光学与我们的生活.ppt

现代光学前沿讲座 2013-07-28,光与我们的生活 郑海荣 陕西师范大学 物理学与信息技术学院 现代光学研究所,Light and Optics in our daily life 生活中的光与光学 About the Optics -Optical Science 光学 Understanding the Light 对光的认识 The Origin of light 光的产生 Color Display 彩色显示器 Microscopic and imagine 显微镜与成像 Laser 激光 Nanomaterials 纳米材料,Outline,Light and Optics in our daily life 生活中的光与光学,4,Sun light,5,Rainbow,6,Bio-fluorescence,同星珊瑚,海洋生物,7,A colorful sky is often due to scattering of light off particules and pollution,8,The 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 light from the sky.,9,When oil or fuel is spilled, colorful patterns are formed by thin-film interference.,10,Creation and application of the Light,11,Indicator,12,液晶平板LCD显示器,等离子体平板PDP显示器,阴极射线管显示CRT,13,Camera,Amplifier,14,Glasses,15,Telescope,Microscope,16,哈勃太空望远镜,Space Telescope,17,斯必泽空间望远镜（Spitzer Space Telescope，缩写为SST） 是美国宇航局2003年发射的一颗红外天文卫星，是大型轨道天文台计划的最后一台空间望远镜,18,天体物理紧密衔接 粒子物理,光学已应用到物理学的各个空间尺度,About the Optics -Optical Science 光学,20,Optics,Optics 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 usually describes the behavior of visible, ultraviolet, and infrared light.,21,Models：,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 and interference that cannot be accounted for in geometric optics.,22,Nature of Light,Light 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 characteristics of waves.,Understanding the Light 对光的认识,24,Light dispersion through a prism,25,Color vs. Frequency/wavelength,High frequency (blue) light is deflected the most, Low frequency (red) light is deflected the least.,26,27,Position of the visible light,28,Visible spectrum from violet (400nm) to red (700nm),from left to right: Gamma rays, X-rays, ultraviolet rays, visible spectrum, infrared, microwaves, radio waves.,29,Light spectrum,Spectrum of sunlight,The Origin of light 光的产生,31,Nuclear model of atom,量子理论 能级位置、跃迁几率 能级位置 谱线频率/荧光波长 本征函数 谱线强度/跃迁几率,32,能级结构 Energy levels,33,跃迁过程 Optical transition,34,Light Absorption and Emission,35,Mechanism of the up-conversion from Pr3+:LaF3,Interactions among Ln3+ ions result in the energy transfer between the ions,D,A,Phonon assisted energy transfer,Process of light emission,36,Result of transition between energy levels,37,Color Display 彩色显示器,38,液晶平板显示器LCD,等离子体平板显示器PDP,阴极射线管显示CRT,彩色显示器工作原理,39,基本概念1 三原色（RGB）,三种选定的颜色.各色相互独立，其中任一种不能由另外两种混合而得；当它们以不同比例混合就可得到不同的颜色。 三原色的选择在原则上是任意的，但验研究发现，人的眼睛对红、绿、蓝三种颜色反应最灵敏，而且它们的配色范围广，色可以随意配出自然界中的大部分颜色，因此在大多数显示器中选用红（R）、绿（G）、蓝（B）作为三原色.,40,基本概念2 像素（pixel ）,象素是指组成图像的最小单位，也即发光“点”。 荧光屏上按一定方式紧密排列的红、绿、蓝三种颜色的荧光粉点或荧光粉条，称为荧光粉单元，相邻的红、绿、蓝荧光粉单元各一个为一组，学名称之为像素（pixel ）。每个像素中都拥有红、绿、蓝(R、G、B)三原色.,41,基本概念3 点距(Dot Pitch)、分辨率(Resolution),点距是指屏幕上两个相邻荧光点的距离，点距越小，显示器显示图形越清晰。常见点距规格有0.31mm、0.28mm、0.25mm等，某些产品甚至达到0.21mm。 分辨率指屏幕上象素的数目。数目越大，分辨率也就越高，显示器的性能越好。,42,主要构成：电子枪(Electron gun)、偏转线圈(Deflection coils)、荫罩(Shadow mask)、荧光粉层(phosphor)和玻璃外壳(荧光屏)。,显象管,电子枪,CRT显示器 (阴极射线显像管),43,CRT显示器工作原理,显像管内的电子枪所发射的电子束穿过阴极罩上的小孔，聚焦在内层涂满了无数三原色（RGB，红绿蓝）荧光粉的玻璃屏幕上，使荧光粉激发并发光，最终在荧光屏形成有电子束位置所控制的显示画面。,44,原理：利用液晶的光学各项异性，在通电时导通，使液晶排列变得有秩序，使光线容易通过；不通电时，排列则变得混乱，阻止光线通过。常用液晶为Nematic类型。 特点：体积小、重量轻、省电、不产生高温, 低辐射、 画面柔和不伤眼等。 响应时间反应了液晶显示器各像素点对输入信号反应的速度，此值愈小愈好。响应时间越小，播放动态影像时才清晰无残影，不会产生影像拖尾的现象。,液晶显示器LCD（Liquid Crystal Display）,45,LCD显示器 工作原理,液晶，即液态晶体。是一种在常温条件下呈现出既有液体的流动性，又有晶体的光学各向异性的有机化合物. 当通电时分子排列有秩序，使光线容易通过；不通电时排列混乱，阻止光线通过。 LCD技术是把液晶灌入两个列有细槽的平面之间，利用LC在电场作用下的光学旋转性质调节通过LCD平板的光强。即当给液晶上加一个电压时，液晶分子便会转动，从而改变光透过率,从而实现多灰阶显示。因此 LCD是依赖极化滤光器(片)和光线本身。 对于更加复杂的彩色显示器而言，还要具备专门处理彩色显示的色彩过滤层。通常，在彩色LCD面板中，每一个像素都是由三个液晶单元格构成，其中每一个单元格前面都分别有红色，绿色，或蓝色的过滤器。这样，通过不同单元格的光线就可以在屏幕上显示出不同的颜色。,46,Liquid Crystal Pixel: ON,47,Liquid Crystal Pixel: OFF,48,LCD Lighting Theory,49,Operation of twisted nematic field effect mode liquid crystal cell.,50,LCD 主要结构,冷阴极荧光灯作为背光源,51,薄膜晶体管液晶显示 TFT LCD (Thin Film Transistor LCD),TFT是有源矩阵类型液晶显示器,在其背部设置特殊光管,可以主动对屏幕上的各个独立的像素进行控制,这也是所谓的主动矩阵TFT的来历。 TFT LCD具有三明治状的结构，液晶填充在两片玻璃之间。笔记本液晶屏常用的是TFT。,52,LED背光液晶显示器,“LED背光液晶显示器”即目前市面上所谓的LED显示器。 仍属液晶显示器，只是背光源不一样而已：它用LED代替了传统的液晶背光模组。 因为采用了固态发光器件，对环境的适应能力非常强，所以LED的使用温度范围广、低电压、耐冲击。而且LED光源没有任何射线产生，低电磁辐射、无汞可谓是绿色环保光源。,53,有机发光显示器 OLED Organic Light-Emitting Diode,也称有机发光二极管。是通过电流驱动有机薄膜本身发光，发的光可为红、绿、蓝、白等单色，同样也可以达到全彩的效果。 发光机理：在外界电压的驱动下，由电极注入的电子和空穴在有机材料中复合而释放出能量，并将能量传递给有机发光物质的分子使其激发，从基态跃迁到激发态，当受激分子回到基态时辐射跃迁而产生发光现象。 OLED是一种不同于CRT，LED和液晶技术的全新发光原理。 是与LED背光完全不同的显示技术。,54,LED显示屏（LED panel）,LED显示屏（LED panel），通过控制半导体发光二极管的显示方式，用来显示文字、图形图像、动画、视频、录像信号等各种信息的显示屏幕。 LED显示器结构及分类：通过发光二极管芯片的适当连接（包括串联和并联）和适当的光学结构。可构成发光显示器的发光段或发光点。由这些发光段或发光点可以组成数码管、符号管、米字管、矩阵管、电平显示器管等等。通常把数码管、符号管、米字管共称笔画显示器，而把笔画显示器和矩阵管统称为字符显示器。,55,等离子显示器PDP（Plasma Display Panel）,PDP又称电浆显示器,是采用了近几年来高速发展的等离子平面屏幕技术的新一代显示设备，是继CRT、LCD后的最新一代显示器。其特点是厚度极薄，分辨率佳. 优越性：不受磁力和磁场影响，具有机身纤薄、重量轻、屏幕大、色彩鲜艳、画面清晰、亮度高、失真度小、视觉感受舒适、节省空间等优点。纯平面图像无扭曲,环保无辐射。,56,PDP 的工作原理,是一种利用气体放电的显示技术，其工作原理与日光灯很相似。它以等离子管作为发光元件，大量的等离子管排列在一起构成屏幕，每个等离子对应的每个小室内都充有氖氙气体，在等离子管电极间加上高压后，封在两层玻璃之间的等离子管小室中的气体会产生紫外光，并激发平板显示屏上的红绿蓝三基色荧光粉发出可见光。每个等离子管作为一个像素，由这些像素的明暗和颜色变化组合使之产生各种灰度和色彩的图像，类似显像管发光。,57,等离子管,PDP屏幕上每一个等离子管对应一个像素，屏幕以玻璃作为基板，基板间隔一定距离，四周经气密性封接形成一个个放电空间。放电空间内充入氖、氙等混合惰性气体作为工作媒质。在两块玻璃基板的内侧面上涂有金属氧化物导电薄膜作激励电极。 PDP技术按其工作方式可分为电极与气体直接接触的直流型PDP和电极上覆盖介质层的交流型PDP两大类。,Microscopic and imagine 显微镜与成像,59,光学显微镜,60,复膜显示出了标本蚀刻面的形态，在电镜下得到的影像即代表标本中细胞断裂面处的结构。,人类血细胞SEM照片,人类血细胞SEM照片,61,TEM,TEM， SEM， STEM,62,IBM的实验室用铁原子拼出的汉字“原子”,63,光学及电子显微镜,Optical Microscope TEM SEM,Optical Microscope TEM SEM,64,显微镜工作原理,Laser 激光,66,The Most Important Progresses Made in Science and Technology During the 20th Centenary,Laser technology（激光技术） Semiconductor（半导体） Computer（计算机） Biotechnology（生物技术） Nuclear technology（核技术） Nanotechnology (纳米技术) Aerospace technology（航空航天技术）,67,1860年，Maxwell建立了光的电磁理论 1900年，Plank提出了光量子假说 1916年，Einstein提出受激辐射理论 1953年，Towns建立了第一台微波激射器(maser) 1958年，Towns, Shawlow开始研制激光器 1960年，Maiman制成第一台红宝石激光器 1961年，长春光机所制成我国第一台激光器 -1965年，激光光谱用于大气污染分析；半导体激光器用于 激光通讯；CO2激光器用于机关熔炼、激光切割、激光钻孔 -1969年，月球上设置激光反射器；地面与卫星通讯 1982年，激光全息术诞生 80-90年代，激光外科手术、通讯、光盘、激光武器,光物理研究孕育激光器的诞生,68,激光技术与工程的迅速发展及其深刻影响,激光的特性使之在光学应用领域带来了革命性的变化：,69,激光器的品种迅速增加： 固体激光器、半导体激光器、固体激光器（半导体激光泵浦） 化学激光器（HF/DF激光、氧碘化学激光器、CO2激光、燃料激光、氦氖激光）、 自由电子激光器、 x射线激光器、 准分子激光器、 金属蒸气激光器等。,激光技术与工程的迅速发展及其深刻影响,铜蒸气激光,70,激光器的输出水平不断提高： 中、小功率器件 波长：线（几千条分立谱线） 脉冲体制从连续波、准连续波到各种短脉冲、超短脉冲激光。 连续的高能激光单次输出能量已达106J以上； 超短脉冲：纳秒 脉冲功率密度则可高达1020W/cm2以上。,高功率、高能量激光器；,亚毫米(THz),x射线,激光技术与工程响,阿秒,飞秒,皮秒,71,激光应用的开创性表现在 ： 激光光谱技术比传统的分辨率提高了百万倍，灵敏度提 高了百亿倍； 激光为信息技术开拓了丰富的频率资源；,激光技术与工程,布满全球的光纤网，加上卫星通信网，形成了信息高速公路的基础； 光存储、激光全息、激光照排、打印及条码扫描技术等，提供了全新的多样化的信息服务。,可擦除小型光盘的刻录母盘,72, 激光可在很小的区域上聚焦很高的功率密度： 在工业制造中可进行精确的切削和表面改性 做精密的医疗手术 作用于微型靶实现激光核聚变。,激光技术与工程,73, 激光技术开辟了崭新的军事应用，包括： 激光瞄准、制导、测距 激光雷达 激光陀螺 激光引信 激光致盲传感器 高能强激光武器等。,激光技术与工程的迅速发展及其深刻影响,ABL,ABL,Nanomaterials 纳米材料,75,Bulk - 3D,Nano-particles,Nano-particles / Quantum dots,Plane - 2D,Line - 1D,Size is in the range of 101 to 102 nm 1 nm = 10-9 m, Rearth-6371 km=6.371x109 mm,Dot - 0D,76,Confinement effect (限域效应) Surface/interface effect (表面效应/界面效应),Nanocrystal 纳 米 晶 体,77,电子显微 与微观世界,78,稀土发光材料,光致发光（以紫外光或可见光激发） 稀土节能荧光灯，发光涂料 阴极射线发光（以电子束激发） 电视机、示波器、雷达和计算机等各类荧光屏和显示器 X射线发光（以X射线激发） 医用X射线照相用高灵敏度增感屏 电致发光（以电场激发） 等离子显示屏,79,80,Applications,81,Conventional laser spectroscopy,peak position, intensity, distribution,Fluorescence lifetime,Frequency domain,Time domain,Absorption spectra Emission spectra Excitation spectra,Fluorescence decay Time resolved spectra,82,Fundamental methods of spectroscopy,Fundamental measurements Spectrum Energy states Dynamical