振幅、相位)確定另一點(diǎn)

5、的光電場(chǎng)(振幅、相位)?；蛴煽臻g一點(diǎn)某時(shí)刻的光電場(chǎng)確定另一時(shí)刻的光電場(chǎng)。第12頁(yè)，共61頁(yè)，2022年，5月20日，4點(diǎn)39分，星期一相干長(zhǎng)度tC=LC/C，為相干時(shí)間，光波在該相干時(shí)間內(nèi)是時(shí)間相干的。 tC愈大，光的時(shí)間相干性愈好。 改變兩鏡間的距離時(shí)，干涉條紋將產(chǎn)生變化。當(dāng)鏡間距離增加到某一長(zhǎng)度LC時(shí)，干涉效應(yīng)消失，這個(gè)長(zhǎng)度稱為相干長(zhǎng)度。光傳播速度c為常數(shù)，相應(yīng)該長(zhǎng)度有一個(gè)光的傳播時(shí)間.第13頁(yè)，共61頁(yè)，2022年，5月20日，4點(diǎn)39分，星期一空間相干性 空間相干性是指在同一時(shí)刻、垂直于光傳播方向上的兩個(gè)不同空間點(diǎn)上的光波場(chǎng)之間的相干性。如果兩個(gè)信號(hào)相關(guān)，即可由一個(gè)空間點(diǎn)的光電場(chǎng)確定另

6、一空間點(diǎn)的光電場(chǎng)。第14頁(yè)，共61頁(yè)，2022年，5月20日，4點(diǎn)39分，星期一雙孔屏上存在著一個(gè)以O(shè)點(diǎn)為對(duì)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(diǎn)光源，屏上會(huì)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。第15頁(yè)，共61頁(yè)，2022年，5月20日，4點(diǎn)39分，星期一S1和S2處的場(chǎng)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。 式中是兩縫間距對(duì)光源的張角。第16頁(yè)，共61頁(yè)，2022年，5月20日，4點(diǎn)39分

7、，星期一二、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(shí)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(yuǎn)(與每一個(gè)波列的持續(xù)時(shí)間相比)，在時(shí)間上是隨機(jī)的。第17頁(yè)，共61頁(yè)，2022年，5月20日，4點(diǎn)39分，星期一 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(gè)長(zhǎng)度有限的波列按傅里葉展開時(shí)，相當(dāng)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(shí)間c與之間有如下的關(guān)系： （c）（）1 c相干時(shí)間。第18頁(yè)，共61頁(yè)，2022年，5月20日，4點(diǎn)39分，星期一

8、 光源發(fā)出的波列頻帶愈窄，單色性愈好，相干時(shí)間愈長(zhǎng)，時(shí)間相干性愈好。 對(duì)于普通光源來說，它們產(chǎn)生波列的頻帶很寬，單色性很差，時(shí)間相干性很差。（c）（）1 c相干時(shí)間。第19頁(yè)，共61頁(yè)，2022年，5月20日，4點(diǎn)39分，星期一 對(duì)于普通光源 從一個(gè)原子不同時(shí)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(gè)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(shí)驗(yàn)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(dǎo)致干涉效應(yīng)很差。第20頁(yè)，共61頁(yè)，2022年，5月20日，4點(diǎn)39分，星期一三、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

9、 (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。第21頁(yè)，共61頁(yè)，2022年，5月20日，4點(diǎn)39分，星期一 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(zhǎng)度為高。限定一個(gè)空間V。它被定義為相干體積，即V=ctc (x)2第22頁(yè)，共61頁(yè)，2022年，5月20日，4點(diǎn)39分，星期一 利用針孔限制光源的有效尺寸或用濾光器限制其波長(zhǎng)范圍，以獲得較好的相干性，光強(qiáng)非常弱。綜上所述普通光源處于激發(fā)態(tài)的原子發(fā)

10、射光的振幅、相位隨著時(shí)間隨機(jī)地起伏變化，其時(shí)間、空間相干性都很差。第23頁(yè)，共61頁(yè)，2022年，5月20日，4點(diǎn)39分，星期一 激光器中受激原子的發(fā)光不是自發(fā)地、隨機(jī)地進(jìn)行，是受激發(fā)射，激光器作光源即可得到很好的干涉圖形。 第24頁(yè)，共61頁(yè)，2022年，5月20日，4點(diǎn)39分，星期一1.3-5 電磁波譜 進(jìn)一步證實(shí)了X射線、射線等都是電磁波。它們的頻率(或波長(zhǎng))范圍差別很大。按其頻率(或波長(zhǎng)) 次序排列成如圖l1所示的譜稱其為電磁波譜。第25頁(yè)，共61頁(yè)，2022年，5月20日，4點(diǎn)39分，星期一電磁波譜第26頁(yè)，共61頁(yè)，2022年，5月20日，4點(diǎn)39分，星期一光學(xué)區(qū)域(或光學(xué)頻譜)包

11、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(zhǎng)表征，光譜區(qū)域的波長(zhǎng)范圍約從10-7cm到lmm?？梢姽馐侨搜劭梢钥吹降母鞣N顏色光波，第27頁(yè)，共61頁(yè)，2022年，5月20日，4點(diǎn)39分，星期一紅色，076m-063m；橙色，063m-06m；黃色，060m-057m；綠色，057m-050m；青色，050m-045m；藍(lán)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(zhǎng)范圍是076mlmm(相應(yīng)的頻率范圍是41014Hz-31011Hz)。 第28頁(yè)，共61頁(yè)，2022年，5月20日，4點(diǎn)39分，星期一

12、紅外線在地球大氣層中的傳播特性不同，分為如下幾個(gè)波段：近紅外波段 076m-3m；中紅外波段 3m-6m；遠(yuǎn)紅外波段 6m-15m；極遠(yuǎn)紅外波段 15m-1000m。第29頁(yè)，共61頁(yè)，2022年，5月20日，4點(diǎn)39分，星期一近紅外波段，076m-24m (相應(yīng)于原子能級(jí)間躍遷)；中紅外波段，25m-25m (相應(yīng)于分子振動(dòng)一轉(zhuǎn)動(dòng)能級(jí)間的躍遷)；遠(yuǎn)紅外波段，25m以上 (相應(yīng)于分子轉(zhuǎn)動(dòng)能級(jí)間的躍遷)。 根據(jù)紅外輻射產(chǎn)生的機(jī)理不同，可將紅外線劃分為：第30頁(yè)，共61頁(yè)，2022年，5月20日，4點(diǎn)39分，星期一 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

13、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(duì)折射率為n=c/v= （rr）1/2 第31頁(yè)，共61頁(yè)，2022年，5月20日，4點(diǎn)39分，星期一n=（r）1/2 n=c/v=（rr）1/2稱為麥克斯韋關(guān)系。對(duì)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(duì)介電常數(shù)和相對(duì)導(dǎo)磁率。除了鐵磁物質(zhì)外，大多數(shù)物質(zhì)的磁性都很弱，1，第32頁(yè)，共61頁(yè)，2022年，5月20日，4點(diǎn)39分，星期一1.3-6 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

14、時(shí)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(qiáng)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。第33頁(yè)，共61頁(yè)，2022年，5月20日，4點(diǎn)39分，星期一 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(shí)值，只能接收S的平均值。 對(duì)于平面光波來說，在一個(gè)周期內(nèi)的平均值為S=0TSdt/T=（/）-1/2E2/2輻射強(qiáng)度的平均值稱為光強(qiáng)度，即單位時(shí)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(dǎo)磁率。第34頁(yè)，共61頁(yè)，2022年，5月20日，4點(diǎn)39分，星期一 另外，光電效應(yīng) X射線的散射 光作用下進(jìn)行的化學(xué)反應(yīng)等現(xiàn)象 表明與光的波動(dòng)理論

15、相矛盾， 考慮光的微粒性，即光由光子所組成。每個(gè)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(gè)光子組成的光子流的能量。第35頁(yè)，共61頁(yè)，2022年，5月20日，4點(diǎn)39分，星期一 設(shè)頻率為的光束的強(qiáng)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(dòng)量和光壓 光子除具有能量Eh外，還具有動(dòng)量P 由相對(duì)論質(zhì)能關(guān)系 第36頁(yè)，共61頁(yè)，2022年，5月20日，4點(diǎn)39分，星期一 和動(dòng)量的表示式 式中是光的波長(zhǎng)。因?yàn)楣庾拥撵o止質(zhì)量m0=0，所以由上式可得第37頁(yè)，共61頁(yè)，2022年，5月20日，4點(diǎn)39分，

16、星期一既然單個(gè)光子具有動(dòng)量，光子流也具有動(dòng)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(duì)應(yīng)的光子流的動(dòng)量p為第38頁(yè)，共61頁(yè)，2022年，5月20日，4點(diǎn)39分，星期一 當(dāng)在真空中沿某一方向傳輸?shù)墓庾恿魅肷涞轿矬w表面時(shí)，部分光子流被吸收，光子流的動(dòng)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(dòng)量p的方向指向光的傳播方向。第39頁(yè)，共61頁(yè)，2022年，5月20日，4點(diǎn)39分，星期一 P光壓(1+R)W 考慮到WnhvI/c，所以 P光壓 (1+R)(I/c ) 因?yàn)閏很大,光壓都很小，晴天直射的日光被完

17、全吸收時(shí)，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, 第40頁(yè)，共61頁(yè)，2022年，5月20日，4點(diǎn)39分，星期一 歷史上的原因，先對(duì)電磁輻射中的可見光的光通量、光強(qiáng)、亮度、照度等進(jìn)行研究，描述人眼對(duì)光的敏感程度。 三、光能量的量度單位光度學(xué)量受主觀視覺的限制，不是客觀的物理量第41頁(yè)，共61頁(yè)，2022年，5月20日，4點(diǎn)39分，星期一 在光電子學(xué)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(cè)量基礎(chǔ)上的輻射度量學(xué)量。光度學(xué)量可視為輻射度量學(xué)量的特例。第42頁(yè)，共61頁(yè)，2022年，5月20日，4點(diǎn)39分，星期一（一）輻射功率又叫輻射通量

18、它是發(fā)射、傳輸或接收輻射能量的時(shí)間變化率。其定義 Q / t 由于輻射能量是波長(zhǎng)、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?；据椛淞康?3頁(yè)，共61頁(yè)，2022年，5月20日，4點(diǎn)39分，星期一2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(diǎn)附近單位面積發(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dSrdP.dA第44頁(yè)，共61頁(yè)，2022年，5月20日，4點(diǎn)39分，星期一3輻射強(qiáng)度I 描寫點(diǎn)源輻射的功率在空間不同方向上的分布 點(diǎn)源不是輻

19、射源真實(shí)的物理尺寸大小距地球遙遠(yuǎn)的星星，相對(duì)地面上的觀察者所張的角度，可以看成一個(gè)點(diǎn)觀測(cè)距離比源本身的最大尺寸大10倍以上，觀測(cè)裝置是不帶光學(xué)系統(tǒng)的簡(jiǎn)單探測(cè)器，可視為點(diǎn)源。第45頁(yè)，共61頁(yè)，2022年，5月20日，4點(diǎn)39分，星期一 如采用光學(xué)系統(tǒng)，由探測(cè)器的尺寸和輻射源在探測(cè)器表面上的成象尺寸決定，若象比探測(cè)器小，則可將輻射源視為點(diǎn)源。輻射強(qiáng)度是點(diǎn)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(gè)方向上角密度的量度P / 單位是瓦球面度。式中是點(diǎn)源所張的立體角。SddAd 圖2 輻射強(qiáng)度示意圖第46頁(yè)，共61頁(yè)，2022年，5月20日，4點(diǎn)39分，星期一 描述擴(kuò)展源輻射功率在空間和源表面上

20、的分布情況而引入的量。4輻射亮度擴(kuò)展源是指尺寸很大的輻射源。實(shí)際上同一個(gè)輻射源既可以看作點(diǎn)源，又可以看作擴(kuò)展源。 噴氣式飛機(jī)的尾噴口，在1公里以上觀察時(shí)可以看作一個(gè)點(diǎn)源，而在三米內(nèi)觀察時(shí)為一擴(kuò)展源。dSrP.S第47頁(yè)，共61頁(yè)，2022年，5月20日，4點(diǎn)39分，星期一當(dāng)采用光學(xué)系統(tǒng)觀測(cè)時(shí)，光輻射源的象比探測(cè)器大或者說輻射源充滿光學(xué)系統(tǒng)的視場(chǎng)則該輻射源叫做擴(kuò)展源。擴(kuò)展源在某個(gè)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。第48頁(yè)，共61頁(yè)，2022年，5月20日，4點(diǎn)39分，星期一 在擴(kuò)展源表面上某點(diǎn)附近的一個(gè)小面積元dA向半球空間 (2球面度)發(fā)射的輻射功率為d

21、P，該面積元向與面積元法線夾角為的方向上發(fā)射輻射時(shí)，在方向上看到面積元dA的表觀面積為dAcos，dA向方向 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球面度第49頁(yè)，共61頁(yè)，2022年，5月20日，4點(diǎn)39分，星期一5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(diǎn)附近小面積dA上的輻射功率為dP，則被照表面該點(diǎn)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第50頁(yè)，共61頁(yè)，202

22、2年，5月20日，4點(diǎn)39分，星期一輻出度和輻照度區(qū)別 輻出度是源向整個(gè)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(gè)或幾個(gè)源的輻射功率。) 輻照度E 除與被照面上的位置有關(guān)外，還與輻射源的特性及被照明面與源的相對(duì)位置有關(guān)。d2Pd第51頁(yè)，共61頁(yè)，2022年，5月20日，4點(diǎn)39分，星期一 上面輻射量只考慮了輻射功率的空間分布特性。 任何一個(gè)輻射源發(fā)出的輻射或投射到一個(gè)表面上的輻射功率。都有定的頻率分布特征(即光譜特征)，第52頁(yè)，共61頁(yè)，2022年，5月20日，4點(diǎn)39分，星期一 由光譜輻射功率的意義。在波長(zhǎng)為到+d的波長(zhǎng)間隔內(nèi)的輻射功率為 dPPd 若d足夠小，式中dP可稱為波長(zhǎng)為的單色輻射功率，用dP表示。在有限波長(zhǎng)范圍其定義為 12Pd 如果1=0，2= 稱為全輻射功率。第53頁(yè)，共61頁(yè)，2022年，5月20日，4點(diǎn)39分，星期一(二) 基本光度學(xué)量 光度學(xué)涉及能引起視覺響應(yīng)的那部分輻射場(chǎng)。在研究方法上和概念上基本相同。輻射度量學(xué)量度的是電磁輻射場(chǎng)的能量，而光度學(xué)量是光場(chǎng)產(chǎn)生的視覺響應(yīng)。第54頁(yè)，共61頁(yè)，2022年，5月20日，4點(diǎn)39分，星期一 光通量相應(yīng)于輻射度量學(xué)中的輻射通量 單位是流明。 選擇555nm的波長(zhǎng)，人眼白晝視覺在這個(gè)波長(zhǎng)上最靈敏。其定義如下：定義波長(zhǎng)為555nm的單色輻射功率為00015瓦的光通量為一流